Course1-Week3-分类问题

• 笔记主要参考B站视频“(强推|双字)2022吴恩达机器学习Deeplearning.ai课程”。
• 该课程在Course上的页面：Machine Learning 专项课程
• 课程资料：“UP主提供资料(Github)”、或者“我的下载(百度网盘)”。
• 本篇笔记对应课程 Course1-Week3（下图中深紫色）。

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1. 逻辑回归

1.1 线性回归不适用于分类问题

概念明晰：

• 本课程中，class/category两者都表示“分类问题”的输出类别，两者意义相同。
• “逻辑回归(logistic regression)算法”用来解决“分类问题(classfication)”。这是历史遗留的命名问题。

  本周将学习“分类问题”，其 输出为有限取值，而不是某段范围内无限的数字。若分类问题的输出结果只有两种可能的分类/类别(class/category)，就被称为“二元分类(binary classfication)”，比如下面的三个问题：

• 是否为垃圾邮件？（0/1）
• 是否为交易欺诈？（0/1）
• 是否为恶性肿瘤？（0/1）下图与Week1“肿瘤分类”示意图的不同，仅在于下图画出了实际的纵轴。

惯例：0表示“否”，1表示“是”。0/1 只有 否定/肯定 含义，并不具有褒贬含义。

  若我们采用前面学过的“线性回归”，对于特定的训练集(没有最右侧样本)，看起来是合理的。因为此时以0.5作为阈值，其与样本拟合线(蓝色)相交在横轴上的点，便可以作为一个边界(蓝色)，边界左侧都是良性(0)，边界右侧都是恶性(1)。但此时额外添加一个最右侧的样本，显然拟合线(绿色)和横轴上的边界(绿色)都和预期不符：

• 决策边界(decision boundary)：横轴上的边界。

  总的来说，有时候可以很幸运地使用“线性回归”解决“分类问题”，但大多数情况下都不行，线性拟合不适用于分类问题。于是下面将介绍“逻辑回归(logistic regression)”，来解决分类问题，这也是一种当今被广泛使用的算法。

1.2 逻辑回归模型

弹幕注：“逻辑回归”在西瓜书上被写作“对数几率回归”。

  “逻辑回归”是一种当今被广泛使用的算法，比如生活中的“精准广告投放”算法，老师说他在工作中也经常用。“逻辑回归(logistic regression)”使用S型曲线来进行函数拟合，最常见的S型曲线就是 Sigmoid function，其也被称为 logistic function：

Sigmoid函数：$g(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$，其性质为：

• $0<g(z)<1$
• $g(0)=0.5$
• $z$ 越大，$g(z)$ 越接近1；$z$ 越小，$g(z)$ 越接近0。

只要根据样本的散点图，选择不同的方式对 $z$ 拟合(见下一小节)，就可以解决各种各样的分类问题。比如在“肿瘤分类问题”中，令 $z$ 为一条直线 $z=\vec{w}\cdot \vec{x}+b$，并将其代入到Sigmoid函数中，便可得到“(多元)逻辑回归算法”的数学模型：
$$\begin{array}{r}\text{Logistic regression model}\\ \text{assume}z=\vec{w}\cdot \vec{x}+b\end{array}:f_{\vec{w},b}(\vec{x})=g(z)=g(\vec{w}\cdot \vec{x}+b)=\frac{1}{1+e^{-(\vec{w}\cdot \vec{x}+b)}}$$

  对于使用Sigmoid函数构建的“逻辑回归”的数学模型来说，输入相应的特征或特征集，就会输出一个0~1之间的数字，这个输出可以认为是 $y=1$ 的“概率(probability)”：$f_{\vec{w},b}(\vec{x})=P(y=1|\vec{x};\vec{w},b)$。也就是，在给定参数 $\vec{w}$和$b$、输入 $\vec{x}$ 的情况下，其输出 $y=1$ 的概率。比如对于上述“肿瘤分类问题”来说，输出的数字就表示“为恶性肿瘤的概率$P(1)$”，若输出0.7，则表示该模型认为有70%的可能是恶性肿瘤(30%的可能不是恶性肿瘤)。

1.3 决策边界

  前面提到，“逻辑回归”的输出表示“输出为1的概率”。那么很自然的便想到，我们应当选取一个“阈值”，当输出概率大于这个“阈值”时，就可以认为输出结果为1，这个“阈值”就是“决策边界(decision boundary)”。显然，最直观的决策边界就是选取 $g(z)=0.5$，也就是：
$$\begin{array}{rl}& f_{\vec{w},b}(\vec{x})=g(z)\ge 0.5⟹\hat{y}=1\\ & f_{\vec{w},b}(\vec{x})=g(z)<0.5⟹\hat{y}=0\end{array}$$

