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  • 线性回归和逻辑回归常见问题

    千次阅读 2018-08-30 10:57:07
    问题来源逻辑回归常见问题 1.逻辑斯蒂回归推导 2.简述一下线性回归 3.为什么逻辑斯特回归中使用最大似然函数求得参数是...4.逻辑回归是线性模型逻辑回归是广义线性模型,就是在线性回归基础上加了一...

    问题来源逻辑回归常见问题

    1.逻辑斯蒂回归推导

    2.简述一下线性回归

    3.为什么逻辑斯特回归中使用最大似然函数求得的参数是最优可能的参数值?

    最大似然估计的核心是让所采样的样本出现的概率最大,利用已知的样本情况,反推使其最有可能发生的模型参数。对于逻辑回归,样本已经采样了,使其发生概率最大才是符合逻辑的。

    4.逻辑回归是线性模型吗?

    逻辑回归是广义的线性模型,就是在线性回归基础上加了一个非线性映射。

    5.逻辑回归做分类的样本应该满足什么分布?

    假设数据服从伯努利分布,二项分布就是进行n次伯努利分布,二项分布的期望是np,  方差是npq

    6.逻辑回归输出的值是0到1之间的值,这个值是真实的概率吗?

    不是,实际上反应的是该点到划分线的距离,但很多地方会认为它是一个接近真实概率的值。

    7.逻辑回归与线性回归的联系和区别?

    联系:逻辑回归是在线性回归上添加一个函数映射得到的。

    区别:数据假设不同;逻辑回归用来分类,线性回归用来预测(输出实质变量);线性回归用MLE求解参数,线性回归用最小二乘法来求解(其实这一点也不算区别,线性回归最小二乘法也是由MLE推导来的)。

    8.逻辑回归会发生过拟合吗?如何解决?

    会,原因可能是样本数量少;数据不规范;特征数量过多;

    解决方法:增加样本;数据重新清洗;减少特征数量;减少迭代次数(early stop),适当加大学习率;正则化;融合几个模型;

    9.什么是特征离散化和特征交叉?

    特征离散:当特征值的大小相加没有实际意义时,例如年龄,只需要知道年龄段即可,具体的一两岁差别并不关键。还有不同特征的值之间可能存在较大的数值差别,比如身高和年龄,在类似线性回归里直接相加减就不合适。所以需要特征离散,把连续的特征离散化,例如,将连续的年龄分为有限的年龄段,然后one-hot。

    特征交叉:可以引入特征交互,即引入非线性。以离散特征为例,两个特征:年龄和性别,可以组合成 年龄_性别 的一个新特征,比如M_18,F_22等等,然后再对这个特征做one hot编码,即可得到新的特征属性值。

    10.逻辑斯特回归为什么要对特征进行离散化?

    问题9中特征离散的两个原因。

    特征离散后,便于特征值的扩展,模型的迭代。

    离散后的特征鲁棒性强,比如年龄段,当特征值有偏差时不会产生太大的影响。

    11.在逻辑回归模型中,为什么常常要做特征组合(特征交叉)?

    逻辑回归本质上是个线性模型,线性模型对非线性关系的描述不够,特征交叉可以加入非线性表达,增强模型的表达能力。

    12.逻辑回归在训练的过程当中,如果有很多的特征高度相关或者说有一个特征重复了100遍,会造成怎样的影响?

     

    13.为什么逻辑回归在训练的过程当中将高度相关的特征去掉?

    14.逻辑回归最优化过程中如何避免局部极小值?

    15.线性回归的损失函数里面为什么常用平方形式, 而不是1次方,3次方,4次方或者绝对值?

    16.逻辑回归特征系数的绝对值可以认为是特征的重要性吗?

    17.如何使用逻辑回归实现多分类?

    逻辑回归推导

    18.逻辑回归的损失函数为什么要使用极大似然函数作为损失函数?

    19. 逻辑回归参数归一化是否对结果有什么影响吗?

    20.逻辑回归有哪些优缺点

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  • 文章目录线性回归1. 简单介绍一下线性回归。2. 线性回归假设函数是什么形式?3. 线性回归代价(损失)函数是什么形式?4. 求解线性回归代价函数方法有哪些:6. 简述岭回归与Lasso回归...5.逻辑回归的优缺点6. ...

