机器学习简述：逻辑回归与梯度下降解析

"这篇笔记基于斯坦福大学2014年的机器学习课程，详细记录了课程中的关键概念，特别是关于简化的成本函数和梯度下降在逻辑回归中的应用。" 在机器学习中，逻辑回归是一种广泛使用的分类算法，用于预测离散型输出，如二元分类问题（是/否，真/假等）。在本节中，我们关注的是如何简化成本函数和使用梯度下降来优化逻辑回归的参数。 通常，逻辑回归的成本函数（代价函数）被定义为交叉熵损失函数，它可以表示为： \[ J(\theta) = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} [ -y^{(i)} \log(h_\theta(x^{(i)})) - (1 - y^{(i)}) \log(1 - h_\theta(x^{(i)}))] \] 其中，\( m \) 是样本数量，\( \theta \) 是模型参数，\( h_\theta(x) \) 是Sigmoid函数（逻辑函数），\( y^{(i)} \) 是第i个样本的真实标签（0或1），\( x^{(i)} \) 是对应的输入特征。 简化成本函数的目的是为了更有效地进行梯度下降。梯度下降是一种优化算法，通过迭代更新模型参数以最小化成本函数。在逻辑回归中，我们可以对每个参数 \( \theta_j \) 计算梯度，如下所示： \[ \frac{\partial J(\theta)}{\partial \theta_j} = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} (h_\theta(x^{(i)}) - y^{(i)})x_j^{(i)} \] 对于所有的 \( j \)，我们可以更新参数 \( \theta_j \) 为： \[ \theta_j := \theta_j - \alpha \frac{\partial J(\theta)}{\partial \theta_j} \] 这里的 \( \alpha \) 是学习率，控制每次迭代时参数更新的步长。通过反复执行这个过程，我们逐渐逼近最优参数值，使得成本函数达到最小。 在实际应用中，梯度下降分为批量梯度下降（Batch Gradient Descent）、随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent）和小批量梯度下降（Mini-Batch Gradient Descent）。批量梯度下降计算所有样本的梯度，而随机梯度下降仅使用一个样本的梯度进行更新，小批量梯度下降则在每次迭代中处理一部分样本。不同的方法在计算效率和收敛速度上有所区别，适用于不同规模的数据集。 在本课程中，你将深入理解这些概念，并掌握如何在实际问题中运用逻辑回归和梯度下降。课程涵盖了广泛的机器学习主题，包括监督学习、无监督学习、偏差/方差理论以及在多个领域的应用，如机器人控制、自然语言处理、计算机视觉等。通过学习，你不仅能获得坚实的理论基础，还能掌握解决实际问题的实用技术。 逻辑回归和梯度下降是机器学习中的基础工具，对于理解和应用机器学习至关重要。通过简化成本函数和有效使用梯度下降，你可以更高效地训练模型，为各种复杂任务提供解决方案。