本章节将逻辑回归，组织结构如下：

Logistic Regression
- 6.1 Classification
- 6.2 Hypothesis Representation
- 6.3 Decision Boundary
- 6.4 Cost Function
- 6.5 Simplified Cost Function and Gradient Descent
- 6.6 Advanced Optimization
- 6.7 Multiclass Classification: One-vs-all

6.1 Classification

之前的回归是用来拟合数据 $(x,y)$ 的表达式，这里开始将分类问题，分类中，要预测的变量 $y$ 是离散值。比如给定一封邮件，看是否是垃圾邮件。我们将学习逻辑回归 (Logistic Regression) 算法。

在二分类中，我们将因变量分为两类，我们用 $y \in \{0,1\}$ 表示，其中0表示负类，1表示正类。这个的正负没有绝对含义。比如我们

在肿瘤检测中，判断是否恶性肿瘤，可以规定1表示恶性肿瘤，0表示良性肿瘤。

那么能否用线性回归的思路去解决二分类问题呢，比如我们拟合出 $h_{\theta}(x)$ ，然后以0.5位分界去判断分类结果。看上去可以实际上是会出问题的，比如以下这个数据，我们拟合到的是蓝色的直线，这个时候就会有很多点分类错误。

究其原因，是因为在分类当中，分类结果 $y$ 只能是 $y\in\{0,1\}$ 。

6.2 Hypothesis Representation

因此，我们引入一个新的模型，叫做逻辑斯特回归或逻辑回归，这个名字是有点 confusing 的，因为这是一个分类问题。我们想要的是 $0 \leq h_{\theta}(x) \leq 1$ 。线性回归的假设是 $h_\theta(x)=\theta^T x$ ，为了满足输出在 $[0,1]$ 中，我们将假设改为：

$h_{\theta}(x)=g\left(\theta^{T} x\right)$

这个 $g(\cdot)$ 是什么呢，我们用的是大名鼎鼎的 sigmoid function（也叫 Logistic function），即：

$g(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$

这个函数是长这样的：

这个时候我们不妨思考 $h_{\theta}(x)$ 干了一件什么事呢，我们可以说， $h_{\theta}(x)$ 是对于给定的输入，输出变量等于1的可能性。即：

$h_\theta \left( x \right)=P\left( y=1|x;\theta \right)$

再联系上面的 S 型曲线，我们可以认为：

当 ${h_\theta}\left( x \right) \ge 0.5$ 时，预测 $y=1$ ；
当 ${h_\theta}\left( x \right)<0.5$ 时，预测 $y=$ 0。

如果我们不看 ${h_\theta}\left( x \right)$ ，而看 $z$ ，因为 $z=\theta^T x$ 也可以说：

${\theta^{T}}x \ge 0$ ，则 $y=1$
${\theta^{T}}x < 0$ ，则 $y=0$

6.3 Decision Boundary

假设有这样一个数据和逻辑回归模型：

我们假设学到的参数 $\theta = [-3,1,1]$ ，也就是说： $-3+x_1+x_2\ge0$ 时，预测为正类，即：

中间的这个用于分类的直线就叫做 decision boundary，翻译过来时判定边界，上述的例子是线性的判定边界，我们也可以扩充特征，得到非线性的判定边界，如远行的判定边界。

6.4 Cost Function

上面介绍了逻辑斯特回归的原理，那么我们怎么去拟合 $\theta$ 呢，即现在的问题为：

对于线性回归模型，我们定义的代价函数是所有模型误差的平方和。理论上来说，我们也可以对逻辑回归模型沿用这个定义，但是问题在于将 ${h_\theta}\left( x \right)=\frac{1}{1+{e^{-\theta^{T}x}}}$ 带入到这样的代价函数中时，我们得到的代价函数将是一个非凸函数（non-convexfunction）。

如果是非凸的，那么在迭代的过程中我们采用梯度下降法，就很难找到全局最小值了。联想线性回归的代价函数为： $J(\theta)=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} \frac{1}{2}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right)^{2}$ ，我们可以将代价函数写成这样的形式： $J(\theta)=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} \operatorname{cost}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right), y^{(i)}\right)$ ，在逻辑回归中，Cost为：

$\operatorname{Cost}\left(h_{\theta}(x), y\right)=\left\{\begin{aligned}-\log \left(h_{\theta}(x)\right) &\quad \text { if }\quad y=1 \\-\log \left(1-h_{\theta}(x)\right) &\quad \text { if }\quad y=0 \end{aligned}\right.$

我们看一下这个 Cost 函数，如果是负类，那么判断正类的概率越大，cost 就越大，如果是正类，当贝判断为正类的概率越低，则 cost 越大。所以这个 cost 还是很符合直觉的。

6.5 Simplified Cost Function and Gradient Descent

那么当前的任务就可以表示为：

我们可以将上述的 Cost 做一个等价的变化，即：

$\operatorname{Cost}\left( {h_\theta}\left( x \right),y \right)=-y\times \log\left( {h_\theta}\left( x \right) \right)-(1-y)\times \log\left( 1-{h_\theta}\left( x \right) \right)$

带入到代价函数，即：

$J(\theta)=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[y^{(i)} \log \left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)+\left(1-y^{(i)}\right) \log \left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)\right]$

再结合假设函数，有：

$\begin{aligned} h_{\theta}\left(x^{(i)}\right) &=y^{(i)} \log \left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)+\left(1-y^{(i)}\right) \log \left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right) \\ &=-y^{(i)} \log \left(1+e^{-\theta^{T} x^{(i)}}\right)-\left(1-y^{(i)}\right) \log \left(1+e^{\theta^{T} x^{(i)}}\right) \end{aligned}$

再看一下求偏导：

$\begin{aligned} \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} J(\theta) &=\frac{\partial}{\partial \theta_{j}}\left[-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[-y^{(i)} \log \left(1+e^{-\theta^{T} x^{(i)}}\right)-\left(1-y^{(i)}\right) \log \left(1+e^{\theta^{T} x^{(i)}}\right)\right]\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[-y^{(i)} \frac{-x_{j}^{(i)} e^{-\theta^{T} x^{(i)}}}{1+e^{-\theta^{T} x^{(i)}}}-\left(1-y^{(i)}\right) \frac{x_{j}^{(i)} e^{\theta^{T} x^{(i)}}}{1+e^{\theta^{T} x^{(i)}}}\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} y^{(i)} \frac{x_{j}^{(i)}}{1+e^{\theta^{T} x^{(i)}}}-\left(1-y^{(i)}\right) \frac{x_{j}^{(i)} e^{\theta^{T} x^{(i)}}}{1+e^{\theta^{T} x^{(i)}}} \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left(y^{(i)}-\frac{e^{\theta^{T} x^{(i)}}}{1+e^{\theta^{T} x^{(i)}}}\right) x_{j}^{(i)} \\ &=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right] x_{j}^{(i)} \end{aligned}$

虽然这个梯度下降推导的结果和线性回归看上去一样的，但是实际上是差别很大的。另外，这里也需要进行特征缩放。有了这个梯度的表达式，就可以很容易地去学习了。