    线性回归

    1. 简单介绍一下线性回归。

    • 线性:两个变量之间的关系一次函数关系的——图象是直线,叫做线性。
    • 非线性:两个变量之间的关系不是一次函数关系的——图象不是直线,叫做非线性。
    • 回归:人们在测量事物的时候因为客观条件所限,求得的都是测量值,而不是事物真实的值,为了能够得到真实值,无限次的进行测量,最后通过这些测量数据计算回归到真实值,这就是回归的由来。

    线性回归就是利用的样本D=(xi,yi)D=(\mathrm{x}_i, \mathrm{y}_i)i=1,2,3N,xi\mathrm{i}=1,2,3 \ldots \mathrm{N}, \mathrm{x}_i是特征数据,可能是一个,也可能是多个,通过有监督的学习,学习到由xxyy的映射hh,利用该映射关系对未知的数据进行预估,因为yy为连续值,所以是回归问题。

    2. 线性回归的假设函数是什么形式?

    线性回归的假设函数(θ0\theta_{0}表示截距项,x0=1x_{0} = 1,方便矩阵表达):
    f(x)=θ0x0+θ1x1+θ2x2+θnxn=θTX f(x)=\theta_{0} x_{0}+\theta_{1} x_{1}+\theta_{2} x_{2} \ldots+\theta_{n} x_{n} = \theta ^TX
    其中θ,x\theta,x都是列向量

    3. 线性回归的代价(损失)函数是什么形式?

    MSE:J(θ0,θ1)=12mi=1m(yihθ(xi))2 MSE: \qquad J\left(\theta_{0}, \theta_{1}\right)=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^{m}\left(y_{i}-h_{\theta}\left(x_{i}\right)\right)^{2}

    4. 简述岭回归与Lasso回归以及使用场景。

    • 目的:

      • 解决线性回归出现的过拟合的请况。

      • 解决在通过正规方程方法求解θ\theta的过程中出现的XTXX^TX不可逆的请况。

    • 本质:

      • 约束(限制)要优化的参数

    这两种回归均通过在损失函数中引入正则化项来达到目的:

    线性回归的损失函数:
    J(θ)=12mi=1m(hθ(x(i))y(i))2 J(\theta)=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^{m}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right)^{2}

    • 岭回归
      • 损失函数:

    J(θ)=12mi=1m(hθ(x(i))y(i))2+λj=1nθj2 J(\theta)=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^{m}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right)^{2}+\lambda \sum_{j=1}^{n} \theta_{j}^{2}

    • Lasso回归
      • 损失函数

    J(θ)=12mi=1m(hθ(x(i))y(i))2+λj=1nθj J(\theta)=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^{m}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right)^{2}+\lambda \sum_{j=1}^{n} |\theta_{j}|

    本来Lasso回归与岭回归的解空间是全部区域,但通过正则化添加了一些约束,使得解空间变小了,甚至在个别正则化方式下,解变得稀疏了。
    在这里插入图片描述
    如图所示,这里的w1w_1w2w_2都是模型的参数,要优化的目标参数,那个红色边框包含的区域,其实就是解空间,正如上面所说,这个时候,解空间“缩小了”,你只能在这个缩小了的空间中,寻找使得目标函数最小的w1w_1w2w_2。左边图的解空间是圆的,是由于采用了L2L2范数正则化项的缘故,右边的是个四边形,是由于采用了L1L1范数作为正则化项的缘故,大家可以在纸上画画,L2L2构成的区域一定是个圆,L1L1构成的区域一定是个四边形。

    再看看那蓝色的圆圈,再次提醒大家,这个坐标轴和特征(数据)没关系,它完全是参数的坐标系,每一个圆圈上,可以取无数个w1w_1w2w_2,这些w1w_1w2w_2有个共同的特点,用它们计算的目标函数值是相等的!那个蓝色的圆心,就是实际最优参数,但是由于我们对解空间做了限制,所以最优解只能在“缩小的”解空间中产生。

    蓝色的圈圈一圈又一圈,代表着参数w1w_1w2w_2在不停的变化,并且是在解空间中进行变化(这点注意,图上面没有画出来,估计画出来就不好看了),直到脱离了解空间,也就得到了图上面的那个ww^*,这便是目标函数的最优参数。

