Logistic回归模型

二项Logistic回归模型（binomial logistic regression model）是一种分类模型，由条件概率分布$P(Y|X)$表示，形式为参数化的logistic分布。

一、模型定义

模型是如下的条件概率分布：

$$P(Y=1|X)=\dfrac{e^{w\cdot x+b}}{1+e^{w\cdot x+b}}$$

$$P(Y=0|X)=1-P(Y=1|X)=\dfrac{1}{1+e^{w\cdot x+b}}$$

这里$x\in R^n$，$Y\in {0, 1}$，$w \in R^n$和$b\in R$是参数，$w$称为权值，$b$称为偏置。

给定输入实例$x$计算得到$P(Y=1|x)$和$P(Y=0|x)$，然后比较两个条件概率的大小，将实例$x$分到概率值较大的那一类。

为了方便，将权值向量和输入向量加以扩展，即令$w_0=b$，$x_0=1$，扩展为

$$w=(w_0,w_1, w_2, ..., w_n)^T$$

$$x=(x_0, x_1, x_2, ..., x_n)^T$$

这样，上面的模型变成：

$$P(Y=1|X)=\dfrac{e^{w\cdot x}}{1+e^{w\cdot x}}$$

$$P(Y=0|X)=1-P(Y=1|X)=\dfrac{1}{1+e^{w\cdot x}}$$

二、发生比

在统计和概率理论中，一个事件或者一个陈述的发生比（英语：Odds）是该事件发生和不发生的比率，公式为：

$$odds(p)=\dfrac{p}{1-p}$$

其中$p$是该事件发生的概率，$odds(p)$是关于$p$的递增函数。

例如，如果一个人随机选择一星期7天中的一天，选择星期日的发生比是： $\dfrac{1/7}{1-1/7}=1/6$。不选择星期日的发生比是 $6/1$。

对odds取对数(成为log of odds)，也就是$log\dfrac{p}{1-p}$，称为对数几率，这个在正式的数学文献中会记为$logit(p)$，即：

$$logit(p)=log\dfrac{p}{1-p}$$

该函数还是关于$p$的递增函数。

在Logistic回归中，对于某个实例$x$：

$$log\dfrac{p}{1-p}=log\dfrac{P(Y=1|x)}{1-P(Y=1|x)}=w\cdot x$$

也就是实例$x$输出$Y=1$的对数几率是$x$的线性函数。

三、极大似然估计

给定训练数据集$T=\{(x^{(1)},y^{(1)}),(x^{(2)},y^{(2)}),...,(x^{(m)},y^{(m)})\}$，其中，$x^{(i)}=(1, x_1, x_2, ..., x_n)^T\in X= R^{n+1}$，$y^{(i)}\in Y=\{0, 1\}$，应用极大似然估计发估计模型参数，从而得到Logistic回归模型。

设：$P(Y=1|x)=\pi(x)=\dfrac{e^{w\cdot x}}{1+e^{w\cdot x}}$，$P(Y=0|x)=1-\pi(x)=\dfrac{1}{1+e^{w\cdot x}}$

则似然函数为：

$$\displaystyle\prod_{i=1}^m[\pi(x^{(i)})]^{y^{(i)}}[1-\pi(x^{(i)})]^{1-y^{(i)}}$$

对数似然函数为：

$$L(w)=\displaystyle\sum_{i=1}^m[y^{(i)}ln\pi(x^{(i)})+(1-y^{(i)})ln(1-\pi(x^{(i)}))]$$

$$=\displaystyle\sum_{i=1}^m[y^{(i)}ln\dfrac{\pi(x^{(i)})}{1-\pi(x^{(i)})}+ln(1-\pi(x^{(i)}))]$$

$$=\displaystyle\sum_{i=1}^m[y^{(i)}(w\cdot x^{(i)})-ln(1+e^{w\cdot x^{(i)}})]$$

该函数是高阶可导函数，对$L(w)$求极大值，即令每个样本的概率越大越好，得到$w$的估计值。

变换成求极小值：

$$\min_{w} L(w)=-\displaystyle\sum_{i=1}^m[y^{(i)}(w\cdot x^{(i)})-ln(1+e^{w\cdot x^{(i)}})]$$

