机器学习基础——模型评估与选择(部分)

目录

一、前言:误差与拟合

(一)经验误差

(二)过拟合、欠拟合

二、评估方法

(一)评估总体的思路

(二)如何划分训练集和测试集

1.留出法

2.k折交叉验证

3.自助法

三、性能度量

(一)均方误差

(二)错误率&精度

(三)查准率&查全率

补充:

(四)F1&Fβ

(五)ROC&AUC


为了实现对模型指导,实现自主建模,我们会对模型进行选择和评估,主要有以下几个问题:

一、前言:误差与拟合

(一)经验误差

使用上述流程理解,其中 a 为预测错误的个数,m为使用的样本数量,则有以下概念:

  • 错误率(error rate):分类错误的 样本数占样本总数的比例。即在 m 个样本中有 a 个样本分类错误,则错误率E = a / m
  • 精度(accuracy):精度=1 - a / m ,即精度 = 1 - 错误率
  • 误差(error):学习器的预测输出与样本之间的差异 。其中:学习器在训练集上的误差称为"训练误差(training error)"或"经验误差(empirical error) ",在新样本上的误差称为"泛化误差(generalization error)"。

(二)过拟合、欠拟合

对于机器学习而言,泛化误差越小越好,但经验误差不一定越小越好,因为会出现"过拟合"问题,西瓜书中就有这样一个例子:

过拟合(overfitting):学习器在训练样本中表现得过于优越,导致在验证数据集以及测试数据集中表现不佳。

可能原因:

  1. 建模样本选取影响,如样本数量太少,选样方法错误,样本标签错误等,导致选取的样本数据不足以代表预定的分类规则;
  2. 样本噪音(无关影响因素)干扰,使得机器将部分噪音认为是特征从而扰乱了预设的分类规则;
  3. 参数太多,模型复杂度过高;

欠拟合(underfitting) :可能由于模型过于简单或特征量过少等原因,相对于过拟合,学习器对训练样本的一般性质尚未学好,不能很好地捕捉到数据特征。

二、评估方法

(一)评估总体的思路

在学习过程中,应尽量减少欠拟合或过拟合对模型的影响,选择泛化误差最小的模型。

泛化误差是无法直接获得的,因此会将数据分为训练集(training set)和测试集(testing set),训练集用于投喂给模型进行学习,而测试集用来"测试"所得到的模型对新样本的泛化能力,然后,以测试集上的"测试误差"(testing error)作为泛化误差的近似。

  • 评估方法的关键在于:怎么获得"测试集" (test set)
  • 此外可能有些地方会有"验证集"(validation set),验证集的存在一般是为了调节参数

(二)如何划分训练集和测试集

1.留出法

将训练集和测试集简单地37分或28分

注意事项:

  • 测试集和训练集在总体中独立同分布,如使用分层采样的方式进行数据划分
  • 测试集应该尽可能与训练集互斥
  • 通常进行若干次随机划分、重复实验评估取平均值最为评估结果
  • 测试集数量不能极端,太大或太小都不合适 ( 如: 1/5~1/3 如此划分)

代码实现:

如对于一个有监督学习,X 为原数据集(如顾客特征),y 为数据对应标签(是否购买某物品),可以使用 train_test_split() 函数进行数据集的划分:

python 复制代码
# Splitting the dataset into the Training set and Test set
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.25, random_state = 0)

函数详细用法参见:python机器学习 train_test_split()函数用法解析及示例 划分训练集和测试集 以鸢尾数据为例 入门级讲解-CSDN博客

2.k折交叉验证

k折交叉验证即将原本数据集分成 k 分,每次取其中一块当测试集,每次的测试结果平均值作为标准

这种方法可以通过 sklearn 中 model_selection 模块的 cross_val_score() 函数实现

例:先生成一个名为 "classifier" 的SVN模型,进行交叉验证后以其均值作为模型精度方差作估计误差

python 复制代码
# Fitting Kernel SVM to the Training set
from sklearn.svm import SVC
classifier = SVC(kernel = 'rbf', random_state = 0)
classifier.fit(X_train, y_train)

####################################
# Applying k-Fold Cross Validation #
####################################
from sklearn.model_selection import cross_val_score

#######################################################
# Split training set into 10 folds                    #
# 10折交叉验证,指定训练模型、数据集、数据标签、迭代次数  #
#######################################################
accuracies = cross_val_score(estimator = classifier, X = X_train, y = y_train, cv = 10)

accuracies.mean() # Get mean as accuracy of model performance
accuracies.std() # Get standard deviation to evaluate variance

亦有其他代码可实现,再此不多赘述

补充关于留一法:

直接将样本分成 m 分,每份一个样本,这样做不会受样本划分方式的影响,但在数据量大的情况下对算力有很高要求,结果也未必一定会更准确

3.自助法

该方法通常用于样本量较小的情况,对于含有 m 个数据的样本进行放回抽样,在进行 m 次后,有 36.8% 的样本是不会被取到的,这由以下这个高数中的重要极限得出

被取到的概率为 1/m,不被取到的概率为 1-1/m,进行 m 次抽取

注意事项:

  • 该方法在数据集较小且难以划分时使用
  • 会改变数据分布,引入误差

三、性能度量

旨在评价模型的准确度,衡量其泛化能力,实际中什么样的模型是"好"的,不仅取决于算法和数据, 还取决于任务需求

(一)均方误差

对于回归任务,最常用的是均方误差,公式如下:

