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數(shù)學推導+純Python實現(xiàn)機器學習算法

lviY_AI_shequ ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-10-16 16:12 ? 次閱讀

前文推送:

數(shù)學推導+純Python實現(xiàn)機器學習算法

1:線性回歸

自本系列第一講推出以來,得到了不少同學的反響和贊成,也有同學留言說最好能把數(shù)學推導部分寫的詳細點,筆者只能說盡力,因為打公式實在是太浪費時間了。。本節(jié)要和大家一起學習的是邏輯(logistic)回歸模型,繼續(xù)按照手推公式+純 Python 的寫作套路。

邏輯回歸本質(zhì)上跟邏輯這個詞不是很搭邊,叫這個名字完全是直譯過來形成的。那該怎么叫呢?其實邏輯回歸本名應該叫對數(shù)幾率回歸,是線性回歸的一種推廣,所以我們在統(tǒng)計學上也稱之為廣義線性模型。眾多周知的是,線性回歸針對的是標簽為連續(xù)值的機器學習任務,那如果我們想用線性模型來做分類任何可行嗎?答案當然是肯定的。

sigmoid 函數(shù)

相較于線性回歸的因變量 y 為連續(xù)值,邏輯回歸的因變量則是一個 0/1 的二分類值,這就需要我們建立一種映射將原先的實值轉(zhuǎn)化為 0/1 值。這時候就要請出我們熟悉的 sigmoid 函數(shù)了:

其函數(shù)圖形如下:

除了長的很優(yōu)雅之外,sigmoid 函數(shù)還有一個很好的特性就是其求導計算等于下式,這給我們后續(xù)求交叉熵損失的梯度時提供了很大便利。

邏輯回歸模型的數(shù)學推導

由 sigmoid 函數(shù)可知邏輯回歸模型的基本形式為:

稍微對上式做一下轉(zhuǎn)換:

下面將 y 視為類后驗概率 p(y = 1 | x),則上式可以寫為:

則有:

將上式進行簡單綜合,可寫成如下形式:

寫成對數(shù)形式就是我們熟知的交叉熵損失函數(shù)了,這也是交叉熵損失的推導由來:

最優(yōu)化上式子本質(zhì)上就是我們統(tǒng)計上所說的求其極大似然估計,可基于上式分別關于 W 和b 求其偏導可得:

基于 W 和 b 的梯度進行權值更新即可求導參數(shù)的最優(yōu)值,使得損失函數(shù)最小化,也即求得參數(shù)的極大似然估計,殊途同歸啊。

邏輯回歸的 Python 實現(xiàn)

跟上一講寫線性模型一樣,在實際動手寫之前我們需要理清楚思路。要寫一個完整的邏輯回歸模型我們需要:sigmoid函數(shù)、模型主體、參數(shù)初始化、基于梯度下降的參數(shù)更新訓練、數(shù)據(jù)測試與可視化展示。

先定義一個 sigmoid 函數(shù):

import numpy as npdef sigmoid(x): z = 1 / (1 + np.exp(-x)) return z

定義模型參數(shù)初始化函數(shù):

def initialize_params(dims): W = np.zeros((dims, 1)) b = 0 return W, b

定義邏輯回歸模型主體部分,包括模型計算公式、損失函數(shù)和參數(shù)的梯度公式:

def logistic(X, y, W, b): num_train = X.shape[0] num_feature = X.shape[1] a = sigmoid(np.dot(X, W) + b) cost = -1/num_train * np.sum(y*np.log(a) + (1-y)*np.log(1-a)) dW = np.dot(X.T, (a-y))/num_train db = np.sum(a-y)/num_train cost = np.squeeze(cost) return a, cost, dW, db

定義基于梯度下降的參數(shù)更新訓練過程:

def logistic_train(X, y, learning_rate, epochs): # 初始化模型參數(shù) W, b = initialize_params(X.shape[1]) cost_list = [] # 迭代訓練 for i in range(epochs): # 計算當前次的模型計算結果、損失和參數(shù)梯度 a, cost, dW, db = logistic(X, y, W, b) # 參數(shù)更新 W = W -learning_rate * dW b = b -learning_rate * db # 記錄損失 if i % 100 == 0: cost_list.append(cost) # 打印訓練過程中的損失 if i % 100 == 0: print('epoch %d cost %f' % (i, cost)) # 保存參數(shù) params = { 'W': W, 'b': b } # 保存梯度 grads = { 'dW': dW, 'db': db } return cost_list, params, grads

