机器学习笔记（七）——逻辑回归算法

逻辑回归（Logistic Regression，LR）。在Kaggle竞赛的统计中，LR算法以63.5%的出产率，荣获各领域中“出场率最高的算法”这一殊荣。在实际场景中，逻辑回归同样应用广泛，大到国家各项经济政策的制定，小到计算广告CTR，都能看到LR算的身影。

除了应用广泛外，LR的建模过程还体现了数据建模中很重要的思想：对问题划分层次，并利用非线性变换和线性模型的组合，将未知的复杂问题分解为已知的简单问题。因此，我们可以说：理解好逻辑回归的细节，就掌握了数据建模的精髓。

一、什么时候逻辑回归

1线性回归能解决分类问题么？

其实，线性回归是不能解决分类问题的。因为我们在使用线性回归模型时，我们实际上做了3个假设（实际上有更多的假设，这里只讨论最基本的三个）：

• 因变量y_i和自变量x_i之间呈线性相关。
• 自变量x_i与干扰项ε_i相互独立。
• 没被线性模型捕捉到的随机因素ε_i服从正态分布。

从理论上来说，任何数据放在任何模型里都会得到相应的参数估计，进而通过模型对数据进行预测。但是这并不一定能保证模型效果，有时会得到“错且无用”的模型，因此建模的过程中需要不断提出假设和检验假设。

2.用逻辑回归解决分类问题

有些算法，表面上叫“XX回归”，背地里却是解决分类问题的。

其原理是将样本的特征和样本发生的概率联系起来，即，预测的是样本发生的概率是多少。由于概率是一个数，因此被叫做“逻辑回归”。

在线性回归算法的例子中，我们进行房价预测得到的结果值 $\hat y=f(x)$，就是我们预测的房价，是一个数值。

但是我们在逻辑回归算法中，得到的预测值是一个概率，然后在概率的基础上多做一步操作，得到分类的结果。比如某银行使用逻辑回归做风控模型，先设置一个阈值0.5，如果得到它逾期的概率大于0.5，就不放款；否则就放款。对于“放款” or “不放款”来说，实际上是一个标准的分类问题。

$\hat p=f(x)$
$\hat y=\begin{cases} 0,& \hat p\leqslant 0.5\\ 1,& \hat p>0.5 \end{cases}$
通过这个小例子我们可以看到，在回归问题上再多做一步，就可以作为分类算法来使用了。逻辑回归只能解决二分类问题，如果是多分类问题，LR本身是不支持的。

对于线性回归来说，通过传递的自变量x来计算预测值： $\hat y=f(x)$。其中f(x)实际上就是参数与样本的矩阵相乘， $\hat y =\theta^T\cdot x_b$。那我们可不可以找到一组参数，与特征矩阵相乘，直接得到表示概率的结果呢？

单单从应用的角度来说，是可以的，但是并不好。这是因为线性回归得到值是没有限制的，值域从负无穷到正无穷的值。而对于概率来说，其值域为[0,1]，是有限制的。如果直接使用线性回归得到的结果，使得最终拟合的结果可信程度较差。

那么下面我们就看一看，逻辑回归背后的数学原理。

(二)LR算法数学推导

1.决策背后的博弈

逻辑回归使用什么样的方式来得到一个事件发生的概率值的呢？分类的背后又是什么呢？

以银行理财产品营销场景为例，对于银行来说，客户只有“买”和“不买”两种行为，但是这个行为实际上是客户在接到营销行为，如电话营销、短信营销之后，经过内心博弈产生的最终结果。

客户为什么会做出“买”或“不买”这样的被分类的行为？如果客户手里有一笔暂时不会动用的闲钱，且他希望能够通过投资行为获利，并且对盈利效果表示认可，则客户会考虑购买理财产品。但是反过来，如果客户没有钱，或者他有其他更好的投资渠道，或者厌恶投资风险，那么客户就不会购买。从经济学的角度来说，购买理财产品这一行为，既能给客户带来正效用，也能给客户带来负效用。当客户主观认为正效用大于负效用时，可就是购买行为带来的整体效用大于0时，客户就会购买，反之则不然。

2.博弈中的隐含变量

那么我们从数学角度出发，分析上述场景：假设有自变量集合X=（x1,x2,…xk,1），这些参数表示这种特征，决定购买行为对客户的效用，包括 $正效用y^*和负效用 y^～$
。我们将客户的购买行为记为y，其中y=1表示客户购买理财产品；y=0表示客户没有购买。于是可以得到下面的公式：
$y^*=f(X),y^～=g(X),y=\begin{cases} 1& y^*>y^～\\ 0& y^*\leqslant y^～ \end{cases}$
如果，我们假设正负效用函数与自变量特征参数成线性相关，则根据y=ax+b可以得出：
$y^*=X_iφ+θ_i，y^～=X_iω+τ_i。$其中
$θ_i,τ_i$是相互独立的随机变量，且都服从正态分布。