而 “决策边界”的形状则由 $z$ 决定，令 $z=\vec{w}\cdot \vec{x}+b$，决策边界便为一条直线；令 $z$ 为更高阶的多项式，则可以得到形状更复杂的决策边界，这便是“逻辑回归”可以学习相当复杂的数据集的奥妙所在。下面是两个示例：

示例1：决策边界为直线
本分类问题令 $z=w_1{x}_1+w_2{x}_2+b$，假设其参数 $w_1=w_2=1,b=-3$、决策边界为 $g(z)=0.5$，于是经过移项可得到决策边界为 $x_1+x_2=3$(下图紫色直线)，决策边界的下方认为是0、上方认为是1，符合直观：

• $x_1$、$x_2$表示两种输入特征，红叉表示正向示例(1)，蓝圈表示反向示例(0)。

示例2：决策边界为圆
本分类问题令 $z=w_1{x}_1^2+w_2{x}_2^2+b$，假设其参数 $w_1=w_2=1,b=-1$、决策边界为 $g(z)=0.5$，于是经过移项可得到决策边界为 $x_1^2+x_2^2=1$(下图紫色圆)，决策边界的内部认为是0、外部认为是1，符合直观：

• $x_1$、$x_2$表示两种输入特征，红叉表示正向示例(1)，蓝圈表示反向示例(0)。
• 平方拟合是因为要构建圆形的方程。

本节 Quiz：

1. Which is an example of a classification task?
   × Based on a patient’s blood pressure, determine how much blood pressure medication (a dosage measured in milligrams) the patient should be prescribed.
   √ Based on the size of each tumor, determine if each tumor is malignant (cancerous) or not.
   × Based on a patient’s age and blood pressure, determine how much blood pressure medication (measured in milligrams) the patient should be prescribed.

2. Recall the sigmoid function is $g(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$. If $z$ is a large positive number, then:
   × $g(z)$ is near negative one (-1).
   × $g(z)$ will be near zero (0).
   √ $g(z)$ is near one (1).
   × $g(z)$ will be near 0.5.
   

3. A cat photo classification model predicts 1 if it’s a cat, and 0 ifit’s not a cat. For a particular photograph, the logistic regression model outputs $g(z)$ (a number between 0 and 1). Which of these would be a reasonable criteria to decide whether to predict if it’s a cat?
   × Predictitis a cat if $g(z)<0.5$.
   × Predictitis a cat if $g(z)=0.5$.
   × Predictitis a cat if $g(z)<0.7$.
   √ Predictitis a cat if $g(2)\ge 0.5$.
   

4. No matter what features you use (including if you use polynomial features), the decision boundary learned by logistic regression will be a linear decision boundary.
   √ False
   × True

2. 逻辑回归的代价函数

概念明晰：

• 本节中，单个样本使用“损失(loss)函数”，整个训练集使用“代价(cost)函数”。“代价”是所有样本“损失”的平均值。
• 本课程中，若无特殊说明，$log(\cdot )$函数 都默认对 自然常数$e$ 取对数，即 $log(\cdot )=lo{g}_e(\cdot )=ln(\cdot )$。

  和“线性回归”类似，给定“逻辑回归”的模型后，也要讨论一下“逻辑回归”的“代价函数”，用来衡量当前参数对于训练集的匹配程度。在“线性回归”中，我们使用“平方误差”来计算模型的代价函数，但对于“逻辑回归”问题来说，若也采用平方误差函数，那么它的代价函数就如同下图所示，是一个非凸函数，任意一个局部极小值都可能让梯度下降法收敛。显然，“平方误差”不能作为“逻辑回归”的代价函数：

于是定义下面这种形式的 负对数形式的损失函数$L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})$，进而保证 代价函数$J(\vec{w},b)$ 在“逻辑回归”中为凸函数，进而在后续可以使用梯度下降法。下图也给出了使用负对数 $-log$ 作为损失函数的合理性：

$$\begin{array}{rl}\text{Logistic loss function:}& L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})=\{\begin{array}{rl}-log(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})),& y^{(i)}=1,\\ -log(1-f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})),& y^{(i)}=0.\end{array}\\ & \Downarrow \\ \text{Logistic cost function:}& J(\vec{w},b)=\frac{1}{m}\sum _{i=1}^{m}L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})\end{array}$$

