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[人工智能]【机器学习笔记】Logistics Regression中损失函数求偏导的具体步骤


根据吴恩达老师机器学习课程中在 Logistics Regression 中定义的损失函数:
J ( θ ) = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) log ? ( h θ ( x ( i ) ) ) + ( 1 ? y ( i ) ) log ? ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) ] 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] J(θ)=?m1?i=1m?[y(i)log(hθ?(x(i)))+(1?y(i))log(1?hθ?(x(i)))]

对其中每个参数 θ j \theta_{j} θj? 求偏导数,过程如下:

? ? θ j J ( θ ) = ? ? θ j ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) log ? ( h θ ( x ( i ) ) ) + ( 1 ? y ( i ) ) log ? ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ? ? θ j log ? ( h θ ( x ( i ) ) ) + ( 1 ? y ( i ) ) ? ? θ j log ? ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ? ? θ j h θ ( x ( i ) ) h θ ( x ( i ) ) + ( 1 ? y ( i ) ) ? ? θ j ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) 1 ? h θ ( x ( i ) ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ? ? θ j σ ( θ T x ( i ) ) h θ ( x ( i ) ) + ( 1 ? y ( i ) ) ? ? θ j ( 1 ? σ ( θ T x ( i ) ) ) 1 ? h θ ( x ( i ) ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) σ ( θ T x ( i ) ) ( 1 ? σ ( θ T x ( i ) ) ) ? ? θ j θ T x ( i ) h θ ( x ( i ) ) + ? ( 1 ? y ( i ) ) σ ( θ T x ( i ) ) ( 1 ? σ ( θ T x ( i ) ) ) ? ? θ j θ T x ( i ) 1 ? h θ ( x ( i ) ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) h θ ( x ( i ) ) ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) ? ? θ j θ T x ( i ) h θ ( x ( i ) ) ? ( 1 ? y ( i ) ) h θ ( x ( i ) ) ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) ? ? θ j θ T x ( i ) 1 ? h θ ( x ( i ) ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) x j ( i ) ? ( 1 ? y ( i ) ) h θ ( x ( i ) ) x j ( i ) ] = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ( 1 ? h θ ( x ( i ) ) ) ? ( 1 ? y ( i ) ) h θ ( x ( i ) ) ] x j ( i ) = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ? y ( i ) h θ ( x ( i ) ) ? h θ ( x ( i ) ) + y ( i ) h θ ( x ( i ) ) ] x j ( i ) = ? 1 m ∑ i = 1 m [ y ( i ) ? h θ ( x ( i ) ) ] x j ( i ) = 1 m ∑ i = 1 m [ h θ ( x ( i ) ) ? y ( i ) ] x j ( i ) \begin{aligned} \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} J(\theta) &=\frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \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] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[y^{(i)} \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \log \left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)+\left(1-y^{(i)}\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \log \left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[\frac{y^{(i)} \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}{h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}+\frac{\left(1-y^{(i)}\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}}\left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)}{1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[\frac{y^{(i)} \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \sigma\left(\theta^{T} x^{(i)}\right)}{h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}+\frac{\left(1-y^{(i)}\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}}\left(1-\sigma\left(\theta^{T} x^{(i)}\right)\right)}{1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[\frac{y^{(i)} \sigma\left(\theta^{T} x^{(i)}\right)\left(1-\sigma\left(\theta^{T} x^{(i)}\right)\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \theta^{T} x^{(i)}}{h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}+\frac{-\left(1-y^{(i)}\right) \sigma\left(\theta^{T} x^{(i)}\right)\left(1-\sigma\left(\theta^{T} x^{(i)}\right)\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \theta^{T} x^{(i)}}{1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}\right]\\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[\frac{y^{(i)} h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \theta^{T} x^{(i)}}{h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}-\frac{\left(1-y^{(i)}\right) h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right) \frac{\partial}{\partial \theta_{j}} \theta^{T} x^{(i)}}{1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)}\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[y^{(i)}\left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right) x_{j}^{(i)}-\left(1-y^{(i)}\right) h_{\theta}\left(x^{(i)}\right) x_{j}^{(i)}\right] \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[y^{(i)}\left(1-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right)-\left(1-y^{(i)}\right) h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right] x_{j}^{(i)} \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[y^{(i)}-y^{(i)} h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)+y^{(i)} h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\right] x_{j}^{(i)} \\ &=-\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left[y^{(i)}-h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)\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} ?θj???J(θ)?=?θj???m?1?i=1m?[y(i)log(hθ?(x(i)))+(1?y(i))log(1?hθ?(x(i)))]=?m1?i=1m?[y(i)?θj???log(hθ?(x(i)))+(1?y(i))?θj???log(1?hθ?(x(i)))]=?m1?i=1m?[hθ?(x(i))y(i)?θj???hθ?(x(i))?+1?hθ?(x(i))(1?y(i))?θj???(1?hθ?(x(i)))?]=?m1?i=1m?[hθ?(x(i))y(i)?θj???σ(θTx(i))?+1?hθ?(x(i))(1?y(i))?θj???(1?σ(θTx(i)))?]=?m1?i=1m?[hθ?(x(i))y(i)σ(θTx(i))(1?σ(θTx(i)))?θj???θTx(i)?+1?hθ?(x(i))?(1?y(i))σ(θTx(i))(1?σ(θTx(i)))?θj???θTx(i)?]=?m1?i=1m?[hθ?(x(i))y(i)hθ?(x(i))(1?hθ?(x(i)))?θj???θTx(i)??1?hθ?(x(i))(1?y(i))hθ?(x(i))(1?hθ?(x(i)))?θj???θTx(i)?]=?m1?i=1m?[y(i)(1?hθ?(x(i)))xj(i)??(1?y(i))hθ?(x(i))xj(i)?]=?m1?i=1m?[y(i)(1?hθ?(x(i)))?(1?y(i))hθ?(x(i))]xj(i)?=?m1?i=1m?[y(i)?y(i)hθ?(x(i))?hθ?(x(i))+y(i)hθ?(x(i))]xj(i)?=?m1?i=1m?[y(i)?hθ?(x(i))]xj(i)?=m1?i=1m?[hθ?(x(i))?y(i)]xj(i)??


