Deep Learning Note: 1-1 逻辑回归和梯度下降

Author: nex3z 2017-12-15

　　Deep Learning Note 系列是我学习 deepLearning.ai 所开设深度学习课程的笔记，包含关键概念、模型和部分推导，方便随时查阅。假设读者已初步了解机器学习基础知识，并具有相应的数学基础。

0. 符号说明

　　本文及后续内容使用符号定义如下：

　　使用 $(x, y)$ 表示单个样本，其中 $x \in \mathbb{R}^{n_x}$，即一个 $n_x$ 维的特征向量（Feature Vector）；$y \in \{ 0, 1 \}$，为标签（Label）。

　　使用 $m$ 表示样本数量，在样本上使用圆括号和数字的角标表示该样本在样本集中的序号，整个样本集合为 $\{(x^{(1)}, y^{(1)}), (x^{(2)}, y^{(2)}), …, (x^{(m)}, y^{(m)})\}$。使用 $m_{train}$ 表示训练集（Training Set）中样本的个数，使用 $m_{test}$ 表示测试集（Test Set）中样本的个数。

　　定义 $X = [x^{(1)} x^{(2)} … x^{(m)} ]$，即各个样本的特征向量水平叠加后的结果，故有 $X \in \mathbb{R}^{n_x \times m}$，即 $X$ 是一个 $n_x \times m$ 的实数矩阵。

　　定义 $Y = [y^{(1)} y^{(2)} … y^{(m)} ]$，即各个样本的标签水平叠加后的结果，故有 $Y \in \mathbb{R}^{1 \times m}$，即 $Y$ 是一个 $1 \times m$ 的实数矩阵。

1. 二分类

　　对于二分类（Binary Classification）问题，我们的目标是习得一个分类器，使它对于给定样本的特征向量 $x$，可以预测该样本的标签 $y$，$y$ 的取值只有两种，分别对应真和假两种情况，如取值 0 或 1。

2. 逻辑回归

　　逻辑回归（Logistic Regression）是一种监督学习算法，算法输出的标签只可能是 $0$ 或者 $1$，适用于二分类问题。

　　对于给定输入特征矢量 $x$，$x \in \mathbb{R}^{n_x}$，我们希望得到其标签 $y$ 的估计 $\hat{y}$，即在给定输入 $x$ 的条件下 $y$ 为 $1$ 的概率：

$$\begin{equation} \hat{y} = P(y = 1|x) \tag{1} \end{equation}$$

　　逻辑归回的参数有：

$$\begin{equation} w \in \mathbb{R}^{n_x} \\ b \in \mathbb{R} \end{equation}$$

其中 $w$ 为权重（Weight），是一个 $n_x \times 1$ 的向量；$b$ 为偏置（Bias），或称为截距（Intercept Term），是一个实数。

　　由此，逻辑归回的模型可以表述为：

$$\begin{equation} \hat{y} = \sigma(w^{T}x + b) \tag{2} \end{equation}$$

　　这里的 $w^{T}x + b$ 只是一个线性模型：$w^{T}$ 为 $w$ 的转置，是一个 $1 \times n_x$ 的向量，它与 $n_x \times 1$ 的向量 $x$ 相乘得到一个实数，然后再加上实数 $b$。前面提到，我们希望模型的输出 $\hat{y}$ 是一个概率，有 $\hat{y} \in [0, 1]$，这是通过 Sigmoid 函数 $\sigma$ 达成的，其形式为：

$$\begin{equation} \sigma(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}} \tag{3} \end{equation}$$

　　Sigmoid 函数是一个可微的有界函数，在各点均有非负的导数。当 $z \rightarrow \infty$ 时，$\sigma(z) \rightarrow 1$；当 $z \rightarrow -\infty$ 时，$\sigma(z) \rightarrow 0$。Sigmoid 函数常用于二元分类问题，以及用作神经网络的激活函数（Activation Function）（把线性的输入转换为非线性的输出）。

　　对于逻辑回归，我们的任务是要学习参数 $w$ 和 $b$，使得对于给定（输入）样本的特征向量 $x$，$\hat{y}$ 能够很好地估计该样本的真实标签 $y$ 为 $1$ 的概率。

　　逻辑回归的训练过程可以简单表述为给定包含 $m$ 个样本的训练集 $\{(x^{(1)}, y^{(1)}), (x^{(2)}, y^{(2)}), …, (x^{(m)}, y^{(m)})\}$，希望找到合适的参数 $w$ 和 $b$，使得 $\hat{y}^{(i)} \approx y^{(i)}$。这里带圆括号的角标表示样本序号，$x^{(i)}$ 表示第 $i$ 个样本的特征向量，$y^{(i)}$ 表示第 $i$ 个样本的真实标签，$\hat{y}^{(i)}$ 表示对第 $i$ 个样本的预测。

