【统计学习方法】逻辑斯谛回归(Logistic Regression) Python实现

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-06-09 01:51 201阅读 0赞

## 前言 ##

代码可在Github上下载:[代码下载][Link 1]  
今天看了一下《统计学习方法》里的逻辑斯谛回归，结合下《机器学习实战》里面的代码，很精炼。公式如下：  
模型：

>  P ( Y = 1 ∣ x ) = e x p ( w ⋅ x + b ) 1 + e x p ( w ⋅ x + b ) P(Y=1|x)=\\frac \{exp(w\\cdot x+b)\}\{1+exp(w\\cdot x+b)\} P(Y=1∣x)=1\+exp(w⋅x\+b)exp(w⋅x\+b)  
>  P ( Y = 0 ∣ x ) = 1 − P ( Y = 1 ∣ x ) = 1 1 + e x p ( w ⋅ x + b ) P(Y=0|x)=1-P(Y=1|x)=\\frac \{1\}\{1+exp(w\\cdot x+b)\} P(Y=0∣x)=1−P(Y=1∣x)=1\+exp(w⋅x\+b)1

策略：对数损失函数  
算法：梯度下降算法

## 算法理论 ##

假设 P ( Y = 1 ∣ x ) = π ( x ) , P ( Y = 0 ∣ x ) = 1 − π ( x ) P(Y = 1|x)\{\\rm\{ = \}\}\\pi \\left( x \\right),P(Y = 0|x)\{\\rm\{ = 1 - \}\}\\pi \\left( x \\right) P(Y=1∣x)=π(x),P(Y=0∣x)=1−π(x)，那么则服从的是贝努利分布，结合贝努利分布的概率密度函数 \[ π ( x i ) \] y i \[ 1 − π ( x i ) \] y i \{\\left\[ \{\\pi \\left( \{ \{x\_i\}\} \\right)\} \\right\]^\{ \{y\_i\}\}\}\{\\left\[ \{1 - \\pi \\left( \{ \{x\_i\}\} \\right)\} \\right\]^\{ \{y\_i\}\}\} \[π(xi)\]yi\[1−π(xi)\]yi，进而得到似然函数 ∏ i = 1 N \[ π ( x i ) \] y i \[ 1 − π ( x i ) \] y i \\prod\\limits\_\{i = 1\}^N \{ \{ \{\\left\[ \{\\pi \\left( \{ \{x\_i\}\} \\right)\} \\right\]\}^\{ \{y\_i\}\}\}\{ \{\\left\[ \{1 - \\pi \\left( \{ \{x\_i\}\} \\right)\} \\right\]\}^\{ \{y\_i\}\}\}\} i=1∏N\[π(xi)\]yi\[1−π(xi)\]yi，为了减少计算量，再进一步得到替代品对数似然函数 L ( w ) = ∑ i = 1 N \[ y i log ⁡ π ( x i ) + ( 1 − y i ) log ⁡ ( 1 − π ( x i ) ) \] L\\left( w \\right) = \\sum\\limits\_\{i = 1\}^N \{\\left\[ \{ \{y\_i\}\\log \\pi \\left( \{ \{x\_i\}\} \\right) + \\left( \{1 - \{y\_i\}\} \\right)\\log \\left( \{1 - \\pi \\left( \{ \{x\_i\}\} \\right)\} \\right)\} \\right\]\} L(w)=i=1∑N\[yilogπ(xi)\+(1−yi)log(1−π(xi))\]，便是逻辑斯蒂回归的损失函数了。

## 算法实现 ##

首先需要加载数据，加载数据的函数。

def loadDataSet(self, fileName = 'testSet.txt'):   #加载数据
            dataMat = []
            labelMat = []
            fr = open(fileName)
            for line in fr.readlines(): #遍历文件
                lineArr = line.strip().split()
                dataMat.append([1.0, float(lineArr[0]), float(lineArr[1])]) #数据集
                labelMat.append(int(lineArr[-1]))   #类别标签
            return dataMat, labelMat

其中`dataMat.append([1.0, float(lineArr[0]), float(lineArr[1])])`这句代码使将输入向量做了一个扩充，将1放在输入向量的末尾，变成 x = ( 1 , x ( 1 ) , x ( 2 ) , x ( 3 ) ⋯ &ThinSpace; , x ( n ) ) x = (\{\\rm\{1,\}\}\{x^\{(1)\}\},\{x^\{(2)\}\},\{x^\{(3)\}\} \\cdots ,\{x^\{(n)\}\}) x=(1,x(1),x(2),x(3)⋯,x(n))，然后将权值向量写成 w = ( b , w ( 1 ) , w ( 2 ) , w ( 3 ) ⋯ &ThinSpace; , w ( n ) ) w = (b,\{w^\{(1)\}\},\{w^\{(2)\}\},\{w^\{(3)\}\} \\cdots ,\{w^\{(n)\}\}) w=(b,w(1),w(2),w(3)⋯,w(n))，这样可以方便计算。  
接下来看sigmoid函数，它的值域是\[0, 1\]。对应的就是刚才上面的第一个公式。如果写成扩充向量的形式的话，就是 P ( Y = 1 ∣ x ) = e x p ( w ⋅ x ) 1 + e x p ( w ⋅ x ) P(Y=1|x)=\\frac \{exp(w\\cdot x)\}\{1+exp(w\\cdot x)\} P(Y=1∣x)=1\+exp(w⋅x)exp(w⋅x)这个公式了（要同除以 e x p ( w ⋅ x ) exp(w\\cdot x) exp(w⋅x)）。

def sigmoid(self, inX):
            return np.exp(inX) / (1 + np.exp(inX))

最后就是我们的训练的函数了。

def train(self, dataSet, labels):   #训练
            dataMat = np.mat(dataSet)   #将数据集转成矩阵的形式
            labelMat = np.mat(labels).transpose()#将类别集合转成矩阵的形式
            m, n = np.shape(dataSet)    #行列
            alpha = 0.01
            maxIter = 500
            weights = np.ones((n, 1))
            for i in range(maxIter):    #迭代
                h = self.sigmoid(dataMat * weights)
                error = h - labelMat    #预测值和标签值所形成的误差
                weights = weights -  alpha * dataMat.transpose() * error    #权重的更新
            return weights

这里使用了梯度下降算法来进行训练，根据以下公式。  
 ∇ w L ( w ) = X T ( h − y ) \{\\nabla \_w\}L\\left( w \\right) = \{ \{\\bf\{X\}\}^T\}\\left( \{ \{\\bf\{h - y\}\}\} \\right) ∇wL(w)=XT(h−y)  
对应下面的代码。

error = h - labelMat    #预测值和标签值所形成的误差
    weights = weights -  alpha * dataMat.transpose() * error    #权重的更新

最后我们运行一下。

logistic = Logistic()
        dataSet, labels = logistic.loadDataSet()
        weights = logistic.gradDescent(dataSet, labels)
        print weights

完整代码和数据可以在[逻辑斯蒂回归代码][Link 2]下载。  
如果您觉得好用的话，麻烦点个赞。

[Link 1]: https://github.com/FlameCharmander/MachineLearning
[Link 2]: https://github.com/FlameCharmander/MachineLearning/blob/master/logistic/logistic.py