大连理工大学选修课——机器学习笔记（9）：线性判别式与逻辑回归

线性判别式与逻辑回归

概述

判别式方法

产生式模型需要计算输入、输出的联合概率

• 需要知道样本的概率分布，定义似然密度的隐式参数
• 也称为基于似然的分类

判别式模型直接构造判别式$g_i(x|{\theta }_i)$，显式定义判别式参数，不关心数据生成过程

基于判别式的方法只关注类区域之间的边界

一般认为，估计样本集的类密度比估计类判别式更困难，因为构造判别式通常采用简单的模型

如，线性判别式：

$$g_i(x|w_i,w_{i0})=w_i^T+w_{i0}=\sum _{j=1}^d{w}_{ij}{x}_j+w_{i0}$$

广义上，线性判别式代表了一类机器学习模型

• 逻辑回归
• 支持向量机
• 感知机
• 神经网络

狭义上，线性判别式仅代表逻辑回归

线性判别式

建立判别式

$$g_i(x|w_i,w_{i0})=w_i^{T}x+w_{i0}=\sum _{j=1}^d{w}_{ij}{x}_j+w_{i0}$$

最大熵模型的判别式还是从条件后验概率出发

建模的条件

1. 数据只有两类

2. 线性可分

   

判别式模型不考虑数据集的概率分布，直接假定判别式的形式

模型的训练

$$g_i(x|w_i,w_{i0})=w_i^{T}x+w_{i0}=\sum _{j=1}^d{w}_{ij}{x}_j+w_{i0}$$

可以采用梯度法，牛顿法等

也可以采用全局优化算法，如遗传算法，模拟退火算法等

线性模型的推广

如果数据不是线性可分的，可以提高模型的复杂度，例如使用二次判别式

• 升维操作，增加高阶项

• 升维操作的一般形式

  $$g_i(x)=\sum _{j=1}^k{w}_j{\theta }_{ij}(x)+w_{i}0$$

  其中，${\theta }_{ij}$是非线性函数，称为基函数

  常用的基函数有sin，exp，log等

线性模型的及决策

原则上，每个类别对应一个判别式，二值分类一个判别式可以分类

$g(x)>0?C_1:C2$

线性模型的几何意义

任取超平面的两个点$x_1,x_2,$有$g(x_1)=g(x_2)$

则$w^T$为超平面法线

x的新表达式为

$$x=x_p+r\frac{w}{||w||}$$

其中，$x_p$是$x$到超平面的投影；r是x到超平面的距离$r=\frac{g(x)}{||w||}$

超平面到原点的距离为$r_0=\frac{w_o}{||w||}$

处理多类问题

当类别数大于2时，需要k个判别式，假定所有类均线性可分，则可以用线性判别式进行区分

对于属于类别$C_i$的样本$x$，我们期望其判别式函数$g_i(x)>0$，而其它判别式函数$g_j(x)<0$

但是现实中，多个类别的判别式可能同时给出$g(x)>0$

因此，我们取判别式值最大的类即$预测类别=max{g}_i(x)$

此方法称为线性分类器

如果类线性不可分，则可以采取

1. 升维
2. 逐对分离：假定各类别间逐对线性可分，那么，有$\frac{K(K-1)}{2}$个对，建立这么多个线性判别式

如果k既不属于i也不属于j，则在训练中舍弃样本$x^t$，$x^t$为其它类样本

这种不断排除的理念类似决策树

逻辑回归

讨论二值分类的对数线性模型

我们从后验概率$P(C_i|x)$的计算出发，建立学习模型

定义$P(C_1|x)=y,P(C_2|x)=1-y$

决策为：

假设两个类别的数据$C_1,C_2$服从高斯分布，两类别共享协方差矩阵，在此假设下，贝叶斯分类器的判别式$g(x)$是线性的，推导如下：

根据高斯判别分析的结论：

• 后验概率$P(C_1|x)$可表示为：

$$\begin{array}{r}log\frac{P(C_1|x)}{P(C_2|x)}=w^{T}x+w_0\end{array}$$

• 由于$P(C_2|x)=1-P(C_1|x)$，上式等价于：

$$\begin{array}{r}log\frac{P(C_1|x)}{1-P(C_1|x)}=w^{T}x+w_0=logit(P(C_1|x))\end{array}$$