这样问题就变成了以对数似然函数为目标函数的最小值优化问题，Logistic回归学习中通常采用的方法是梯度下降和拟牛顿法。

计算梯度：

$$\dfrac{\partial L(w)}{\partial w_j}=-\dfrac{\partial \displaystyle\sum_{i=1}^m[y^{(i)}(w\cdot x^{(i)})-ln(1+e^{w\cdot x^{(i)}})]}{\partial w_j}$$

$$= \displaystyle-\sum_{i=1}^m(y^{(i)}x^{(i)}_j)+\displaystyle\sum_{i=1}^m\dfrac{\partial ln(1+e^{w\cdot x^{(i)}})}{\partial w_j}$$

$$= \displaystyle-\sum_{i=1}^m(y^{(i)}x^{(i)}_j)+\displaystyle\sum_{i=1}^m\dfrac{1}{1+e^{w\cdot x^{(i)}}}\dfrac{\partial e^{w\cdot x^{(i)}}}{\partial w_j}$$

$$= \displaystyle-\sum_{i=1}^my^{(i)}x^{(i)}_j+\displaystyle\sum_{i=1}^m\dfrac{e^{w\cdot x^{(i)}}}{1+e^{w\cdot x^{(i)}}}x^{(i)}_j$$

$$= \displaystyle\sum_{i=1}^m\big(\dfrac{e^{w\cdot x^{(i)}}}{1+e^{w\cdot x^{(i)}}}-y^{(i)}\big)x^{(i)}_j$$

$$= \displaystyle\sum_{i=1}^m\big(\theta(w\cdot x^{(i)})-y^{(i)}\big)x^{(i)}_j$$

其中$\theta(x)=\dfrac{e^{x}}{1+e^{x}}=\dfrac{1}{1+e^{-x}}$，也称为$sigmoid$函数，然后得到：

$$\nabla L(w)= \displaystyle\sum_{i=1}^m\big(\theta(w\cdot x^{(i)})-y^{(i)}\big)x^{(i)}$$

假定：

$X= \begin{bmatrix} (x^{(1)})^T \\ (x^{(2)})^T \\ (x^{(3)})^T \\ ... \\ ( x^{(m)} )^T \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & x^{(1)}_1 & x^{(1)}_2 & ... & x^{(1)}_n \\ 1 & x^{(2)}_1 & x^{(2)}_2 & ... & x^{(2)}_n \\ 1 & x^{(3)}_1 & x^{(3)}_2 & ... & x^{(3)}_n \\ ... \\ 1 & x^{(m)}_1 & x^{(m)}_2 & ... & x^{(m)}_n \end{bmatrix}$，$Y=\begin{bmatrix} y^{(1)} \\ y^{(2)} \\ y^{(3)} \\ ... \\ y^{(m)} \end{bmatrix}$，$w=\begin{bmatrix} w_0 \\ w_1 \\ w_2 \\ ... \\ w_n \end{bmatrix}$

则：

$$X\cdot w= \begin{bmatrix} 1 & x^{(1)}_1 & x^{(1)}_2 & ... & x^{(1)}_n \\ 1 & x^{(2)}_1 & x^{(2)}_2 & ... & x^{(2)}_n \\ 1 & x^{(3)}_1 & x^{(3)}_2 & ... & x^{(3)}_n \\ ... \\ 1 & x^{(m)}_1 & x^{(m)}_2 & ... & x^{(m)}_n \end{bmatrix}\cdot \begin{bmatrix} w_0 \\ w_1 \\ w_2 \\ ... \\ w_n \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} (x^{(1)})^T\cdot w \\ (x^{(2)})^T\cdot w \\ (x^{(3)})^T\cdot w \\ ... \\ (x^{(m)})^T\cdot w \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} w^T \cdot x^{(1)} \\ w^T \cdot x^{(2)} \\ w^T \cdot x^{(3)} \\ ... \\ w^T \cdot x^{(m)} \end{bmatrix}$$