• $L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})$：损失函数，表示单个训练样本 $({\vec{x}}^{(i)},y^{(i)})$ 的损失。在“线性回归”中，损失函数为 $\frac{1}{2}(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)}{)}^2$，也就是该样本“平方差损失”的一半。在“逻辑回归”中，损失函数则如上所示。
• 注意 $0<f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})<1$，所以负对数的形式，可以保证Sigmoid函数越贴近样本，代价越小。

• 预测模型 $0<f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})<1$。
• 当 $y^{(i)}=1$ 时（上左图）：预测值 $f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})$ 越接近1，损失越小甚至趋于0；越远离1，损失函数越大，并且损失的增长速度越来越快，甚至趋于无穷 $\infty$。
• 当 $y^{(i)}=0$ 时（上右图）：预测值 $f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})$ 越接近0，损失越小甚至趋于0；越远离0，损失函数越大，并且损失的增长速度越来越快，甚至趋于无穷 $\infty$。

总结：预测值 $f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})$ 越接近真实值 $y^{(i)}$，损失越小趋于0；越远离真实值 $y^{(i)}$，损失迅速增大趋于 $\infty$。

证明这里的损失函数是凸函数超出了本课范畴，我们只需知道上述逻辑回归的“损失函数”和“代价函数”都是凸函数，可以使用梯度下降法找到最小值处的参数值 $\vec{w}$和$b$。并且当前的“肿瘤分类问题”是一个“二元分类问题”，$y^{(i)}$ 只能取0/1，所以“损失函数”和“代价函数”还可以进一步简化：

$$\begin{array}{rl}\text{Simplified logistic loss function:}& \begin{array}{rl}L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})& =\{\begin{array}{rl}-log(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})),& y^{(i)}=1,\\ -log(1-f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})),& y^{(i)}=0.\end{array}\\ & =-y^{(i)}log(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))-(1-y^{(i)})log(1-f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))\end{array}\\ & \Downarrow \\ \text{Simplified logistic cost function:}& \begin{array}{rl}J(\vec{w},b)& =\frac{1}{m}\sum _{i=1}^{m}L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})\\ & =-\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m[y^{(i)}log(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))]\end{array}\end{array}$$

并且从物理意义来讲，上述“代价函数”使用了统计学中“最大似然估计(maximum likehood estimation)”的原理。这只是个特定的代价函数，当然还有其他无数种代价函数。

本节Quiz：

1. In this lecture series, “cost” and “Ioss” have distinct meanings. Which one applies to a single training example?
   √ Loss
   × Cost
   × Both Loss and Cost
   × Neither LOss nor Cost

2. For the simplified loss function, if the label $y^{(i)}=0$, then what does this expression simplify to?
   × $log(1-f_{\vec{w},b}(x^{(i)})+log(1-f_{\vec{w},b}(x^{(i)}))$
   × $log(f_{\vec{w},b}(x^{(i)}))$
   √ $log(1-f_{\vec{w},b}(x^{(i)}))$
   × $-log(1-f_{\vec{w},b}(x^{(i)}))-log(1-f_{\vec{w},b}(x^{(i)}))$

3. 实现梯度下降

  于是，对上一节给出的“代价函数”进行梯度下降，我们便可以完成整个“逻辑回归”，进而找到最合适的参数 $\vec{w}$和$b$。下面GIF动图给出了“逻辑回归”的完整流程。注意，“逻辑回归”中梯度下降法的表达式仍然和“线性回归”一样(计算上的巧合)：
$$\begin{array}{rl}\text{Logistic regression model}& :f_{\vec{w},b}(\vec{x})=\frac{1}{1+e^{-(\vec{w}\cdot \vec{x}+b)}}\\ \text{Logistic cost function}& :\underset{\vec{w},b}{\min }J(\vec{w},b)=-\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m[y^{(i)}log(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))]\\ \begin{array}{r}\text{Gradient descent}\\ \text{repeat until convergence}\end{array}& :\{\begin{array}{rl}j& =1,2,...,n.\\ w_j& =w_j-\alpha \frac{\partial }{\partial w_j}J(\vec{w},b)=w_j-\frac{\alpha }{m}\sum _{i=1}^m[(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)})\cdot {\vec{x}}_j^{(i)}],\\ b& =b-\alpha \frac{\partial }{\partial b}J(\vec{w},b)=b-\frac{\alpha }{m}\sum _{i=1}^m(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)}).\end{array}\end{array}$$

上图见课程资料：C1_W3_Lab06_Gradient_Descent_Soln
bug1：使用魔术命令%matplotlib widget，无法显示图，无法交互。
解决办法1：改成%matplotlib inline，可以将静态图显示出来，但是无法交互。
解决方法2：更新库conda update matplotlib。

当然，和“线性回归”类似，在“逻辑回归”中，也可以使用前面提到的概念来进一步优化梯度下降法：

1. 使用“学习曲线”，监视梯度下降法的过程。
2. 使用“向量化”加速代码运行效率。
3. 使用“特征缩放”加速梯度下降法的收敛速度。

本节 Quiz：

1. Which is the correct update step for?
   √ The update steps look like the update steps for linear regression, but the definition of $f_{\vec{w},b}(x^{(i)})$ is different.
   × The update steps are identical to the update steps for linear regression.

