机器学习实战篇——肿瘤良性/恶性分类器（二元逻辑回归）

潮汐退涨月冷风霜2024-09-04 23:00

机器学习之实战篇------肿瘤良性/恶性分类器（二元逻辑回归）

前言

实验中难免有许多缺陷和错误，望批评指正！

如环境配置（jupyter notebook、模块不兼容）遇到问题，可参考传送门

数据集和实验文件下载

通过百度网盘分享的文件：肿瘤诊断.zip

链接：https://pan.baidu.com/s/1Q55Y71pEC4G51AFjfuJ18g?pwd=tmdt

提取码：tmdt

相关文章推荐

二元逻辑回归详细笔记可以看这篇，本实验中的核心内容在文章中均有详细解析：
机器学习之监督学习（二）二元逻辑回归

实验过程

导入相关模块

python 复制代码 
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from logistic_regression import *
import sklearn
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.metrics import accuracy_score,precision_score,recall_score,roc_auc_score,roc_curve,confusion_matrix,precision_recall_curve,f1_score,fbeta_score,auc
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.model_selection import cross_validate,train_test_split

其中logistic_regression.py是自己编写的模块，主要包括两部分内容：

①手动二元逻辑回归(正则化+批量梯度下降)实现代码；

②分类模型效果评估，输出多个评价指标（包括准确率、精确率、召回率、f1_score、fbeta_score、P-R曲线图，ROC曲线，AUC值）

内容如下：

python 复制代码 
import numpy as np
from math import exp

#预测函数
def logistic_predict(X, w, b,sigma=0.5):
    #simga:阈值,默认值0.5
    #p:预测的概率向量,y_pred:预测的类别向量
    m = X.shape[0]
    y_pred = np.zeros(m)
    p=np.zeros(m)
    for i in range(m):
        z_i = np.dot(X[i], w) + b
        y_pred[i] = sigmoid(z_i) >= sigma  # 
        p[i]=sigmoid(z_i)
    return p,y_pred


# sigmoid函数
def sigmoid(z):
    return 1 / (1 + exp(-z))


# 计算代价的函数（引入正则化）
def get_cost_logistic(X, y, w, b, lamb):
    m = X.shape[0]
    cost = 0.0
    for i in range(m):
        z_i = np.dot(X[i], w) + b
        f_wb_i = sigmoid(z_i)
        cost += -y[i] * np.log(f_wb_i) - (1 - y[i]) * np.log(1 - f_wb_i)
    cost = cost / m
    # 添加正则化项
    reg_cost = (lamb / (2 * m)) * np.sum(np.square(w))
    cost += reg_cost
    return cost


# 计算梯度的函数（引入正则化）
def get_gradient(X, y, w, b, lamb):
    m, n = X.shape
    dj_dw = np.zeros((n,))
    dj_db = 0
    for i in range(m):
        error = sigmoid(np.dot(X[i, :], w) + b) - y[i]
        dj_db += error
        for j in range(n):
            dj_dw[j] += (error * X[i, j])

    # 平均梯度
    dj_db /= m
    dj_dw /= m

    # 添加正则化项的梯度
    dj_dw += (lamb / m) * w
    return dj_dw, dj_db

# 批量梯度下降函数
def gradient_descent(X, y, w_in, b_in, alpha=0.01, lamb=0.01, iters=1000, batch_size=32):
    '''
    Args:
    X:特征矩阵
    y:目标向量
    w_in:初始权重向量
    b_in:初始偏置值
    alpha:学习率，默认0.01
    lamb:正则化系数，默认0.01
    iters:梯度下降迭代次数，默认1000
    batch_size：随机梯度下降批量，默认32

