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Logistic回归与梯度下降法

何晓杰Dev 2023-05-31 阅读 107
#includeData数据Html/CSS前端开发


Logistic回归为概率型非线性回归模型，是研究二分类观察结果

Logistic回归与梯度下降法_#include

与一些影响因素

Logistic回归与梯度下降法_#include_02

之间关系的一种

多变量分析方法。通常的问题是，研究某些因素条件下某个结果是否发生，比如医学中根据病人的一些症状来判断它是

否患有某种病。

 

在讲解Logistic回归理论之前，我们先从LR分类器说起。LR分类器，即Logistic Regression Classifier。

在分类情形下，经过学习后的LR分类器是一组权值

Logistic回归与梯度下降法_#include_03

，当测试样本的数据输入时，这组权值与测试数

据按照线性加和得到

 

 

Logistic回归与梯度下降法_Data_04

 

这里

Logistic回归与梯度下降法_数据_05

是每个样本的

Logistic回归与梯度下降法_#include_06

个特征。之后按照Sigmoid函数（又称为Logistic函数）的形式求出

 

Logistic回归与梯度下降法_#include_07

 

由于Sigmoid函数的定义域为

Logistic回归与梯度下降法_数据_08

，值域为

Logistic回归与梯度下降法_Data_09

，因此最基本的LR分类器适合对两类目标进行分类。所以Logistic回归最关键的问题就是研究如何求得

Logistic回归与梯度下降法_数据_10

这组权值。此问题用极大似然估计来做。

 

 

下面正式地来讲Logistic回归模型。

 

考虑具有

Logistic回归与梯度下降法_数据_11

个独立变量的向量

Logistic回归与梯度下降法_Data_12

，设条件慨率

Logistic回归与梯度下降法_Data_13

为根据观测量相对于某事件

Logistic回归与梯度下降法_Data_14

发生

的概率。那么Logistic回归模型可以表示为

 

           

Logistic回归与梯度下降法_数据_15

 

其中

Logistic回归与梯度下降法_Data_16

，那么在

Logistic回归与梯度下降法_数据_17

条件下

Logistic回归与梯度下降法_数据_18

不发生的概率为

 

 

Logistic回归与梯度下降法_数据_19

 

所以事件发生与不发生的概率之比为

 

 

Logistic回归与梯度下降法_Data_20

 

这个比值称为事件的发生比（the odds of experiencing an event），简记为odds。

 

可以看出Logistic回归都是围绕一个Logistic函数来展开的。接下来就讲如何用极大似然估计求分类器的参数。

 

假设有

Logistic回归与梯度下降法_Data_21

个观测样本，观测值分别为

Logistic回归与梯度下降法_Data_22

，设

Logistic回归与梯度下降法_#include_23

为给定条件下得到

Logistic回归与梯度下降法_#include_24

的概率，同样地，

Logistic回归与梯度下降法_#include_25

的概率为

Logistic回归与梯度下降法_Data_26

，所以得到一个观测值的概率为

Logistic回归与梯度下降法_#include_27

。

 

因为各个观测样本之间相互独立，那么它们的联合分布为各边缘分布的乘积。得到似然函数为

 

                                         

Logistic回归与梯度下降法_#include_28

 

然后我们的目标是求出使这一似然函数的值最大的参数估计，最大似然估计就是求出参数

Logistic回归与梯度下降法_#include_29

，使得

Logistic回归与梯度下降法_#include_30

取得最大值，对函数

Logistic回归与梯度下降法_#include_31

取对数得到

 

            

Logistic回归与梯度下降法_数据_32

 

现在求向量

Logistic回归与梯度下降法_数据_33

，使得

Logistic回归与梯度下降法_Data_34

最大，其中

Logistic回归与梯度下降法_Data_35

。

 

这里介绍一种方法，叫做梯度下降法（求局部极小值），当然相对还有梯度上升法（求局部极大值）。

对上述的似然函数求偏导后得到

 

            

Logistic回归与梯度下降法_#include_36

 

由于是求局部极大值，所以根据梯度上升法，有

 

                    

Logistic回归与梯度下降法_数据_37

 

根据上述公式，只需初始化向量

Logistic回归与梯度下降法_Data_38

全为零，或者随机值，迭代到指定精度为止。

 

现在就来用C++编程实现Logistic回归的梯度上升算法。首先要对训练数据进行处理，假设训练数据如下

 

