逻辑斯蒂回归(Logistics Regression)简单介绍

本文介绍了统计学习中的经典分类算法——逻辑斯蒂回归。内容涵盖逻辑斯蒂分布的概念,包括分布函数和密度函数的特性,并通过图像展示S型曲线。进一步讨论了逻辑斯蒂回归模型的条件概率分布,解释了几率比和logit函数,指出在Logistics模型中,输出与输入之间的关系呈现线性对数几率。最后提到了贝叶斯公式在推理过程中的应用,以及如何通过极大似然估计求解模型参数。

概念

很多内容摘自李航的《统计学习方法》,在此说明。感谢
在李航《统计学习方法(第二版)》书中写到:逻辑斯蒂回归是统计学中的经典分类算法。
是的,他虽然叫回归,但是他却用于实际中的分类模型
首先介绍逻辑斯蒂分布(Logistics distribution)。
设X是连续随机变量,X服从逻辑斯蒂分布是指X具有下列分布函数和密度函数:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
式中μ为位置参数,s是形状参数。
分布函数属于逻辑斯蒂函数,是一条S型的曲线,又称为sigmoid函数(μ=0,s=1)。该曲线以点(μ,1/2)为中心堆成,曲线在中心点附近增长速度较快,两端增长速度较慢。形状参数s值越小,曲线在中心点增长得越快。
这里我取μ为0,s为1,画出他们的图像
分布函数图像:
在这里插入图片描述

密度函数的图像:
在这里插入图片描述
其实下面的图就是上面的图的导函数。

再看书中定义的逻辑斯蒂回归模型的条件概率分布:

