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人工智能与机器学习：Python从零实现逻辑回归模型

news 来源：原创 2025/6/24 4:56:19

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嘿，朋友们！今天咱们要来搞个大事情——自己动手实现逻辑回归！为啥要这么干呢？因为有时候，用现成的工具就像吃别人嚼过的糖，没劲！自己动手，那才叫真本事，不仅能搞懂背后的原理，还能在朋友面前炫耀一番：“看我这代码，多牛！”所以，咱们这就开始，一起踏上这个充满挑战和乐趣的旅程吧！🚀

逻辑回归

逻辑回归是一种算法，能帮咱们预测一个变量的两个类别。现实生活里头，这玩意儿能干不少事儿，比如：

检测垃圾邮件
预测客户会不会流失
预测客户会不会拖欠贷款

这些用例有个共同点：它们的结果都只有两种。当然啦，逻辑回归也有能预测多个结果的类型，不过这篇文章就只讲二分类的逻辑。

逻辑回归的假设（二分类）

你会发现逻辑回归模型的假设和线性回归模型很像，因为逻辑回归也是线性的。

二元因变量：目标变量必须只有两种可能的结果。
没有多重共线性：自变量之间应该没啥相关性，不然模型的效果会大打折扣。
自变量与对数几率的线性关系：对数几率是另一种表示概率的方式，形式上就是 $\log(p/(1-p))$ 。

还有一些对其他模型也很关键的假设，比如没有异常值（如果有，记得处理一下），样本量要足够大。虽然没有明确的样本量阈值，但记住：样本越多越好。

搭建我们的逻辑回归对象

咱们先从创建初始化函数和对象里要用到的属性开始。你会看到初始化函数里有三个属性：学习率（learning_rate）、迭代次数（iterations）和测试集比例（test_size）。
在用梯度下降找到模型最优权重的时候，fit 方法会用到学习率和迭代次数这两个属性。等咱们讲到这一步的时候，还会详细说说。咱们还加了一个训练集和测试集划分的方法，能将特征和目标变量的数据分成训练集和测试集。
自己动手搭建这些对象的时候，我喜欢把能用的功能都塞进去，这样后面写代码的时候就能更省事儿。

大部分属性一看就懂，除了 min_ 和 max_。咱们会在这些属性里存归一化缩放器的信息。对数据进行归一化处理，能让咱们在模型拟合的时候更快地找到解决方案。

import numpy as np
import pandas as pdclass DIYLogisticRegression:def __init__(self, learning_rate=0.01, iterations=1000, test_size=0.2):# 学习率，用于控制梯度下降的步长self.learning_rate = learning_rate# 迭代次数，决定了训练过程的循环次数self.iterations = iterations# 测试集占总数据集的比例self.test_size = test_size# 权重，初始值为 None，稍后会初始化self.W = None# 偏置项，初始值为 None，稍后会初始化self.b = None# 训练集特征数据self.X_train = None# 测试集特征数据self.X_test = None# 训练集目标数据self.y_train = None# 测试集目标数据self.y_test = None# 用于归一化处理的最小值self.min_ = None# 用于归一化处理的最大值self.max_ = None

训练集/测试集划分与归一化

要正确地训练机器学习模型，必须用一个数据集来训练，另一个数据集来验证。机器学习生命周期里的另一个关键步骤是数据清洗，这可能包括归一化处理。咱们会创建一个方法，把特征和目标数据分成训练集和测试集，同时填充相应的属性。这个方法还会用最大最小值归一化方法对训练数据进行缩放，并把同样的逻辑应用到测试数据上。这就是 min_ 和 max_ 属性的用武之地啦。
注意，这些最小值和最大值是从训练集中得到的，然后应用到测试集上。为啥要这么做呢？假设咱们训练好了一个模型，把它放到生产环境中，那咱们根本不知道新数据的上下限是多少，所以只能依赖从训练集中提取出来的逻辑。

def train_test_split_scale(self, X, y):## 训练集和测试集划分n_samples = X.shape[0]test_size = int(n_samples * self.test_size)indices = np.arange(n_samples)np.random.shuffle(indices)test_indices = indices[:test_size]train_indices = indices[test_size:]self.X_train, self.X_test = X.iloc[train_indices], X.iloc[test_indices]self.y_train, self.y_test = y.iloc[train_indices], y.iloc[test_indices]# 最大最小值归一化self.min_ = self.X_train.min()self.max_ = self.X_train.max()self.X_train = (self.X_train - self.min_) / (self.max_ - self.min_)self.X_test = (self.X_test - self.min_) / (self.max_ - self.min_)

