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《统计学习方法》读书笔记6:logistic回归与最大熵模型

机器学习
  1. logistic 分布:XX 服从 logistic 分布是指 XX 具有下面的分布函数与密度函数:

    F(x)=P(X≤x)=11+e−(x−μ)/γF(x) = P(X \leq x) = \frac{1}{1 + e^{-(x-\mu)/\gamma}} f(x)=F′(x)=e−(x−μ)/γγ(1+e−(x−μ)/γ)2f(x) = F'(x) = \frac{e^{-(x-\mu)/\gamma}}{\gamma (1 + e^{-(x-\mu)/\gamma})^2}
  2. 二项 logistic 回归模型条件概率分布:

    P(Y=1∣x)=exp⁡(w⋅x+b)1+exp⁡(w⋅x+b)P(Y = 1 \mid x) = \frac{\exp(w \cdot x + b)}{1 + \exp(w \cdot x + b)}
  3. 考虑对输入的 xx 进行分类的线性函数 w⋅xw \cdot x,其值域为实数域。对于概率:

    P(Y=1∣x)=exp⁡(w⋅x)1+exp⁡(w⋅x)P(Y = 1 \mid x) = \frac{\exp(w \cdot x)}{1 + \exp(w \cdot x)}

    线性函数的值越接近正无穷,概率值就越接近于 1。这样的模型就是 logistic 模型。

  4. 模型参数可以使用最大似然估计。

    设:P(Y=1∣x)=π(x)P(Y = 1 \mid x) = \pi(x),P(Y=0∣x)=1−π(x)P(Y = 0 \mid x) = 1 - \pi(x)。似然函数为:

    ∏i=1N[π(xi)]yi[1−π(xi)]1−yi\prod_{i=1}^{N} [\pi(x_i)]^{y_i} [1 - \pi(x_i)]^{1 - y_i}

    对数似然函数为:

    L(w)=∑i=1N[yilog⁡π(xi)+(1−yi)log⁡(1−π(xi))]=∑i=1N[yilog⁡π(xi)1−π(xi)+log⁡(1−π(xi))]=∑i=1N[yi(w⋅xi)−log⁡(1+exp⁡(w⋅xi))]\begin{aligned} L(w) &= \sum_{i=1}^{N} \left[ y_i \log \pi(x_i) + (1 - y_i) \log(1 - \pi(x_i)) \right] \\ &= \sum_{i=1}^{N} \left[ y_i \log \frac{\pi(x_i)}{1 - \pi(x_i)} + \log(1 - \pi(x_i)) \right] \\ &= \sum_{i=1}^{N} \left[ y_i (w \cdot x_i) - \log(1 + \exp(w \cdot x_i)) \right] \end{aligned}

    对 L(w)L(w) 求极大值,得到 ww 的估计值。

  5. 最大熵原理:最大熵原理认为,学习概率模型时,在所有可能的模型中熵最大的模型是最好的模型。也就是”不要把鸡蛋装在同一个篮子里”。

  6. 熵满足下列不等式:

    0≤H(P)≤log⁡∣X∣0 \leq H(P) \leq \log |\mathcal{X}|

    也就是说,当 XX 服从均匀分布时,熵最大。

  7. 最大熵模型

    假设满足所有约束条件的模型集合为:

    C≡{P∈P∣EP(fi)=EP~(fi),  i=1,2,…,n}\mathcal{C} \equiv \{ P \in \mathcal{P} \mid E_P(f_i) = E_{\tilde{P}}(f_i), \; i = 1, 2, \ldots, n \}

    它定义在条件概率分布 P(Y∣X)P(Y \mid X) 上的条件熵为:

    H(P)=−∑x,yP~(x)P(y∣x)log⁡P(y∣x)H(P) = -\sum_{x, y} \tilde{P}(x) P(y \mid x) \log P(y \mid x)

    则模型集合 C\mathcal{C} 中条件熵 H(P)H(P) 最大的模型称为最大熵模型。

  8. 求解最大熵模型使用拉格朗日法。

  9. 最大熵函数对偶函数的极大化等价于最大熵模型的极大似然估计。

  10. 模型学习的方法有改进的迭代尺度算法(improved iterative scaling, IIS)和拟牛顿法。


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