可以发现,该偏导数和线性回归中损失函数对参数 θ \theta θ 的偏导数形式是一致的,线性回归的损失函数定义为:

J ( θ ) = 1 2 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) ? y ( i ) ) 2 J(\theta)=\frac{1}{2 m} \sum_{i=1}^{m}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right)^{2} J(θ)=2m1?i=1m?(hθ?(x(i))?y(i))2
其偏导数为:
? J ( θ ) ? θ j = 1 m ∑ i = 1 m ( h θ ( x ( i ) ) ? y ( i ) ) ? x j ( i ) \begin{aligned} \frac{\partial J(\theta)}{\partial \theta_{j}} &=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}\left(h_{\theta}\left(x^{(i)}\right)-y^{(i)}\right) \cdot x_{j}^{(i)} \end{aligned} ?θj??J(θ)??=m1?i=1m?(hθ?(x(i))?y(i))?xj(i)??

将其进行向量化:
? J ( θ ) ? θ j = 1 m x j → T ( X θ ? y ? ) \frac{\partial J(\theta)}{\partial \theta_{j}} \quad=\frac{1}{m} \overrightarrow{x_{j}}^{T}(X \theta-\vec{y}) ?θj??J(θ)?=m1?xj? ?T(Xθ?y ?)
进一步得到损失函数的梯度:
? J ( θ ) = 1 m X T ( X θ ? y ? ) \nabla J(\theta) \quad=\frac{1}{m} X^{T}(X \theta-\vec{y}) ?J(θ)=m1?XT(Xθ?y ?)

然后通过该梯度进行参数更新:
θ : = θ ? α m X T ( X θ ? y ? ) \theta:=\theta-\frac{\alpha}{m} X^{T}(X \theta-\vec{y}) θ:=θ?mα?XT(Xθ?y ?)



其他内容可参考:吴恩达机器学习


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