• 机器学习:逻辑回归(损失函数及其梯度推导、代码实现)


    一、线性模型预测一个样本的损失量

    • 损失量:模型对样本的预测结果和该样本对应的实际结果的差距;

     1)为什么会想到用 y = -log(x) 函数?

    • (该函数称为 惩罚函数:预测结果与实际值的偏差越大,惩罚越大
    1. y = 1(p ≥ 0.5)时,cost = -log(p),p 越小,样本发生概率越小(最小为 0),则损失函数越大,分类预测值和实际值的偏差越大;相反,p 越大,样本发生概率越大(最大为 0.5),则损失函数越小,则预测值和实际值的偏差越小;
    2. y = 0(p ≤ 0.5)时,cost = -log(1-p),p 越小,样本发生概率越小(最小为 0.5),则损失函数越大,分类预测值和实际值的偏差越大;相反,p 越大,样本发生概率越大(最大为 1),则损失函数越小,则预测值和实际值的偏差越小;

     2)求一个样本的损失量

    • 由于逻辑回归解决的是分类问题,而且是二分类,因此定义损失函数时也要有两类
    • 惩罚函数变形:
    • 惩罚函数作用:计算预测结果针对实际值的损失量;
    1. 已知样本发生的概率 p(也可以相应求出预测值),以及该样本的实际分类结果,得出此次预测结果针对真值的损失量是多少;

    二、求数据集的损失函数

    • 模型变形,得到数据集的损失函数数据集中的所有样本的损失值的和
    • 最终的损失函数模型
    1. 该模型不能优化成简单的数学表达式(或者说是正规方程解:线性回归算法找那个的fit_normal() 方法),只能使用梯度下降法求解;
    2. 该函数为凸函数,没有局部最优解,只存在全局最优解;

    三、逻辑回归损失函数的梯度

    • 损失函数:

     1)σ(t) 函数的导数

     2)log(σ(t)) 函数的导数

    • 变形:

     3)log(1 - σ(t)) 函数的导数

     3)对损失函数 J(θ) 的其中某一项(第 i 行,第 j 列)求导

    1. 两式相加:

     5)损失函数 J(θ) 的梯度

    • 与线性回归梯度对比
    1. 两者的预测值 ý 不同
    • 梯度向量化处理

    四、代码实现逻辑回归算法

    • 逻辑回归算法是在线性回归算法的基础上演变的;

     1)代码

    • import numpy as np
      from .metrics import accuracy_score
      
      # accuracy_score方法:查看准确率
      
      class LogisticRegression:
      
          def __init__(self):
              """初始化Logistic Regression模型"""
              self.coef_ = None
              self.intercept_ = None
              self._theta = None
      
          def _sigmiod(self, t):
              """函数名首部为'_',表明该函数为私有函数,其它模块不能调用"""
              return 1. / (1. + np.exp(-t))
      
          def fit(self, X_train, y_train, eta=0.01, n_iters=1e4):
              """根据训练数据集X_train, y_train, 使用梯度下降法训练Logistic Regression模型"""
              assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], 
                  "the size of X_train must be equal to the size of y_train"
      
              def J(theta, X_b, y):
                  y_hat = self._sigmiod(X_b.dot(theta))
                  try:
                      return - np.sum(y*np.log(y_hat) + (1-y)*np.log(1-y_hat)) / len(y)
                  except:
                      return float('inf')
      
              def dJ(theta, X_b, y):
                  return X_b.T.dot(self._sigmiod(X_b.dot(theta)) - y) / len(X_b)
      
              def gradient_descent(X_b, y, initial_theta, eta, n_iters=1e4, epsilon=1e-8):
      
                  theta = initial_theta
                  cur_iter = 0
      
                  while cur_iter < n_iters:
                      gradient = dJ(theta, X_b, y)
                      last_theta = theta
                      theta = theta - eta * gradient
                      if (abs(J(theta, X_b, y) - J(last_theta, X_b, y)) < epsilon):
                          break
      
                      cur_iter += 1
      
                  return theta
      
              X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
              initial_theta = np.zeros(X_b.shape[1])
              self._theta = gradient_descent(X_b, y_train, initial_theta, eta, n_iters)
      
              self.intercept_ = self._theta[0]
              self.coef_ = self._theta[1:]
      
              return self
      
          def predict_proda(self, X_predict):
              """给定待预测数据集X_predict,返回 X_predict 中的样本的发生的概率向量"""
              assert self.intercept_ is not None and self.coef_ is not None, 
                  "must fit before predict!"
              assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), 
                  "the feature number of X_predict must be equal to X_train"
      
              X_b = np.hstack([np.ones((len(X_predict), 1)), X_predict])
              return self._sigmiod(X_b.dot(self._theta))
      
          def predict(self, X_predict):
              """给定待预测数据集X_predict,返回表示X_predict的分类结果的向量"""
              assert self.intercept_ is not None and self.coef_ is not None, 
                  "must fit before predict!"
              assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), 
                  "the feature number of X_predict must be equal to X_train"
      
              proda = self.predict_proda(X_predict)
              # proda:单个待预测样本的发生概率
              # proda >= 0.5:返回元素为布尔类型的向量;
              # np.array(proda >= 0.5, dtype='int'):将布尔数据类型的向量转化为元素为 int 型的数组,则该数组中的 0 和 1 代表两种不同的分类类别;
              return np.array(proda >= 0.5, dtype='int')
      
          def score(self, X_test, y_test):
              """根据测试数据集 X_test 和 y_test 确定当前模型的准确度"""
      
              y_predict = self.predict(X_test)
              # 分类问题的化,查看标准是分类的准确度:accuracy_score(y_test, y_predict)
              return accuracy_score(y_test, y_predict)
      
          def __repr__(self):
              """实例化类之后,输出显示 LogisticRegression()"""
              return "LogisticRegression()"

     2)使用自己的算法(Jupyter NoteBook 中使用)

    • 代码
      import numpy as np
      import matplotlib.pyplot as plt
      from sklearn import datasets
      
      iris = datasets.load_iris()
      X = iris.data
      y = iris.target
      X = X[y<2, :2]
      y = y[y<2]
      
      
      from playML.train_test_split import train_test_split
      X_train, X_test, y_train, y_test
      = train_test_split(X, y, seed=666)
      from playML.LogisticRegression import LogisticRegression log_reg = LogisticRegression() log_reg.fit(X_train, y_train) log_reg.score(X_test, y_test) # 输出:1.0 # 查看测试数据集的样本发生的概率 log_reg.predict_proda(X_test) # 输出:array([0.92972035, 0.98664939, 0.14852024, 0.17601199, 0.0369836 , 0.0186637 , 0.04936918, 0.99669244, 0.97993941, 0.74524655, 0.04473194, 0.00339285, 0.26131273, 0.0369836 , 0.84192923, 0.79892262, 0.82890209, 0.32358166, 0.06535323, 0.20735334])
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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/volcao/p/9314443.html
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