Sigmoid 函数

文章前面提到，咱们要搭建的是一个预测二元结果的逻辑回归模型，背后的原理其实是线性模型：

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图由作者提供

和线性回归一样，咱们把线性模型设为等于 (z)。这个变量会被代入 Sigmoid 函数。Sigmoid 函数是逻辑回归模型做出预测之前的最后一步。这个函数的关键特性是，它的输出值会被限制在 0 和 1 之间。现在知道为啥逻辑回归要用它了吧？有了 Sigmoid 函数的输出，通常情况下，如果值大于或等于 0.5，咱们就预测二元变量的结果为 1，否则就是 0。当然啦，这个 0.5 的决策边界也可以根据具体需求调整。咱们这就把这个函数作为对象的一个方法加进去。

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图由作者提供

def sigmoid(self, z):# Sigmoid 函数，将输入值映射到 0 和 1 之间return 1 / (1 + np.exp(-z))

最大似然估计和二元交叉熵损失

要理解逻辑回归，有一个最基本的概念必须得搞清楚，那就是怎么找到特征数据的权重 (W)。这个是通过最大似然估计（MLE）来实现的。MLE 的过程就是找到最能契合咱们数据的权重。一开始我琢磨这个概念的时候，总是在想，找到最优权重是不是就能得到最高的预测准确率呢？其实不是这么回事。最大似然估计函数（咱们要最大化这个函数）的目标是找到最能契合数据内在模式的权重。举个例子，假设咱们有一条观测数据，它的特征并没有明显显示出目标变量是 1 还是 0 的模式。那找到的最优权重和偏置就应该预测这个结果接近 0.5。再假设咱们有另一条观测数据，它的特征明显和预测结果为 1 的模式强相关，那咱们找到的权重和偏置就应该预测这个观测的结果接近 1。
所以，知道最大化 MLE 函数能找到最优权重，但它是怎么做到的呢？这就要通过梯度下降这个迭代过程来实现。梯度下降更适合最小化问题，所以咱们会用 MLE 函数的负值，也就是二元交叉熵损失。
在梯度下降的每一步迭代中，咱们都要计算这个损失函数。接下来的部分，咱们会详细讲讲怎么做到这一点。
先看看计算这个损失函数的方法。你会注意到，咱们在这个损失函数里加了一个额外的步骤，用到了 np.clip() 函数。这个损失函数很容易得到极小值。
一旦出现这种情况，Python 可能会直接四舍五入到 0，那就会出现对数为 0 的情况，这是未定义的。np.clip() 函数会设置一个极小值下限，这样咱们就不会得到 0 了。

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图由作者提供

def compute_loss(self, y, y_hat):# 计算二元交叉熵损失epsilon = 1e-10y_hat = np.clip(y_hat, epsilon, 1 - epsilon)return -np.mean(y * np.log(y_hat) + (1 - y) * np.log(1 - y_hat))

找到最优权重和偏置

这一步就是咱们要把模型拟合到数据上了。正如前面提到的，这是一个叫梯度下降的迭代过程。一开始，咱们会随机初始化权重和偏置的值，然后用它们通过线性函数和 Sigmoid 激活函数来预测每一个 (y) 值。这些预测值就叫 (y_{\text{hat}})。有了 (y_{\text{hat}}) 之后，咱们就能通过二元交叉熵损失函数对权重和偏置进行调整，朝着更优的解靠近。具体来说，咱们要对二元交叉熵损失函数分别对权重和偏置求偏导数。

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图由作者提供

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图由作者提供

接下来，咱们把这两个导数值乘以学习率 (\alpha)，然后从当前的权重和偏置中减去。这个过程会不断重复，直到损失函数的值不再下降。

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图由作者提供

在咱们的 fit 方法里，每迭代 100 次就输出一次损失函数的值，看看它是不是正确收敛了。如果学习率太高，损失值可能会一直越过最小值，那咱们就永远也“撞”不到最优权重和偏置了。反过来，如果学习率太小，那可能要经过很多次迭代才能“撞”到最小值。

def fit(self):n_samples, n_features = self.X_train.shape# 随机初始化权重self.W = np.random.randn(n_features) * 0.01# 初始化偏置为 0self.b = 0for i in range(self.iterations):linear_model = np.dot(self.X_train, self.W) + self.by_hat = self.sigmoid(linear_model)dW = (1 / n_samples) * np.dot(self.X_train.T, (y_hat - self.y_train))db = (1 / n_samples) * np.sum(y_hat - self.y_train)self.W -= self.learning_rate * dWself.b -= self.learning_rate * dbif i % 100 == 0:loss = self.compute_loss(self.y_train, y_hat)print(f"Iteration {i}, Loss: {loss:.4f}")

预测和评估

重头戏已经搞定了！接下来只要再加几个方法就行啦。一切都已经准备就绪，咱们可以开始添加预测和评估方法了。首先，咱们会创建一个方法，用拟合过程中找到的最优权重，代入线性函数，再通过 Sigmoid 方法，预测结果的概率。这个方法最终会输出一个介于 0 和 1 之间的值，也就是咱们对预测结果的概率估计。

