逻辑回归

matlab 逻辑回归实现,逻辑回归原理介绍及Matlab实现 一、逻辑回归基本概念1. 什么是逻辑回归逻辑回归就是这样的一个过程:面对一个回归或者分类问题,建立代价函数,然后通过优化方法迭代求解出最优的模型参数,然后测试验证我们这个求解的模型的好坏。Logistic回归虽然名字里带“回归”,但是它实际上是一种分类方法,主要用于两分类问题(即输出只有两种,分别代表两个类别)回归模型中,y是一个定性变量,比如y=0或1,logistic方法主要应用于研究某些事件... 阅读详情

 分类算法与回归算法的不同在于因变量是否是连续变量,逻辑回归可用于分类,本文的内容包括:(一)线性回归分类算法的弊端,(二)逻辑回归函数,(三)、正则化。(图片来自于斯坦福大学Andrew老师所讲得机器学习视频截图)

一、 线性回归分类算法的弊端

线性回归算法预测值为连续的,线性回归分类算法受到训练样本的影响,如下图:

 

(一)对训练样本进行建模,当阈值大于等于0.5时则判断为恶性肿瘤,反之为良性。对于该训练样本的分布,线性回归分类算法能够正确分类,但假如一个特征分布偏离分布区域的训练样本时,则导致线性建模公式发生了改变,如下图蓝色曲线:

线性建模算法因为加入了一个异常的样本而发生了改变,导致了分类错误。

(二)、分类算法的分类结果(二分类)只有0和1两种情况,但是线性回归算法的取值结果不可控,可能远大于1或者小于0,这对分类算法来说非常奇怪(引用andrew老师的话),逻辑回归的算法限制结果范围在【0,1】区间。

二、 逻辑回归函数

逻辑回归函数的表达式:

逻辑回归函数的意义:对于特定的输入特征,其逻辑回归的值代表了为1的概率,如下图:

2.1 决策边界

如上图所示,决策边界可以定为θ^T X,若值大于等于零,则预测y=1的概率大于0.5,因此分类为1,反之分类为0。

分类边界可以应用到非线性分类方向,如下图:

2.2 损失函数

线性回归的损失函数:

若逻辑回归也用该损失函数表达式,则会发现损失函数为非凸函数,有很多局部极值点,运用梯度下降法不能够定为损失函数的全局最小值,因此损失函数最好写成凸函数的表达式。

定义逻辑回归的损失函数:

当训练样本值为1时,如果模型函数值为1,则无损失;若模型值为0,则损失函数值为无穷大;训练样本值为0的情况类似。

        

2.3  损失函数最小化

对m个训练样本,逻辑回归损失函数的表达式:

对于不同类的样本,逻辑回归损失函数可以合并为:

最后,最小化损失函数,得到参数θ,构建模型,逻辑回归的结果是输出为1的概率。

运用梯度下降法来求参数θ:

2.4  多类别分类

当样本判别类别大于两个时,则为多类别分类。

多分类问题可以用一对多的算法来构建分类模型,具体步骤如下(考虑三分类情况):

(1) 选择其中一个类,其余两个类合并为一个类,问题转化为二分类问题,对这二分类构建分类模型;

(2) 重复第一个步骤两次,一共构建三次特定类的分类模型;

(3)输入测试数据,运用逻辑回归分类模型得的输出值,选择最大输出值所对应的分类模型,就是该测试分类结果;

三、 正则化

3.1  过拟合问题

 如下图利用房子大小来预测房子价格的模型中,左一用了线性回归的方法,但是拟合效果很差,与给定数值的结果相差较大,因此称为欠拟合或高偏差;右一运用高阶多项式回归拟合样本数据,损失函数为零,但是泛化效果差,称为过拟合或高方差;中间图形的拟合效果最好。

过拟合:如果利用很多特征来构建模型,训练算法可能很好的拟合训练数据,但是在泛化新的测试数据时,效果很差。

逻辑回归的欠拟合和过拟合问题:

当特征较多且训练样本数据较少时,就会出现过拟合问题。我们有两种方案来解决过拟合问题:
(1)、减少特征数量,i)人工选择保留特征,ii)模型选择算法,模型自动选择哪些变量可以保留,哪些变量舍弃;优点是减少过拟合情况的发生,缺点是舍弃了一些特征,可能会丢失与问题相关的信息。

(2)、正则化,因为每个特征可能对结果都有影响,保留所有与问题相关的特征,但是减小参数θ。

3.2  线性回归正则化

λ为正则化参数,通过求正则化方程的全局最小值来求参数θ。

梯度下降法求正则化全局最小值:

 

θ0的更新与其他参数分开,因为正则化方程没有包含θ0的惩罚参数。

对θj更新结果约等于0.99*θj减去无正则化损失函数的偏导数:

正规方程求正则化全局最小值:

损失函数对参数θ的偏导数设置为零,根据这一等式可以推导正规方程:

讨论正规方程矩阵的不可逆性:

对于样本数小于特征数,则会导致非正则化正规方程中的矩阵的不可逆性(奇异矩阵),但是正则化正规方程矩阵肯定可逆(非奇异矩阵)。

3.3  逻辑回归的正则化

逻辑回归的损失函数正则化方程:

运用梯度下降算法求全局最小值,参数θ迭代更新:

 

                                                            

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