4. 过拟合与正则化

  现在已经学完“线性回归”和“逻辑回归”了，并且也介绍了“学习曲线”、“向量化”、“特征缩放”等一系列加速算法的方法。但是当梯度下降法迭代完成后，还有一类特殊的情况没有介绍，那就是“过拟合(overfitting)”和“欠拟合(underfitting)”。本节将介绍这两个概念，并介绍解决这类问题的方法——“正则化(regularization)”。

概念明晰：

• “Underfit”和“High bias”都表示欠拟合；“Overfit”和“High variance”都表示过拟合。

4.1 线性回归和逻辑回归中的过拟合

下面给出了“房价预测”、“肿瘤分类”两种问题中的“过拟合/欠拟合”情况：

• 欠拟合/高偏差：特征太少，甚至都不能很好的拟合训练集。“高偏差”有两层含义，一方面是拟合线和训练集的偏差很大；另一方面是因为我们先入为主的使用直线拟合，这本身与实际情况就是一种很大的偏差。
• just right：恰到好处！没有特别的术语描述这种情况。但即使对于一个全新的输入，也可以给出恰当的输出，于是称这样的模型具有很好的“泛化(generazilization)”特性。
• 过拟合/高方差：有太多的特征，可以完美的拟合数据集。但对于全新的输入，并不能给出恰当的输出。甚至训练集稍微变化一点点，都会拟合出完全不一样的曲线，也就是“高方差”。

注：“Underfit”和“High bias”都表示欠拟合；“Overfit”和“High variance”都表示过拟合。

• 欠拟合/高偏差：决策边界是一条直线，看起来还行，但显然没有很好的学习到训练集。
• just right：决策边界是椭圆或椭圆的一部分，较好的拟合了数据，虽然并不是完美符合所有的训练数据。
• 过拟合/高方差：决策边界非常扭曲，以图完美符合所有的训练数据，但显然并不具有泛化特性。

4.2 解决过拟合的三种方法

后续课程会介绍如何避免算法出错，并且介绍用于识别 欠拟合/过拟合 的工具，但现在先只介绍如何解决过拟合：

1. 扩大训练集：此时即使有很多特征，相比于训练集很小时，其拟合曲线也会相对平滑。缺点是不一定能获取更多的训练数据。
2. 减少特征数：也称为“特征选择”。“特征选择”除了靠直觉，在Course2中也会介绍一种自动选择特征的方法。缺点是有可能会丢弃有用特征。
3. 正则化(regularization)：保留所有的特征，但对于某个很大的特征 $x_j$，减小其参数 $w_j$（通常不会调整参数 $b$）。老师一直在用这个方法。

4.3 正则化

  本节将具体介绍如何进行“正则化”。将会改进代价函数，来将其应用于“正则化”的本质就是改进代价函数，添加新的“正则项(regularization term)”，用于控制参数的大小：
$$\text{Modified cost function:}J(\vec{w},b)=\underset{\text{original cost}}{\underbrace{\frac{1}{m}\sum _{i=1}^{m}L(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}),y^{(i)})}}+\underset{\text{regularization term}}{\underbrace{\frac{\lambda }{2m}\sum _{j=1}^n{w}_j^2}}+\underset{\text{no use}}{\underbrace{\frac{\lambda }{2m}{b}^2}},\lambda >0.$$

• $\lambda$：正则化参数(regularization parameter)。$\lambda =0$ 时，没有正则化，此时模型会尽可能完美拟合数据(可能“过拟合”)；随着 $\lambda$ 增大，所有的 $w_j$ 都会减小，拟合曲线会越平滑；但 $\lambda$ 过大时，曲线会过于平滑，就会“欠拟合”。所以 $\lambda$ 算是在平衡 “数据拟合” 和 “曲线平滑” 这两个目标。
• $\frac{\lambda }{2m}{\sum }_{j=1}^n{w}_j^2$：正则项(regularization term)。分母中的 “$m$” 是为了消除样本个数对于正则化效果的影响，而由于参数是平方项，分母中的 “$2$” 则是为了使代价函数偏导更加简洁。
• $\frac{\lambda }{2m}{b}^2$：有些工程师会在代价函数后加上对参数 $b$ 的惩罚项，但实际上并不会有什么帮助。