    对比一下左右两幅图的ww^*,我们明显可以发现,右图的ww^*w1w_1分量是0,有没有感受到一丝丝凉意?稀疏解诞生了!是的,这就是我们想要的稀疏解,我们想要的简单模型。L1L1L2L2正则化更容易产生稀疏矩阵。

    • 补充

      • ElasticNet 回归: 线性回归 + L1正则化 + L2 正则化。

        • ElasticNet在我们发现用Lasso回归太过(太多特征被稀疏为0),而岭回归也正则化的不够(回归系数衰减太慢)的时候,可以考虑使用ElasticNet回归来综合,得到比较好的结果。

        • 损失函数
          J(θ)=12im(y(i)θTx(i))2+λ(ρjnθj+(1ρ)jnθj2) J(\theta)=\frac{1}{2} \sum_{i}^{m}\left(y^{(i)}-\theta^{T} x^{(i)}\right)^{2}+\lambda\left(\rho \sum_{j}^{n}\left|\theta_{j}\right|+(1-\rho) \sum_{j}^{n} \theta_{j}^{2}\right)

      • LWR( 局部加权)回归

        • 局部加权线性回归是在线性回归的基础上对每一个测试样本(训练的时候就是每一个训练样本)在其已有的样本进行一个加权拟合,权重的确定可以通过一个核来计算,常用的有高斯核(离测试样本越近,权重越大,反之越小),这样对每一个测试样本就得到了不一样的权重向量,所以最后得出的拟合曲线不再是线性的了,这样就增加的模型的复杂度来更好的拟合非线性数据。

        • 损失函数
          J(θ)=12i=1mw(i)(hθ(x(i))y(i))2 J(\theta)=\frac{1}{2} \sum_{i=1}^{m} w^{(i)}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right)^{2}

    5. 线性回归要求因变量服从正态分布吗?

    线性回归的假设前提是噪声服从正态分布,即因变量服从正态分布。但实际上难以达到,因变量服从正态分布时模型拟合效果更好。

    参考资料: http://www.julyedu.com/question/big/kp_id/23/ques_id/2914

    逻辑回归

    1. 简单介绍一下逻辑回归

    逻辑回归用来解决分类问题,线性回归的结果YY带入一个非线性变换的Sigmoid函数中,得到[0,1][0,1]之间取值范围的数SSSS可以把它看成是一个概率值,如果我们设置概率阈值为0.5,那么SS大于0.5可以看成是正样本,小于0.5看成是负样本,就可以进行分类了。

    • 逻辑回归的本质: 极大似然估计
    • 逻辑回归的激活函数:Sigmoid
    • 逻辑回归的代价函数:交叉熵

    2. 简单介绍一下Sigmoid函数

    函数公式如下:
    S(t)=11+et S(t)=\frac{1}{1+e^{-t}}

    函数中tt无论取什么值,其结果都在[0,1][0,{1}]的区间内,回想一下,一个分类问题就有两种答案,一种是“是”,一种是“否”,那0对应着“否”,1对应着“是”,那又有人问了,你这不是[0,1][0,1]的区间吗,怎么会只有0和1呢?这个问题问得好,我们假设分类的阈值是0.5,那么超过0.5的归为1分类,低于0.5的归为0分类,阈值是可以自己设定的。

    好了,接下来我们把θX+b\theta X+b带入tt中就得到了我们的逻辑回归的一般模型方程:

    逻辑回归的假设函数
    H(θ,b)=11+e(θTX+b) H(\theta, b)=\frac{1}{1+e^{(\theta^T X+b)}}
    结果PP也可以理解为概率,换句话说概率大于0.5的属于1分类,概率小于0.5的属于0分类,这就达到了分类的目的。

    3. 逻辑回归的损失函数是什么

    逻辑回归的损失函数是交叉熵损失函数,函数公式如下:
    cost(hθ(x),y)={log(hθ(x))y=1log(1hθ(x))y=0 \operatorname{cost}\left(h_{\theta}(x), y\right)=\left\{\begin{aligned}-\log \left(h_{\theta}(x)\right) & \qquad y=1 \\-\log \left(1-h_{\theta}(x)\right) & \qquad y=0 \end{aligned}\right.
    两式合并得到概率分布表达式
    (P(yx,θ)=hθ(x)y(1hθ(x))1y) (P(y|x,\theta ) = h_{\theta}(x)^y(1-h_{\theta}(x))^{1-y})
    对数似然函数最大化得到似然函数的代数表达式为 :

