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逻辑回归（Logistic Regression）

news 来源：原创 2025/7/29 15:30:52

逻辑回归（Logistic Regression）

原理
  • 通过 Sigmoid函数（ σ ( z ) = 1 1 + e − z σ(z) = \frac{1}{1+e^{-z}} σ(z)=1+e−z1​）将线性回归输出 z = w T x + b z = w^Tx + b z=wTx+b 映射到 [0,1] 区间
  • 输出值表示样本属于正类的概率： P ( y = 1 ∣ x ) = σ ( w T x + b ) P(y=1|x) = σ(w^Tx + b) P(y=1∣x)=σ(wTx+b)
  • 决策边界为线性超平面（ w T x + b = 0 w^Tx + b = 0 wTx+b=0）
损失函数
  • 对数损失（Log Loss）：
    L ( w ) = − 1 N ∑ i = 1 N [ y i log ⁡ ( p i ) + ( 1 − y i ) log ⁡ ( 1 − p i ) ] L(w) = -\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N \left[ y_i \log(p_i) + (1-y_i)\log(1-p_i) \right] L(w)=−N1​i=1∑N​[yi​log(pi​)+(1−yi​)log(1−pi​)]
    其中 p i = σ ( w T x i + b ) p_i = σ(w^Tx_i + b) pi​=σ(wTxi​+b)， y i y_i yi​ 为真实标签
优化
  • 梯度下降：通过计算损失函数对参数 w w w 的偏导数迭代更新参数
    更新公式： w : = w − η ∂ L ∂ w w := w - \eta \frac{\partial L}{\partial w} w:=w−η∂w∂L​
  • 可添加 正则化：
    • L1正则： L ( w ) + λ ∥ w ∥ 1 L(w) + λ\|w\|_1 L(w)+λ∥w∥1​（稀疏化特征选择）
    • L2正则： L ( w ) + λ ∥ w ∥ 2 2 L(w) + λ\|w\|_2^2 L(w)+λ∥w∥22​（防止过拟合）
特点
  • 线性可分优势：当特征与目标呈近似线性关系时效果显著
  • 概率输出：可直接输出分类概率，支持概率校准
  • 可解释性：权重 w w w 反映特征对预测结果的贡献度
  • 局限性：无法直接处理非线性决策边界（需结合特征工程）
  • 计算效率：训练和预测速度快，适合大规模数据

Q1: 为什么用最大似然估计而非 MSE？

1.1 概率解释与损失函数的一致性
  • 最大似然估计（MLE）以概率模型为基础：对数损失（cross‑entropy）直接源自对数似然函数，度量模型预测分布与真实分布的 KL 散度，因而是“proper scoring rule”，能确保学习到的模型在概率意义下最优化。
  • MSE 损失则假设目标变量满足高斯噪声模型，难以直接反映二分类的伯努利分布假设，其在分类问题上缺乏概率解释且易导致偏差的概率估计。
1.2 凸性与优化优势
  • 对数损失在逻辑回归中的目标函数（负对数似然）是凸函数，全局只有唯一最小值，保证梯度下降等凸优化算法从任意起点都能收敛到全局最优。
  • 将 MSE 与 Sigmoid 结合的损失（即 ((\sigma(w^T x) - y)^2)）在参数空间上并非凸函数，存在多个局部极小点，会使训练过程易陷入局部最优，难以保证全局最优。
1.3 统计一致性与效率
  • MLE 估计在大样本极限下具有一致性和渐近正态性，能够提供高效（asymptotically efficient）的参数估计与可信区间；而对 MSE 优化得出的参数在分类场景下并不保证具备上述统计性质 :contentReference[oaicite:4]{index=4}。
  • Cross‑entropy 损失对应的梯度更平滑，尤其在样本类别不平衡时，相比 MSE 报错（即梯度消失或爆炸）更稳定，也更利于深度学习框架中的批量优化 。

Q2: 逻辑回归如何做多分类？

逻辑回归本身是针对二分类问题的，但可以通过两种主要策略拓展到多分类场景。

2.1 OvR（One‑vs‑Rest，一对多）
  1. 训练阶段：对每个类别 (k)，构建一个二分类器，将该类别作为正类，其他所有类别作为负类，总共训练 (K) 个独立的二分类逻辑回归模型。
  2. 预测阶段：对新样本，分别计算每个二分类器输出为“正类”的分数或概率，选取概率最大的类别作为最终预测标签。
  3. 优缺点：实现简单且可以复用现有二分类器；但不同分类器的输出分数尺度可能不一致，且在类别数较多时训练成本线性增长 :contentReference[oaicite:6]{index=6}。
2.2 Softmax 回归（多项式逻辑回归）
  1. 模型形式：对输入 (x) 计算每个类别的线性得分 (z_k = w_k^T x + b_k)，再通过 Softmax 函数归一化：
    p ( y = k ∣ x ) = e z k ∑ j = 1 K e z j p(y=k \mid x) = \frac{e^{z_k}}{\sum_{j=1}^K e^{z_j}} p(y=k∣x)=∑j=1K​ezj​ezk​​
  2. 损失函数：采用多类交叉熵（Negative Log‑Likelihood）：
    L = − ∑ i = 1 N ∑ k = 1 K y i , k log ⁡ p ( y i = k ∣ x i ) L = -\sum_{i=1}^N \sum_{k=1}^K y_{i,k} \log p(y_i=k \mid x_i) L=−i=1∑N​k=1∑K​yi,k​logp(yi​=k∣xi​)
    该损失对所有类别参数同时进行联合优化，且同样是凸函数（当不含正则项时）。
  3. 优缺点：模型输出直接给出“互斥”类别的概率分布，不会产生尺度不一致的问题；训练一次即可覆盖所有类别，通常在类别数较大时比 OvR 更高效。但模型规模与类别数同阶，参数量增长快，对数据量要求更高 。

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随着安防监控技术的飞速发展&#xff0c;监控系统已经成为现代安防体系中不可或缺的核心组成部分&#xff0c;广泛应用于安防监控、交通管理、工业自动化等多个领域。然而&#xff0c;监控系统的稳定运行高度依赖于设备的正确配置、线路的可靠连接以及电源的稳定供电。在实际应…...

编程日记 2025/7/27 15:52:51