机器学习之逻辑回归和softmax回归及代码示例

一、逻辑回归

在 机器学习之线性回归 中，我们可使用梯度下降的方法得到一个映射函数 hθ(X) 来去贴近样本点，这个函数是对连续值的一个预测。

而逻辑回归是解决分类问题的一个算法，我们可以通过这个算法得到一个映射函数 f：X→y ，其中 X 为特征向量，X={x0,x1,x2,…,xn}，y 为预测的结果。在逻辑回归这里，标签 y 为一个离散值。

二、判定边界

当将训练集的样本以其各个特征为坐标轴在图中进行绘制时，通常可以找到某一个 判定边界 去将样本点进行分类。例如：

线性判定边界：



非线性判定边界：



在图中，样本的标记类型有两种类型，一种为正样本，另一种为负样本，样本的特征 x0 和 x1为坐标轴。根据样本的特征值，可将样本绘制在图上。

在图中，可找到某个 判定边界 来对不同标签的样本进行划分。根据这个判定边界，我们可以知道哪些样本是正样本，哪些样本为负样本。

因此我们可以通过学习得到一个方程 Eθ(X)=0 来表示 判定边界，即 判定边界 为 Eθ(X)=0 的点集。（可以看作是等高超平面）

Eθ(X)=XTθ

其中 θ={θ0,θ1,θ2,...,θn} ，为保留 Eθ(X)=0 中的常数项，令特征向量 X={1,x1,x2,…,xn}。

为使得我们的边界可以非线性化，对于特征 xi 可以为特征的高次幂或相互的乘积。

对于位于判定边界上的样本，其特征向量 X 可使得 Eθ(X)=0 。因此，判定边界 是 满足 Eθ(X)=0 的特征向量 X 表示的点的集合。

三、二分类和sigmoid函数

在上面，可以通过找到一个判定边界来区别样本的标签，得到一个方程Eθ(X)=0 来表示判定边界。

对于 二分类问题，即样本标签的类型只有两种类型。

当样本标记的类型只有两种时，其中一类的样本点在 判定边界的一边，其会有Eθ(X)>0，而另一类的样本会在判定边界的另一边，会有 Eθ(X)<0。

当样本点离 判定边界 越远时，Eθ(X) 的绝对值越大于0，这时样本的标签是某种类型的概率会很大，可能会等于1；当样本点离 判定边界 越近时，Eθ(X)的接近0，样本的标签是某种类型的概率会在0.5左右。

因此，我们可以将 Eθ(X)函数 转换 为一种概率函数，通过概率来判断样本的标签是某一种类型的概率会是多少。而这种 转换 可以使用 sigmoid函数来实现 ：

g(z)=11+e−z

sigmoid函数图像如下：



从sigmoid函数图像可看出：当z为0左右时，函数值为0.5左右；z越大于0时，函数值越大于0.5越收敛于1；z越小于0时，函数值越小于0.5越收敛于0。

因此，sigmoid函数可适用于在二分类问题中将 Eθ(X) 函数 转换为概率函数。

当Eθ(X)>0时，样本标记的类型为某一类型的概率会大于0.5；当Eθ(X)<0时，样本标记的类型为某一类型的概率会小于0.5；当Eθ(X) 约等于 0时，样本标记的类型为某一类型的概率会在0.5左右。

在二分类问题中，可以找到逻辑回归函数hθ(X)=sigmoid( Eθ(X) )，判定边界可看作 hθ(X)=0.5 时的等高线。

四、损失函数

由上面，找到了二分类问题中的一个逻辑回归函数

。

在逻辑回归函数中，特征向量系数 θ 是未知的，需要从样本中学习得来的。当从样本中学习得到一个特征向量系数 θ 时，怎么知道它对应的 hθ(X) 函数的预测能力会更好？判断更准确？因此，需要一个损失函数来表示逻辑回归函数 hθ(X) 的好坏程度。

1. 定义

在二分类问题中，若用 hθ(X) 的值 表示正样本的概率，且 hθ(X)∈(0,1)，需要的损失函数应该是这样的：

当样本标签的类型是正类型时，若该样本对应的 hθ(X) 值为1时，即为正类型的概率为1，这时候损失函数值应为0；若该样本对应的 hθ(X) 值为0.0001时，即为正样本的概率为0.0001，这时候损失函数值应该是一个很大的值。