接下来，我会再加一个预测方法，它会根据一个阈值，把概率转换成 1 或者 0。默认的阈值就设为 0.5 吧。

最后，我还会加一个综合评估方法，打印出混淆矩阵、精确率、召回率，还有咱们模型的整体准确率。注意，这些都是基于咱们的测试集来评估模型性能的。

def predict_proba(self, X):"""预测给定输入 X 的概率"""linear_model = np.dot(X, self.W) + self.breturn self.sigmoid(linear_model)def predict(self, X, threshold=0.5):"""根据阈值预测类别标签（0 或 1）"""probabilities = self.predict_proba(X)return (probabilities >= threshold).astype(int)def evaluate(self):"""使用精确率、召回率、准确率和混淆矩阵评估模型"""y_pred = self.predict(self.X_test)tp = np.sum((self.y_test == 1) & (y_pred == 1))fp = np.sum((self.y_test == 0) & (y_pred == 1))fn = np.sum((self.y_test == 1) & (y_pred == 0))tn = np.sum((self.y_test == 0) & (y_pred == 0))precision = tp / (tp + fp) if (tp + fp) > 0 else 0recall = tp / (tp + fn) if (tp + fn) > 0 else 0accuracy = (tp + tn) / (tp + tn + fp + fn)print("混淆矩阵：")print(f"TP: {tp}, FP: {fp}")print(f"FN: {fn}, TN: {tn}\n")print(f"精确率（预测为正的样本中实际为正的比例）: {precision:.4f}")print(f"召回率（所有实际为正的样本中预测正确的比例）: {recall:.4f}")print(f"准确率（所有样本预测正确的比例）: {accuracy:.4f}")

测试我们的对象

咱们来看看这个逻辑回归对象在实际中的表现吧。为了测试它，咱们用的是 Kaggle 上的心脏病发作预测数据集。这个数据集有 13 列，其中 12 列是特征，最后一列是目标变量 DEATH_EVENT。幸好，咱们的对象已经具备了处理数据、训练模型和评估模型的所有功能。

df = pd.read_csv("heart_failure_clinical_records_dataset.csv")  # 加载数据集
X = df.drop('DEATH_EVENT', axis=1)
y = df['DEATH_EVENT']model = DIYLogisticRegression(learning_rate=0.1, iterations=1000, test_size=0.25)
model.train_test_split_scale(X, y)
model.fit()

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图由作者提供

model.evaluate()

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还不错嘛，咱们的模型准确率达到了大约 80%。而且损失函数也收敛得很好，每次迭代的损失值都在下降。咱们来好好聊聊数据和模型吧。这个模型能帮咱们告诉患者他们是否有心脏病发作的风险，所以可别小瞧了它的表现哦。我列出了三个评估指标：精确率、召回率和准确率。你觉得哪个最重要呢？要是咱们告诉某人他有心脏病发作的风险，但实际上他没有，这算不算坏事呢？我觉得不算，但如果咱们没告诉某人他有风险，而他其实有，那可就太糟糕了。所以，咱们应该尽量提高召回率，它能告诉我们所有实际为正的样本中有多少被正确预测了。

和 Sklearn 的逻辑回归对象对比

咱们成功地从零搭建了一个逻辑回归对象，现在来看看它和 sklearn 的逻辑回归类比起来怎么样吧。

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import confusion_matrix, accuracy_score, precision_score, recall_scoreX = df.drop('DEATH_EVENT', axis=1)
y = df['DEATH_EVENT']# 训练集和测试集划分
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.25, random_state=42)# 最大最小值归一化
scaler = MinMaxScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)# 初始化并训练逻辑回归模型
model = LogisticRegression()
model.fit(X_train, y_train)# 在测试数据上进行预测
y_pred = model.predict(X_test)# 计算评估指标
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
precision = precision_score(y_test, y_pred)
recall = recall_score(y_test, y_pred)
cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)# 显示结果
print("混淆矩阵：")
print(f"TP: {cm[1,1]}, FP: {cm[0,1]}")
print(f"FN: {cm[1,0]}, TN: {cm[0,0]}")
print(f"精确率: {precision:.4f}")
print(f"召回率: {recall:.4f}")
print(f"准确率: {accuracy:.4f}")

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总的来说，评估指标都很接近！感谢您阅读这篇文章！希望您通过这篇文章对逻辑回归模型有了更深入的理解。

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逻辑回归

逻辑回归的假设（二分类）

搭建我们的逻辑回归对象

训练集/测试集划分与归一化

Sigmoid 函数

最大似然估计和二元交叉熵损失

找到最优权重和偏置

预测和评估

测试我们的对象

和 Sklearn 的逻辑回归对象对比

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