    Outputs:
    w:训练好的权重向量
    b:训练好的偏置值
    p:训练中最后的输出概率向量
    y_hat:训练中最后的输出类别向量
    cost_his:记录训练过程中的代价历史
    '''
    m = X.shape[0]
    w = w_in
    b = b_in
    cost_his = []

    for i in range(iters):
        # 随机选择batch_size的数据
        indices = np.random.choice(m, batch_size, replace=False)
        X_batch = X[indices]
        y_batch = y[indices]

        dj_dw, dj_db = get_gradient(X_batch, y_batch, w, b, lamb)
        w = w - dj_dw * alpha
        b = b - dj_db * alpha
        cost_his.append(get_cost_logistic(X, y, w, b, lamb))  # 计算整个数据集的代价

        if (i) % (iters / 10) == 0:
            print(f'iteration: {i}, cost: {cost_his[i]}')

    print(f'final w: {w}, b: {b}')
    p,y_hat=logistic_predict(X,w,b)
    return w, b,p, y_hat,cost_his

#绘制P-R曲线函数
def plot_precision_recall_curve(y_train,y_score):
    # 计算精确率和召回率
    _precision, _recall, thresholds = precision_recall_curve(y_train, y_score)

    # 绘制精确率-召回率曲线
    plt.figure(figsize=(8, 6))
    plt.plot(_recall, _precision, color='blue')
    plt.xlabel('召回率 (Recall)')
    plt.ylabel('精确率 (Precision)')
    plt.title('Precision-Recall Curve')
    plt.show()

#绘制roc曲线图的函数
def plot_roc_curve(y_train,y_score):
    # 计算 ROC 曲线
    fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_train, y_score)

    # 计算 AUC
    roc_auc = auc(fpr, tpr)

    # 绘制 ROC 曲线
    plt.figure(figsize=(8, 6))
    plt.plot(fpr, tpr, color='blue', label=f'ROC Curve (AUC = {roc_auc:.2f})')
    plt.plot([0, 1], [0, 1], color='red', linestyle='--')  # 对角线
    plt.xlim([0.0, 1.0])
    plt.ylim([0.0, 1.0])
    plt.xlabel('假阳性率 (False Positive Rate)')
    plt.ylabel('真阳性率 (True Positive Rate)')
    plt.title('Receiver Operating Characteristic (ROC) Curve')
    plt.legend(loc='lower right')
    plt.grid()
    plt.show()

    return roc_auc


#分类效果评价，输出多个评价指标（包括准确率、精确率、召回率、f1_score、fbeta_score、P-R曲线图，ROC曲线，AUC值）
def judge_classification(y_target,y_predicted,y_score):
    '''
    Args:
    y_target:目标向量
    y_predicted:预测类别向量
    y_score:预测概率向量
    '''
    option=int(input('是否设置fbeta_score,1-yes,0-no'))
    if option:
        beta=int(input('输入beta:'))
    else:
        beta=1
        
    #计算相关指标
    accuracy = accuracy_score(y_target, y_predicted)
    confusion_Matrix=confusion_matrix(y_target, y_predicted)
    precision = precision_score(y_target, y_predicted)
    recall = recall_score(y_target, y_predicted)
    F1_score=f1_score(y_target, y_predicted)
    fBeta_score=fbeta_score(y_target,y_predicted,beta)
    AUC=roc_auc_score(y_target,y_score)
    
    # 打印结果
    print(f"准确率 (Accuracy): {accuracy:.4f}")
    print(f'混淆矩阵(Confusion Matrix):{confusion_Matrix}')
    print(f"精确率 (Precision): {precision:.4f}")
    print(f"召回率 (Recall): {recall:.4f}")
    print(f'f1 score:{F1_score:.4f}')
    if option:
        print(f'fbeta score:{fBeta_score:4f}')

    print('P-R曲线图如下:')
    plot_precision_recall_curve(y_target,y_score)
    print('roc曲线图如下:')
    plot_roc_curve(y_target,y_score)
    print(f'roc_auc_score:{AUC:4f}')

除此外，为了绘图中正确显示中文和负号，需要进行预配置：

python 复制代码 
# 设置中文字体
import matplotlib
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'SimHei'  # 或者 'Microsoft YaHei'
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决负号 '-'