(即:输出值减去实际值平方进行累加后取平均)

字母恐惧的伙伴也别急,这里有解释:

  • D:给定的样集D={(x1,y1),(x2,y2),...(xm,xm)},此处为实际的特征 x 和实际标签 y
  • m:样集中的样本个数
  • f:学习器/模型f
  • f(x):模型对于每个 x 输出的预测值
  • y:数据中每个 x 对应的实际标签

(二)错误率&精度

这两个指标十分易于理解,也在文章开头就做了介绍,总言之就是模型预测正确的样本及错误样本的占比

(三)查准率&查全率

又称准确率和召回率

上面这个图叫作混淆矩阵,在实际应用中很有用,先知道几个概念

  • 真正例(True Positive):实际结果为positive,模型预测结果也为positive
  • 假正例(False Positive):实际结果为negative,模型预测结果却为positive
  • 假反例(False Negative):实际结果为positive,模型预测结果却为negative
  • 真反例(True Positive):实际结果为negative,模型预测结果也为negative

这里的正反例 ,比如一个顾客购买了,可以说是正例,某疾病检测结果显示阴性(健康)也可以说是正例,真假 则是反应的模型输出结果与实际结果是否一致

此基础上有查准率与查全率公式:

换成人话理解即:

  • 查准率=预测正确的的正例 占所有预测结果为正例的比例,即所有 f(x) 中的准确率,反应所有预测为正例中正确样本的占比,看查的准不准

如模型预测100人购买,实际上只有75人购买,预测正确,则查准率为75%,有25%被错误地预测为购买

  • 查全率=预测正确的的正例 占所有实际为正例的比例,反应所有真实正例中被预测正确的占比,就是有没有把它们找出来,查的全不全

如模型预测100位顾客购买,实际上有125人购买,则查全率80%,有20%被错误地预测为未购买

由于FN与FP负相关,查准率和查全率是一对矛盾的度量,两者呈负相关趋势

(P-R图像)

阈值-PR图像,阈值越小要求低,精确度则越低,找的越全,反之同样道理)

阈值可以大致理解为找出正例的那个标准,关于这两指标的意义文章健康检测的例子举的非常好,可参考【机器学习】模型评估与选择(理论)_提高阈值,查准率查全率-CSDN博客

补充:

平衡点(Break-Event Point,简称 BEP):

是"查准率=查全率"时的取值。如右图中,学习器C的BEP是0.64,而基于BEP的比较,可认为学习器A优于B

模型性能比较:

实际上P-R曲线可以用来比较多个模型的效果,如上图中模型B在任何情况下PR值均比模型C高,效果就比模型C好,那对于模型A和B的比较:

  • 比较AB面积
  • 根据平衡点进行比较
  • 使用指标F1及Fβ

在 sklearn 中可用以下方法查看混淆矩阵:

假设已有预测结果 y_pred 与真实结果 y_test:

python 复制代码
print(y_test)
print('-------------------------------')
print(y_pred)

[0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0
 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1
 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1]

-------------------------------

[0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0
 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1]

可得到混淆矩阵:

python 复制代码
# Making the Confusion Matrix
from sklearn.metrics import confusion_matrix
cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)
cm

array([[65,  3],
       [ 8, 24]], dtype=int64)

(四)F1&Fβ

由于P与R各有侧重,F1实际上是查全率P与查准率R的加权平均,

则有:

在一些应用中,对查准率和查全率的重视程度有所不同,会对两者进行加权调和平均计算

对于β:

  • 𝛽 > 0:度量了查全率对查准率的相对重要性
  • 𝛽 = 1:为标准的 𝐹1
  • 𝛽 > 1 时查全率 R 有更大影响;𝛽 < 1 时查准率 P 有更大影响

上述问题主要对于单个二分类问题,对于多分类问题,除了直接使用某些算法,也可以看成 n 个二分类问题(one vs one 或 one vs rest),多个二分类问题会产生多个P值、R值,若要衡量总体效果,可以:

(1.先计算再求平均)

(2.先平均再计算)

法2即将多次分类得到的真正例真反例等等个数进行平均,再计算 F 值

(五)ROC&AUC

受试者特征曲线 ROC 由以下两部分构成:

TPR 真正利率 ,其实就是召回率**,** FPR 假正例率就是反例被错误地分成正例的比率

AUC 即 Area Under Curve,表示一条曲线下面的面积,ROC曲线的AUC值可以用来对模型进行评价。一个纯随机分类器 ROC 曲线下面积是等于 0.5的,可以以此判断一个模型效果如何

同一模型真正例预测出来的越多,假正例自然也会越多,因为总体预测为正例的数量多了

在有实际测试样例时,会得到如下图类似的图像

曲线的绘制过程:假设m﹢个正例与m﹣个反例,在得分排序后,阈值最大时所有样例都为反例,即 (0,0),接下来就是移动坐标连线:

每检测出一个真正例或假正例,则在对应轴上增加1/m﹢或1/m﹣,我们一般希望假正例率增加的越慢越好的

关于代价损失、代价敏感错误率与代价曲线部分内容理解还不够深刻,待日后涉及到了再补更

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