Python机器学习入门(四)选择模型

目录

• 1.数据分离与验证
• 1.1分离训练数据集和评估数据集
• 1.2K折交叉验证分离
• 1.3弃一交叉验证分离
• 1.4重复随机分离评估数据集与训练数据集
• 2.算法评估
• 2.1分类算法评估
• 2.1.1分类准确度
• 2.1.2分类报告
• 2.2回归算法评估
• 2.2.1平均绝对误差
• 2.2.2均方误差
• 2.2.3判定系数（）
• 总结

1.数据分离与验证

要知道算法模型对未知的数据表现如何，最好的评估办法是利用已经明确知道结果的数据运行生成的算法模型进行验证。此外还可以使用新的数据来评估算法模型。

在评估机器学习算法时，不将训练集直接作为评估数据集最直接的原因就是过度拟合。过度拟合是指为了得到一致性假设而变得过度严格，简单来说就是指模型仅对训练数据有较好的效果，而对于新数据则适应性很差。

如图所示是一个分类实例，绿色曲线表示过拟合，黑色曲线表示正常模型。可以看到过拟合模型仅对当前数据表现较好，而对新数据适应性明显不如正常模型。

接下来将讲解四种不同的分离数据集的方法，用来分离训练集和评估集，并用其评估算法模型。

1.1分离训练数据集和评估数据集

可以简单地将原始数据集分为两部分，第一部分用来训练算法生成模型，第二部分通过模型来预测结果，并于已知的结果进行比较，来评估算法模型的准确度。

from pandas import read_csv
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.model_selection import KFold
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.model_selection import LeaveOneOut
from sklearn.model_selection import ShuffleSplit

filename = 'pima_data.csv'
names = ['preg', 'plas', 'pres', 'skin', 'test', 'mass', 'pedi', 'age', 'class']
data = read_csv(filename, names=names)
# print(data.head(10))
array = data.values
X = array[:, 0:8]
Y = array[:, 8]
test_size = 0.33
seed = 4
X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, Y, test_size=test_size, random_state=seed)
model = LogisticRegression(max_iter=3000)
model.fit(X_train, Y_train)
result = model.score(X_test, Y_test)
print("算法评估结果：%3f%%" % (result * 100))

执行后得到的结果约为80%。为了让算法模型具有良好的可复用性，在指定了分离数据大小的同时，还指定了随机粒度（seed=4），将数据随即进行分离。通过指定随机的粒度，可以确保每次执行程序得到相同的结果，这有助于比较两个不同的算法生成模型的结果。

算法评估结果：80.314961%

1.2K折交叉验证分离

K折交叉验证是将原始数据分成K组（一般是均分）,将第一部分作为测试集，其余作为训练集，训练模型，计算模型在测试集上的准确率，每次用不同部分作为测试集，重复上述步骤K次，最后将平均准确率作为最终的模型准确率。

# K折交叉验证分离
num_folds = 10
seed = 7
kfold = KFold(n_splits=num_folds, random_state=seed,shuffle=True)
model = LogisticRegression(max_iter=3000)
result = cross_val_score(model, X, Y, cv=kfold)
print("算法评估结果：%.3f%% (%.3f%%)" % (result.mean() * 100, result.std() * 100))

执行后得到评估得分及标准方差。

算法评估结果：77.216% (4.968%)

1.3弃一交叉验证分离

相较于K折交叉验证分离，弃一交叉验证有显著优点：

• 每一回合中几乎所有样本你皆用于训练模型，因此最接近原始样本的分布，这样评估所得的结果比较可靠。
• 实验过程中没有随机因素会影响实验数据，确保实验过程可重复。

但弃一交叉验证计算成本高，当原始数据样本数量多时，弃一交叉验证需要花费大量时间完成评估。

# 弃一交叉验证分离
# 计算量非常大!!
loocv = LeaveOneOut()
model = LogisticRegression(max_iter=3000)
result = cross_val_score(model,X,Y,cv = loocv)
print("算法评估结果：%.3f%% (%.3f%%)"% (result.mean()*100,result.std()*100))

运算得出的标准方差与K折交叉验证有较大差距。

算法评估结果：77.604% (41.689%)

1.4重复随机分离评估数据集与训练数据集

另外一种K折交叉验证的用途是随即分离数据为训练数据集和评估数据集。

n_splits = 10
test_size = 0.33
seed = 7
kfold = ShuffleSplit(n_splits=n_splits, test_size=test_size, random_state=seed)
model = LogisticRegression(max_iter=3000)
result = cross_val_score(model, X, Y, cv=kfold)
print("算法评估结果：%.3f%% (%.3f%%)" % (result.mean() * 100, result.std() * 100))

算法评估结果：76.535% (2.235%)

