logistic回归的数学推导

1、引入

1.1 分类问题的描述

对于分类问题，我们通常将整个问题记为D={xi,yi}Ni=1 ，我们的对于y 的预测值记为

y=f(x)=argmaxcp(y=c|x,D)

这个公式中，y 为离散值，其取值范围为y={1,2,...,C} ，表示有C 个类别。当C=2 时即为二分类问题，在下面将详细讨论这种分类问题。在正式的讨论之前，回顾一下贝叶斯公式。

1.2 贝叶斯公式

贝叶斯公式中有三个概率：先验概率、后验概率、类条件概率。

先验概率：p(y=c)
类条件概率：p(x|y=c)
后验概率：p(y=c|x)

这里用一个例子来说明：
假设y=1 表示某个病人得病，x 表示血液中白细胞的数量。
类条件概率 指的是当得了病之后，血液中白细胞的数量为某值的概率；
先验概率 指的是这个人本身得病的概率；
后验概率 指的是通过检查已经知道了某个人血液中的白细胞数量，这个人得病的概率。

我们熟悉的贝叶斯公式为：

P(A|B)=P(B|A)P(A)P(B)

1.3 logistic回归引入

接着第一部分的内容，当C=2 时，即为最简单的两分类问题，对于这类问题，y 的取值为0和1两个，因此有p(y=1|x)+p(y=0|x)=1 ，求出其中一个就可以得到另一个概率。这里我们将这种二分类问题的分布称作Bernoulli分布。

p(y|x)=Ber(y|μ(x))

Tips：其中的μ(x)=E(y|x)=p(y=1|x) 表示的是整个分布的均值。
（其中的E(y|x)=1×p(y=1|x)+0×p(y=0|x) ）

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这里介绍一下bernoulli分布：

Ber(x|θ)=θx(1−θ)(1−x)

对于这个式子，他的正确性是肯定的，举个例子：

Ber(x|θ)={1−θ,x=0θ,x=1

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我们所说的logistic回归，就是在bernoulli分布的基础上，将μ(x) 替换为μ(x)=sigmoid(wTx)
其中的sigmoid函数为：

sigmoid(η)=11+exp(−η)=exp(η)exp(η)+1

图像为：

针对我们的logistic回归，μ(x)=sigmoid(wTx) 一式中的wTx 的取值范围为(−∞,+∞) ，而bernoulli分布参数的取值是[0,1] ，因此这里的sigmoid函数的作用就是将取值范围为(−∞,+∞) 的参数转换到[0,1] 上。

2、损失函数与优化

2.1 损失函数与极大似然估计

在引入了logistic回归后，按照机器学习的常规操作需要确定损失函数，这里的损失函数使用负log似然。

J(w)=NLL(w)=−∑i=1Nlog[(μi)yi×(1−μi)(1−yi)]=∑i=1N−[yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)]

这里根据Ber(x|θ)=θx(1−θ)(1−x) 得到w 的分布。
在上式中，我们称其中的

yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)

为logistic损失，也称作极大似然估计。

2.2 计算梯度

由2.1中得到的损失函数可以进行梯度的计算，由于步骤比较繁琐，这里使用图片进行表示。
损失函数：J(w)=∑i=1N−[yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)]
梯度：∂J(w)∂w=∂∂w[∑i=1N−[yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)]]
梯度计算：

这里的计算也不复杂，主要是用了复合函数的求导。

在最后一步得到的μ(xi)−yi 称为预测的残差。
在上图中，公式∂∂wμ(x)=μ(x)(1−μ(x))x 的推导为如下所示：

这里的求导主要用的是对于分数的求导，也不是很复杂，细心推一下就可以推出来。

在求得导数之后，我们如果想要使用牛顿法等二阶优化算法的话，需要计算对梯度再求一次导，也就是去计算他的Hessian矩阵。

H(w)=∂∂w[g(w)T]=∑i=1N(∂∂wμi)xTi=μi(1−μi)xixTi=XTdiag(μi(1−μi))X

也就是可以写成这样的形式，最后一个等号后面的矩阵表示说明了他是一个正定的矩阵，可以使用凸优化的方法对其进行优化。

2.3 牛顿法

主要思想是使用f(x) 泰勒展开的前几项来寻找f(x)=0 的解
首先对式子进行泰勒展开：

0=g(w^)=g(wt)+(w^−wt)H(wt)+O(w^−wt)

去掉后面的高阶无穷小项，即可得：

g(wt)+(w^−wt)H(wt)=0

也就可以推得：

w^=wt−H−1(wt)g(wt)

因此可以得到参数的更新规则为：

wt+1=wt−H−1(wt)g(wt)

这种方法也叫作二阶梯度下降法，因为他的参数更新形式与梯度下降法是很相似的，但是使用的是Hessian矩阵，也就是梯度的梯度进行更新。

另外，牛顿法一般比梯度下降的方法要快，可能的原因是使用牛顿法这种二阶梯度下降的算法“看”的更远，因此会有比一般梯度下降更快的收敛速度。

3、正则化

如果损失函数取logistic损失，那么logistic回归的目标函数为：

J(w)=∑i=1N−[yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)]

加上L2正则化后，变为

J(w)=∑i=1N−[yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)]+λ||w||22

或者L1正则：

J(w)=∑i=1N−[yilog(μi)+(1−yi)log(1−μi)]+λ|w|