在得到正负效用线性函数之后，就可以用正效用减去负效用的解是否大于0作为分类依据。令 $z_i=y^*-y^～,γ=φ-ω,ε=θ-τ$，则可以得到：
$z=X_γ+ε$。如果我们将其转换为分类问题，则可以得到阶梯函数如下：
$y=\begin{cases} 1& X_γ+ε>0\\ 0& X_γ+ε\leqslant 0 \end{cases}$
更进一步，我们将上面的函数转变为求概率，即客户购买理财产品的概率如下：
$P(y=1)=P(X_γ+ε>0)=P(ε>-X_γ)=1-P(ε\leqslant-X_γ)=1-F_ε(-X_γ)$

其中，Fε是随机变量ε的累积分布函数，P(y=1)表示客户购买的比例。

这个模型在学术上被称作是probit回归（虽然是名字中有“回归”两个字，但是实际上解决的还是分类问题）。

在模型搭建的过程中，我们假设了客户内心博弈的正负效用变量： $y^*, y^～$，因此这类隐藏变量模型（latent variable model）;而正负效用变量： $y^*, y^～$被称为隐藏变量（latent variable）。

由此可见，对于一个分类问题，由于“窗口效用”，我们只能看见客户的购买行为，但是在分类的背后，是隐藏变量之间的博弈，我们通过搭建隐藏变量的模型，来求出客户购买的概率。

3.sigmoid函数与逻辑回归

我们得到了probit回归在数学上是比较完美的，但是正态分布的累积分布函数Fε，其表达形式很复杂（复杂到懒得把公式写出来），且没有解析表达式。因此直接在probit回归上做参数估计是比较困难的。但是好在我们可以对其做近似，让其在数学上更加简洁。

此时，神奇的数学家们发现：正态分布在线性变换下保持稳定，而逻辑分布可以很好地近似正态分布。因此可以使用标准逻辑分布的累积分布函数σ(t)来替换正态分布的累积分布函数Fε(t)。
标准逻辑分布的概率密度函数为
$f(x)=\frac{e^{-x}}{(1+e^{-x})^2}$，对应的积累分布函数为：
$σ(t)=\frac{1}{1+e^{-t}}$
在学术界被称为sigmoid函数，是在数据科学领域，特别是神经网络和深度学习领域中非常重要的函数！。其图像如下图所示，呈S状，因此也被称为“S函数”。当t趋近于正无穷时，e^-t趋近于0，则σ(t)趋近于1；当t趋近于负无穷时，趋近于正无穷，则σ(t)趋近于0。因此该函数的值域为(0,1)。

两种不同的效用函数（假定他们都满足线性回归模型的假设）相互竞争时，其中某一方最终胜出的概率分布在数学上可近似为sigmoid函数。通俗讲：sigmoid函数表述了某一方竞争胜出的概率。

将效用函数之差（同样是线性回归模型）带入sigmoid函数中，当t>0时，得到的结果是概率值p>0.5;当t<0时，得到的结果是p<0.5。因此，实际上我们得到是这样的公式：
$\hat p=σ(θ^T\cdot X_b)=\frac{1}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}}$ $\hat y=\begin{cases} 1& \hat p>0.5\\ 0& \hat p\leqslant 0.5 \end{cases}$

至此，大名鼎鼎的逻辑回归模型（logit regression）如下,其中X表示客户特征，θ表示模型参数：
$P(Y=1)=\frac{1}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}}$

二、逻辑回归损失函数的推导、求解

（一）从对数几率看逻辑回归

1.推导过程

一句话总结逻辑回归：

  逻辑回归假设数据服从伯努利分布，通过极大似然函数的方法，运用梯度下降来求解参数，来达到将数据二分类的目的。

逻辑回归是一个非线性模型，但是是其背后是以线性回归为理论支撑的。

提出一个与线性模型 $y=θ^T\cdot X_b$长相类似但不同的新公式：假设特征X所对应的y值是在指数上变化，那么就可以将结果y值取对数，作为其线性模型逼近的目标。也就是所谓的“对数线性回归”： $ln(y)=θ^T\cdot X_b$

在“对数线性回归”的公式中，可以改写为 $y=e^{θ^T\cdot X_b}。$实际上是在求输入空间X到输出空间y的非线性函数映射。对数函数的作用是将线性回归模型的预测值与真实标记联系起来。

因此可以得到一个一般意义上的单调可微的“联系函数”：g(a)=ln(a)。其本质就是给原来线性变换加上一个非线性变换(或者说映射)，使得模拟的函数有非线性的属性，但本质上调参还是线性的，主体是内部线性的调参。

那么对于解决分类问题的逻辑回归来说，我们需要找到一个“联系函数”，将线性回归模型的预测值与真实标记联系起来。

将“概率”转换为“分类”的工具是“阶梯函数”：
$\hat p = f(x)$ $\hat y=\begin{cases} 1& \hat p>0.5\\ 0& \hat p\leqslant 0.5 \end{cases}$
但是这个阶梯函数不连续，不能作为“联系函数”g，因此使用对数几率函数来在一定程度上近似阶梯函数，将线性回归模型的预测值转化为分类所对应的概率。
$σ(t)=\frac{1}{1+e^{-t}}$
如果另y为正例，1-y为负例，所谓的“几率”就是二者的比值y/(1-y)。几率反映了样本x为正例的相对可能性。

