- 实现了常用的机器学习算法：
- 分类方法：朴素贝叶斯、K近邻、逻辑回归、决策树、支持向量机
- 回归问题：线性回归、岭回归
机器学习的流程（pipeline）--分类和回归问题
本文主要是介绍了Python进行机器学习的分析流程，其中包括常用模块的准备、数据的预处理、模型训练、模型预测、模型评估、分析可视化以及模型的改进。
在分析流程中，分类问题和回归问题的主要区别在于模型的评估标准。
模块准备
1. 常用的数据处理和绘图包
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import pylab as pl
2. 用于机器学习的包
-
数据集的格式化
from sklearn.preprocessing import StandardScaler -
数据集拆分成训练集和测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split -
常用的机器学习模型
# 分类问题 from sklearn.naive_bayes import GaussianNB # 朴素贝叶斯 from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier # 决策树 from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier # k近邻 from sklearn.linear_model import LogisticRegression # Logistics回归 from sklearn import svm # 支持向量机 # 回归问题 from sklearn.linear_model import Ridge # 岭回归 from sklearn.linear_model import LinearRegression # 线性回归 -
模型的评估和报告
# 分类问题 from sklearn.metrics import accuracy_score,\ classification_report, confusion_matrix # 回归问题 from sklearn.metrics import mean_absolute_error,\ mean_squared_error, r2_score -
k折交叉验证
from sklearn.model_selection import cross_val_score
一、数据准备
1. 数据导入
# 从csv导入文件、并格式化成array方便调用
data = pd.read_csv('nbayes_data.csv',header=None)
print(data.iloc[:,2].value_counts())
X = data.iloc[:,:-1].to_numpy()
y = data.iloc[:,-1].to_numpy()
注：提一下张量tensor的概念，通常以array的方式存储，
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tensor.shape -> （samples，features)
tensor.ndim -> nD，
形象地理解，张量像是均衡的树结构，树的深度表示ndim，从上到下的每一层的单个节点分支数表示shape.
2. 数据标准化
- 标准化、归一化、正态化
# 均值为0，方差为1
scaler = StandardScaler()
scaler.fit(X)
X = scaler.transform(X)
3. 数据切分
# 80:20的比例随机切分数据集，可固定随机种子
X_train, X_test, y_train, y_test =\
train_test_split(X, y, test_size=0.20, random_state=53)
二、模型训练
训练分类器classifier的两步：
1. 实例化
# 分类模型
clf = GaussianNB() # 朴素贝叶斯实例化
#clf = DecisionTreeClassifier(criterion='gini',random_state=53) # 决策树实例化
#clf = KNeighborsClassifier(n_neighbors=7) # k近邻实例化
#clf = LogisticRegression(C=1) # logistic回归， C为正则化系数
'''生成多个学习模型
C = 0.3 # SVM regularization parameter
models = (svm.SVC(kernel='linear', C=C),
svm.LinearSVC(C=C, max_iter=10000),
svm.SVC(kernel='rbf', gamma=0.7, C=C),
svm.SVC(kernel='poly', degree=7, gamma='auto', C=C))
'''
# 线性模型
#clf = Ridge() # 岭回归
#clf = LinearRegression() # 线性回归
2. 调用fit函数训练该实例
clf.fit(X_train,y_train) # 训练单个实例clf
#models = (clf.fit(X, y) for clf in models) # 训练多个模型，以svm为例
三、模型预测
对测试集进行预测
y_pred = clf.predict(X_test)
四、模型评估
1. 分类问题
- 三个矩阵：准确率、误判率矩阵、分类情况报告
猜正T、负F 真实正P、负N
准确率（accuracy）：(TP+FN)/(TP+TN+FP+FN) 猜准确的比例
精确率（precision）: TP/(TP+FP) 样本中真实为正，被猜正的比例
召回率（recall）：TP/(TP+FN) 猜准确中，猜正的比例
F1值（）：精确率和召回率的几何平均数
print('Accuracy: %.2f' % accuracy_score(y_test, y_pred))
clf.score(X_test, y_test) # 2nd way to calculate accuracy
print(confusion_matrix(y_test, y_pred))
print(classification_report(y_test, y_pred))
- 两个曲线：ROC Curve 和 PR Curve 、AUC
2. 回归问题
print("coefficients =",clf.coef_) # 回归参数
print("intercept b =",clf.intercept_) # 回归截距
print('Mean Absolute Error =', mean_absolute_error(y_test, y_pred))
print('Mean Squared Error =', mean_squared_error(y_test, y_pred))
print('Root Mean Squared Error =', np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred)))
print('R2 Score:', r2_score(y_test, y_pred))
五、可视化
1. 分类问题
两步走：1. 绘制训练的分类边界；2. 绘制预测点的散点图
'''visualization'''
def visual(X,y):
'''通过训练的模型，代入测试集，绘制边界；再绘制'''