数据预处理

使用pandas的read_excel函数读入数据集，由于原文件中已经将良性和恶性肿瘤的数据分隔开，因此先使用sample函数进行随机打乱，frac=1表示按行打乱

python 复制代码 
data=pd.read_excel('datasets/肿瘤数据.xlsx',sheet_name='Sheet1').sample(frac=1,random_state=42)

查看数据前五行

python 复制代码 
data.head()

查看数据总结信息

python 复制代码 
data.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
Index: 675 entries, 396 to 102
Data columns (total 11 columns):
 #   Column                          Non-Null Count  Dtype 
---  ------                          --------------  ----- 
 0   id                              675 non-null    int64 
 1   Clump Thickness                 675 non-null    int64 
 2   Uniformity of Cell Size         675 non-null    int64 
 3   Uniformity of Cell Shape        675 non-null    int64 
 4   Marginal Adhesion               675 non-null    int64 
 5   Single Epithelial Cell Size     675 non-null    int64 
 6   Bare Nuclei                     675 non-null    object
 7   Bland Chromatin                 675 non-null    int64 
 8   Normal Nucleoli                 675 non-null    int64 
 9   Mitoses                         675 non-null    int64 
 10  Class                           675 non-null    object
dtypes: int64(9), object(2)
memory usage: 63.3+ KB

可以发现第6列数据类型为object，说明有异常数值，需要进行数据清洗

数据清洗，'Bare nuclei'一列中有缺失数据，用'？'表示，将存在缺失数据的行删除，并将该列数据类型调整为int

python 复制代码 
data['Bare Nuclei']=data['Bare Nuclei'].astype('string')
cond=(data['Bare Nuclei']!='?')
data=data[cond]
data['Bare Nuclei']=data['Bare Nuclei'].astype('int')

观察到id并非有用特征，因此将编号列设为索引

python 复制代码 
data.set_index('id',drop=True,inplace=True)

提取特征和目标部分

python 复制代码 
X_=data.iloc[:,:-1]
y_=data.iloc[:,-1]

分割数据集（训练集:测试集=7:3）{此实验中不设置验证集}

python 复制代码 
X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X_,y_,test_size=0.3)
print(X_train.shape)
print(y_train.shape)
print(X_test.shape)
print(y_test.shape)
(462, 9)
(462,)
(199, 9)
(199,)

特征缩放，使用sklearn.preprocessing的标准化模块，注意这里的数据集由Dataframe直接转化为ndarray类型

python 复制代码 
scaler=StandardScaler()
X_s=scaler.fit_transform(X_)
X_train_s=scaler.fit_transform(X_train)
X_test_s=scaler.fit_transform(X_test)

输出编码：1-恶性，0-良性，使用map映射函数，传入转化字典

python 复制代码 
y_train=y_train.map({'良性':0,'恶性':1}).values
y_test=y_test.map({'良性':0,'恶性':1}).values
y_=y_.map({'良性':0,'恶性':1}).values

对另外的预测数据集（无标签）做同样的处理

python 复制代码 
#读入文件
data_predicted=pd.read_excel('datasets/肿瘤测试数据.xlsx',sheet_name='Sheet1')
#标签列作为索引
data_predicted.set_index('id',drop=True,inplace=True)
X_predicted=data_predicted.iloc[:,:-1]
#用该列均值填充缺失值
X_predicted.replace('?',np.nan,inplace=True)
X_predicted['Bare Nuclei']=X_predicted['Bare Nuclei'].fillna(X_test['Bare Nuclei'].mean())
#特征缩放
X_predicted_s=scaler.fit_transform(X_predicted)
X_predicted_s