“对数几率”就是对几率取对数ln(y/(1-y)*)，对数几率实际上就是之前提到的sigmoid函数，将线性模型转化为分类。

如果令 $y=\frac{1}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}},1-y=\frac{e^{-θ^T\cdot X_b}}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}}。$ 带入到对数几率中 $ln\frac{y}{1-y}={θ^T\cdot X_b}。$

可以看出，sigmoid实际上就是用线性回归模型的预测结果取逼近真实值的对数几率，因此逻辑回归也被称为“对数几率回归”。

2.面试问题

为什么要使用sigmoid函数作为假设？

现在就可以回答了：

因为线性回归模型的预测值为实数，而样本的类标记为（0,1），我们需要将分类任务的真实标记y与线性回归模型的预测值联系起来，也就是找到广义线性模型中的联系函数。

• 如果选择单位阶跃函数的话，它是不连续的不可微。
• 而如果选择sigmoid函数，它是连续的，而且能够将z转化为一个接近0或1的值。

(二)逻辑回归的损失函数

1.损失函数推导过程

已经知道逻辑回归的模型：
$\hat p =σ(θ^T\cdot X_b)=\frac{1}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}}$ $\hat y=\begin{cases} 1& \hat p>0.5\\ 0& \hat p\leqslant 0.5 \end{cases}$
那么，如何求出未知参数θ呢？

首先回顾一下线性回归。在线性回归中，做法如下：

由于已知 $θ^T\cdot X_b$是估计值，于是用估计值与真值的差来度量模型的好坏。使用MSE（差值的平方和再平均）作为损失函数。然后就可以通过导数求极值的方法，找到令损失函数最小的θ了。
那么在逻辑回归中，解决思路也大致类似。

逻辑回归和线性回归最大的区别就是：逻辑回归解决的是分类问题，得到的y要么是1，要么是0。而我们估计出来的p是概率，通过概率决定估计出来的p到底是1还是0。因此，也可以将损失函数分成两类：

• 如果给定样本的真实类别y=1，则估计出来的概率p越小，损失函数越大（估计错误）
• 如果给定样本的真实类别y=0，则估计出来的概率p越大，损失函数越大（估计错误）

那么将用什么样的函数表示这两种情况呢，可以使用如下函数：
$J=\begin{cases} -log(\hat p)& if & y=1\\ -log(1-\hat p)& if & y=0 \end{cases}$

分析上面的公式：

y	损失函数	特点
y=1	$-log(\hat p)$	$\hat p越趋于0，损失（loss）越大；越趋于1，损失（loss）越小。$
y=0	$-log(1-\hat p)$	$\hat p越趋于1，损失（loss）越大；越趋于0，损失（loss）越小。$

• 分析如下：

• 当y=1时， $J=-log(\hat p)$是一个单调递减函数，且概率p的值域只能是[0,1]之间，因此只有函数的上半部分。我们看到当概率p取0（即预估的分类结果y=0）时，loss值是趋近于正无穷的，表明我们分错了（实际分类结果是1）。

• 当y=0时， $J=-log(1-\hat p)$是一个单调递增函数，且概率p的值域只能是[0,1]之间，因此只有函数的上半部分。我们看到当概率p取1（即预估的分类结果y=1）时，loss值是趋近于正无穷的，表明我们分错了（实际分类结果是0）。

  由于模型是个二分类问题，分类结果y非0即1，因此我们可以使用一个巧妙的方法，通过控制系数的方式，将上面的两个式子合并成一个：
  $J(\hat p,y)=-log(\hat p)^y-log(1-\hat p)^{1-y}$
  以上是对于单个样本的误差值，那么求整个集合内的损失可以取平均值：
  $J(θ)=-\frac{1}{m}\sum_{i=1}^my^{(i)}log(\hat p^{(i)})+(1-y^{(i)})log(1-\hat p^{(i)})$
  然后，我们\hat p 替换成sigmoid函数，得到逻辑回归的损失函数如下：
  $J(θ)=-\frac{1}{m}\sum_{i=1}^my^{(i)}log(σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))$

2.另一种推导方式

我们已经知道了逻辑损失函数的推导过程，但是就像在数学课上老师在黑板中写下的解题过程一样，我们费解的是“这个思路究竟是怎么来的”？

逻辑回归的损失函数当然不是凭空出现的，而是根据逻辑回归本身式子中系数的最大似然估计推导而来的。

最大似然估计就是通过已知结果去反推最大概率导致该结果的参数。极大似然估计是概率论在统计学中的应用，它提供了一种给定观察数据来评估模型参数的方法，即 “模型已定，参数未知”，通过若干次试验，观察其结果，利用实验结果得到某个参数值能够使样本出现的概率为最大，则称为极大似然估计。

逻辑回归是一种监督式学习，是有训练标签的，就是有已知结果的，从这个已知结果入手，去推导能获得最大概率的结果参数，只要我们得出了这个参数，那我们的模型就自然可以很准确的预测未知的数据了。

