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Python实现逻辑回归的梯度下降算法

线性回归1.线性回归函数似然函数的定义:给定联合样本值X下关于(未知)参数的函数似然函数:什么样的参数跟我们的数据组合后恰好是真实值2.线性回归似然函数对数似然:3.线性回归目标函数(误差的表达式,我们的目的就是使得真实值与预测值之前的误差最小)(导数为0取得极值,得到函数的参数)逻辑回归逻辑回归是在线性回归的结果外加一层Sigmoid函数1.逻辑回归函数2.逻辑回归似然函数前提数据服从伯努利分布对数似然:引入转变为梯度下降任务,逻辑回归目标函数梯度下降法求解我的理解就是求导更新参数,达到一定条件后停止,

本文目录

    线性回归

    1.线性回归函数

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    似然函数的定义:给定联合样本值X下关于(未知)参数Python实现逻辑回归的梯度下降算法 的函数

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    似然函数:什么样的参数跟我们的数据组合后恰好是真实值     

    2.线性回归似然函数

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    对数似然:

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

     3.线性回归目标函数

    (误差的表达式,我们的目的就是使得真实值与预测值之前的误差最小)

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    (导数为0取得极值,得到函数的参数)

    逻辑回归

    逻辑回归是在线性回归的结果外加一层Sigmoid函数

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    1.逻辑回归函数

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    2.逻辑回归似然函数

    前提数据服从伯努利分布

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    对数似然:

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    引入Python实现逻辑回归的梯度下降算法 转变为梯度下降任务,逻辑回归目标函数

    梯度下降法求解

     我的理解就是求导更新参数,达到一定条件后停止,得到近似最优解

    代码实现

    Sigmoid函数

    def sigmoid(z):    
       return 1 / (1 + np.exp(-z))

    预测函数

    def model(X, theta):    
        return sigmoid(np.dot(X, theta.T))

    目标函数

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    def cost(X, y, theta):    
         left = np.multiply(-y, np.log(model(X, theta)))    
         right = np.multiply(1 - y, np.log(1 - model(X, theta)))    
         return np.sum(left - right) / (len(X))

    梯度

    Python实现逻辑回归的梯度下降算法

    def gradient(X, y, theta):    
      grad = np.zeros(theta.shape)    
      error = (model(X, theta)- y).ravel()    
      for j in range(len(theta.ravel())): #for each parmeter        
         term = np.multiply(error, X[:,j])        
         grad[0, j] = np.sum(term) / len(X)    
       return grad

    梯度下降停止策略

    STOP_ITER = 0
    STOP_COST = 1
    STOP_GRAD = 2
     
    def stopCriterion(type, value, threshold):
        # 设定三种不同的停止策略
        if type == STOP_ITER:  # 设定迭代次数
            return value > threshold
        elif type == STOP_COST:  # 根据损失值停止
            return abs(value[-1] - value[-2]) < threshold
        elif type == STOP_GRAD:  # 根据梯度变化停止
            return np.linalg.norm(value) < threshold

    样本重新洗牌

    import numpy.random
    #洗牌
    def shuffleData(data):
        np.random.shuffle(data)
        cols = data.shape[1]
        X = data[:, 0:cols-1]
        y = data[:, cols-1:]
        return X, y

    梯度下降求解

    def descent(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha):
        # 梯度下降求解
     
        init_time = time.time()
        i = 0  # 迭代次数
        k = 0  # batch
        X, y = shuffleData(data)
        grad = np.zeros(theta.shape)  # 计算的梯度
        costs = [cost(X, y, theta)]  # 损失值
     
        while True:
            grad = gradient(X[k:k + batchSize], y[k:k + batchSize], theta)
            k += batchSize  # 取batch数量个数据
            if k >= n:
                k = 0
                X, y = shuffleData(data)  # 重新洗牌
            theta = theta - alpha * grad  # 参数更新
            costs.append(cost(X, y, theta))  # 计算新的损失
            i += 1
     
            if stopType == STOP_ITER:
                value = i
            elif stopType == STOP_COST:
                value = costs
            elif stopType == STOP_GRAD:
                value = grad
            if stopCriterion(stopType, value, thresh): break
     