$$\theta(X\cdot w)-Y=\begin{bmatrix} {\theta}(w^T \cdot x^{(1)})-y^{(1)} \\ {\theta}(w^T \cdot x^{(2)})-y^{(2)} \\ {\theta}(w^T \cdot x^{(3)})-y^{(3)} \\ ... \\ {\theta}(w^T \cdot x^{(m)})-y^{(m)} \end{bmatrix}$$

$$X^T= \begin{bmatrix} x^{(1)} & x^{(2)} & x^{(3)} & ... & x^{(m)} \end{bmatrix}$$

$$X^T\cdot \big(\theta(X\cdot w)-Y\big) = \displaystyle\sum_{i=1}^m\big(\theta(w\cdot x^{(i)})-y^{(i)}\big)x^{(i)}$$

最终得到：

$$\nabla L(w)= X^T\cdot \big(\theta(X\cdot w)-Y\big)$$

同时也可以得到：

$$L(w)=-\displaystyle\sum_{i=1}^m[y^{(i)}(w\cdot x^{(i)})-ln(1+e^{w\cdot x^{(i)}})]=-(X\cdot w)^T\cdot Y+ln(1+e^{X\cdot w })\cdot I$$

其中$I$为全$1$向量。

四、梯度下降法

1.批量梯度下降（Batch Gradient Descent）

输入：训练数据集$T=\{(x^{(1)},y^{(1)}),(x^{(2)},y^{(2)}),...,(x^{(m)},y^{(m)})\}$，其中$x^{(i)}\in X= R^n$，$y^{(i)}\in Y=\lbrace0,1\rbrace$，$i=1,2,...,m$，学习率$\eta(0<\eta\leqslant1)$；

输出：$w$，$b$，其中$w=(w_1, w_2, ..., w_n)^T$，模型$P(y=1|x)=sigmoid ( w\cdot x+b)$

1）将输入的每个$x$转换成$x=(1, x_1, x_2,...x_n)$，令$w_0 =b$，输出为$w=(w_0, w_1, w_2, ..., w_n)^T$

2）选取初始$w^{(0)}=(w_0, w_1, w_2, ..., w_n)^T$

3）计算梯度$X^T\cdot \big(\theta(X\cdot w^{(j)})-Y\big)$，其中$w^{(j)}$为第$j$次迭代的结果，则第$j+1$次为：

$$w^{(j+1)} \gets w^{(j)} - \eta X^T\cdot \big(\theta(X\cdot w^{(j)})-Y\big)$$

4）转到步骤（3），一直到$L(w)$满足一定条件，或者迭代到足够的次数。

在批量梯度下降算法中，每一步的迭代都需要计算所有样本，当样本数较大时，计算量会很大。

时间复杂度：

每次迭代更新$X\cdot w^{(j)}=Y^{'}$的计算次数为$m\times n$，$\theta(Y^{'})-Y = Z$的计算次数为$n$次，$X^T \cdot Z$的计算次数为$m\times n$，则每次迭代的时间复杂度为$O(m\times n)$，假定迭代次数为$k$次，则总时间复杂度为$O(k\times m\times n)$。

2.随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent）

将上面的步骤（3）改为：

3）随机选取某个样本$x^{(i)}$，则：

$$w^{(j+1)} \gets w^{(j)}-\eta \big(\theta(w^{(j)}\cdot x^{(i)})-y^{(i)}\big)x^{(i)}$$

一直到迭代到足够的次数。

时间复杂度：

每次迭代更新$w^{(j)}\cdot x^{(i)}=y^{'}$的计算次数为$n$，$\theta(y^{'})-y^{(i)}=z$的计算次数为$1$，$zx^{(i)}$的计算次数为$n$，则每次迭代的时间复杂度为$O(n)$，假设迭代次数为$k$，则总时间复杂度为$O(k\times n)$。

参考：

https://zh.wikipedia.org/wiki/发生比

http://vividfree.github.io/机器学习/2015/12/13/understanding-logistic-regression-using-odds

http://blog.csdn.net/bitcarmanlee/article/details/51473567