logistic回归梯度上升优化算法

逻辑回归模型是一种二分类模型,它通过将输入的特征向量映射到0~1之间的概率值来预测输出值。在训练过程中,需要使用最大似然估计法来确定模型参数,具体而言,就是通过优化似然函数的值来使得模型能够以最大可能性拟合训练数据。

对于给定训练数据$(x^{(1)}, y^{(1)}), (x^{(2)}, y^{(2)}),..., (x^{(m)}, y^{(m)})$,其中$x^{(i)}$为特征向量(包括截距项),$y^{(i)}\in{0,1}$为目标变量。逻辑回归模型的假设函数定义为:

$$ h_\theta(x) = g(\theta^T x) $$

其中,$\theta$为模型的参数向量,$g(z)$为sigmoid函数,定义为:

$$ g(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}} $$

我们可以将$h_\theta(x)$看作样本$x$属于正类别的概率,因此,当$h_\theta(x)\geq 0.5$时,我们将$x$判定为正类;反之,当$h_\theta(x)<0.5$时,我们将$x$判定为负类。

接下来,我们来介绍逻辑回归模型的梯度上升算法,用于优化模型的参数向量$\theta$。梯度上升算法的核心思想是,通过不断迭代更新参数向量$\theta$,使得似然函数的值逐步增大。具体而言,每一轮迭代都将参数向量按照如下公式进行更新:

$$ \theta_j := \theta_j + \alpha\sum_{i=1}^{m}(y^{(i)} - h_\theta(x^{(i)}))x_j^{(i)} $$

其中,$m$为样本数量,$j$为参数向量$\theta$的索引,$\alpha$为学习率,$h_\theta(x^{(i)})$表示样本$x^{(i)}$对应的预测值。

我们可以使用以下Python代码实现逻辑回归模型的梯度上升算法:

import numpy as np

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

def gradient_ascent(x, y, alpha=0.001, num_iters=1000):
    """
    实现梯度上升算法,用于优化逻辑回归模型的参数

    参数:
    x - 特征向量(包含截距项)
    y - 目标变量
    alpha - 学习率,默认为0.001
    num_iters - 迭代次数,默认为1000

    返回:
    theta - 学习后的参数向量
    cost_history - 每次迭代计算出的损失函数值
    """
    m, n = x.shape   # m为样本数量,n为特征数量(包括截距项)
    theta = np.zeros((n, 1))  # 初始化参数向量为0
    cost_history = []  # 记录每次迭代计算出的损失函数值

    for i in range(num_iters):
        h = sigmoid(np.dot(x, theta))  # 计算预测值
        error = y - h  # 计算误差
        theta += alpha * np.dot(x.T, error)  # 更新参数向量
        cost = np.sum(error ** 2) / (2 * m)
        cost_history.append(cost)

    return theta, cost_history

在以上代码中,我们定义了sigmoid函数,并使用梯度上升算法来更新模型的参数向量$\theta$。其中,学习率$\alpha$和迭代次数$num_iters$可以在函数参数中进行调整。每一轮迭代时,我们计算预测值$h_\theta(x)$和误差$y - h_\theta(x)$,然后将参数向量$\theta$按照上述公式进行更新。

同时,我们还定义了损失函数为均方误差,其具体计算公式为:

$$ J(\theta) = \frac{1}{2m}\sum_{i=1}^{m}(y^{(i)} - h_\theta(x^{(i)}))^2 $$

其中,$m$为样本数量,$h_\theta(x^{(i)})$表示样本$x^{(i)}$对应的预测值。

需要注意的是,在使用以上代码时,特征向量$x$需要包含截距项,并且样本数据需要进行适当的归一化处理,以提高训练效果。

最终,该代码返回学习后的参数向量$\theta$和每次迭代计算出的损失函数值。通过观察损失函数的变化情况,我们可以判断模型是否收敛,以及选择合适的学习率和迭代次数。