机器学习-线性回归、广义线性模型(逻辑回归)

1、前言

  线性回归在整个机器学习算法中相对比较简单,但是在处理实际问题中,使用频率还是比较高。本文将对线性回归做简单介绍,最后利用通俗的讲解来说明逻辑回归于线性回归的关系。

2、线性回归相关问题

  线性模型一般表达式如下:
f(\boldsymbol{x})=\boldsymbol{w}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{x}+b
其中:\boldsymbol{x}=\left(x_{1} ; x_{2} ; \ldots ; x_{d}\right)代表了d的属性,\boldsymbol{w}\boldsymbol{b}便是算法通过对训练样本学习获得。其中\boldsymbol{w}可以看作是每一个属性在模型中的权重。
  想要通过训练集学得上式中的\boldsymbol{w}\boldsymbol{b},根据机器学习-模型评估与选择可知,对于回归任务常用均方误差对模型评估,则模型学习的目的就是最小化均方误差:
\left(w^{*}, b^{*}\right)=\underset{(w, b)}{\arg \min } \sum_{i=1}^{m}\left(f\left(x_{i}\right)-y_{i}\right)^{2} =\underset{(w, b)}{\arg \min } \sum_{i=1}^{m}\left(y_{i}-w x_{i}-b\right)^{2}
通过最小化均方误差来求解模型的方法称为“最小二乘法”(最小二乘法应用很广)。
想要求得上式最小值,则应该使得导数等于0。

3、广义线性模型

  上面提到的线性模型只是对x进行线性组合后去逼近y值;实际应用中,我们可能还会有别的需求,例如通过对x线性组合后去逼近“y的衍生值”,例如,去逼近\ln y,则:
\ln y=\boldsymbol{w}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{x}+b
上式是“对数线性回归”,上式也可以理解为使e^{\boldsymbol{w}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{x}+b}逼近y值。
  一般地,一个单调可微函数g(\cdot),使得:
y=g^{-1}\left(\boldsymbol{w}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{x}+b\right)
上式称为“广义线性模型”,其中g(\cdot)称为“联系函数”。

4、逻辑回归

  以上分析中,最终的结果还是一个回归任务。但是在实际应用中,经常会有分类的任务,此时便出现了逻辑回归。
  逻辑回归如下:
y=\frac{1}{1+e^{-z}}= \frac{1}{1+e^{-\left(\boldsymbol{w}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{x}+b\right)}}
其中,函数y=\frac{1}{1+e^{-z}}便是上面提到的“联系函数”,称为"Sigmoid 函数"(Sigmoid 函数是指图形像S的函数,上式函数只是其中一个典型代表,有时称为“对率函数”)。
图形如下:

逻辑回归

  从图中可以看出,通过转换,结果就是0-1的值,则对于二分类任务,可以看做是某个类别的概率,通过设定阈值就可以将结果转换为分类结果了。
注:逻辑回归虽然名字中包含了“回归”,但实际是一种分类模型。

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