定義對測試數(shù)據(jù)的預測函數(shù):

def predict(X, params): y_prediction = sigmoid(np.dot(X, params['W']) + params['b']) for i in range(len(y_prediction)): if y_prediction[i] > 0.5: y_prediction[i] = 1 else: y_prediction[i] = 0 return y_prediction

使用 sklearn 生成模擬的二分類數(shù)據(jù)集進行模型訓練和測試:

import matplotlib.pyplot as pltfrom sklearn.datasets.samples_generator import make_classification X,labels=make_classification(n_samples=100, n_features=2, n_redundant=0, n_informative=2, random_state=1, n_clusters_per_class=2) rng=np.random.RandomState(2) X+=2*rng.uniform(size=X.shape) unique_lables=set(labels) colors=plt.cm.Spectral(np.linspace(0, 1, len(unique_lables)))for k, col in zip(unique_lables, colors): x_k=X[labels==k] plt.plot(x_k[:, 0], x_k[:, 1], 'o', markerfacecolor=col, markeredgecolor="k", markersize=14) plt.title('data by make_classification()') plt.show()

數(shù)據(jù)分布展示如下:

對數(shù)據(jù)進行簡單的訓練集與測試集的劃分:

offset = int(X.shape[0] * 0.9) X_train, y_train = X[:offset], labels[:offset] X_test, y_test = X[offset:], labels[offset:] y_train = y_train.reshape((-1,1)) y_test = y_test.reshape((-1,1)) print('X_train=', X_train.shape) print('X_test=', X_test.shape) print('y_train=', y_train.shape) print('y_test=', y_test.shape)

對訓練集進行訓練:

cost_list, params, grads = lr_train(X_train, y_train, 0.01, 1000)

迭代過程如下:

對測試集數(shù)據(jù)進行預測:

y_prediction = predict(X_test, params) print(y_prediction)

預測結果如下:

定義一個分類準確率函數(shù)對訓練集和測試集的準確率進行評估:

def accuracy(y_test, y_pred): correct_count = 0 for i in range(len(y_test)): for j in range(len(y_pred)): if y_test[i] == y_pred[j] and i == j: correct_count +=1 accuracy_score = correct_count / len(y_test) return accuracy_score # 打印訓練準確率accuracy_score_train = accuracy(y_train, y_train_pred) print(accuracy_score_train)

查看測試集準確率:

accuracy_score_test = accuracy(y_test, y_prediction) print(accuracy_score_test)

沒有進行交叉驗證,測試集準確率存在一定的偶然性哈。

最后我們定義個繪制模型決策邊界的圖形函數(shù)對訓練結果進行可視化展示:

def plot_logistic(X_train, y_train, params): n = X_train.shape[0] xcord1 = [] ycord1 = [] xcord2 = [] ycord2 = [] for i in range(n): if y_train[i] == 1: xcord1.append(X_train[i][0]) ycord1.append(X_train[i][1]) else: xcord2.append(X_train[i][0]) ycord2.append(X_train[i][1]) fig = plt.figure() ax = fig.add_subplot(111) ax.scatter(xcord1, ycord1,s=32, c='red') ax.scatter(xcord2, ycord2, s=32, c='green') x = np.arange(-1.5, 3, 0.1) y = (-params['b'] - params['W'][0] * x) / params['W'][1] ax.plot(x, y) plt.xlabel('X1') plt.ylabel('X2') plt.show() plot_logistic(X_train, y_train, params)