# Plot the decision boundary. For that, we will asign a color
# to each point in the mesh [x_min, x_max] x [y_min, y_max].
x_min, x_max = X[:,0].min() - 0.1, X[:,0].max() + 0.1
y_min, y_max = X[:,1].min() - 0.1, X[:,1].max() + 0.1
h = 0.02 # step size in the mesh
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h),\
np.arange(y_min, y_max, h))
Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)
# Put the result into a color plot
pl.figure(2)
pl.set_cmap(pl.cm.Paired)
pl.pcolormesh(xx, yy, Z)
# Plot the testing points
for i in range(len(X)):
if y[i] == 0:
_ = pl.scatter(X[i,0], X[i,1], c='red', marker='x')
elif y[i] == 1:
_ = pl.scatter(X[i,0], X[i,1], c='blue', marker='+')
elif y[i] == 2:
_ = pl.scatter(X[i,0], X[i,1], c='green', marker='o')
else:
_ = pl.scatter(X[i,0], X[i,1], c='c', marker='^')
pl.xlim()
pl.ylim()
pl.title('naive bayes classifier model boundaries')
visual(X_test,y_test)
plt.show()
2. 回归问题
splt.plot(data.iloc[:,0],data.iloc[:,1],'ro')
plt.xlim()
plt.ylim()
xmin, xmax = data.iloc[:,0].min(), data.iloc[:,1].max()
xx = np.linspace(xmin, xmax, 101)
yy = clf.coef_ * xx + clf.intercept_
plt.plot(xx, yy, linestyle='-',color='green')
plt.legend(['data points','regression'])
plt.show()
六、模型改进
- K折交叉验证：通过分割数据集为K份，每次保留其中1份，使用其余K-1份进行训练模型，训练K次取其指标的平均值作为最终的值，因此K折交叉验证又称为留一交叉验证。
'''S-fold cross validation'''
def cross_valid(classifier):
num_folds = 3 # 3折
accuracy_values = cross_val_score(classifier,\
X, y, scoring='accuracy', cv=num_folds)
print("Accuracy: " + str(round(100*accuracy_values.mean(), 2)) + "%")
precision_values = cross_val_score(classifier,\
X, y, scoring='precision_weighted', cv=num_folds)
print("Precision: " + str(round(100*precision_values.mean(), 2)) + "%")
recall_values = cross_val_score(classifier,\
X, y, scoring='recall_weighted', cv=num_folds)
print("Recall: " + str(round(100*recall_values.mean(), 2)) + "%")
f1_values = cross_val_score(classifier,\
X, y, scoring='f1_weighted', cv=num_folds)
print("F1: " + str(round(100*f1_values.mean(), 2)) + "%")
cross_valid(clf)
-
调节超参数
通过拟合不同超参数时的模型，选出最优的模型
# 对k近邻的 邻近参数的调节 '''Error plot against K values ''' error = [] # Calculating error for K values between 1 and 40 for i in range(1, 41): knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=i) _ = knn.fit(X_train, y_train) y_pred_i = knn.predict(X_test) error.append(np.mean(y_pred_i != y_test)) def plot_k(error): plt.figure(1) plt.plot(range(1, 41), error, color='red', linestyle='dashed', marker='o', markerfacecolor='blue', markersize=10) plt.title('Error Rate vs K Value') plt.xlabel('K Value') plt.ylabel('Mean Error') plot_k(error)