一.基于Logistic回归和Sigmoid函数的分类
优点:计算代价不高,易于理解和实现
缺点:容易欠拟合,分类精度可能不高
适用数据类型:数值型和标称型数据
1.1逻辑斯谛分布
分布函数为:
密度函数为:
其中, u 为位置参数,
逻辑斯谛分布的密度函数 f(x) 和分布函数 F(x) 的图形如图所示


逻辑斯谛函数的分布函数是一条S形曲线(sigmoid curve),该曲线以点 (u,12) 为中心对称,即满足
曲线在中心附近增长速度较快,在两端增长速度较慢,形状参数 γ 的值越小,曲线在中心附近增长得越快。
1.2基于最优化方法的最佳回归系数确定
sigmoid函数的输入记为z,则sigmoid函数为:
其中 z=w0x0+w1x1+...+wnxn ,采用向量的形式可以写成 z=wTx ,其中的 x 是分类器的输入数据,向量
1.3二项逻辑斯谛回归模型
二项逻辑斯谛回归模型(binomial logistic regression model)是一种分类模型,由条件概率
P(Y|X)
表示,形式为逻辑斯谛分布。这里随机变量X取值为实数,随机变量Y为1或0。我们通过监督学习的方法来估计模型参数。
定义(逻辑斯谛回归模型)二项逻辑斯谛回归模型是如下的条件概率分布:
这里, x∈Rn 是输入, Y∈ {0,1}是输出, w∈R 是参数
一个事件的几率(odds)是指该事件发生的概率与该事件不发生的概率的比值。如果 P(Y=1|x)=p ,则 odds=p1−p ,则对数几率为:
也就是说,在逻辑斯谛回归模型中,输出 Y=1 的对数几率是输入 x 线性函数,由
1.4模型参数估计
逻辑斯谛回归模型学习时,对于给定的训练数据集
似然函数为:
xji表示第i个观测量x的第j个变量
1.3梯度算法
利用梯度算法的迭代公式
利用偏微分公式给系数 w 的每个分量迭代求值
1.4 训练算法:使用梯度算法求最佳参数
给出100个样本点,每个点包含两个数值型特征,每个回归系数初始化为1
重复R次:
计算整个数据集的梯度
使用
α∇wf(w)
更新回归系数的向量
返回回归系数
1.5 Python算法
创建logRegres.py文件
from numpy import *
def loadDataSet():
dataMat=[];labelMat=[]
fr=open('testSet.txt')
for line in fr.readlines():
lineArr=line.strip().split()
dataMat.append([1.0,float(lineArr[0]),float(lineArr[1])])
labelMat.append(int(lineArr[2]))
return dataMat,labelMat
def sigmoid(inX):
return 1.0/(1+exp(-inX))
def gradAscent(dataMatIn,classLabels):
dataMatrix=mat(dataMatIn)
labelMat=mat(classLabels).transpose()
m,n=shape(dataMatrix)
alpha=0.001
maxCycles=500
weights=ones((n,1))
for k in range(maxCycles):
h=sigmoid(dataMatrix*weights)
error=(labelMat-h)
weights=weights+alpha*dataMatrix.transpose()*error
return weights
在python提示符下,敲入下面的代码:
>>>import logRegres
>>>dataAr,labelMat=logRegres.loadDataSet()
>>>logRegres.gradAscent(dataArr,labelMat)
结果为
matrix([[4.12414349],
[0.48007329],
[-0.6168482]])
def plotBestFit(wei):
import matplotlib.pyplot as plt
weights=wei.getA()
dataMat,labelMat=loadDataSet()
dataArr=array(dataMat)
n=shape(dataArr)[0]
xcord1=[];ycord1=[]
xcord2=[];ycord2=[]
for i in range(n):
if int(labelMat[i]==1):
xcord1.append(dataArr[i,1])
ycord1.append(dataArr[i,2])
else:
xcord2.append(dataArr[i,1])
ycord2.append(dataArr[i,2])
fig=plt.figure()
ax=fig.add_subplot(111)
ax.scatter(xcord1,ycord1,s=30,c='red',marker='s')
ax.scatter(xcord2,ycord2,s=30,c='green')
x=arange(-3.0,3.0,0.1)
y=(-weights[0]-weights[1]*x)/weights[2]
ax.plot(x,y)
plt.xlabel('X1')
plt.ylabel('X2')
plt.show()
1.6 C++算法
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <string>
#include <vector>
#include <cstring>
#include <stdio.h>
#include <algorithm>
#include <cmath>
using namespace std;
void loadDataset(vector<vector<double>> &dataMat,vector<int> &labelMat,const string &filename)
{
ifstream file(filename);
