深度学习中的Logistic Regression 1 ---一元线性回归

前言

要理解神经网络计算,我们应该简化问题,简化系统。所以我们先从只有一个神经元的情况入手,另外为了继续简化,我们将神经元的输出定以为二元输出,即1或0 。这样就将单一的神经元学习问题转化为二值逻辑回归问题(Binary Logistic Regression)

二值逻辑回归问题

为了更好的理解逻辑回归,我们先用数学归纳法的方式,从一元线性回归开始,逐渐扩展到n元回归。

一元线性回归

一元线性回归简而言之就是在二维平面的坐标体系下,给定m个数据点,即 (x^{(i)}, y^{(i)}), i \in Z, i \in [1,m] ,找到一个最能代表这些数据点的直线,即所有数据到达该直线的距离之和为最小。为了用数学语言精确表达,我们先定义以下数据集:

(x^{(1)}, y^{(1)}), (x^{(2)}, y^{(2)}) ... (x^{(m)}, y^{(m)})

我们的目标就是找一条直线:

y=\theta x + b

即最终通过这个数据集找到最优的 \theta 和 b,为此我们需要定一个代价函数(Cost Function),为了表示上文的 “所有数据到达该直线的距离之和为最小”, 代价函数这样定义:

J(\theta, b)=\frac{1}{2} \sum\limits_{i=1}^{m}((\theta x^{(i)} + b) - y^{(i)})^2

通常在统计学中,解决一元线性回归问题,即为了让上面的 J(\theta, b) 达到最小, 一般是用最小二乘法,即对 J(\theta, b)\theta 和 b的偏导数,当偏导数等于0的时候,建立方程组求出具体的 \theta 和 b的值,即

\left\{ \begin{aligned} \frac{\partial J(\theta, b)}{\partial \theta} & = 0 \\ \frac{\partial J(\theta, b)}{\partial b} & = 0 \\ \end{aligned} \right.

但是在这里为了给深度学习做准备,我们准备用梯度下降法来求最佳的 \theta 和 b,梯度下降法的好处是很方便编写代码求出期望的参数。首先给\theta 和 b设定初始值,再给定一个学习比率(learning rate) \alpha, 通过以下递归式,经过一定次数的迭代得到最终的期望的参数:

\left\{ \begin{aligned} \theta := \theta - \alpha\frac{\partial J(\theta, b)}{\partial \theta}\\ \theta := \theta - \alpha\frac{\partial J(\theta, b)}{\partial b}\\ \end{aligned} \right.

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