    L(θ)=i=1m(hθ(x(i)))y(i)(1hθ(x(i)))1y(i) L(\theta) = \prod\limits_{i=1}^{m}(h_{\theta}(x^{(i)}))^{y^{(i)}}(1-h_{\theta}(x^{(i)}))^{1-y^{(i)}}
    对似然函数对数化取反得到损失函数表达式
    J(θ)=lnL(θ)=i=1m(y(i)log(hθ(x(i)))+(1y(i))log(1hθ(x(i)))) J(\theta) = -lnL(\theta) = -\sum\limits_{i=1}^{m}(y^{(i)}log(h_{\theta}(x^{(i)}))+ (1-y^{(i)})log(1-h_{\theta}(x^{(i)})))

    4.可以进行多分类吗?

    多分类问题一般将二分类推广到多分类的方式有三种,一对一,一对多,多对多。

    • 一对一:

      • NN个类别两两配对,产生N(N1)/2N(N-1)/2个二分类任务,测试阶段新样本同时交给所有的分类器,最终结果通过投票产生。
    • 一对多:

      • 每一次将一个例作为正例,其他的作为反例,训练NN个分类器,测试时如果只有一个分类器预测为正类,则对应类别为最终结果,如果有多个,则一般选择置信度最大的。从分类器角度一对一更多,但是每一次都只用了2个类别,因此当类别数很多的时候一对一开销通常更小(只要训练复杂度高于O(N)O(N)即可得到此结果)。
    • 多对多:

      • 若干各类作为正类,若干个类作为反类。注意正反类必须特殊的设计。

    5.逻辑回归的优缺点

    • 优点

      • LR能以概率的形式输出结果,而非只是0,1判定。
      • LR的可解释性强、可控度高、训练速度快
    • 缺点

      • 对模型中自变量多重共线性较为敏感

        例如两个高度相关自变量同时放入模型,可能导致较弱的一个自变量回归符号不符合预期,符号被扭转。需要利用因子分析或者变量聚类分析等手段来选择代表性的自变量,以减少候选变量之间的相关性;

      • 预测结果呈SS型,因此从log(odds)log(odds)向概率转化的过程是非线性的,在两端随着log(odds)log(odds)值的变化,概率变化很小,边际值太小,slope太小,而中间概率的变化很大,很敏感。 导致很多区间的变量变化对目标概率的影响没有区分度,无法确定阀值。

    6. 逻辑斯特回归为什么要对特征进行离散化。

    • 逻辑回归属于广义线性模型,表达能力受限;单变量离散化为N个后,每个变量有单独的权重,相当于为模型引入了非线性,能够提升模型表达能力,加大拟合; 离散特征的增加和减少都很容易,易于模型的快速迭代;

    • 稀疏向量内积乘法运算速度快,计算结果方便存储,容易扩展;

    • 方便交叉与特征组合:离散化后可以进行特征交叉,由M+NM+N个变量变为MNM*N个变量,进一步引入非线性,提升表达能力;

    • 简化模型:特征离散化以后,起到了简化了逻辑回归模型的作用,降低了模型过拟合的风险。

    7. 线性回归与逻辑回归的区别

    • 线性回归的样本的输出,都是连续值,$ y\in (-\infty ,+\infty ),而逻辑回归中y\in (0,1)$,只能取0和1。

    • 对于拟合函数也有本质上的差别:

      • 线性回归:f(x)=θTx=θ1x1+θ2x2+...+θnxnf(x)=\theta ^{T}x=\theta _{1}x _{1}+\theta _{2}x _{2}+...+\theta _{n}x _{n}
      • 逻辑回归:f(x)=P(y=1x;θ)=g(θTx)f(x)=P(y=1|x;\theta )=g(\theta ^{T}x),其中,g(z)=11+ezg(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}

      线性回归的拟合函数,是对f(x)f(x)的输出变量yy的拟合,而逻辑回归的拟合函数是对为1类样本的概率的拟合。

    • 为什么要以1类样本的概率进行拟合呢,为什么可以这样拟合呢?

