Python实现逻辑回归与梯度下降策略

我们将建立一个逻辑回归模型来预测一个学生是否被大学录取。假设你是一个大学的管理员,你想根据两次考试的结果来决定每个申请人的录取机会。你有以前申请人的历史数据,你可以用它作为逻辑回归的训练集,对于每一个训练例子,你有两个考试的申请人的分数和录取决定。为了做到这一点,我们将建立一个分类模型,根据考试成绩估计入学概率。

import pandas as pd

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] # 用来正常显示中文标签

plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False # 用来正常显示负号

data = pd.read_csv("grade.csv")

Pass = data[data["Admitted"] == 1] # 获取及格的数据

noPass = data[data["Admitted"] == 0] # 获取不及格的数据

fig, ax = plt.subplots()

ax.scatter(Pass["EXAM 1"], Pass["EXAM 2"], s = 30, c = 'b', marker = 'o', label = 'PASS')

ax.scatter(noPass["EXAM 1"], noPass["EXAM 2"], s = 30, c = 'r', marker = 'x', label = 'noPASS')

ax.legend(loc = 2)

ax.set_xlabel('EXAM 1 score')

ax.set_ylabel('EXAM 2 score')

ax.set_title('逻辑回归案例')

plt.show()

接下来就是算法的实现

目标:建立分类器(求解出三个参数e1,e2,e3)

设定阈值,根据阈值判断录取结果

要完成的模块

1.sigmoid:映射到概率的函数

2.model:返回预测结果值

3.cost:根据参数计算损失

4.gradient:计算每个参数的梯度方向

5.descent:进行参数更新

6.accuracy:计算精度

# sigmoid:映射到概率的函数

def sigmoid(z):

    return 1 / (1 + np.exp(-z))

# model:返回预测结果值

def model(X, theta):

    return sigmoid(np.dot(X, theta.T))

data.insert(0, 'Ones', 1)

orig_data = data.as_matrix()

cols = orig_data.shape[1]

X = orig_data[:, 0:cols-1]

y = orig_data[:, cols-1:cols]

theta = np.zeros([1, 3])

# cost:根据参数计算损失

def cost(X, y, theta):

    left = np.multiply(-y, np.log(model(X, theta)))

    right = np.multiply(1-y, np.log(1 - model(X, theta)))

    return np.sum(left - right) / (len(X))

# gradient:计算每个参数的梯度方向

def gradient(X, y, theta):

    grad = np.zeros(theta.shape)

    error = (model(X, theta) - y).ravel()

    for j in range(len(theta.ravel())):

        term = np.multiply(error, X[:, j])

        grad[0, j] = np.sum(term) / len(X)

    return grad

STOP_ITER = 0

STOP_COST = 1

STOP_GRAD = 2

# 设定三种不同的停止策略

def stopCriterion(type, value, threshold):

    if type == STOP_ITER:

        return value > threshold

    elif type == STOP_COST:

        return abs(value[-1] - value[-2]) < threshold

    elif type == STOP_GRAD:

        return np.linalg.norm(value) < threshold

# 将数据打乱

def shuffleData(data1):

    shuffle(data1)

    cols = data1.shape[1]

    X = data1[:, 0:cols-1]

    y = data1[:, cols-1:]

    return X, y

# 梯度下降求解

def descent(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha):

    init_time = time.time()

    i = 0 # 迭代次数

    k = 0 # batch

    X, y = shuffleData(data)

    grad = np.zeros(theta.shape) # 计算的梯度

    costs = [cost(X, y, theta)] # 损失值

    while True:

        grad = gradient(X[k:k+batchSize], y[k:k+batchSize], theta)

        k += batchSize # 取batch数量个数据

        if k >= n:

            k = 0

            X, y =shuffleData(data) # 重新打乱

        theta = theta - alpha * grad # 更新参数

        costs.append(cost(X, y, theta)) # 计算新的损失

        i += 1

        if stopType == STOP_ITER:

            value = i

        elif stopType == STOP_COST:

            value = costs

        elif stopType == STOP_GRAD:

            value = grad

        if stopCriterion(stopType, value, thresh):

            break

    return theta, i-1, costs, grad, time.time() - init_time

def runExpe(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha):

    theta, iter, costs, grad, dur = descent(data, theta, batchSize, stopType, thresh, alpha)

    name = "Original" if (data[:,1] > 2).sum() > 1 else "Scaled"

    name += "data - learning rate: {} - ".format(alpha)

    if batchSize == n:

        strDescType = "Gradient"

    elif batchSize == 1:

        strDescType = "Stochastic"

    else:

        strDescType = "MiNi-batch({})".format(batchSize)

    name += strDescType + "descent - Stop:"

    if stopType == STOP_ITER:

        strStop = "{} iterations".format(thresh)

    elif stopType == STOP_COST:

        strStop = "costs change < {}".format(thresh)

    else:

        strStop = "gradient norm < {}".format(thresh)

    name += strStop

    print("***{}\nTheta:{} - Iter: {} - Last cost: {:03.2f} - Duration: {:03.2f}s".format(name,theta,iter,costs[-1],dur))

    fig, ax = plt.subplots()

    ax.plot(np.arange(len(costs)), costs, 'r')

    ax.set_xlabel('Iterations')

    ax.set_ylabel('Cost')

    ax.set_title(name.upper() + '- Error vs. Iteration')

    plt.show()

    return theta

if __name__ == '__main__':

    n = 100

    # runExpe(orig_data,theta,n,STOP_ITER,thresh=5000,alpha=0.0001)

    # 根据损失值停止

    # runExpe(orig_data, theta, n, STOP_COST, thresh=0.000001, alpha=0.001)

    # 根据梯度变化停止

    runExpe(orig_data, theta, n, STOP_GRAD, thresh=0.05, alpha=0.001)

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