训练数据：TrainData.txt

1 0 0 1 0 1
0 0 1 2 0 0
1 0 0 1 1 0
0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 2 1 0
1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
1 0 0 1 0 0
1 0 0 0 1 0
2 0 0 0 1 0
1 0 0 2 1 0
2 0 0 0 1 0
2 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 2 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 1
0 0 1 2 1 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 0 0 0
0 0 0 2 0 0
1 0 0 0 1 0
2 0 1 0 0 0
2 0 1 1 1 0
1 0 1 1 0 0
1 0 1 2 0 0
1 0 0 1 1 0
0 0 0 0 1 0
1 1 0 0 1 0
1 0 1 2 1 0
0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 0
1 0 1 1 1 0
1 0 1 0 1 0
2 0 1 2 0 0
0 0 1 2 1 0
0 0 1 0 1 0
2 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 0 0 0 0
1 0 0 0 1 0
0 0 0 0 1 0
0 0 1 2 1 0
0 1 1 0 0 0
0 1 0 0 1 0
2 1 0 0 0 0
2 1 0 0 0 0
1 1 0 2 0 0
1 1 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0
2 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
2 1 0 2 1 0
2 1 0 2 1 0
1 1 0 2 1 0
0 1 0 0 0 1
2 1 1 0 1 0
2 1 0 1 1 0
1 1 0 0 0 1
2 1 0 0 0 0
1 1 0 0 1 0
1 1 0 0 0 0
2 1 0 1 1 0
1 1 0 0 1 0
1 0 1 1 0 1
2 1 0 1 1 0
0 1 0 0 1 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 0 0 1
1 0 0 0 0 0
0 0 0 2 1 0
1 0 1 2 0 1
1 0 0 1 1 0
2 0 1 2 1 0
2 0 0 0 1 0
1 0 0 1 1 0
1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 0 0
1 0 0 2 1 0
2 0 1 1 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 0 0 1 0
2 0 0 1 0 1
0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0
1 0 1 1 1 1
2 0 1 0 1 0
0 0 0 0 0 0
1 0 1 0 1 0
0 0 0 0 1 0
0 0 0 2 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 1 2 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 0 1
0 0 0 2 1 0
1 0 1 1 1 0
1 0 0 1 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 0 0 0 0
1 0 1 0 1 0
2 0 0 0 1 0
1 0 0 0 1 0
2 0 0 1 1 0
0 0 1 2 1 0
1 0 1 2 0 0
0 0 1 2 1 0
1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 0 1 1 0
1 0 0 0 1 0
2 0 0 1 1 0
1 0 0 1 1 0
1 0 1 0 0 0
1 1 0 1 1 0
2 1 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0
1 1 0 1 0 1
1 1 0 2 1 0
0 1 0 0 0 0
1 1 0 2 0 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 0 1 1
1 1 0 2 1 0
1 0 0 2 1 0
2 1 1 1 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
2 1 0 0 0 1
1 1 0 2 1 0
1 1 0 0 1 0
1 1 1 0 0 0
2 1 0 2 1 0
2 1 1 1 0 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 2 1 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 1 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0
1 1 0 2 1 0
1 1 0 0 0 0
0 1 1 2 0 0
2 1 0 0 1 0
2 0 1 0 0 1
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 2 1 0
0 0 1 0 0 0
1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 0
0 0 0 0 0 1
0 0 1 2 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 0 0
0 0 1 0 0 1
0 0 1 2 1 0
2 0 1 2 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 0 0 0 0
2 0 1 1 1 0
0 0 1 0 0 1
1 0 1 0 0 0
1 0 1 1 1 0
1 0 1 1 0 0
0 0 1 0 0 0
1 0 1 1 1 0
1 0 1 2 0 0
2 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 0 0 0
2 0 1 1 0 0
0 0 1 2 0 0
1 0 0 1 1 1
0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 1 0
2 0 1 2 1 0
1 0 0 1 0 0
0 0 1 0 0 0
2 0 0 1 1 1
0 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
2 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
2 0 0 0 1 0
1 0 1 0 1 0
1 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
2 0 0 0 0 0
2 0 0 1 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 0 0 1 0
2 0 1 0 0 0
1 0 1 0 1 0
0 0 0 0 1 0
1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 0 0
1 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 0
0 0 1 2 0 0
2 0 1 0 1 1
0 0 1 0 1 0
0 0 1 2 1 0
0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 0 0
1 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 0 0 1 0
0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 1 0
1 0 1 1 1 0
0 0 0 2 0 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 0 1 1 0
2 0 0 0 1 0
1 0 0 0 0 0
2 0 0 2 1 0
0 0 1 2 1 0
1 0 1 0 0 1
0 0 1 2 1 0
0 0 1 2 1 0
0 0 1 0 1 0
1 0 1 2 1 0
0 0 0 2 0 0
1 0 0 0 0 0
0 0 0 2 1 0
0 0 1 0 1 0
2 0 0 0 1 0
1 0 0 0 0 0
1 0 0 1 1 0
1 0 1 1 1 0
1 0 1 0 1 1
0 0 1 0 1 0
1 1 0 2 1 0
1 1 0 1 0 0
2 1 0 2 1 0
1 1 1 0 0 0
0 1 1 0 0 0
0 1 1 0 0 1
0 1 0 0 1 0
1 1 1 0 0 0
1 1 1 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 1 0 0 1
1 1 1 1 1 0
1 1 0 2 1 0
0 1 0 2 0 0
1 1 0 2 1 0
0 0 1 2 1 0
2 1 1 1 1 0
0 1 0 0 1 0
0 0 1 0 1 0
2 1 0 1 1 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 0 0 0
1 1 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0
2 1 0 0 1 0
2 1 0 0 0 0
1 1 0 0 1 0
2 1 0 1 1 0