<think>首先,用户查询是关于逻辑回归算法的步骤和流程图。我需要基于系统级指令来构建我的回答。 系统级指令回顾: - 所有行内数学表达式必须使用 `$...$` 格式。 - 独立公式必须使用 `$$...$$` 格式。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。 - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 用户提供了两个引用: - 引用[1]:讨论了逻辑回归的基本原理、关键词如Logistics函数、最大似然估计、梯度下降法。 - 引用[2]:强调了逻辑回归是一种分类方法,优点包括计算代价不高、可解释性等。 用户说:"我想查找逻辑回归算法的步骤和流程图",所以我需要专注于步骤和流程图。 我的回答应该: 1. 结构清晰:逐步介绍逻辑回归算法。 2. 包括必要的数学解释,使用指定的LaTeX格式。 3. 提供一个流程图来描述过程。 4. 最后生成相关问题。 5. 使用中文。 逻辑回归的关键步骤: - 定义模型:使用逻辑函数(sigmoid函数)将线性回归输出映射到概率。 - 公式:$p(y=1|x) = \frac{1}{1 + e^{-(\beta_0 + \beta_1 x_1 + \cdots + \beta_n x_n)}}$ - 损失函数:通常使用对数似然损失或交叉熵损失。 - 参数估计:通过最大化似然函数或最小化损失函数来估计参数,常用梯度下降法。 - 训练过程:迭代更新参数。 - 预测:基于概率阈值进行分类(通常0.5)。 流程图可以包括: 1. 输入数据。 2. 初始化参数(如权重)。 3. 计算预测概率(应用sigmoid函数)。 4. 计算损失(使用对数似然)。 5. 更新参数(使用梯度下降)。 6. 检查收敛(如迭代次数或损失变化)。 7. 输出模型。 8. 预测新数据。 在回答中: - 使用行内数学表达式,如 `$w$` 权重。 - 独立公式,如sigmoid函数。 - 引用用户提供的引用自然地添加标识,如 "[^1]"。 生成相关问题:基于主题,如: 1. 逻辑回归在多分类中的应用? 2. 如何优化梯度下降法? 3. 正则化在逻辑回归中的作用? 4. 逻辑回归与其他分类算法的比较? 确保回答真实可靠:基于标准机器学习的知识。 结构化回答: - 先简要介绍逻辑回归。 - 然后详细描述步骤。 - 提供流程图(用文本描述或用Markdown表示)。 - 结束时添加相关问题。 流程图可以用文本描述或用ASCII art,但由于这里是文本响应,我可以用列表或描述性语言。 </think>### 逻辑回归算法的步骤及流程图 逻辑回归(Logistic Regression)是一种经典的机器学习分类算法,虽然名称包含“回归”,但主要用于二分类或多分类问题。该算法基于概率预测,通过逻辑函数(sigmoid函数)将线性组合映射到[0,1]区间,输出样本属于正类的概率。引用中提到,逻辑回归假设数据服从伯努利分布,通过最大化似然函数(或最小化损失函数),并结合梯度下降法求解参数,具有计算代价低、可解释性强等优点[^1][^2]。以下是算法的详细步骤和流程图描述。 #### 逻辑回归算法的步骤 逻辑回归的核心是训练模型参数(权重和偏置项),以最小化损失函数。具体步骤如下(假设为二分类问题): 1. **模型定义**: 逻辑回归模型使用逻辑函数(sigmoid函数)将线性回归输出转换为概率: $$ p(y=1 | \mathbf{x}) = \frac{1}{1 + e^{-\mathbf{w}^T \mathbf{x} + b}} $$ 其中: - $y$ 是目标变量(0或1)。 - $\mathbf{x}$ 是特征向量(例如 $[x_1, x_2, \dots, x_n]$)。 - $\mathbf{w}$ 是权重向量(例如 $[w_1, w_2, \dots, w_n]$)。 - $b$ 是偏置项。 - 输出 $p(y=1 | \mathbf{x})$ 表示样本属于正类的概率。 2. **损失函数定义**: 使用对数似然损失(Log-Likelihood Loss)或交叉熵损失,以衡量预测概率与实际标签的差异: $$ L(\mathbf{w}, b) = -\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} \left[ y^{(i)} \log(p^{(i)}) + (1 - y^{(i)}) \log(1 - p^{(i)}) \right] $$ 其中: - $m$ 是训练样本数。 - $y^{(i)}$ 是第 $i$ 个样本的实际标签。 - $p^{(i)}$ 是第 $i$ 个样本的预测概率($p(y=1 | \mathbf{x}^{(i)})$)。 - 目标是最小化 $L$,这等价于最大化似然函数[^1]。 3. **参数初始化**: 随机初始化权重 $\mathbf{w}$ 和偏置 $b$(例如,均值为0的小随机值)。 4. **优化求解**: 使用梯度下降法迭代更新参数,以最小化损失函数: - 计算梯度(损失函数对参数的偏导数): $$ \frac{\partial L}{\partial w_j} = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} (p^{(i)} - y^{(i)}) x_j^{(i)} $$ $$ \frac{\partial L}{\partial b} = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} (p^{(i)} - y^{(i)}) $$ - 更新参数: $$ w_j := w_j - \alpha \frac{\partial L}{\partial w_j} $$ $$ b := b - \alpha \frac{\partial L}{\partial b} $$ 其中: - $\alpha$ 是学习率(learning rate),控制更新步长。 - 梯度下降法可加速收敛并避免局部最优[^1]。 5. **迭代训练**: 重复以下过程直至收敛(例如,损失变化小于阈值或达到最大迭代次数): - 前向传播:计算所有样本的 $p^{(i)}$。 - 反向传播:计算梯度并更新参数。 - 收敛条件:通常基于损失值或迭代次数(例如,$|L_{t} - L_{t-1}| < \epsilon$)。 6. **预测决策**: 训练完成后,对新样本 $\mathbf{x}_{\text{new}}$ 进行预测: - 计算概率: $p = \frac{1}{1 + e^{-\mathbf{w}^T \mathbf{x}_{\text{new}} + b}}$。 - 分类决策:如果 $p \geq 0.5$,预测 $y=1$;否则预测 $y=0$。 #### 逻辑回归算法流程图 以下是算法的流程图描述(文本格式),展示了从数据输入到预测的完整过程。流程图包含关键步骤和决策点,便于可视化理解: ```mermaid graph TD A[输入训练数据:特征X和标签Y] --> B[初始化参数:权重w和偏置b] B --> C[迭代训练循环] C --> D[前向传播:计算预测概率p] D --> E[计算损失函数L] E --> F[反向传播:计算梯度] F --> G[更新参数:w和b] G --> H{是否收敛?} H -- 是 --> I[输出训练模型] H -- 否 --> C I --> J[输入新样本] J --> K[计算预测概率p] K --> L[基于阈值分类:p≥0.5为1,否则为0] L --> M[输出预测结果] ``` **流程图解释**: - **输入数据**:训练数据集包括特征矩阵 $\mathbf{X}$ 和标签向量 $\mathbf{y}$。 - **参数初始化**:随机设置 $\mathbf{w}$ 和 $b$。 - **迭代训练**:核心循环包括前向传播(计算概率)、损失计算、梯度计算和参数更新。梯度下降法确保参数逐步优化[^2]。 - **收敛判断**:基于损失变化或迭代次数,防止过拟合。 - **预测阶段**:应用训练好的模型对新数据进行分类,阈值通常为0.5。 - 优点:流程简单高效,适用于大规模数据集;缺点:若线性边界不拟合数据,可能欠拟合[^2]。 #### 注意事项 - **多分类扩展**:逻辑回归可通过“一对多”(One-vs-Rest)策略扩展到多分类问题。 - **正则化**:为防止过拟合,可在损失函数中添加L1或L2正则化项(例如 $L_{\text{reg}} = L + \lambda \|\mathbf{w}\|^2$)。 - **性能优化**:引用强调,梯度下降法可结合学习率衰减或随机梯度下降(SGD)提升效率[^1][^2]。 逻辑回归结合了概率建模和优化技术,在金融风控、医学诊断等领域广泛应用[^2]。
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