3. 逻辑回归的代价函数

　　代价函数（Cost Function）用于定量地衡量模型在的在特定参数上的性能，这通常是通过计算模型在当前参数和样本集合上给出的预测值 $\hat{y}$ 与真实值 $y$ 之间的差距来得到的。代价函数的值越大，表示模型给出的预测与真实值之间的差距越大，模型（参数）越差；反之，代价函数的值越小，表示预测与真实值之间的差距越小，模型（参数）越好。通过最小化代价函数，我们可以得到最佳的模型参数，使得预测与真实值之间的差距最小。

　　在定义代价函数前，需要先确定一个损失函数（Loss Function）。损失函数用于计算单个样本的预测值与实际值之间的差异。例如，可以定义损失函数为预测值 $\hat{y}$ 和真实值 $y$ 之间的平方误差的一半：

$$\begin{equation} L(\hat{y}, y) = \frac{1}{2}(\hat{y} – y)^2 \tag{4} \end{equation}$$

　　上式实际计算的是 $\hat{y}$ 和 $y$ 之间距离的平方的一半，通过衡量 $\hat{y}$ 和 $y$ 之间的距离，定义了二者之间的差异程度。但在逻辑回归中，通常不会使用上式作为损失函数，因为它会导致优化问题变为非凸（Non-Convex）的，具有多个局部最佳（Local Optima），导致后面提到的梯度下降（Gradient Descent）算法可能无法找到全局最佳（Global Optima）。

　　逻辑回归实际使用的损失函数为：

$$\begin{equation} L(\hat{y}, y) = -[y\log{\hat{y}} + (1 – y)\log(1 – \hat{y})] \tag{5} \end{equation}$$

　　可以这样来简单地理解这个代价函数：

　　首先将 $y = 1$ 带入式 (5)，得到 $L(\hat{y}, y) = -\log{\hat{y}}$，此时我们希望 $L(\hat{y}, y)$ 最小化，即希望 $\log{\hat{y}}$ 最大化，即希望 $\hat{y}$ 最大化（对数函数是严格单调递增的）。又因为 $\hat{y}$ 是一个概率，有 $\hat{y} \in [0, 1]$，则 $y = 1$ 时最小化代价函数相当于让 $\hat{y}$ 趋近于 1。

　　再将 $y = 0$ 带入式 (5)，得到 $L(\hat{y}, y) = -\log(1 – \hat{y})$，同理，此时我们希望 $L(\hat{y}, y)$ 最小化，即希望 $\hat{y}$ 最小化，则 $y = 0$ 时最小化代价函数相当于让 $\hat{y}$ 趋近于 0。

　　有了衡量单个样本的损失函数，就可以进一步定义针对整个样本集合的代价函数，为所有样本代价的平均值：

$$\begin{equation} J(w, b) = \frac{1}{m} \sum_{i = 1}^m L(\hat{y}^{(i)}, y^{(i)}) = -\frac{1}{m} \sum_{i = 1}^m [y^{(i)}\log{\hat{y}^{(i)}} + (1 – y^{(i)})\log(1 – \hat{y}^{(i)})] \tag{6} \end{equation}$$

　　上式中的 $\hat{y}$ 是逻辑回归算法在参数 $w$ 和 $b$ 下输出的预测值。

　　注意区分损失函数和代价函数的区别：损失函数作用于单个样本，衡量单个样本预测值和真实值之间的差异；而代价函数作用于样本集合，用于衡量当前参数在样本集合上的代价。逻辑回归算法的训练，就是找到合适的参数 $w$ 和 $b$，使得代价函数 $J(w, b)$ 最小化的过程。

4. 逻辑回归梯度下降

　　梯度下降（Gradient Descent）是机器学习中最常用的一种最优化算法，相关资料有很多，这里不再详细展开。概括来说，梯度下降算法通过计算目标函数的各个参数在特定位置的偏导数（Partial Derivative），找到梯度最陡、也就是让目标函数的值下降速度最快的方向，沿这个方向略微调整各个参数的值，使得目标函数的值下降一小步，如此反复迭代，直到目标函数达到或足够接近一个极小值。如果目标函数是凸函数，则梯度下降算法可以达到全局最佳；如果目标函数非凸，则有可能陷入局部最佳。

　　对于逻辑回归，其代价函数如式 (6) 所示，有两个参数 $w$ 和 $b$，则其梯度下降算法的过程就是不断地重复：

$$\begin{equation} w = w – \alpha \frac{\partial J(w, b)}{\partial w} \tag{7} \end{equation}$$

$$\begin{equation} b = b – \alpha \frac{\partial J(w, b)}{\partial b} \tag{8} \end{equation}$$

　　式(7)、(8) 中的 $\alpha$ 为学习速率（Learning Rate），用于控制每次迭代时更新 $w$ 和 $b$ 的步长。学习速率可以看做是是参数（$w$ 和 $b$）的参数，此类参数称为超参数（Hyper Parameter）。