組件封裝成邏輯回歸類

將以上實現(xiàn)過程使用一個 python 類進行封裝:

import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom sklearn.datasets.samples_generator import make_classificationclass logistic_regression(): def __init__(self): pass def sigmoid(self, x): z = 1 / (1 + np.exp(-x)) return z def initialize_params(self, dims): W = np.zeros((dims, 1)) b = 0 return W, b def logistic(self, X, y, W, b): num_train = X.shape[0] num_feature = X.shape[1] a = self.sigmoid(np.dot(X, W) + b) cost = -1 / num_train * np.sum(y * np.log(a) + (1 - y) * np.log(1 - a)) dW = np.dot(X.T, (a - y)) / num_train db = np.sum(a - y) / num_train cost = np.squeeze(cost) return a, cost, dW, db def logistic_train(self, X, y, learning_rate, epochs): W, b = self.initialize_params(X.shape[1]) cost_list = [] for i in range(epochs): a, cost, dW, db = self.logistic(X, y, W, b) W = W - learning_rate * dW b = b - learning_rate * db if i % 100 == 0: cost_list.append(cost) if i % 100 == 0: print('epoch %d cost %f' % (i, cost)) params = { 'W': W, 'b': b } grads = { 'dW': dW, 'db': db } return cost_list, params, grads def predict(self, X, params): y_prediction = self.sigmoid(np.dot(X, params['W']) + params['b']) for i in range(len(y_prediction)): if y_prediction[i] > 0.5: y_prediction[i] = 1 else: y_prediction[i] = 0 return y_prediction def accuracy(self, y_test, y_pred): correct_count = 0 for i in range(len(y_test)): for j in range(len(y_pred)): if y_test[i] == y_pred[j] and i == j: correct_count += 1 accuracy_score = correct_count / len(y_test) return accuracy_score def create_data(self): X, labels = make_classification(n_samples=100, n_features=2, n_redundant=0, n_informative=2, random_state=1, n_clusters_per_class=2) labels = labels.reshape((-1, 1)) offset = int(X.shape[0] * 0.9) X_train, y_train = X[:offset], labels[:offset] X_test, y_test = X[offset:], labels[offset:] return X_train, y_train, X_test, y_test def plot_logistic(self, X_train, y_train, params): n = X_train.shape[0] xcord1 = [] ycord1 = [] xcord2 = [] ycord2 = [] for i in range(n): if y_train[i] == 1: xcord1.append(X_train[i][0]) ycord1.append(X_train[i][1]) else: xcord2.append(X_train[i][0]) ycord2.append(X_train[i][1]) fig = plt.figure() ax = fig.add_subplot(111) ax.scatter(xcord1, ycord1, s=32, c='red') ax.scatter(xcord2, ycord2, s=32, c='green') x = np.arange(-1.5, 3, 0.1) y = (-params['b'] - params['W'][0] * x) / params['W'][1] ax.plot(x, y) plt.xlabel('X1') plt.ylabel('X2') plt.show() if __name__ == "__main__": model = logistic_regression() X_train, y_train, X_test, y_test = model.create_data() print(X_train.shape, y_train.shape, X_test.shape, y_test.shape) cost_list, params, grads = model.logistic_train(X_train, y_train, 0.01, 1000) print(params) y_train_pred = model.predict(X_train, params) accuracy_score_train = model.accuracy(y_train, y_train_pred) print('train accuracy is:', accuracy_score_train) y_test_pred = model.predict(X_test, params) accuracy_score_test = model.accuracy(y_test, y_test_pred) print('test accuracy is:', accuracy_score_test) model.plot_logistic(X_train, y_train, params)

好了,關于邏輯回歸的內(nèi)容,筆者就介紹到這,至于如何在實戰(zhàn)中檢驗邏輯回歸的分類效果,還需各位親自試一試。多說一句,邏輯回歸模型與感知機、神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習有著千絲萬縷的關系,作為基礎的機器學習模型,希望大家能夠牢固掌握其數(shù)學推導和手動實現(xiàn)方式,在此基礎上再去調(diào)用 sklearn 中的 LogisticRegression 模塊,必能必能裨補闕漏,有所廣益。

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原文標題:數(shù)學推導+純Python實現(xiàn)機器學習算法2:邏輯回歸

文章出處:【微信號:AI_shequ,微信公眾號:人工智能愛好者社區(qū)】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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