        return theta, i - 1, costs, grad, time.time() - init_time

    完整代码

    import numpy as np
    import pandas as pd
    import matplotlib.pyplot as plt
    import os
    import numpy.random
    import time
     
     
    def sigmoid(z):
        return 1 / (1 + np.exp(-z))
     
     
    def model(X, theta):
        return sigmoid(np.dot(X, theta.T))
     
     
    def cost(X, y, theta):
        left = np.multiply(-y, np.log(model(X, theta)))
        right = np.multiply(1 - y, np.log(1 - model(X, theta)))
        return np.sum(left - right) / (len(X))
     
     
    def gradient(X, y, theta):
        grad = np.zeros(theta.shape)
        error = (model(X, theta) - y).ravel()
        for j in range(len(theta.ravel())):  # for each parmeter
            term = np.multiply(error, X[:, j])
            grad[0, j] = np.sum(term) / len(X)
        return grad
     
     
    STOP_ITER = 0
    STOP_COST = 1
    STOP_GRAD = 2
     
     
    def stopCriterion(type, value, threshold):
        # 设定三种不同的停止策略
        if type == STOP_ITER:  # 设定迭代次数
            return value > threshold
        elif type == STOP_COST:  # 根据损失值停止
            return abs(value[-1] - value[-2]) < threshold
        elif type == STOP_GRAD:  # 根据梯度变化停止
            return np.linalg.norm(value) < threshold
     
     
    # 洗牌
    def shuffleData(data):
        np.random.shuffle(data)
        cols = data.shape[1]
        X = data[:, 0:cols - 1]
        y = data[:, cols - 1:]
        return X, y
     
     
    def descent(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha):
        # 梯度下降求解
     
        init_time = time.time()
        i = 0  # 迭代次数
        k = 0  # batch
        X, y = shuffleData(data)
        grad = np.zeros(theta.shape)  # 计算的梯度
        costs = [cost(X, y, theta)]  # 损失值
     
        while True:
            grad = gradient(X[k:k + batchSize], y[k:k + batchSize], theta)
            k += batchSize  # 取batch数量个数据
            if k >= n:
                k = 0
                X, y = shuffleData(data)  # 重新洗牌
            theta = theta - alpha * grad  # 参数更新
            costs.append(cost(X, y, theta))  # 计算新的损失
            i += 1
     
            if stopType == STOP_ITER:
                value = i
            elif stopType == STOP_COST:
                value = costs
            elif stopType == STOP_GRAD:
                value = grad
            if stopCriterion(stopType, value, thresh): break
     
        return theta, i - 1, costs, grad, time.time() - init_time
     
     
    def runExpe(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha):
        # import pdb
        # pdb.set_trace()
        theta, iter, costs, grad, dur = descent(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha)
        name = "Original" if (data[:, 1] > 2).sum() > 1 else "Scaled"
        name += " data - learning rate: {} - ".format(alpha)
        if batchSize == n:
            strDescType = "Gradient"  # 批量梯度下降
        elif batchSize == 1:
            strDescType = "Stochastic"  # 随机梯度下降
        else:
            strDescType = "Mini-batch ({})".format(batchSize)  # 小批量梯度下降
        name += strDescType + " descent - Stop: "
        if stopType == STOP_ITER:
            strStop = "{} iterations".format(thresh)
        elif stopType == STOP_COST:
            strStop = "costs change < {}".format(thresh)
        else:
            strStop = "gradient norm < {}".format(thresh)
        name += strStop
        print("***{}\nTheta: {} - Iter: {} - Last cost: {:03.2f} - Duration: {:03.2f}s".format(
            name, theta, iter, costs[-1], dur))
        fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 4))
        ax.plot(np.arange(len(costs)), costs, 'r')
        ax.set_xlabel('Iterations')
        ax.set_ylabel('Cost')
        ax.set_title(name.upper() + ' - Error vs. Iteration')
        return theta
     
     
    path = 'data' + os.sep + 'LogiReg_data.txt'
    pdData = pd.read_csv(path, header=None, names=['Exam 1', 'Exam 2', 'Admitted'])
    positive = pdData[pdData['Admitted'] == 1]
    negative = pdData[pdData['Admitted'] == 0]
     