令逻辑回归的模型为 $h_0(x;θ)$，则可以将其视为类1的后验概率，所以有：
$p(y=1|x;θ)=ψ(t)=\frac{1}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}}$
$p(y=0|x;θ)=1-ψ(t)=\frac{e^{-θ^T\cdot X_b}}{1+e^{-θ^T\cdot X_b}}$
以上两个式子，可以改写为一般形式：
$p(y|x;θ)=h_0(x;θ)^y(1-h_0(x;θ))^{(1-y)}$
因此根据最大似然估计，可以得到：
$J(θ)=\prod_{i=1}^mp(y^i|x^i;θ)=\prod_{i=1}^mh_0(x^i;θ)^{y^i}(1-h_0(x^i;θ))^{(1-y)^i}$
为了简化计算，取对数将得到：
$log(J(θ))=\sum_{i=1}^my^{(i)}log(\hat p^{(i)})+（1-y^{(i)}）log(1-\hat p^{(i)})$
我们希望极大似然越大越好，就是说，对于给定样本数量m，希望越小越好，得到逻辑回归的损失函数如下：
$J(θ)=-\frac{1}{m}\sum_{i=1}^my^{(i)}log(σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))$
所以说逻辑回归的损失函数不是定义出来的，而是根据最大似然估计推导出来的。

下面的目标就是：找到一组参数θ，使得损失函数J（θ）达到最小值。

这个损失函数是没有标准方程解的，因此在实际的优化中，我们往往直接使用梯度下降法来不断逼近最优解。

（三）损失函数的梯度

对于损失函数：
$J(θ)=-\frac{1}{m}\sum_{i=1}^my^{(i)}log(σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))$
使用梯度下降法，就要求出梯度，对每一个向量θ中每一个参数，都求出对应的导数：
$ᐁf=(\frac{\partial J(θ)}{\partial θ_0},\frac{\partial J(θ)}{\partial θ_1},\frac{\partial J(θ)}{\partial θ_2},……\frac{\partial J(θ)}{\partial θ_n},)^T$
对sigmoid函数进行求导（链式求导法则）：
$σ(t)=\frac{1}{1+e^{-t}}=(1+e^{-t})^{-1}σ(t)'=-(1+e^{-t})^{-2}\cdot e^{-t}\cdot (-1)=(1+e^{-t})^{-2}\cdot e^{-t}$
然后对外层的log函数进行求导：
$(logσ(t))'=\frac{1}{σ(t)}\cdot σ(t)'=\frac{1}{σ(t)}\cdot (1+e^{-t})^{-2}\cdot e^{-t}=\frac{1}{(1+e^{-t})^{-1}}\cdot (1+e^{-t})^{-2}\cdot e^{-t}=(1+e^{-t})^{-1}\cdot e^{-t}$
然后进行整理:
$(logσ(t))'=\frac{e^{-t}}{1+e^{-t}}=1-\frac{1}{1+e^{-t}}=1-σ(t)$

下面就可以对损失函数前半部分的表达式： $y^{(i)}log(σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))$ 对θ进行求导了。带入上面的结果，得到：
$y^{(i)}(1-σ(θ^T\cdot X_b^{(i)}))\cdot X_j^{(i)}$
同样地，可以对损失函数的后半部分做求导，跟上面类似。
最终求的损失函数J(θ)对θ的导数如下，即逻辑回归的损失函数经过梯度下降法对一个参数进行求导，得到结果如下：
$\frac{J(θ)}{θ_j}=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m(σ(θ^T\cdot X_b^{(i)})-y^{(i)})X_j^{(i)}$
其中 $σ(θ^T\cdot X_b^{(i)})$就是逻辑回归模型的预测值。
在求得对一个参数的导数之后，则可以对所有特征维度上对损失函数进行求导，得到向量化后的结果如下：
$ᐁJ(θ)=\frac{1}{m}\cdot \begin{bmatrix} \sum_{i=1}^m(\hat y^{(i)}-y^{(i)})\\ \sum_{i=1}^m(\hat y^{(i)}-y^{(i)})\cdot X_1^{(i)}\\ \sum_{i=1}^m(\hat y^{(i)}-y^{(i)})\cdot X_2^{(i)}\\……\\ \sum_{i=1}^m(\hat y^{(i)}-y^{(i)})\cdot X_n^{(i)}\end{bmatrix}=\frac{1}{m}\cdot X_b^T \cdot (σ(X_bθ)-y)$

(四)小结

逻辑回归的原理以及损失函数的推导过程都是非常重要的知识点。大家可以从不同角度去学习其中的本质。

三、逻辑回归代码实现与调用

（一）逻辑回归代码实现

我们在线性回归的基础上，修改得到逻辑回归。主要内容为：

• 定义sigmoid方法，使用sigmoid方法生成逻辑回归模型
• 定义损失函数，并使用梯度下降法得到参数
• 将参数代入到逻辑回归模型中，得到概率
• 将概率转化为分类

import numpy as np
# 因为逻辑回归是分类问题，因此需要对评价指标进行更改
from .metrics import accuracy_score

class LogisticRegression:

    def __init__(self):
        """初始化Logistic Regression模型"""
        self.coef_ = None
        self.intercept_ = None
        self._theta = None

    """
    定义sigmoid方法
    参数：线性模型t
    输出：sigmoid表达式
    """
    def _sigmoid(self, t):
        return 1. / (1. + np.exp(-t))
    