      θTx=0\theta ^{T}x=0就相当于是1类和0类的决策边界:

      θTx>0\theta ^{T}x>0,则y>0.5y>0.5;若$\theta ^{T}x\rightarrow +\infty ,则y \rightarrow 1 ,即y$为1类;

      θTx<0\theta ^{T}x<0,则y<0.5y<0.5;若$\theta ^{T}x\rightarrow -\infty ,则y \rightarrow 0 ,即y$为0类;

    • 这个时候就能看出区别,在线性回归中θTx\theta ^{T}x为预测值的拟合函数;而在逻辑回归中θTx\theta ^{T}x为决策边界。下表为线性回归和逻辑回归的区别。

      线性回归和逻辑回归的区别
      线性回归 逻辑回归
      目的 预测 分类
      y(i)y^{(i)} 未知 (0,1)
      函数 拟合函数 预测函数
      参数计算方式 最小二乘法 极大似然估计

    下面具体解释一下:

    1. 拟合函数和预测函数什么关系呢?简单来说就是将拟合函数做了一个逻辑函数的转换,转换后使得y(i)(0,1)y^{(i)} \in (0,1);
    2. 最小二乘和最大似然估计可以相互替代吗?回答当然是不行了。我们来看看两者依仗的原理:最大似然估计是计算使得数据出现的可能性最大的参数,依仗的自然是Probability。而最小二乘是计算误差损失。

    8. 逻辑回归有哪些应用

    • CTR预估/推荐系统的learning to rank/各种分类场景。
    • 某搜索引擎厂的广告CTR预估基线版是LR。
    • 某电商搜索排序/广告CTR预估基线版是LR。
    • 某电商的购物搭配推荐用了大量LR。
    • 某现在一天广告赚1000w+的新闻app排序基线是LR。
    个人总结 ,如有错误,请批评指正!
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  • 线性回归正则化还记得在线性回归中我们有哪两种方法去求代价函数最小值?当然是梯度下降和正规方程了。让我们来复习一下线性回归中梯度下降算法,...就成了下面这样:逻辑回归的正则化逻辑回归的代价函数为...

    线性回归的正则化

    还记得在线性回归中我们有哪两种方法去求代价函数的最小值吗?当然是梯度下降正规方程了。让我们来复习一下线性回归中梯度下降算法,如下:

    其中黄色部分就是代价函数对参数 θ 的偏导数。当我们正则化代价函数后,代价函数发生了改变:

    相应地,偏导数也会改变,得到正则化后的梯度下降算法:

    把其中的 θ_j  提出来,简化后:


    正规方程正则化后呢?就成了下面这样:



    逻辑回归的正则化

    逻辑回归的代价函数为:

    与线性回归的正则化类似,逻辑回归的正则化就是在逻辑回归的代价函数中加入对参数的惩罚:

    正则化后得到的梯度下降算法与线性回归中非常像,只是假设函数不同而已。



    ps. 本篇文章是根据吴恩达机器学习课程整理的学习笔记。如果想要一起学习机器学习,可以关注微信公众号「SuperFeng」,期待与你的相遇。

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    还记得在线性回归中我们有哪两种方法去求代价函数的最小值吗?当然是梯度下降正规方程了。让我们来复习一下线性回归中梯度下降算法,如下:

    未命名图片.png

    其中黄色部分就是代价函数对参数 θ 的偏导数。当我们正则化代价函数后,代价函数发生了改变:

    未命名图片.png

    相应地,偏导数也会改变,得到正则化后的梯度下降算法:

    未命名图片.png

    把其中的 θ_j  提出来,简化后:

    未命名图片.png

     

    正规方程正则化后呢?就成了下面这样:

    未命名图片.png

     

     

    逻辑回归的正则化

    逻辑回归的代价函数为:

    未命名图片.png

    与线性回归的正则化类似,逻辑回归的正则化就是在逻辑回归的代价函数中加入对参数的惩罚:

    未命名图片.png

    正则化后得到的梯度下降算法与线性回归中非常像,只是假设函数不同而已。

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空空如也

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是线性的吗逻辑回归