string line;
while(getline(file,line))
{
vector<double> data;
double x1,x2;
int label;
sscanf(line.c_str(),"%lf %lf %d",&x1,&x2,&label);
data.push_back(1);
data.push_back(x1);
data.push_back(x2);
dataMat.push_back(data);
labelMat.push_back(label);
}
}
double scalarProduct(vector<double> &w,vector<double> &x)
{
double ret=0;
for(int i=0;i<w.size();i++)
ret+=w[i]*x[i];
return ret;
}
double sigmoid(double z)
{
return exp(z)/(1+exp(z));
}
vector<vector<double>> matTranspose(vector<vector<double>> &dataMat)
{
vector<vector<double>> ret(dataMat[0].size(),vector<double>(dataMat.size(),0));
for(int i=0;i<ret.size();i++)
for(int j=0;j<ret[0].size();j++)
ret[i][j]=dataMat[j][i];
return ret;
}
void gradAscent(vector<double> &weight,
vector<vector<double>> &dataMat,vector<int> &labelMat)
{
int maxCycles=500;
double alpha=0.001;
vector<vector<double>> dataMatT=matTranspose(dataMat);
while(maxCycles>0)
{
vector<double> h;
vector<double> error;
for(auto &data:dataMat)
h.push_back(sigmoid(scalarProduct(data,weight)));
for(int i=0;i<labelMat.size();i++)
error.push_back(labelMat[i]-h[i]);
for(int i=0;i<weight.size();i++)
weight[i]+=alpha*scalarProduct(dataMatT[i],error);
maxCycles--;
}
}
int main()
{
vector<vector<double>> dataMat;
vector<int> labelMat;
string filename("testSet.txt");
loadDataset(dataMat,labelMat,filename);
vector<double> weight(dataMat[0].size(),1);
gradAscent(weight,dataMat,labelMat);
for(auto v:weight)
cout<<v<<endl;
}
1.7 随机梯度
梯度算法在每次更新回归系数时需要遍历整个数据集,如果样本数和特征数太多,则该方法的计算复杂度就太高了,一种改进方法是一次仅用一个样本点来更新回归系数,该方法称为随机梯度上升算法,由于可以在新样本到来时对分类器进行增量式更新,因而随机梯度上升算法是一个在线学习算法,与“在线学习相对应”,一次处理所有数据被称作是“批处理”
随机梯度上升算法:
所有回归系数初始化为1
对数据集中每个样本
计算该样本的梯度
使用
α×∇wf(w)
更新回归系数
返回回归系数
1.8 随机梯度上升算法的Python实现
1.8.1 未优化的随机梯度算法
def stocGradAscent0(dataMatrix,classLabels):
m,n=shape(dataMatrix)
alpha=0.01
weights=ones(n)
for i in range(m):
h=sigmoid(sum(dataMatrix[i]*weights))
error=classLabels[i]-h
weights=weights+alpha*error*dataMatrix[i]
return weights
分类效果:
可以看到,分类的效果并不像前面那么完美,但前者是在整个数据集上迭代了500次才得到的,而此算法只是遍历了一遍训练数据。
一个判断优化算法优劣的可靠方法是看它是否收敛,我们对上述的梯度上升算法进行修改,使其在整个数据集上运行50次即可发现分类效果大幅度改进
1.8.2 一种改进措施
def stocGradAscent1(dataMatrix,classLabels,numIter=150):
m,n=shape(dataMatrix)
weights=ones(n)
for j in range(numIter):
dataIndex=range(m)
for i in range(m):
alpha=4/(1.0+j+i)+0.01
randIndex=int(random.uniform(0,len(dataIndex)))
h=sigmoid(sum(dataMatrix[randIndex]*weights))
error=classLabels[randIndex]-h
weights=weights+alpha*error*dataMatrix[randIndex]
del(dataIndex[randIndex])
return weights
第一处改进是alpha在每次迭代的时候都会调整,可以避免数据波动。
第二处改进是随机选取样本来更新回归系数,这种方法可以减少周期性的波动
1.9 随机梯度算法的C++实现
void stocGradAscent(vector<double> &weight,