    """
    fit方法，内部使用梯度下降法训练Logistic Regression模型
    参数：训练数据集X_train, y_train, 学习率, 迭代次数
    输出：训练好的模型
    """
    def fit(self, X_train, y_train, eta=0.01, n_iters=1e4):
        
        assert X_train.shape[0] == y_train.shape[0], \
            "the size of X_train must be equal to the size of y_train"

        """
        定义逻辑回归的损失函数
        参数：参数theta、构造好的矩阵X_b、标签y
        输出：损失函数表达式
        """
        def J(theta, X_b, y):
            # 定义逻辑回归的模型：y_hat
            y_hat = self._sigmoid(X_b.dot(theta))
            try:
                # 返回损失函数的表达式
                return - np.sum(y*np.log(y_hat) + (1-y)*np.log(1-y_hat)) / len(y)
            except:
                return float('inf')
        """
        损失函数的导数计算
        参数：参数theta、构造好的矩阵X_b、标签y
        输出：计算的表达式
        """
        def dJ(theta, X_b, y):
            return X_b.T.dot(self._sigmoid(X_b.dot(theta)) - y) / len(y)

        """
        梯度下降的过程
        """
        def gradient_descent(X_b, y, initial_theta, eta, n_iters=1e4, epsilon=1e-8):
            theta = initial_theta
            cur_iter = 0
            while cur_iter < n_iters:
                gradient = dJ(theta, X_b, y)
                last_theta = theta
                theta = theta - eta * gradient
                if (abs(J(theta, X_b, y) - J(last_theta, X_b, y)) < epsilon):
                    break
                cur_iter += 1
            return theta

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_train), 1)), X_train])
        initial_theta = np.zeros(X_b.shape[1])
        # 梯度下降的结果求出参数heta
        self._theta = gradient_descent(X_b, y_train, initial_theta, eta, n_iters)
        # 第一个参数为截距
        self.intercept_ = self._theta[0]
        # 其他参数为各特征的系数
        self.coef_ = self._theta[1:]
        return self

    """
    逻辑回归是根据概率进行分类的，因此先预测概率
    参数：输入空间X_predict
    输出：结果概率向量
    """
    def predict_proba(self, X_predict):
        """给定待预测数据集X_predict，返回表示X_predict的结果概率向量"""
        assert self.intercept_ is not None and self.coef_ is not None, \
            "must fit before predict!"
        assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), \
            "the feature number of X_predict must be equal to X_train"

        X_b = np.hstack([np.ones((len(X_predict), 1)), X_predict])
        # 将梯度下降得到的参数theta带入逻辑回归的表达式中
        return self._sigmoid(X_b.dot(self._theta))

    """
    使用X_predict的结果概率向量，将其转换为分类
    参数：输入空间X_predict
    输出：分类结果
    """
    def predict(self, X_predict):
        """给定待预测数据集X_predict，返回表示X_predict的结果向量"""
        assert self.intercept_ is not None and self.coef_ is not None, \
            "must fit before predict!"
        assert X_predict.shape[1] == len(self.coef_), \
            "the feature number of X_predict must be equal to X_train"
        # 得到概率
        proba = self.predict_proba(X_predict)
        # 判断概率是否大于0.5，然后将布尔表达式得到的向量，强转为int类型，即为0-1向量
        return np.array(proba >= 0.5, dtype='int')

    def score(self, X_test, y_test):
        """根据测试数据集 X_test 和 y_test 确定当前模型的准确度"""

        y_predict = self.predict(X_test)
        return accuracy_score(y_test, y_predict)

    def __repr__(self):
        return "LogisticRegression()"

（二）逻辑回归的调用

下面我们使用Iris数据集，来调用上面实现的逻辑回归。

数据展示

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets

iris = datasets.load_iris()
X = iris.data
y = iris.target
X = X[y<2,:2]
y = y[y<2]
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1], color="red")
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1], color="blue")
plt.show()

调用逻辑回归算法

from myAlgorithm.model_selection import train_test_split
from myAlgorithm.LogisticRegression import LogisticRegression

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, seed=666)
log_reg = LogisticRegression()
log_reg.fit(X_train, y_train)
# 查看训练数据集分类准确度
log_reg.score(X_test, y_test)
"""
输出：1.0
"""

# 查看逻辑回归得到的概率
log_reg.predict_proba(X_test)
"""
输出：
array([ 0.92972035,  0.98664939,  0.14852024,  0.17601199,  0.0369836 ,
        0.0186637 ,  0.04936918,  0.99669244,  0.97993941,  0.74524655,
        0.04473194,  0.00339285,  0.26131273,  0.0369836 ,  0.84192923,
        0.79892262,  0.82890209,  0.32358166,  0.06535323,  0.20735334])
"""

# 得到逻辑回归分类结果
log_reg.predict(X_test)
"""
输出：
array([1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0])
"""

（三）小结

我们已经实现了逻辑回归的代码，并且进行了调用。在分类中还有一个很重要的概念“决策边界”，分为线性决策边界和非线性决策边界。我们可以将逻辑回归的分类结果可视化，并且增加多项式项，让模型拟合效果更好。