    # 画图观察样本情况
    fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 5))
    ax.scatter(positive['Exam 1'], positive['Exam 2'], s=30, c='b', marker='o', label='Admitted')
    ax.scatter(negative['Exam 1'], negative['Exam 2'], s=30, c='r', marker='x', label='Not Admitted')
    ax.legend()
    ax.set_xlabel('Exam 1 Score')
    ax.set_ylabel('Exam 2 Score')
     
    pdData.insert(0, 'Ones', 1)
     
    # 划分训练数据与标签
    orig_data = pdData.values
    cols = orig_data.shape[1]
    X = orig_data[:, 0:cols - 1]
    y = orig_data[:, cols - 1:cols]
    # 设置初始参数0
    theta = np.zeros([1, 3])
     
    # 选择的梯度下降方法是基于所有样本的
    n = 100
    runExpe(orig_data, theta, n, STOP_ITER, thresh=5000, alpha=0.000001)
    runExpe(orig_data, theta, n, STOP_COST, thresh=0.000001, alpha=0.001)
    runExpe(orig_data, theta, n, STOP_GRAD, thresh=0.05, alpha=0.001)
    runExpe(orig_data, theta, 1, STOP_ITER, thresh=5000, alpha=0.001)
    runExpe(orig_data, theta, 1, STOP_ITER, thresh=15000, alpha=0.000002)
    runExpe(orig_data, theta, 16, STOP_ITER, thresh=15000, alpha=0.001)
     
    from sklearn import preprocessing as pp
     
    # 数据预处理
    scaled_data = orig_data.copy()
    scaled_data[:, 1:3] = pp.scale(orig_data[:, 1:3])
     
    runExpe(scaled_data, theta, n, STOP_ITER, thresh=5000, alpha=0.001)
    runExpe(scaled_data, theta, n, STOP_GRAD, thresh=0.02, alpha=0.001)
    theta = runExpe(scaled_data, theta, 1, STOP_GRAD, thresh=0.002 / 5, alpha=0.001)
    runExpe(scaled_data, theta, 16, STOP_GRAD, thresh=0.002 * 2, alpha=0.001)
     
     
    # 设定阈值
    def predict(X, theta):
        return [1 if x >= 0.5 else 0 for x in model(X, theta)]
     
     
    # 计算精度
    scaled_X = scaled_data[:, :3]
    y = scaled_data[:, 3]
    predictions = predict(scaled_X, theta)
    correct = [1 if ((a == 1 and b == 1) or (a == 0 and b == 0)) else 0 for (a, b) in zip(predictions, y)]
    accuracy = (sum(map(int, correct)) % len(correct))
    print('accuracy = {0}%'.format(accuracy))

    逻辑回归的优缺点

    优点

    • 形式简单,模型的可解释性非常好。从特征的权重可以看到不同的特征对最后结果的影响,某个特征的权重值比较高,那么这个特征最后对结果的影响会比较大。

    • 模型效果不错。在工程上是可以接受的(作为baseline),如果特征工程做的好,效果不会太差,并且特征工程可以大家并行开发,大大加快开发的速度。

    • 训练速度较快。分类的时候,计算量仅仅只和特征的数目相关。并且逻辑回归的分布式优化sgd发展比较成熟,训练的速度可以通过堆机器进一步提高,这样我们可以在短时间内迭代好几个版本的模型。

    • 资源占用小,尤其是内存。因为只需要存储各个维度的特征值。

    • 方便输出结果调整。逻辑回归可以很方便的得到最后的分类结果,因为输出的是每个样本的概率分数,我们可以很容易的对这些概率分数进行cutoff,也就是划分阈值(大于某个阈值的是一类,小于某个阈值的是一类)。

    缺点

    • 准确率并不是很高。因为形式非常的简单(非常类似线性模型),很难去拟合数据的真实分布。

    • 很难处理数据不平衡的问题。举个例子:如果我们对于一个正负样本非常不平衡的问题比如正负样本比 10000:1.我们把所有样本都预测为正也能使损失函数的值比较小。但是作为一个分类器,它对正负样本的区分能力不会很好。

    • 处理非线性数据较麻烦。逻辑回归在不引入其他方法的情况下,只能处理线性可分的数据,或者进一步说,处理二分类的问题 。

    • 逻辑回归本身无法筛选特征。有时候,我们会用gbdt来筛选特征,然后再上逻辑回归。

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