【机器学习速成宝典】模型篇03逻辑斯谛回归【Logistic回归】（Python版）

目录

　　一元线性回归、多元线性回归、Logistic回归、广义线性回归、非线性回归的关系

　　什么是极大似然估计

　　逻辑斯谛回归(Logistic回归)

　　多类分类Logistic回归

　　Python代码(sklearn库)

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一元线性回归、多元线性回归、逻辑斯谛回归、广义线性回归、非线性回归的关系　　

　　通过上图（插图摘自周志华《机器学习》及互联网）可以看出：

　　线性模型虽简单，却拥有着丰富的变化。例如对于样例，当我们希望线性模型的预测值逼近真实标记y时，就得到了线性回归模型：。当令模型逼近y的衍生物，比如时，就得到了对数线性回归（Log-linear regression）模型，这样的模型称为“广义线性回归（Generalized linear regression）模型”。

什么是极大似然估计(Maximum Likelihood Estimate，MLE)

　　引例

　　有两个射击运动员，一个专业水平，一个业余水平，但是不知道哪个是专业的哪个是业余的。那么如何判断呢？ 让两个运动员都打几枪，A运动员平均水平9.8环，B运动员平均水平2.2环，那我们就判断了：A远动员是专业的，B运动员是业余的。因为射击成绩已经产生了9.8环，当未知参数=专业水平时，射击成绩=9.8环的概率最大。这就是极大似然法。

　　极大似然法：事情已经发生了，当未知参数等于多少时，能让这个事情发生的概率最大，执果索因。

　　百度百科定义

　　极大似然估计，只是一种概率论在统计学的应用，它是参数估计的方法之一。说的是已知某个随机样本满足某种概率分布，但是其中具体的参数不清楚，参数估计就是通过若干次试验，观察其结果，利用结果推出参数的大概值。极大似然估计是建立在这样的思想上：已知某个参数能使这个样本出现的概率最大，我们当然不会再去选择其他小概率的样本，所以干脆就把这个参数作为估计的真实值。

逻辑斯谛回归(Logistic回归)

　　上一节讨论了如何使用线性模型进行回归学习，但若要做的是分类任务该怎么办？答案就蕴含在Logistic模型中。

　　在Logistic模型中，我们是用去拟合，其中y是样本x作为正例的概率。针对Logistic模型，这里有几个问题：（1）为什么要这样做拟合？（2）真实的训练集的标记都是1或0（正例或负例）而不是概率怎么办？下面我们一一解答。

　　假设我们有训练集：

　　首先解释：（1）为什么要这样做拟合？

　　二娃：既然你的标记是概率值，是一个连续的值，是不是可以用线性模型去进行模型学习？当对新样本进行预测的时候，如果模型预测的概率值>0.5就输出1；如果模型预测的概率值<=0.5就输出0？

　　好，那我们就实验一下二娃提供的思路。

　　从图像上可以看出由于最后两个样本点的原因，导致我们的拟合出来的直线的斜率变小，截距变高，如果按照二娃的思路来做，模型的效果很差。所以不能用线性模型去直接拟合概率值y。

　　翠花：那我们为何不直接找一条分割线去分割，而是非要去拟合呢？在本例中，直接用“尺寸如果>5.5输出1，尺寸<=5.5输出0”的规则岂不是很好？

　　其实，翠花的思路是我们未来要讲的支持向量机（SVM）。但是当样本量较大时SVM的收敛速度很慢，所以SVM从2012年开始渐渐退出历史舞台。在用于分类的模型有很多，这里我们先介绍Logistic模型。

　　我们接着说二娃的问题。线性模型直接拟合概率值y的方法不好用，那么去拟合（正例概率/反例概率，称为几率，再取对数，称为对数几率），当对新样本进行预测的时候，如果模型预测值>0就输出1；如果模型预测值<=0就输出0呢？

　　很明显，从图像拟合的情况看，模型在训练集上的表现很好。

　　那为什么要这样做拟合呢？首先，Logistic模型公式为：，转换形式后：，我们来讨论一下函数（一种Sigmoid函数）的性质

   图摘自自周志华《机器学习》

　　函数是一个单调可微函数，当z趋于正无穷时，函数值趋于1；当z趋于负无穷时，函数值趋于0；而且关于点（0,1/2）中心对称。这种Sigmoid函数适合拟合概率值。可以粗略的画出拟合曲线：