手写二元逻辑回归模型（小批量梯度下降）

获取训练集大小，初始化权重向量和偏置值

python 复制代码 
m,n=X_train_s.shape
w_in=np.zeros(n)
b_in=0

调用手写训练函数开始训练，其中学习率和正则化系数采用默认值0.01，梯度下降批量也采用默认值32，迭代次数设置10000次

python 复制代码 
%%time
w1,b1,p_train,y_train_hat,his=gradient_descent(X_train_s,y_train,w_in,b_in,iters=10000)
iteration: 0, cost: 0.6835531909218033
iteration: 1000, cost: 0.09561179284006076
iteration: 2000, cost: 0.08143988852386196
iteration: 3000, cost: 0.07602179037731364
iteration: 4000, cost: 0.07297962427710258
iteration: 5000, cost: 0.07104092210035404
iteration: 6000, cost: 0.06952930739554782
iteration: 7000, cost: 0.06836304664921707
iteration: 8000, cost: 0.0674995109940224
iteration: 9000, cost: 0.0668178167569174
final w: [1.45252021 0.53480326 0.76912313 0.661257   0.15524646 1.3456865
 0.90781468 0.86672594 0.80311382], b: -0.7663124236956939
CPU times: total: 25.5 s
Wall time: 1min 33s

绘制学习曲线cost-iteration

python 复制代码 
plt.plot(his)

查看训练效果，各种指标的意义请参考机器学习之监督学习（二）二元逻辑回归，输出图可在实验文件中查看。

python 复制代码 
judge_classification(y_train,y_train_hat,p_train)
是否设置fbeta_score,1-yes,0-no 1
输入beta: 2
C:\Users\21316\.conda\envs\ai\lib\site-packages\sklearn\utils\validation.py:70: FutureWarning: Pass beta=2 as keyword args. From version 1.0 (renaming of 0.25) passing these as positional arguments will result in an error
  warnings.warn(f"Pass {args_msg} as keyword args. From version "
准确率 (Accuracy): 0.9762
混淆矩阵(Confusion Matrix):[[294   4]
 [  7 157]]
精确率 (Precision): 0.9752
召回率 (Recall): 0.9573
f1 score:0.9662
fbeta score:0.960832
P-R曲线图如下:
roc曲线图如下:
推荐阈值0.30989255200204613
roc_auc_score:0.997299

可以看到分类效果还是相当不错的，只有4个假阳性，7个假阴性(从混淆矩阵中看出)。笔者考虑召回率：精准率的权重β=2理由是:个人认为，相比于避免良性肿瘤被误诊为恶性肿瘤，希望更多的恶性肿瘤患者被成功诊断，因此看重召回率，采用f2_score。训练集中的f2_score为0.961，auc=0.997。同时推荐了阈值0.3，我们再测试一下阈值为0.3时的效果。

python 复制代码 
y_train_hat_=(p_train>0.3)
judge_classification(y_train,y_train_hat_,p_train)
是否设置fbeta_score,1-yes,0-no 1
输入beta: 2
C:\Users\21316\.conda\envs\ai\lib\site-packages\sklearn\utils\validation.py:70: FutureWarning: Pass beta=2 as keyword args. From version 1.0 (renaming of 0.25) passing these as positional arguments will result in an error
  warnings.warn(f"Pass {args_msg} as keyword args. From version "
准确率 (Accuracy): 0.9805
混淆矩阵(Confusion Matrix):[[290   8]
 [  1 163]]
精确率 (Precision): 0.9532
召回率 (Recall): 0.9939
f1 score:0.9731
fbeta score:0.985490
P-R曲线图如下:
roc曲线图如下:
推荐阈值0.30989255200204613
roc_auc_score:0.997299

f2_score提升到了0.9855，显然模型能力得到了提升，因此0.3是更适合这个肿瘤分类器的阈值

再检验手写模型在测试集中表现

python 复制代码 
p_test,y_test_hat=logistic_predict(X_test_s,w1,b1,0.3)
judge_classification(y_test,y_test_hat,p_test)
是否设置fbeta_score,1-yes,0-no 1
输入beta: 2
C:\Users\21316\.conda\envs\ai\lib\site-packages\sklearn\utils\validation.py:70: FutureWarning: Pass beta=2 as keyword args. From version 1.0 (renaming of 0.25) passing these as positional arguments will result in an error
  warnings.warn(f"Pass {args_msg} as keyword args. From version "
准确率 (Accuracy): 0.9648
混淆矩阵(Confusion Matrix):[[125   5]
 [  2  67]]
精确率 (Precision): 0.9306
召回率 (Recall): 0.9710
f1 score:0.9504
fbeta score:0.962644
P-R曲线图如下:
roc曲线图如下:
推荐阈值0.19691750268862288
roc_auc_score:0.994426