vector<vector<double>> &dataMat,vector<int> &labelMat,int numIter=150)
{
double alpha=0.01;
double h=0.0;
int i=0;
int j=0;
double error=0.0;
vector<int> randIndex;
for(i=0;i<dataMat.size();i++)
randIndex.push_back(i);
for(int k=0;k<numIter;k++)
{
random_shuffle(randIndex.begin(),randIndex.end());
for(i=0;i<dataMat.size();i++)
{
alpha=4/(1+k+i)+0.01;
h=sigmoid(scalarProduct(dataMat[randIndex[i]],weight));
error=labelMat[randIndex[i]]-h;
for(j=0;j<weight.size();j++)
{
weight[j]+=alpha*error*dataMat[randIndex[i]][j];
}
}
}
}
2.0训练数据
-0.017612 14.053064 0
-1.395634 4.662541 1
-0.752157 6.538620 0
-1.322371 7.152853 0
0.423363 11.054677 0
0.406704 7.067335 1
0.667394 12.741452 0
-2.460150 6.866805 1
0.569411 9.548755 0
-0.026632 10.427743 0
0.850433 6.920334 1
1.347183 13.175500 0
1.176813 3.167020 1
-1.781871 9.097953 0
-0.566606 5.749003 1
0.931635 1.589505 1
-0.024205 6.151823 1
-0.036453 2.690988 1
-0.196949 0.444165 1
1.014459 5.754399 1
1.985298 3.230619 1
-1.693453 -0.557540 1
-0.576525 11.778922 0
-0.346811 -1.678730 1
-2.124484 2.672471 1
1.217916 9.597015 0
-0.733928 9.098687 0
-3.642001 -1.618087 1
0.315985 3.523953 1
1.416614 9.619232 0
-0.386323 3.989286 1
0.556921 8.294984 1
1.224863 11.587360 0
-1.347803 -2.406051 1
1.196604 4.951851 1
0.275221 9.543647 0
0.470575 9.332488 0
-1.889567 9.542662 0
-1.527893 12.150579 0
-1.185247 11.309318 0
-0.445678 3.297303 1
1.042222 6.105155 1
-0.618787 10.320986 0
1.152083 0.548467 1
0.828534 2.676045 1
-1.237728 10.549033 0
-0.683565 -2.166125 1
0.229456 5.921938 1
-0.959885 11.555336 0
0.492911 10.993324 0
0.184992 8.721488 0
-0.355715 10.325976 0
-0.397822 8.058397 0
0.824839 13.730343 0
1.507278 5.027866 1
0.099671 6.835839 1
-0.344008 10.717485 0
1.785928 7.718645 1
-0.918801 11.560217 0
-0.364009 4.747300 1
-0.841722 4.119083 1
0.490426 1.960539 1
-0.007194 9.075792 0
0.356107 12.447863 0
0.342578 12.281162 0
-0.810823 -1.466018 1
2.530777 6.476801 1
1.296683 11.607559 0
0.475487 12.040035 0
-0.783277 11.009725 0
0.074798 11.023650 0
-1.337472 0.468339 1
-0.102781 13.763651 0
-0.147324 2.874846 1
0.518389 9.887035 0
1.015399 7.571882 0
-1.658086 -0.027255 1
1.319944 2.171228 1
2.056216 5.019981 1
-0.851633 4.375691 1
-1.510047 6.061992 0
-1.076637 -3.181888 1
1.821096 10.283990 0
3.010150 8.401766 1
-1.099458 1.688274 1
-0.834872 -1.733869 1
-0.846637 3.849075 1
1.400102 12.628781 0
1.752842 5.468166 1
0.078557 0.059736 1
0.089392 -0.715300 1
1.825662 12.693808 0
0.197445 9.744638 0
0.126117 0.922311 1
-0.679797 1.220530 1
0.677983 2.556666 1
0.761349 10.693862 0
-2.168791 0.143632 1
1.388610 9.341997 0
0.317029 14.739025 0