【机器学习】两大线性分类算法：逻辑回归与线性判别分析：找到分界线的艺术

一、核心概念：数据分类的"切分线"

线性分类就像用一把刀"切蛋糕"。如果蛋糕只有两种口味（比如巧克力味和草莓味），你只需要一刀就能把它们完美地分开。这"一刀"就是我们机器学习中的 “决策边界” 。它是一条直线、一个平面，或者在更高维度上的一个超平面，用来区分不同的数据类别。

核心定义：
线性分类算法通过学习数据特征，找到一个最佳的超平面，将不同类别的数据点分隔开。这个超平面就是模型的"分界线"，它决定了新来的数据点属于哪个类别。

二、工作原理：从"找分界线"理解

线性分类算法的工作流程可以简单概括为以下几步：

1. 数据准备：首先，我们需要收集带有明确标签的数据。比如，如果你想识别猫和狗，就需要大量的猫图片（标记为"猫"）和狗图片（标记为"狗"）。

2. 特征提取：计算机无法直接理解图片或文字，所以我们需要将这些原始数据转换为算法能理解的数字特征。比如，图片的颜色、纹理、形状等都可以转化为数字向量。

3. 模型学习：算法会通过学习这些带有标签的特征，自动找到一条最佳的"切分线"（决策边界），使得不同类别的数据点尽可能地被这条线分开。

4. 预测分类：当有新的、未知的图片（比如一张你不知道是猫还是狗的图片）进来时，算法会根据它落在"切分线"的哪一边，来判断其类别。

二、常见算法

在众多线性分类算法中，**逻辑回归（Logistic Regression, LR）和线性判别分析（Linear Discriminant Analysis, LDA）**是两种非常经典且常用的方法。

1、逻辑回归：二分类

LR 不直接预测类别，而是预测一个事件发生的概率。它通过一个特殊的"S"形函数（Sigmoid函数），将线性模型的输出值映射到0到1之间，表示属于某个类别的概率。

LR 假设数据服从伯努利分布（即只有两种结果，成功或失败），并且特征与对数几率之间存在线性关系。当预测概率大于某个阈值（通常是0.5）时，就归为一类；否则归为另一类。这个阈值对应的就是它的决策边界。

2、线性判别分析（LDA）：分类与降维

核心思想
LDA是一个既做分类又做降维的算法。它的核心思想是：找到一个最佳投影方向，让不同类别的数据投影后分得最清楚，同时让同一类别的数据投影后聚得最紧。想象你有一堆不同颜色的球散落在三维空间里，LDA就是找到一个角度，从这个角度看过去，不同颜色的球能分得最清楚。

LDA用公式 $\frac{\text{类间距离}}{\text{类内距离}}$ 来衡量投影效果。它要最大化这个比值，让分子（类间距离）越大越好，分母（类内距离）越小越好。通过求解这个优化问题，LDA找到最优的投影方向。

 
分类与降维
LDA既可以做二分类，也可以做多分类。在二分类中，它找到一个投影方向将数据投影到一条直线上；在多分类中，它找到多个投影方向将数据投影到低维空间。 同时，LDA还具有降维功能：二分类从任意维度降到1维，C分类从任意维度降到(C-1)维。

 
假设与应用条件
LDA假设数据像钟形曲线一样分布，且不同类别的"钟形"形状相同。 如果这个假设成立，LDA效果很好；如果不成立，效果就会变差。与逻辑回归相比，LDA像是一个"几何学家"，专注于找到最好的观察角度，而逻辑回归像是一个"概率学家"，专注于计算每个样本属于各类别的概率。

3、两种算法对比分析

三、实际应用：用代码"切分"糖尿病数据

我们用 Python 的 scikit-learn 库，在著名的 Pima Indians 糖尿病数据集上，实际操作一下线性分类算法。这个数据集包含了印第安女性的健康数据，目标是预测她们是否患有糖尿病。

from pandas import read_csv
from sklearn.model_selection import KFold, cross_val_score
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.discriminant_analysis import LinearDiscriminantAnalysis
import pandas as pd

# 1. 导入数据
filename = 'pima_data.csv' # 假设文件在当前目录下
names = ['preg', 'plas', 'pres', 'skin', 'test', 'mass', 'pedi', 'age', 'class']
data = read_csv(filename, names=names)

# 2. 将数据分为输入特征 (X) 和输出结果 (Y)
array = data.values
X = array[:, 0:8]  # 前8列是特征
Y = array[:, 8]    # 最后一列是目标变量 (是否患糖尿病)

# 3. 设置交叉验证 (KFold)
n_splits = 10 # 分成10份
seed = 7      # 随机种子，确保每次运行结果一致
kfold = KFold(n_splits=n_splits, random_state=seed, shuffle=True)

# 4. 创建模型并评估
models = {
    'LR': LogisticRegression(solver='liblinear', max_iter=200), 
    # solver='liblinear' 适用于小数据集
    'LDA': LinearDiscriminantAnalysis()
}

results = {}
for name, model in models.items():
    # 使用交叉验证评估模型性能
    scores = cross_val_score(model, X, Y, cv=kfold, scoring='accuracy')
    results[name] = (scores.mean(), scores.std())

# 5. 打印结果
print("模型准确率 (平均值 ± 标准差):")
for name, (mean, std) in results.items():
    print(f"{name}: {mean:.4f} (±{std:.4f})")

# 示例输出 
模型准确率 (平均值 ± 标准差):
LR: 0.7696 (±0.0495)
LDA: 0.7670 (±0.0480)

这告诉我们：

• LR 模型在预测糖尿病方面的平均准确率约为 76.96%，其性能在不同数据子集上的波动（标准差）约为 4.95%。
• LDA 模型的平均准确率约为 76.70%，性能波动约为 4.80%。

从结果来看，两种线性分类模型在 Pima Indians 糖尿病数据集上的表现非常接近，准确率都在76%左右，且波动范围不大。这意味着它们都能有效地对糖尿病进行初步预测。

你可以尝试修改 LogisticRegression 中的 solver 参数（例如改为 'saga' 或 'lbfgs'），或者调整 max_iter（最大迭代次数），观察模型性能是否会有变化。这能帮助你理解不同参数对模型训练的影响。

四、应用场景：线性分类的"用武之地"

线性分类算法因其简单、高效和易于解释的特点，在许多实际场景中都有广泛应用：

• 实际案例1：垃圾邮件识别

  • 场景：你的邮箱每天都会自动将邮件分为"正常邮件"和"垃圾邮件"。
  • 选择指导：逻辑回归常用于此，因为它能给出邮件是垃圾邮件的概率。你可以根据这个概率设置一个阈值，比如概率超过80%就直接扔进垃圾箱，低于20%就肯定是正常邮件，中间的再人工判断。

• 实际案例2：客户流失预测

  • 场景：一家电信公司想知道哪些客户可能很快会停止使用他们的服务（流失）。
  • 选择指导：逻辑回归可以根据客户的通话时长、套餐类型、投诉记录等特征，预测客户流失的概率。公司可以根据这些概率，提前对高风险客户采取挽留措施，比如提供优惠套餐。

• 实际案例3：医疗诊断辅助

  • 场景：医生根据患者的各项体征数据（如血压、血糖、年龄等），辅助诊断某种疾病（如糖尿病、心脏病）。
  • 选择指导：LR 和 LDA 都可以作为初步的诊断模型。LR 提供患病概率，便于医生评估风险；LDA 在类别区分度高时，能更好地找到疾病和健康人群之间的界限。