python如何實現梯度下降求解邏輯迴歸

線性迴歸

1.線性迴歸函數

#似然函數的定義：給定聯合樣本值X下關於(未知)參數 的函數

似然函數：什麼樣本的參數跟我們的資料組合後面剛好是真實值     

2.線性迴歸似然函數

##對數似然：

 3.線性迴歸目標函數

（誤差的表達式，我們的目的就是使得真實值與預測值之前的誤差最小）

（導數為0取得極值，得到函數的參數）

邏輯迴歸

##邏輯迴歸是在線性迴歸的結果外加一層Sigmoid函數

1.邏輯迴歸函數

##2.邏輯迴歸似然函數

前提資料服從伯努利分佈

對數似然：

引入 轉變為梯度下降任務，邏輯迴歸目標函數

梯度下降法解

 我的理解就是求導更新參數，達到一定條件後停止，得到近似最適解

程式碼實作

Sigmoid函數

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

預測函式

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

目標函數

##

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))

##lili 月函數

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

樣本重新洗牌

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

完整程式碼

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))

邏輯迴歸的優缺點

優點

• #形式簡單，模型的可解釋性非常好。從特徵的權重可以看到不同的特徵對最後結果的影響，某個特徵的權重值比較高，那麼這個特徵最後對結果的影響會比較大。

• 模型效果不錯。在工程上是可以接受的（作為baseline)，如果特徵工程做的好，效果不會太差，並且特徵工程可以大家並行開發，大大加快開發的速度。

• 訓練速度較快。分類的時候，計算量僅僅只和特徵的數目相關。且邏輯迴歸的分散式最佳化sgd發展比較成熟，訓練的速度可以透過堆機器進一步提高，這樣我們可以在短時間內迭代好幾個版本的模型。

• 資源佔用小,尤其是記憶體。因為只需要儲存各個維度的特徵值。

• 方便輸出結果調整。邏輯迴歸可以很方便的得到最後的分類結果，因為輸出的是每個樣本的機率分數，我們可以很容易的對這些機率分數進行cutoff，也就是劃分閾值(大於某個閾值的是一類，小於某個閾值的是一類)。

缺點

• 準確率不是很高。因為形式非常的簡單(非常類似線性模型)，很難去擬合資料的真實分佈。

• 很難處理資料不平衡的問題。舉個例子：如果我們對於一個正負樣本非常不平衡的問題例如正負樣本比 10000:1.我們把所有樣本都預測為正也能讓損失函數的值比較小。但是作為一個分類器，它對正負樣本的區分能力不會很好。

• 處理非線性資料較麻煩。邏輯迴歸在不引入其他方法的情況下，只能處理線性可分的數據，或者進一步說，處理二分類的問題 。

• 邏輯迴歸本身無法篩選特徵。有時候，我們會用gbdt來篩選特徵，然後再上邏輯回歸。

#

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