四、逻辑回归的决策边界及多项式

（一）决策边界

1.什么是决策边界

回顾逻辑回归分类的原理：通过训练的方式求出一个n+1维向量θ，每当新来一个样本 $x_b$时，与参数 $θ_i$进行点乘，结果带入sigmoid函数，得到的值为该样本发生我们定义的 $\hat y$事件发生的概率值。如果概率大于0.5，分类为1；否则分类为0。
对于公式：
$\hat p=σ(t)=\frac{1}{1+e^{(-t)}}$
$t=θ^T\cdot x_b$

• 当t>0时， $1<1+e^{(-t)}<2$，因此 $\hat p>0.5$ ;
• 当t<0时， $2<1+e^{(-t)}$，因此 $\hat p<0.5$
• 也就是，其中有一个边界点 $θ^T\cdot x_b=0$，大于这个边界点，分类为1，小于这个边界点。我们称之为决策边界(decision boundary)。

决策边界： $θ^T\cdot x_b=0$ 同时也代表一个直线：假设X有两个特征 $x_1,x_2$，那么有
$θ^T\cdot x_b=θ_0+θ_1x_1+θ_2x_2=0$
这是一个直线，可以将数据集分成两类。可以改写成我们熟悉的形式：
$x_2=\frac{-θ_0-θ_1x_1}{θ_2}$

2.决策边界的可视化

在鸢尾花数据集中，画出决策边界。首先可视化数据集

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets

iris = datasets.load_iris()
X = iris.data
y = iris.target
X = X[y<2,:2]
y = y[y<2]
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1], color="red")
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1], color="blue")
plt.show()

然后使用逻辑回归进行训练：

from playML.model_selection import train_test_split
from playML.LogisticRegression import LogisticRegression

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, seed=666)
log_reg = LogisticRegression()
log_reg.fit(X_train, y_train)
log_reg.coef_
"""
输出：
array([ 3.01796521, -5.04447145])
"""
log_reg.intercept_
"""
输出：
-0.6937719272911228
"""

现在按照公式，创建一个函数x2，一旦传来一个x1，就根据公式得到决策边界的直线：
$x_2=\frac{-θ_0-θ_1x_1}{θ_2}$

def x2(x1):
    return (-log_reg.coef_[0] * x1 - log_reg.intercept_) / log_reg.coef_[1]

# 生成一条直线，x为4~8范围内的1000点 y为x2函数的调用，
x1_plot = np.linspace(4, 8, 1000)
x2_plot = x2(x1_plot)
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1], color="red")
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1], color="blue")
plt.plot(x1_plot, x2_plot)
plt.show()

这条直线就是决策边界，新来的点在直线上方分类为0，直线下方分类为1。

但是可以看出，线性决策边界只是一根直线，很简单，因此加入多项式项，使得分类算法的决策边界不再规律。

3 线性&非线性决策边界

所谓决策边界就是能够把样本正确分类的一条边界，主要有线性决策边界(linear decision boundaries)和非线性决策边界(non-linear decision boundaries)。

注意：决策边界是假设函数的属性，由参数决定，而不是由数据集的特征决定。

下面主要举一些例子，形象化的来说明线性决策边界和非线性决策边界。先看一个线性决策边界的例子：

对于线性这条直线可以比较完美地将数据分成两类。但是直线的分类方式，太简单了。

如果遇到下图的情况，就不能用一个直线将其进行分类了，而是可以用一个圆将数据进行分类。下面来看一下非线性的决策边界的例子：

(二)逻辑回归的非线性决策边界

对于线性这条蓝色的直线可以比较完美地将数据分成两类。但是直线的分类方式，太简单了。

如果我们遇到下图的情况，我们就不能用一个直线将其进行分类了，而是可以用一个圆将数据进行分类。

那么如何使用逻辑回归算法得到非直线的决策边界呢？

我们回忆一下中学的数据知识——圆的表达式：
$x_1^2+x_2^2-r^2=0$
为了让逻辑回归学习到这样的决策边界，我们需要引入多项式项。如果将上式中的 $x_1^2$整体看作第一个特征 $m_1$，将 $x_2^2$整体看作第二个特征 $m_2$，那么则可以转换成线性回归的问题：其中 $m_1$前的系数为1， $m_2$前系数也为1，且 $r^2$是系数 $\theta_0$。

这样就从 $m_1,m_2$来说还是线性边界，针对于 $x_1,x_2$来说变成了非线性的圆形决策边界。这就从线性回归转换成多项式回归，同理为逻辑回归添加多项式项，就可以对非线性的方式进行比较好的分类，决策边界就是曲线的形状。

2.代码

使用多项式的思路，如何对非线性决策边界的数据进行很好的分类。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

np.random.seed(666)
X = np.random.normal(0, 1, size=(200, 2))
y = np.array((X[:,0]**2+X[:,1]**2)<1.5, dtype='int')
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

首先我们使用没添加多项式项的逻辑回归函数，对上面的样本进行划分。得到的分类结果应该是很差的。

from myAlgorithm.LogisticRegression import LogisticRegression

log_reg = LogisticRegression()
log_reg.fit(X, y)
log_reg.score(X, y)

