Logistic_Regression.py

'''
Logistic Regression là một mô hình học có giám sát (supervised learning) dùng cho bài toán phân loại (classification).
Nó dựa trên Linear Regression, nhưng thay vì dự đoán giá trị liên tục → nó biến đầu ra thành xác suất (0–1) bằng hàm sigmoid.

🧠 2. CÔNG THỨC TOÁN HỌC
2.1. Linear part
Trước hết, ta tính tổng có trọng số:
z = w0 + w1x1 + w2x2 + w3x3 + ... + wnxn
2.2 Áp dụng hàm Sigmoid
y^ = σ(z) = 1 / 1 + e^-z
=> Kết quả y^ nằm trong khoảng (0,1) hiểu là xác xuất đối tượng thuộc lớp 1.

📊 3. QUYẾT ĐỊNH PHÂN LOẠI
Nếu:
y^ >= 0.5 ==> dự đoán 1
y^ < 0.5 ==> dự đoán 0

⚙️ 4. HÀM MẤT MÁT (LOSS FUNCTION)
Ta dùng Binary Cross-Entropy Loss (Log Loss):
J(w) = -1/m ∑[y^(i)log(y^^(i)) + (1-y^(i))log(1-y^^(i))]
Mục tiêu: tối thiểu hóa J(w) → tìm bộ trọng số w tốt nhất.

5. QUÁ TRÌNH HỌC (TRAINING)
Dùng Gradient Descent để cập nhật trọng số:
w := w - α * ∂J/∂w  # Trong đó: α là learning rate.
'''

# 💻 6. CODE MẪU PYTHON
  # Thư viện sử dụng cho Logistic Regression
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix, classification_report

# Dữ liệu ví dụ
data = pd.DataFrame({
    'hours_studied': [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],
    'pass_exam': [0,0,0,0,0,1,1,1,1,1]
})
X = data[['hours_studied']]
y = data['pass_exam']

# Chia dữ liệu
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# Huấn luyện mô hình
model = LogisticRegression()
model.fit(X_train, y_train)

# Dự đoán
y_pred = model.predict(X_test)
print("Accuracy:", accuracy_score(y_test, y_pred))
print("Confusion Matrix:\n", confusion_matrix(y_test, y_pred))
print("Classification Report:\n", classification_report(y_test, y_pred))

# 📈 Ứng dụng thực tế của Logistic Regression
'''
Lĩnh vực              Ứng dụng
 y học                Dự đoán bệnh(có/không)
 Email                Phân loại spam/không spam
 Marketing            Khách hàng mua/không mua
 Tài chính            Dự đoán vỡ nợ/không vỡ nợ
 Nhận dạng            Có khuôn mặt/không có khuôn mặt
'''

# 🧠 Trực quan hóa hàm Sigmoid
z = np.linspace(-10, 10, 100)
sigmoid = 1 / (1 + np.exp(-z))
plt.plot(z, sigmoid)
plt.title('Sigmoid Function')
plt.xlabel('z')
plt.ylabel('σ(z)')
plt.grid()
plt.show()
''' → Đồ thị cong từ 0 → 1, giúp chuyển hóa giá trị tuyến tính thành xác suất. '''

'''
🧩 9. ƯU ĐIỂM & NHƯỢC ĐIỂM
✅ Ưu điểm
Đơn giản, dễ huấn luyện
Dễ hiểu, giải thích rõ ràng
Hiệu quả cho dữ liệu tuyến tính
⚠️ Nhược điểm
Kém hiệu quả với dữ liệu phi tuyến
Không xử lý tốt nhiều lớp phức tạp (multi-class → phải dùng One-vs-Rest)
Giả định quan hệ tuyến tính giữa biến độc lập và log-odds
🧪 10. MỞ RỘNG
Multinomial Logistic Regression → cho phân loại nhiều lớp
Regularization (L1, L2) → chống overfitting
Feature scaling → nên chuẩn hóa dữ liệu trước khi huấn luyện
'''

# 🚀 Ứng dụng Nhỏ- Dự Đoán xác xuất Thi Đậu
hours = np.array([[7]])
pred = model.predict_proba(hours)
print(f"Xác suất đậu: {pred[0][1]*100:.2f}%")

# 🧩 12. SO SÁNH VỚI LINEAR REGRESSION
'''
Đặc điểm	   Linear Regression	    Logistic Regression
 Đầu ra	        Giá trị liên tục	        Xác suất (0–1)
Bài toán	    Dự đoán (Regression)	Phân loại (Classification)
Hàm kích hoạt	   Không có	                    Sigmoid
Hàm mất mát	         MSE	                    Log Loss
'''

# LOGISTIC REGRESSION (Dùng thư viện đơn giản)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Set up styling for Matplotlib
plt.style.use('ggplot')

# Create dataset
dataset = np.array([
    [-10, 0],
    [-5, 0],
    [-7, 0],
    [0, 0],
    [-2, 0],
    [5, 1],
    [7, 1],
    [6, 1],
    [10, 1],
    [15, 1],
    [9, 1]
])

# Draw the dataset
negative_class = dataset[:5]
positive_class = dataset[5:]

# Draw the negative first and positive
plt.scatter(negative_class[:, 0], negative_class[:, 1], c='y', label='Class 0')
plt.scatter(positive_class[:, 0], positive_class[:, 1], c='g', label='Class 1')
plt.legend()
plt.show()


# -------------------- Logistic Regression Functions --------------------
def get_prediction(m, b, x):
    """
    Get the predictions: y_hat using the input
    """
    return 1 / (1 + np.exp(-(m * x + b)))  # ✅ Sửa công thức sigmoid


def get_cost(y, y_hat):
    """
    Get the value of the cost function
    """
    k = y.shape[0]
    return (-1 / k) * np.sum(y * np.log(y_hat) + (1 - y) * np.log(1 - y_hat))


def get_gradient(m, b, x, y, y_hat):
    """
    Return the gradient of the loss function w.r.t m and b
    """
    k = y.shape[0]
    dm = (1 / k) * np.sum((y_hat - y) * x)
    db = (1 / k) * np.sum(y_hat - y)
    return dm, db


def get_accuracy(y, y_hat):
    return ((y_hat >= 0.5).astype(int) == y).sum() / y.shape[0]  # ✅ Sửa chia đúng mẫu


# -------------------- Gradient Descent --------------------
m = 1.0
b = 10.0
iterations = 200
lr = 0.03
x = dataset[:, 0]
y = dataset[:, 1]
costs = []

for it in range(iterations):
    y_hat = get_prediction(m, b, x)
    cost = get_cost(y, y_hat)
    accuracy = get_accuracy(y, y_hat)
    print(f"Iteration {it} - Cost: {cost:.4f}, Accuracy: {accuracy:.4f}")

    dm, db = get_gradient(m, b, x, y, y_hat)  # ✅ Sửa dn → db
    m -= lr * dm
    b -= lr * db
    costs.append(cost)

# Plot cost over iterations
plt.plot(costs)
plt.xlabel("Iteration")
plt.ylabel("Cost")
plt.title("Cost Function over Time")
plt.show()