总结一下手写模型：

train（σ=0.5） train（σ=0.3） test （σ=0.3）
ACC 0.963 0.980 0.965
Precision 0.975 0.953 0.931
Recall 0.957 0.993 0.971
f1_score 0.966 0.973 0.950
f2_score 0.961 0.985 0.962
auc 0.997 0.997 0.994

sklearn逻辑回归器

#创建逻辑回归分类器，拟合数据，predict输出预测类别向量，predict_proba输出预测概率向量，采用默认阈值0.5

python 复制代码 
LR=LogisticRegression()
LR.fit(X_train_s,y_train)
y_train_S=LR.predict(X_train_s)
p_train_S=LR.predict_proba(X_train_s)[:,1]

检验训练效果

python 复制代码 
judge_classification(y_train,y_train_S,p_train_S)
是否设置fbeta_score,1-yes,0-no 1
输入beta: 2
C:\Users\21316\.conda\envs\ai\lib\site-packages\sklearn\utils\validation.py:70: FutureWarning: Pass beta=2 as keyword args. From version 1.0 (renaming of 0.25) passing these as positional arguments will result in an error
  warnings.warn(f"Pass {args_msg} as keyword args. From version "
准确率 (Accuracy): 0.9740
混淆矩阵(Confusion Matrix):[[293   5]
 [  7 157]]
精确率 (Precision): 0.9691
召回率 (Recall): 0.9573
f1 score:0.9632
fbeta score:0.959658
P-R曲线图如下:
roc曲线图如下:
推荐阈值0.2884938390167448
roc_auc_score:0.997626

测试

python 复制代码 
y_test_S=LR.predict(X_test_s)
p_test_S=LR.predict_proba(X_test_s)[:,1]
judge_classification(y_test,y_test_S,p_test_S)
是否设置fbeta_score,1-yes,0-no 1
输入beta: 2
C:\Users\21316\.conda\envs\ai\lib\site-packages\sklearn\utils\validation.py:70: FutureWarning: Pass beta=2 as keyword args. From version 1.0 (renaming of 0.25) passing these as positional arguments will result in an error
  warnings.warn(f"Pass {args_msg} as keyword args. From version "
准确率 (Accuracy): 0.9648
混淆矩阵(Confusion Matrix):[[125   5]
 [  2  67]]
精确率 (Precision): 0.9306
召回率 (Recall): 0.9710
f1 score:0.9504
fbeta score:0.962644
P-R曲线图如下:
roc曲线图如下:
推荐阈值0.1641399332130378
roc_auc_score:0.994091

可以看出sklearn逻辑回归器的测试效果和我们手写模型几项指标几乎相等，因此两个模型性能相当。在实验文件中还对另一个无标签数据集进行预测，两个模型预测结果一样，读者可以打开实验文件查看。

最后对整个测试集进行10折交叉验证，可以看到准确率达到0.967

python 复制代码 
k = 10  # 设定折数
cv_scores = cross_validate(LR, X_s, y_, cv=k, scoring=['precision','recall','accuracy'])

print(f"{k}-折交叉验证的平均精准率: {np.mean(cv_scores['test_precision']):.4f}")
print(f"{k}-折交叉验证的平均召回率: {np.mean(cv_scores['test_recall']):.4f}")
print(f"{k}-折交叉验证的平均准确率: {np.mean(cv_scores['test_accuracy']):.4f}")
10-折交叉验证的平均精准率: 0.9579
10-折交叉验证的平均召回率: 0.9486
10-折交叉验证的平均准确率: 0.9667

对比matlab工具箱中各个分类器的交叉验证结果，可以看出我们设计的分类器效果可以名列前茅，相当不戳。

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