# 绘制决策边界的方法
def plot_decision_boundary(model, axis):
    x0, x1 = np.meshgrid(
        np.linspace(axis[0], axis[1], int((axis[1]-axis[0])*100)).reshape(-1, 1),
        np.linspace(axis[2], axis[3], int((axis[3]-axis[2])*100)).reshape(-1, 1),
    )
    X_new = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    y_predict = model.predict(X_new)
    zz = y_predict.reshape(x0.shape)
    from matplotlib.colors import ListedColormap
    custom_cmap = ListedColormap(['#EF9A9A','#FFF59D','#90CAF9']) 
    plt.contourf(x0, x1, zz, linewidth=5, cmap=custom_cmap)

plot_decision_boundary(log_reg, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

然后使用逻辑回归的方式添加多项式特征，对上面的样本进行划分：

为逻辑回归算法添加多项式项。设置pipeline。列表中每个元素是管道中的一步，每一步是一个元组，元组第一个元素是字符串表示做什么，第二个元素是类的对象。管道的第一步是添加多项式项，第二部是归一化，第三部进行逻辑回归过程，返回实例对象。关于管道的具体用法，可以看看相关的文章。

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 为逻辑回归添加多项式项的管道
def PolynomialLogisticRegression(degree):
    return Pipeline([
        ('poly', PolynomialFeatures(degree=degree)),
        ('std_scaler', StandardScaler()),
        ('log_reg', LogisticRegression())
    ])

# 使用管道得到对象
poly_log_reg = PolynomialLogisticRegression(degree=2)
poly_log_reg.fit(X, y)

"""
输出：
Pipeline(steps=[('poly', PolynomialFeatures(degree=2, include_bias=True, interaction_only=False)), ('std_scaler', StandardScaler(copy=True, with_mean=True, with_std=True)), ('log_reg', LogisticRegression())])
"""

poly_log_reg.score(X, y)
"""
输出：
0.94999999999999996
"""
plot_decision_boundary(poly_log_reg, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

下面我们更改degree参数（多项式拓展的阶数），将其变大（那肯定会过拟合）

poly_log_reg2 = PolynomialLogisticRegression(degree=20)
poly_log_reg2.fit(X, y)
plot_decision_boundary(poly_log_reg2, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

最终的结果，决策边界的外侧比较奇怪，这就是典型的过拟合。

（三）小结

决策边界是分类中非常重要的一个概念。线性决策边界就是一条直线，而在真实数据，很少是一根直线就能分类的，通常都要加上多项式项，也就是非线性的决策边界。这样才能解决更复杂的问题。

但是多项式项的阶数越大，越容易过拟合。那么就要进行模型的正则化。

五、sklearn中的逻辑回归中及正则化

（一） 逻辑回归中使用正则化

对损失函数增加L1正则或L2正则。可以引入一个新的参数α来调节损失函数和正则项的权重，如： $J(\theta)+αL_1$。（对于L1、L2正则项的内容，不是本篇介绍的重点）
如果在损失函数前引入一个超参数C，即： $C\cdot J(\theta)+L_1$，如果C越大，优化损失函数时越应该集中火力，将损失函数减小到最小；C非常小时，此时L1和L2的正则项就显得更加重要。其实损失函数前的参数C，作用相当于参数α前的一个倒数。在逻辑回归中，对模型正则化更喜欢使用 $C\cdot J(\theta)+L_1$这种方式。

(二)sklearn中的逻辑回归

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

np.random.seed(666)
# 构建服从标准差为0，方差为1的分布，200个样本，有两个特征
X = np.random.normal(0, 1, size=(200, 2))
# 构建输入空间X与标签y的关系：是一个抛物线，通过布尔向量转为int类型
y = np.array((X[:,0]**2+X[:,1])<1.5, dtype='int')
# 随机在样本中挑20个点，强制分类为1（相当于噪音）
for _ in range(20):
    y[np.random.randint(200)] = 1
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

使用sklearn中的逻辑回归

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LogisticRegression

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=666)

log_reg = LogisticRegression()
log_reg.fit(X_train, y_train)
#######
LogisticRegression(C=1.0, class_weight=None, dual=False, fit_intercept=True,
                   intercept_scaling=1, l1_ratio=None, max_iter=100,
                   multi_class='warn', n_jobs=None, penalty='l2',
                   random_state=None, solver='warn', tol=0.0001, verbose=0,
                   warm_start=False)

注意观察，有一个参数penalty的默认参数是l2，这说明sklearn中默认是使用L2正则项的，且超参数C默认1。

log_reg.score(X_train, y_train)
----
0.7933333333333333


log_reg.score(X_test, y_test)
------
0.86

我们发现准确不高，这很正常！因为设置的就是非线性的数据，而现在用的还是没加多项式的逻辑回归。

下面可以可视化一下决策边界：

def plot_decision_boundary(model, axis):   
    x0, x1 = np.meshgrid(
        np.linspace(axis[0], axis[1], int((axis[1]-axis[0])*100)).reshape(-1, 1),
        np.linspace(axis[2], axis[3], int((axis[3]-axis[2])*100)).reshape(-1, 1),
    )
    X_new = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    y_predict = model.predict(X_new)
    zz = y_predict.reshape(x0.shape)
    from matplotlib.colors import ListedColormap
    custom_cmap = ListedColormap(['#EF9A9A','#FFF59D','#90CAF9'])
    plt.contourf(x0, x1, zz, linewidth=5, cmap=custom_cmap)

plot_decision_boundary(log_reg, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