　　因此，当有新的样本输入时，Logistic回归模型中的函数会计算出它是正例的概率。若y>0.5模型预测为1（是恶性肿瘤），否则为0（非恶性肿瘤）。

　　随后解释：（2）真实的训练集的标记都是1或0（正例或负例）而不是概率怎么办？

　　假设数据集为

　　我们知道函数可以表示某个样例是正例的概率。虽然其中的和是未知的，是未知参数，但是可以表示出每一个样例属于其标记的概率，如：

，，......，

　　现在有了每一个样例属于其标记的概率，然后将这些概率相乘求一个总体概率S，即：

（似然函数）

　　可以证明这个似然函数是一个凸函数，使用最优化方法令其最大，从而求出最优的和，然后代入，完成模型的求解。

　　细心的朋友一定会发现：“事情已经发生了（训练集确定了），当未知参数（和）等于多少时，能让这个事情发生的概率（S）最大，执果索因”。这正是极大似然估计的应用啊！

　　因此Logistic回归模型中学习的代价函数可以是：

　　当然，我们也能求一下对数似然函数：

　　损失函数也相应变为：

多类分类Logistic回归

　　有两种方式：

　　（1）采用one-vs-rest策略

　　（2）采用多分类逻辑回归策略

　　设离散型随机变量Y的取值集合是{1,2，...，K}，那么多分类逻辑回归模型是

　　二分类逻辑回归的参数估计方法也可以推广到多分类逻辑回归。

Python代码(sklearn库)

# -*- coding: utf-8 -*-
from numpy import *
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.linear_model import LogisticRegression

iris = load_iris()
trainX = iris.data
trainY = iris.target

clf = LogisticRegression(penalty='l2', dual=False, tol=1e-4, C=1.0,
                 fit_intercept=True, intercept_scaling=1, class_weight=None,
                 random_state=None, solver='liblinear', max_iter=100,
                 multi_class='ovr', verbose=0, warm_start=False, n_jobs=1)
'''
    @param penalty: 指定正则化策略
    @param dual:  是否求解对偶形式
    @param C:  惩罚项系数的倒数，越大，正则化项越小
    @param fit_intercept:  是否拟合截距
    @param intercept_scaling:  当solver='liblinear'、fit_intercept=True时，会制造出一个恒为1的特征，权重为b，为了降低这个人造特征对正则化的影响，可以将其设为1
    @param class_weight:  可以是一个字典或'balanced'。字典：可以指定每一个分类的权重；'balanced'：可以指定每个分类的权重与该分类在训练集中的频率成反比
    @param max_iter:  最大迭代次数
    @param random_state:  一个整数或一个RandomState对象或None
    @param solver:  指定求解最优化问题的算法：
    'newton-cg':牛顿法；
    'lbfgs':拟牛顿法；
    'liblinear':使用liblinear;(适用于小数据集)
    'sag':使用Stochastic Average Gradient Descent算法(适用于大数据集)
    @param tol:  指定迭代收敛与否的阈值
    @param multi_class:
    'ovr': 采用one-vs-rest策略
    'multi_class': 采用多类分类Logistic回归
    @param verbose: 是否开启迭代过程中输出日志
    @param warm_start:  是否使用前一次的训练结果继续训练
    @param n_jobs: 任务并行时指定使用的CPU数，-1表示使用所有可用的CPU

    @attribute coef_: 权重向量
    @attribute intercept_: 截距b
    @attribute n_iter_: 实际迭代次数

    @method fit(X,y[,sample_weight]): 训练模型
    @method predict(X): 预测
    @method predict_log_proba(X): 返回X预测为各类别的概率的对数
    @method predict_proba(X): 返回X预测为各类别的概率
    @method score(X,y[,sample_weight]): 计算在(X,y)上的预测的准确率
'''

clf.fit(trainX, trainY)

print "权值："+str(clf.coef_)
print "截距："+str(clf.intercept_)
print "分数："+str(clf.score(trainX, trainY))
print clf.predict(trainX)
print trainY

'''
C:\Anaconda2\lib\site-packages\sklearn\datasets
权值：[[ 0.41498833  1.46129739 -2.26214118 -1.0290951 ]
 [ 0.41663969 -1.60083319  0.57765763 -1.38553843]
 [-1.70752515 -1.53426834  2.47097168  2.55538211]]
截距：[ 0.26560617  1.08542374 -1.21471458]
分数：0.96
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1
 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2]
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
 2 2]
'''