当样本标记的类型是负类型时，若该样本对应的 hθ(X) 值为0时，即为正样本的概率为0，这时损失函数值应为0；若该样本对应的 hθ(X) 值为0.9999时，即为正样本的概率为0.9999，这时候损失函数值应该是一个很大的值。

因此二分类问题中，为满足这种需求，对于单个样本来说，其损失函数可以表示为：

（ hθ(X) 的值表示正样本的概率）



其中 y = 1 表示样本为正样本，y = 0 表示样本为负样本。

结合起来的写法：



上式的代价函数也称作：交叉熵代价函数

对于训练集所有样本来说，共同造成的损失函数的均值 Jθ(X) 可以表示为：



将 Cost函数 代入 Jθ(X) 中：



对于样本来说，其标记y为1 （正样本）或为 0（负样本），对于预测概率函数 hθ(X) 来说，预测到样本为正样本的概率值在0到1之间。

2. 极大似然估计

上述的损失函数 Jθ(X) 也可以通过极大似然估计来求得：以 hθ(X) 的值 表示正样本的概率，且以 y = 1 表示 正样本 ，y = 0 表示 负样本，则有：

P(y=1|x;θ)P(y=0|x;θ)=hθ(x)=1−hθ(x)

合并上述两个式子则有：

p(y | x;θ)=(hθ(x))y(1−hθ(x))1−y

对m个样本，求极大似然估计：

L(θ)=∏i=1mp(yi|xi;θ)=∏i=1m(hθ(xi))yi(1−hθ(xi))1−yi

取对数似然估计：l(θ)=logL(θ)=∑i=1myiloghθ(xi)+(1−yi)log(1−hθ(xi))

hθ(X)=11+e−XTθ

对数似然取极值（极大值）时的 θ 取值便是我们想要的，因此需要对目标函数 l(θ) 进行最大化，即相当于 对 上述的 J(θ) 进行最小化：l(θ)=−J(θ)。

3. 正则化

同时，当预测概率函数 hθ(X) 过拟合，会导致高次项的特征向量系数 θi 过大（因为为 Eθ(X)=0 分清每个样本点的类型时会使得它足够的扭曲，这种扭曲通常由高次项的特征向量系数造成）。因此，为防止过拟合可以添加正则化项，即在损失函数的后面加个“尾巴”。

添加L2正则化项后的损失函数表示为：

五、最小化损失函数

在上面得到了 二分类问题 的逻辑回归的损失函数 Jθ(X) 。为达到不错的分类效果，需要对损失函数进行最小化。

与 线性回归 相类似的是，这里的损失函数也是一个凸函数，因此，可以通过梯度下降法来得到合适的特性系数向量Θ。



同样，上式中的a为学习率（下山步长）。将上式的偏导展开，可得：

非正则化的损失函数的偏导：



含正则化项的损失函数的偏导：



其中 λ 为正则化的强度。

同线性回归般，可以通过学习率a对特征系数向量中的元素不断进行迭代，直到元素值收敛到某一值即可，这时可以得到损失函数较小时的特征向量系数Θ。

六、从二分类过渡到多分类

在上面，我们主要使用逻辑回归解决二分类的问题，那对于多分类的问题，也可以用逻辑回归来解决？

1. one vs rest

由于概率函数 hΘ(X) 所表示的是样本标记为某一类型的概率，但可以将一对一（二分类）扩展为一对多（one vs rest）：

将类型class1看作正样本，其他类型全部看作负样本，然后我们就可以得到样本标记类型为该类型的概率p1；

然后再将另外类型class2看作正样本，其他类型全部看作负样本，同理得到p2；

以此循环，我们可以得到该待预测样本的标记类型分别为类型class i时的概率pi，最后我们取pi中最大的那个概率对应的样本标记类型作为我们的待预测样本类型。

2. softmax函数

使用softmax函数构造模型解决多分类问题。

softmax回归分类器需要学习的函数为 ：



其中 k 个 类别的个数 ，

和

为 第 i 个 类别对应的 权重向量 和 偏移标量。

其中

可看作样本 X 的标签 为 第 j 个 类别的概率，且有

。

与 logistic回归 不同的是，softmax回归分类模型会有多个的输出，且输出个数 与 类别个数 相等，输出为样本 X 为各个类别的概率 ，最后对样本进行预测的类型为 概率最高 的那个类别。