（三）多项式项逻辑回归

1. 实现多项式项逻辑回归

尝试使用多项式项进行逻辑回归。使用pipeline方式组合三个步骤，得到一个使用多项式项的逻辑回归的方法。

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

def PolynomialLogisticRegression(degree):
    return Pipeline([
        ('poly', PolynomialFeatures(degree=degree)),
        ('std_scaler', StandardScaler()),
        ('log_reg', LogisticRegression())
    ])

poly_log_reg = PolynomialLogisticRegression(degree=2)
poly_log_reg.fit(X_train, y_train)
----------
Pipeline(memory=None, steps=[('poly',PolynomialFeatures(degree=2, include_bias=True,interaction_only=False, order='C')), ('std_scaler', StandardScaler(copy=True, with_mean=True, with_std=True)),('log_reg', LogisticRegression(C=1.0,class_weight=None, dual=False,fit_intercept=True, intercept_scaling=1,l1_ratio=None, max_iter=100,multi_class='warn', n_jobs=None,penalty='l2', random_state=None,solver='warn', tol=0.0001, verbose=0,warm_start=False))],
         verbose=False)

看一下训练得到的结果：

poly_log_reg.score(X_train, y_train)
"""
输出：0.91333333333333333
"""
poly_log_reg.score(X_test, y_test)
"""
输出：
0.94
"""
plot_decision_boundary(poly_log_reg, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

下面设置一个比较大的阶数（目的就是看看过拟合的亚子）

poly_log_reg2 = PolynomialLogisticRegression(degree=20)
poly_log_reg2.fit(X_train, y_train)
poly_log_reg2.score(X_train, y_train)
"""
输出：0.93999999999999995
"""
poly_log_reg2.score(X_test, y_test)
"""
输出：0.93999999999999995
"""
plot_decision_boundary(poly_log_reg2, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

其实单看结果，还看不出来太多，因为我们的模型设置的很简单。但是看决策边界的话，就知道，这个奇奇怪怪的曲线，一瞅就是过拟合了。

下面就在这个过拟合的基础上，加入模型的正则化。

2.模型的正则化

（1）L2正则

使用参数C进行模型正则化，在构建管道时，用参数C去覆盖。同时在生成多项式逻辑回归实例参数时，同样设置阶数为20，然后设置一个比较小的损失函数的权重参数C=0.1，相当于让模型正则化的项起到更大的作用，让分类准确度损失函数起到小一点的作用。

def PolynomialLogisticRegression(degree, C):
    return Pipeline([
        ('poly', PolynomialFeatures(degree=degree)),
        ('std_scaler', StandardScaler()),
        ('log_reg', LogisticRegression(C=C))
    ])

poly_log_reg3 = PolynomialLogisticRegression(degree=20, C=0.1)
poly_log_reg3.fit(X_train, y_train)
------

Pipeline(memory=None, steps=[('poly',PolynomialFeatures(degree=20, include_bias=True,       interaction_only=False, order='C')),
('std_scaler',StandardScaler(copy=True, with_mean=True, with_std=True)),
('log_reg',LogisticRegression(C=0.1, class_weight=None, dual=False,    fit_intercept=True, intercept_scaling=1, l1_ratio=None, max_iter=100,multi_class='warn', n_jobs=None,  penalty='l2', random_state=None,solver='warn', tol=0.0001, verbose=0,warm_start=False))],
         verbose=False)

在训练数据集及测试数据集上的表现如下：

poly_log_reg3.score(X_train, y_train)
"""
输出：0.85333333333333339
"""
poly_log_reg3.score(X_test, y_test)
"""
输出：0.92000000000000004
"""
plot_decision_boundary(poly_log_reg3, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

与没正则的情况下相比较，貌似是好了一点。

（2）L1正则

def PolynomialLogisticRegression(degree, C, penalty):
    return Pipeline([
        ('poly', PolynomialFeatures(degree=degree)),
        ('std_scaler', StandardScaler()),
        ('log_reg', LogisticRegression(C=C, penalty=penalty))
    ])

poly_log_reg4 = PolynomialLogisticRegression(degree=20, C=0.1, penalty='l1')
poly_log_reg4.fit(X_train, y_train)
poly_log_reg4.score(X_train, y_train)
"""
输出：0.8266666666666667
"""
poly_log_reg4.score(X_test, y_test)
"""
输出：0.9
"""
plot_decision_boundary(poly_log_reg4, axis=[-4, 4, -4, 4])
plt.scatter(X[y==0,0], X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0], X[y==1,1])
plt.show()

虽然分类准确率比较低，但是没有过拟合，分类决策边界非常接近原本的真实数据了。

（四）小结

这部分介绍了sklearn中如何使用逻辑回归，并对不同的正则化项得到的效果进行了展示。在实际使用中，阶数degree，参数C以及正则化项，都是超参数，使用网格搜索的方式得到最佳的组合。