2.算法评估

2.1分类算法评估

2.1.1分类准确度

分类准确度就是算法自动分类正确的样本数除以所有的样本数得出的结果。准确度是一个很好、很直观的评价指标，但是有时候准确度高并不代表算法就一定好。

from pandas import read_csv
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import KFold
from sklearn.model_selection import cross_val_score

#分类准确度
filename = 'pima_data.csv'
names = ['preg', 'plas', 'pres', 'skin', 'test', 'mass', 'pedi', 'age', 'class']
data = read_csv(filename,names=names)
#print(data.head(10))
#将数据分为输入数据和输出结果
array = data.values
X = array[:,0:8]
Y = array[:,8]
num_folds = 10
seed = 7
kfold = KFold(n_splits=num_folds,random_state=seed,shuffle=True)
model = LogisticRegression(max_iter=3000)
result = cross_val_score(model, X,Y,cv=kfold)
print("算法评估结果准确度：%.3f(%.3f)" % (result.mean(),result.std()))

算法评估结果准确度：0.772(0.050)

2.1.2分类报告

在scikit-learn中提供了一个非常方便的工具，可以给出对分类问题的评估报告，Classification__report()方法能够给出precision,recall,F1-score,support。

from pandas import read_csv
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import KFold
from sklearn.metrics import classification_report

#分类准确度
filename = 'pima_data.csv'
names = ['preg', 'plas', 'pres', 'skin', 'test', 'mass', 'pedi', 'age', 'class']
data = read_csv(filename,names=names)
print(data.head(10))
#将数据分为输入数据和输出结果
array = data.values
X = array[:,0:8]
Y = array[:,8]
num_folds = 10
seed = 7
kfold = KFold(n_splits=num_folds,random_state=seed,shuffle=True)
model = LogisticRegression(max_iter=3000)
model.fit(X_train,Y_train)
predicted = model.predict(X_test)
report = classification_report(Y_test, predicted)
print(report)

              precision    recall  f1-score   support

         0.0       0.84      0.87      0.86       171
         1.0       0.71      0.66      0.69        83

    accuracy                           0.80       254
   macro avg       0.78      0.77      0.77       254
weighted avg       0.80      0.80      0.80       254

2.2回归算法评估

回归算法评估将使用波士顿房价（Boston House Price）数据集。可通过百度网盘下载

链接：https://pan.baidu.com/s/1uyDiXDC-ixfBIYmTU9rrAQ
提取码：eplz

2.2.1平均绝对误差

平均绝对误差是所有单个观测值与算术平均值偏差绝对值的平均值。平均绝对误差相比于平均误差能更好地反映预测值误差的实际情况。

cross_val_score中的scoring参数详解可见官方开发文档

https://scikit-learn.org/stable/modules/model_evaluation.html#scoring-parameter

from pandas import read_csv
from sklearn.model_selection import KFold
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.linear_model import LinearRegression

filename = 'housing.csv'
names = ['CRIM','ZN','INDUS','CHAS','NOX','RM','AGE','DIS','RAD','TAX','PRTATIO','B','LSTAT','MEDV']
data = read_csv(filename,names=names,delim_whitespace=True)
array = data.values
X = array[:,0:13]
Y = array[:,13]
n_splits = 10
seed = 7
kfold = KFold(n_splits=n_splits,random_state=seed,shuffle=True)
model = LinearRegression()

#平均绝对误差
scoring = 'neg_mean_absolute_error'
result = cross_val_score(model, X, Y, cv=kfold, scoring=scoring)
print('MAE:%.3f(%.3f)'%  (result.mean(),result.std()))

MAE:-3.387(0.667)

2.2.2均方误差

均方误差是衡量平均误差的方法，可以评价数据的变化程度。均方根误差是均方误差的算术平均跟。均方误差越小，说明用该预测模型描述实验数据准确度越高。

#均方误差
scoring = 'neg_mean_squared_error'
result = cross_val_score(model, X, Y, cv=kfold, scoring=scoring)
print('MSE:%.3f(%.3f)'%  (result.mean(),result.std()))

MSE:-23.747(11.143)

2.2.3判定系数（）

判定系数（coefficient of determination），也叫可决系数或决定系数，是指在线性回归中，回归平方和与总离差平方和之比值，其数值等于相关系数的平方。

#决定系数
scoring = 'r2'
result = cross_val_score(model, X, Y, cv=kfold, scoring=scoring)
print('R2:%.3f(%.3f)'%  (result.mean(),result.std()))

R2:0.718(0.099)

总结

K折交叉验证是用来评估机器学习算法的黄金准则。黄金准则为：当不知如何选择分离数据集的方法时，选择K折交叉验证来分离数据集；当不知如何设定K值时，将K设为10。

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