我们需要通过学习得到

和

，因此建立目标损失函数为：



上式的代价函数也称作：对数似然代价函数。

在二分类的情况下，对数似然代价函数 可以转化为 交叉熵代价函数。

其中 m 为训练集样本的个数，k 为 类别的个数，

为示性函数，当

为真时，函数值为 1 ，否则为 0 ，即 样本类别正确时，函数值才为 1 。

利用 对数的性质 log(ab)=log(a)−log(b)，将 损失函数 展开有：



继续展开：



通过 梯度下降法 最小化损失函数 和 链式偏导，使用

对

求偏导：



化简可得：



再次化简可有：



因此由 梯度下降法 进行迭代：



同理 通过梯度下降法最小化损失函数也可以得到

的最优值。

同逻辑回归一样，可以给损失函数加上正则化项。

3. 选择的方案

当标签类别之间是互斥时，适合选择softmax回归分类器 ;当标签类别之间不完全互斥时，适合选择建立多个独立的logistic回归分类器。

4. tensorflow代码示例：

使用softmax回归对sklearn中的digit手写数据进行分类

import tensorflow as tf

from sklearn.datasets import load_digits
import numpy as np

digits = load_digits()
X_data = digits.data.astype(np.float32)
Y_data = digits.target.reshape(-1,1).astype(np.float32)
print X_data.shape
print Y_data.shape

(1797, 64)
(1797, 1)

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

scaler = MinMaxScaler()

X_data = scaler.fit_transform(X_data)

from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder

Y = OneHotEncoder().fit_transform(Y_data).todense() #one-hot编码

Y

matrix([[ 1.,  0.,  0., ...,  0.,  0.,  0.],
[ 0.,  1.,  0., ...,  0.,  0.,  0.],
[ 0.,  0.,  1., ...,  0.,  0.,  0.],
...,
[ 0.,  0.,  0., ...,  0.,  1.,  0.],
[ 0.,  0.,  0., ...,  0.,  0.,  1.],
[ 0.,  0.,  0., ...,  0.,  1.,  0.]])

print Y.shape

(1797, 10)
1797

batch_size = 10 # 使用MBGD算法，设定batch_size为10

def generatebatch(X,Y,n_examples, batch_size):
for batch_i in range(n_examples // batch_size):
start = batch_i*batch_size
end = start + batch_size
batch_xs = X[start:end, :]
batch_ys = Y[start:end]
yield batch_xs, batch_ys # 生成每一个batch

tf.reset_default_graph()
tf_X = tf.placeholder(tf.float32,[None,64])
tf_Y = tf.placeholder(tf.float32,[None,10])

tf_W_L1 = tf.Variable(tf.zeros([64,10]))
tf_b_L1 = tf.Variable(tf.zeros([1,10]))

pred = tf.nn.softmax(tf.matmul(tf_X,tf_W_L1)+tf_b_L1)

loss = -tf.reduce_mean(tf_Y*tf.log(tf.clip_by_value(pred,1e-11,1.0)))
# 也可以直接使用tensorflow的版本：
# loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=tf_Y,logits=pred))

train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.2).minimize(loss)

y_pred = tf.arg_max(pred,1)
bool_pred = tf.equal(tf.arg_max(tf_Y,1),y_pred)

accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(bool_pred,tf.float32)) # 准确率

with tf.Session() as sess:
sess.run(tf.global_variables_initializer())
for epoch in range(2001): # 迭代2001个周期
for batch_xs,batch_ys in generatebatch(X_data,Y,Y.shape[0],batch_size): # 每个周期进行MBGD算法
sess.run(train_step,feed_dict={tf_X:batch_xs,tf_Y:batch_ys})
if(epoch%1000==0):
res = sess.run(accuracy,feed_dict={tf_X:X_data,tf_Y:Y})
print (epoch,res)
res_ypred = y_pred.eval(feed_dict={tf_X:X_data,tf_Y:Y}).flatten()
print res_ypred

(0, 0.86866999)
(1000, 0.99332219)
(2000, 0.99833053)
[0 1 2 ..., 8 9 8]

from sklearn.metrics import  accuracy_score

print accuracy_score(Y_data,res_ypred.reshape(-1,1))