可见“正则化”主要用于 解决“过拟合”，其作用是 使 所有 参数 同时 增大或减小，但不同参数的变化速度不同。相比于范围较小的特征，“正则化”对于范围较大的特征的参数影响更大，也就起到了调节曲线平滑程度的作用。

4.4 用于线性回归的正则方法

$$\begin{array}{rl}\text{Linear regression model}& :f_{\vec{w},b}(\vec{x})=\vec{w}\cdot \vec{x}+b\\ \text{Linear cost function}& :\underset{\vec{w},b}{\min }J(\vec{w},b)=\frac{1}{2m}\sum _{i=1}^m(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)}{)}^2+\frac{\lambda }{2m}\sum _{j=1}^n{w}_j^2\\ \begin{array}{r}\text{Gradient descent}\\ \text{repeat until convergence}\end{array}& :\{\begin{array}{rl}j& =1,2,...,n.\\ w_j& =w_j-\alpha \frac{\partial }{\partial w_j}J(\vec{w},b)=w_j-\frac{\alpha }{m}\left(\sum _{i=1}^m[(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)})\cdot x_j^{(i)}]+\lambda w_j\right),\\ b& =b-\alpha \frac{\partial }{\partial b}J(\vec{w},b)=b-\frac{\alpha }{m}\sum _{i=1}^m(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)}).\end{array}\end{array}$$

下面来进一步分析参数的更新过程(同样也适用于“逻辑回归”中的正则方法)：
$$\begin{array}{rl}{w}_j& =w_j-\frac{\alpha }{m}\left(\sum _{i=1}^m[(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)})\cdot x_j^{(i)}]+\lambda w_j\right)\\ & =\underset{\text{shrink}{w}_j}{\underbrace{(1-\alpha \frac{\lambda }{m})}}{w}_j-\underset{\text{usual update}}{\underbrace{\frac{\alpha }{m}\sum _{i=1}^m[(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)})\cdot x_j^{(i)}]}}\end{array}$$

• 第一项：添加正则化后，会在每次迭代过程中，都使参数 $w_j$ 乘以一个略小于1的常数。
• 第二项：对于非正则化线性回归，正常的梯度下降法更新过程。

4.5 用于逻辑回归的正则方法

$$\begin{array}{rl}\text{Logistic regression model}& :f_{\vec{w},b}(\vec{x})=\frac{1}{1+e^{-(\vec{w}\cdot \vec{x}+b)}}\\ \text{Logistic cost function}& :\underset{\vec{w},b}{\min }J(\vec{w},b)=-\frac{1}{m}\sum _{i=1}^m[y^{(i)}log(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))+(1-y^{(i)})log(1-f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)}))]\\ & +\frac{\lambda }{2m}\sum _{j=1}^n{w}_j^2,\\ \begin{array}{r}\text{Gradient descent}\\ \text{repeat until convergence}\end{array}& :\{\begin{array}{rl}j& =1,2,...,n.\\ w_j& =w_j-\alpha \frac{\partial }{\partial w_j}J(\vec{w},b)=w_j-\frac{\alpha }{m}\left(\sum _{i=1}^m[(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)})\cdot x_j^{(i)}]+\lambda w_j\right),\\ b& =b-\alpha \frac{\partial }{\partial b}J(\vec{w},b)=b-\frac{\alpha }{m}\sum _{i=1}^m(f_{\vec{w},b}({\vec{x}}^{(i)})-y^{(i)}).\end{array}\end{array}$$

本节Quiz：

1. Which of the following can address overfitting?
   √ Collect more training data.
   × Remove a random set of training examples.
   √ Apply regularization.
   √ Select a subset of the more relevant features.

2. You fit logistic regression with polynomial features to a dataset, and your model looks like this. What would you conclude? (Pick one)
   × The model has high bias (underfit). Thus, adding data is likely to help.
   √ The model has high variance (overfit). Thus, adding data is likely to help.
   × The model has high bias (underfit). Thus, adding data is, by itself, unlikely to help much.
   × The model has high variance (overfit). Thus, adding data is, by itself, unlikely to help much.
   

3. Suppose you have a regularized linear regression model. If you increase the regularization parameter $\lambda$, what do you expect to happen to the parameters $w_1,w_2,...,w_n$?
   √ This will reduce the size of the parameters $w_1,w_2,...,w_n$.
   × This will increase the size of the parameters $w_1,w_2,...,w_n$.

注：C1_W3_Logistic_Regression包括了逻辑回归、正则化逻辑回归的练习题。