上面训练数据中，每一行代表一组训练数据，每组有7个数组，第1个数字代表ID，可以忽略之，2~6代表这组训

练数据的特征输入，第7个数字代表输出，为0或者1。每个数据之间用一个空格隔开。

 

首先我们来研究如何一行一行读取文本，在C++中，读取文本的一行用getline()函数。

getline()函数表示读取文本的一行，返回的是读取的字节数，如果读取失败则返回-1。用法如下：

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <fstream>
#include <string>
#include <stdio.h>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    string filename = "data.in";
    ifstream file(filename.c_str());
    char s[1024];
    if(file.is_open())
    {
        while(file.getline(s,1024))
        {
            int x,y,z;
            sscanf(s,"%d %d %d",&x,&y,&z);
            cout<<x<<" "<<y<<" "<<z<<endl;
        }
    }
    return 0;
}

拿到每一行后，可以把它们提取出来，进行系统输入。 Logistic回归的梯度上升算法实现如下


代码：

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <fstream>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <vector>
 
#define Type double
#define Vector vector
using namespace std;
 
struct Data
{
    Vector<Type> x;
    Type y;
};
 
void PreProcessData(Vector<Data>& data, string path)
{
    string filename = path;
    ifstream file(filename.c_str());
    char s[1024];
    if(file.is_open())
    {
        while(file.getline(s, 1024))
        {
            Data tmp;
            Type x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7;
            sscanf(s,"%lf %lf %lf %lf %lf %lf %lf", &x1, &x2, &x3, &x4, &x5, &x6, &x7);
            tmp.x.push_back(1);
            tmp.x.push_back(x2);
            tmp.x.push_back(x3);
            tmp.x.push_back(x4);
            tmp.x.push_back(x5);
            tmp.x.push_back(x6);
            tmp.y = x7;
            data.push_back(tmp);
        }
    }
}
 
void Init(Vector<Data> &data, Vector<Type> &w)
{
    w.clear();
    data.clear();
    PreProcessData(data, "TrainData.txt");
    for(int i = 0; i < data[0].x.size(); i++)
        w.push_back(0);
}
 
Type WX(const Data& data, const Vector<Type>& w)
{
    Type ans = 0;
    for(int i = 0; i < w.size(); i++)
        ans += w[i] * data.x[i];
    return ans;
}
 
Type Sigmoid(const Data& data, const Vector<Type>& w)
{
    Type x = WX(data, w);
    Type ans = exp(x) / (1 + exp(x));
    return ans;
}
 
Type Lw(const Vector<Data>& data, Vector<Type> w)
{
    Type ans = 0;
    for(int i = 0; i < data.size(); i++)
    {
        Type x = WX(data[i], w);
        ans += data[i].y * x - log(1 + exp(x));
    }
    return ans;
}
 
void Gradient(const Vector<Data>& data, Vector<Type> &w, Type alpha)
{
    for(int i = 0; i < w.size(); i++)
    {
        Type tmp = 0;
        for(int j = 0; j < data.size(); j++)
            tmp += alpha * data[j].x[i] * (data[j].y - Sigmoid(data[j], w));
        w[i] += tmp;
    }
}
 
void Display(int cnt, Type objLw, Type newLw, Vector<Type> w)
{
    cout<<"第"<<cnt<<"次迭代:  ojLw = "<<objLw<<"  两次迭代的目标差为: "<<(newLw - objLw)<<endl;
    cout<<"参数w为: ";
    for(int i = 0; i < w.size(); i++)
        cout<<w[i]<<" ";
    cout<<endl;
    cout<<endl;
}
 
void Logistic(const Vector<Data>& data, Vector<Type> &w)
{
    int cnt = 0;
    Type alpha = 0.1;
    Type delta = 0.00001;
    Type objLw = Lw(data, w);
    Gradient(data, w, alpha);
    Type newLw = Lw(data, w);
    while(fabs(newLw - objLw) > delta)
    {
        objLw = newLw;
        Gradient(data, w, alpha);
        newLw = Lw(data, w);
        cnt++;
        Display(cnt,objLw,newLw, w);
    }
}
 
void Separator(Vector<Type> w)
{
    Vector<Data> data;
    PreProcessData(data, "TestData.txt");
    cout<<"预测分类结果："<<endl;
    for(int i = 0; i < data.size(); i++)
    {
        Type p0 = 0;
        Type p1 = 0;
        Type x = WX(data[i], w);
        p1 = exp(x) / (1 + exp(x));
        p0 = 1 - p1;
        cout<<"实例: ";
        for(int j = 0; j < data[i].x.size(); j++)
            cout<<data[i].x[j]<<" ";
        cout<<"所属类别为：";
        if(p1 >= p0) cout<<1<<endl;
        else cout<<0<<endl;
    }
}
 
int main()
{
    Vector<Type> w;
    Vector<Data> data;
 
    Init(data, w);
    Logistic(data, w);
    Separator(w);
    return 0;
}

 

测试数据：TestData.txt

10009 1 0 0 1 0 1
10025 0 0 1 2 0 0
20035 0 0 1 0 0 1
20053 1 0 0 0 0 0
30627 1 0 1 2 0 0
30648 2 0 0 0 1 0

 

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