0.998330550918

八、Logistic Loss的另一种表达

在上面的逻辑回归的二分类问题中，我们令正样本的标签 y = 1 ，负样本的标签 y = 0。对于单个样本来说，其损失函数Cost（hΘ(X)，y）可以表示为：（hΘ(X)的值表示正样本的概率）



若我们 令正样本的标签 y = 1 ，负样本的标签 y = -1，则有：

其中（待续）

七、代码示例

使用ovr多分类的逻辑回归判断鸢尾属植物的类型

from sklearn import datasets

iris = datasets.load_iris() # 加载数据
X = iris.data
y = iris.target
print X.shape
print y.shape

(150L, 4L)
(150L,)

from sklearn.model_selection import train_test_split

#分隔训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y ,test_size = 1/3.,random_state = 8)

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures

featurizer = PolynomialFeatures(degree=2) # 特征多项式化
X_train = featurizer.fit_transform(X_train)
X_test = featurizer.transform(X_test)

from sklearn.preprocessing import StandardScaler # 对数据归一化

scaler = StandardScaler()
X_std_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_std_test = scaler.transform(X_test)

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.linear_model import SGDClassifier

# penalty:正则化 l2/l1
# C ：正则化强度
# multi_class:多分类时使用 ovr: one vs rest
lor = LogisticRegression(penalty='l1',C=100,multi_class='ovr')
lor.fit(X_std_train,y_train)
print lor.score(X_std_test,y_test)

sgdv = SGDClassifier(penalty='l1')
sgdv.fit(X_std_train,y_train)
print sgdv.score(X_std_test,y_test)

0.94
0.92

LogisticRegression对参数的计算采用精确解析的方式，计算时间长但模型的性能高；SGDClassifier采用随机梯度下降/上升算法估计模型的参数，计算时间短但模型的性能较低。

使用Tensorflow实现线性逻辑回归：

from sklearn.datasets import make_classification
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

X, y = make_classification(n_features=2, n_redundant=0, n_informative=2,
n_clusters_per_class=1,random_state=78,n_samples=200)
X = X.astype(np.float32)
y = y.astype(np.float32)

plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=y)
plt.show()

from sklearn import preprocessing
scaler = preprocessing.StandardScaler().fit(X)
X = scaler.transform(X)
print X.shape

(200, 2)

b = tf.Variable(tf.zeros([1,1]))
W = tf.Variable(tf.zeros([2,1]))
X_DATA = tf.placeholder(tf.float32,[None,2])
Y = tf.placeholder(tf.float32,[None,1])

H = 1 / (1 + tf.exp(-(tf.matmul(X_DATA, W) + b)))
loss = tf.reduce_mean(- Y*  tf.log(tf.clip_by_value(H,1e-11,1.0)) - (1 - Y) * tf.log(1 - tf.clip_by_value(H,1e-11,1.0)))
# 也可以使用tensorflow的版本：
#loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=tf_Y,logits=pred))

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1)

train = optimizer.minimize(loss)

init_vals = tf.global_variables_initializer()
with tf.Session() as sess:
sess.run(init_vals)
for step in range(15501):
sess.run(train,feed_dict={X_DATA:X,Y:y.reshape(-1,1)})
if(step%5000==0):
print(step,sess.run(W).flatten(),sess.run(b).flatten())
w1 = sess.run(W).flatten()
b1 = sess.run(b).flatten()

(0, array([ 0.04289575,  0.04343094], dtype=float32), array([-0.0005], dtype=float32))
(5000, array([ 3.44468737,  3.617342  ], dtype=float32), array([-1.10549724], dtype=float32))
(10000, array([ 3.46032   ,  4.07498837], dtype=float32), array([-1.60735476], dtype=float32))
(15000, array([ 3.45384622,  4.39454508], dtype=float32), array([-1.95797122], dtype=float32))

print (w1,b1)

(array([ 3.45412397,  4.42197132], dtype=float32), array([-1.9879719], dtype=float32))

x1_min, x1_max = X[:,0].min(), X[:,0].max(),
x2_min, x2_max = X[:,1].min(), X[:,1].max(),
xx1, xx2 = np.meshgrid(np.linspace(x1_min, x1_max), np.linspace(x2_min, x2_max))
f = w1[0]*xx1+w1[1]*xx2+b1[0]
plt.contour(xx1, xx2, f, [0], colors = 'r') # 绘制分隔超平面
plt.scatter(X[:,0],X[:,1],c=y)
plt.show()