这正是对数几率的定义

• 对$(2)$移项，得：

$$P(C_1|x)=\frac{1}{1+e^{-(w^T+w_0)}}$$

$(3)$式为逻辑回归的模型形式，sigmoid。

Logistic函数(也称sigmoid）

$$P(C_1|x)=\frac{1}{1+e^{-(w^T+w_0)}}=sigmoid(w^{T}x+w_0)$$

sigmoid函数图像，y>0.5,选C_1

Logistic函数的一般形式

其中，$\mu$为位置参数，$\gamma >0$为形状参数，关于$(\mu ,\frac{1}{2})$对称

逻辑回归

逻辑回归的核心思想，在于不考虑数据分布，假定类似然密度的对数比为线性函数，那么：

$$\begin{array}{r}log\frac{P(x|C_1)}{P(x|C_2)}=w^{T}x+w_0^0\end{array}$$

通过贝叶斯定理，将后验概率转换为似然比和先验比的乘积：

$$\begin{array}{r}log\frac{P(C_1|x)}{P(C_2|x)}=log\frac{P(x|C_1)}{P(x|C_2)}+log\frac{P(C_1)}{P(C_2)}\end{array}$$

由公式$(2)(3)(4)$得：

$$\begin{array}{r}logit(P(C_1|x))=w^{T}x+w_0^0+log\frac{P(C_1)}{P(C_2)}\end{array}$$

将$w_0^0+log\frac{P(C_1)}{P(C_2)}$合并为新的偏置项，那么先验概率$P(C_k)$被吸收到了偏置项，模型仍保持线性：

$$logit(P(C_1|x))=w^{T}x+w_0^0$$

处理多类问题

我们推广二值分类至$K>2$的情形，假定：

$$\begin{array}{r}log\frac{p(x|C_i)}{p(x|C_k)}=w_i^T+w_{i0}^0\end{array}$$

进而：

$$\begin{array}{r}\frac{p(C_i|x)}{p(C_k|x)}=e^{w_i^T+w_{i0}},i=1,2,\cdots ,K-1\end{array}$$

$$\begin{array}{r}\sum _{i=1}^K\frac{p(C_i|x)}{p(C_K|x)}=\frac{1}{p(C_k|x)}=1+\sum _{j=1}^{K-1}{e}^{w_{j}x+w_{j0}}\end{array}$$

于是:

$$\begin{array}{r}p(C_k|x)=\frac{1}{1+{\sum }_{j=1}^{K-1}{e}^{w_{j}x+w_{j0}}}\end{array}$$

对于其它类别$i=1,\cdots ,K-1,$由公式$(3)$得：

$$\begin{array}{r}p(C_i|x)=\frac{e^{w_{i}x+w_{i0}}}{1+{\sum }_{j=1}^{K-1}{e}^{w_{j}x+w_0}}\end{array}$$

将公式同一形式，对所有$i=1,\cdots ,K:$

$$p(C_i|x)=\frac{e^{w_{i}x+w_{i0}}}{{\sum }_{j=1}^K{e}^{w_{j}x+w_{j0}}},其中w_K,w_{K0}=0$$

softmax函数

$$y_i=\hat{p}(C_i|x)=\frac{e^{w_{i}x+w_0}}{\sum e^{w_{j}x+w_{j0}}}$$

如果一个类C的判别式加权函数值明显大于其它类的加权和，那么$y_i$接近于1，将数值限定在了$[0,1]$之间，可以用概率表示。

逻辑回归与最大熵模型

逻辑回归和最大熵模型可以认为是同一类模型的不同表现形式。

逻辑回归的训练——梯度下降法

逻辑回归交叉熵损失函数：

$$E=-\sum [rlogy+(1-r)log(1-y)]$$

对E求偏导,乘以学习率，为更新方向：

$$△w_j=-\eta \frac{\partial E}{\partial w_j}=\eta \sum (r-y)x_j$$