TensorFlow简单实例(二):logistic regression

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  目前机器学习中，逻辑回归多用来估计某种事物的可能性。

例如用户在某电商平台搜索了一类商品，那么估计他的可能性，估计他想要哪一类或者哪几类商品，推荐给他。这在目前大部分电商平台处处可见。

Logistic regression可以用来回归，也可以用来分类，主要是二分类。主要是二分类。还记得上几节讲的支持向量机SVM吗？它就是个二分类的例如，它可以将两个不同类别的样本给分开，思想是找到最能区分它们的那个分类超平面。但当你给一个新的样本给它，它能够给你的只有一个答案，你这个样本是正类还是负类。例如你问SVM，某个女生是否喜欢你，它只会回答你喜欢或者不喜欢。这对我们来说，显得太粗鲁了，要不希望，要不绝望，这都不利于身心健康。那如果它可以告诉我，她很喜欢、有一点喜欢、不怎么喜欢或者一点都不喜欢，你想都不用想了等等，告诉你她有49%的几率喜欢你，总比直接说她不喜欢你，来得温柔。而且还提供了额外的信息，她来到你的身边你有多少希望，你得再努力多少倍，知己知彼百战百胜，哈哈。Logistic regression就是这么温柔的，它给我们提供的就是你的这个样本属于正类的可能性是多少。

一个线性模型的输出值 y 越大，这个事件 P(Y=1|x) 发生的概率就越大。 另一方面，我们可以用事件的几率（odds）来表示事件发生与不发生的比值，假设发生的概率是 p ，那么发生的几率（odds）是 p/(1-p) ， odds 的值域是 0 到正无穷，几率越大，发生的可能性越大。将我们的直觉与几率联系起来的就是下面这个（log odds）或者是 logit 函数



这里θ是模型参数，也就是回归系数，σ是sigmoid函数。实际上这个函数是由下面的对数几率（也就是x属于正类的可能性和负类的可能性的比值的对数）变换得到的：



换句话说，y也就是我们关系的变量，例如她喜不喜欢你，与多个自变量（因素）有关，例如你人品怎样、车子是两个轮的还是四个轮的、长得胜过潘安还是和犀利哥有得一拼、有千尺豪宅还是三寸茅庐等等，我们把这些因素表示为x1, x2,…, xm。那这个女的怎样考量这些因素呢？最快的方式就是把这些因素的得分都加起来，最后得到的和越大，就表示越喜欢。但每个人心里其实都有一杆称，每个人考虑的因素不同，萝卜青菜，各有所爱嘛。例如这个女生更看中你的人品，人品的权值是0.6，不看重你有没有钱，没钱了一起努力奋斗，那么有没有钱的权值是0.001等等。我们将这些对应x1, x2,…, xm的权值叫做回归系数，表达为θ1, θ2,…, θm。他们的加权和就是你的总得分了。

所以说上面的logistic回归就是一个线性分类模型，它与线性回归的不同点在于：为了将线性回归输出的很大范围的数，例如从负无穷到正无穷，压缩到0和1之间，这样的输出值表达为“可能性”才能说服广大民众。当然了，把大值压缩到这个范围还有个很好的好处，就是可以消除特别冒尖的变量的影响（不知道理解的是否正确）。而实现这个伟大的功能其实就只需要平凡一举，也就是在输出加一个logistic函数。另外，对于二分类来说，可以简单的认为：如果样本x属于正类的概率大于0.5，那么就判定它是正类，否则就是负类。实际上，SVM的类概率就是样本到边界的距离，这个活实际上就让logistic regression给干了。



所以说，LogisticRegression 就是一个被logistic方程归一化后的线性回归，仅此而已。

好了，关于LR的八卦就聊到这。归入到正统的机器学习框架下，模型选好了，只是模型的参数θ还是未知的，我们需要用我们收集到的数据来训练求解得到它。那我们下一步要做的事情就是建立代价函数了。

LogisticRegression最基本的学习算法是最大似然。

假设我们有n个独立的训练样本{(x1, y1) ,(x2, y2),…, (xn, yn)}，y={0, 1}。那每一个观察到的样本(xi, yi)出现的概率是：



上面为什么是这样呢？当y=1的时候，后面那一项是不是没有了，那就只剩下x属于1类的概率，当y=0的时候，第一项是不是没有了，那就只剩下后面那个x属于0的概率（1减去x属于1的概率）。所以不管y是0还是1，上面得到的数，都是(x, y)出现的概率。那我们的整个样本集，也就是n个独立的样本出现的似然函数为（因为每个样本都是独立的，所以n个样本出现的概率就是他们各自出现的概率相乘）：



那最大似然法就是求模型中使得似然函数最大的系数取值θ*。这个最大似然就是我们的代价函数（cost function）了。

OK，那代价函数有了，我们下一步要做的就是优化求解了。我们先尝试对上面的代价函数求导，看导数为0的时候可不可以解出来，也就是有没有解析解，有这个解的时候，就皆大欢喜了，一步到位。如果没有就需要通过迭代了，耗时耗力。

我们先变换下L(θ)：取自然对数，然后化简（不要看到一堆公式就害怕哦，很简单的哦，只需要耐心一点点，自己动手推推就知道了。注：有xi的时候，表示它是第i个样本，下面没有做区分了，相信你的眼睛是雪亮的），得到：



这时候，用L(θ)对θ求导，得到：



bae2

然后我们令该导数为0，你会很失望的发现，它无法解析求解。不信你就去尝试一下。所以没办法了，只能借助高大上的迭代来搞定了。这里选用了经典的梯度下降算法。

Tensorflow下的逻辑回归模型实例：

Python2.7+Tensorflow1.0

# -*- coding: utf-8 -*-
'''
A logistic regression learning algorithm example using TensorFlow library.
This example is using the MNIST database of handwritten digits
(http://yann.lecun.com/exdb/mnist/)

Author: Aymeric Damien
Project: https://github.com/aymericdamien/TensorFlow-Examples/ '''

from __future__ import print_function

import tensorflow as tf

# Import MNIST data(下载数据)
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("/tmp/data/", one_hot=True)

# 参数：学习率，训练次数，
learning_rate = 0.01
training_epochs = 25
batch_size = 100
display_step = 1

# tf Graph Input
x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784]) # mnist data image of shape 28*28=784
y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10]) # 0-9 digits recognition => 10 classes

# Set model weights
W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))
b = tf.Variable(tf.zeros([10]))

# softmax模型
pred = tf.nn.softmax(tf.matmul(x, W) + b) # Softmax

# Minimize error using cross entropy（损失函数用cross entropy）
cost = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y*tf.log(pred), reduction_indices=1))
# Gradient Descent（梯度下降优化）
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(cost)

# Initializing the variables
init = tf.global_variables_initializer()

# Launch the graph
with tf.Session() as sess:
sess.run(init)

# Training cycle
for epoch in range(training_epochs):
avg_cost = 0.
total_batch = int(mnist.train.num_examples/batch_size)
# Loop over all batches
for i in range(total_batch):
batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(batch_size)
# Run optimization op (backprop) and cost op (to get loss value)
_, c = sess.run([optimizer, cost], feed_dict={x: batch_xs,
y: batch_ys})
# Compute average loss
avg_cost += c / total_batch
# Display logs per epoch step
if (epoch+1) % display_step == 0:
print("Epoch:", '%04d' % (epoch+1), "cost=", "{:.9f}".format(avg_cost))

print("Optimization Finished!")

# Test model
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(pred, 1), tf.argmax(y, 1))
# Calculate accuracy
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
print("Accuracy:", accuracy.eval({x: mnist.test.images, y: mnist.test.labels}))