机器学习sklearn 以及流程方法
在机器学习和数据挖掘的应用中，scikit-learn是一个功能强大的python包。在数据量不是过大的情况下，可以解决大部分问题。学习使用scikit-learn的过程中，我自己也在补充着机器学习和数据挖掘的知识。这里根据自己学习sklearn的经验，我做一个总结的笔记。另外，我也想把这篇笔记一直更新下去。
1 scikit-learn基础介绍
1.1 估计器（Estimator）
估计器，很多时候可以直接理解成分类器，主要包含两个函数：
- fit()：训练算法，设置内部参数。接收训练集和类别两个参数。
- predict()：预测测试集类别，参数为测试集。
大多数scikit-learn估计器接收和输出的数据格式均为numpy数组或类似格式。
1.2 转换器（Transformer）
转换器用于数据预处理和数据转换，主要是三个方法：
- fit()：训练算法，设置内部参数。
- transform()：数据转换。
- fit_transform()：合并fit和transform两个方法。
1.3 流水线（Pipeline）
sklearn.pipeline包
流水线的功能：
- 跟踪记录各步骤的操作（以方便地重现实验结果）
- 对各步骤进行一个封装
- 确保代码的复杂程度不至于超出掌控范围
基本使用方法
流水线的输入为一连串的数据挖掘步骤，其中最后一步必须是估计器，前几步是转换器。输入的数据集经过转换器的处理后，输出的结果作为下一步的输入。最后，用位于流水线最后一步的估计器对数据进行分类。
每一步都用元组（ ‘名称’，步骤）来表示。现在来创建流水线。
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1
2
3
4
|
scaling_pipeline
=
Pipeline
(
[
(
'scale'
,
MinMaxScaler
(
)
)
,
(
'predict'
,
KNeighborsClassifier
(
)
)
]
)
|
1.4 预处理
主要在sklearn.preprcessing包下。
规范化：
- MinMaxScaler :最大最小值规范化
- Normalizer :使每条数据各特征值的和为1
- StandardScaler :为使各特征的均值为0，方差为1
编码：
- LabelEncoder ：把字符串类型的数据转化为整型
- OneHotEncoder ：特征用一个二进制数字来表示
- Binarizer :为将数值型特征的二值化
- MultiLabelBinarizer：多标签二值化
1.5 特征
1.5.1 特征抽取
包：sklearn.feature_extraction
特征抽取是数据挖掘任务最为重要的一个环节，一般而言，它对最终结果的影响要高过数据挖掘算法本身。只有先把现实用特征表示出来，才能借助数据挖掘的力量找到问题的答案。特征选择的另一个优点在于：降低真实世界的复杂度，模型比现实更容易操纵。
一般最常使用的特征抽取技术都是高度针对具体领域的，对于特定的领域，如图像处理，在过去一段时间已经开发了各种特征抽取的技术，但这些技术在其他领域的应用却非常有限。
- DictVectorizer： 将dict类型的list数据，转换成numpy array
- FeatureHasher ： 特征哈希，相当于一种降维技巧
- image：图像相关的特征抽取
- text： 文本相关的特征抽取
- text.CountVectorizer：将文本转换为每个词出现的个数的向量
- text.TfidfVectorizer：将文本转换为tfidf值的向量
- text.HashingVectorizer：文本的特征哈希
示例
CountVectorize只数出现个数
TfidfVectorizer：个数+归一化（不包括idf）
1.5.2 特征选择
包：sklearn.feature_selection
特征选择的原因如下：
(1)降低复杂度
(2)降低噪音
(3)增加模型可读性
- VarianceThreshold： 删除特征值的方差达不到最低标准的特征
- SelectKBest： 返回k个最佳特征
- SelectPercentile： 返回表现最佳的前r%个特征
单个特征和某一类别之间相关性的计算方法有很多。最常用的有卡方检验（χ2）。其他方法还有互信息和信息熵。
- chi2： 卡方检验（χ2）
1.6 降维
包：sklearn.decomposition
- 主成分分析算法（Principal Component Analysis， PCA）的目的是找到能用较少信息描述数据集的特征组合。它意在发现彼此之间没有相关性、能够描述数据集的特征，确切说这些特征的方差跟整体方差没有多大差距，这样的特征也被称为主成分。这也就意味着，借助这种方法，就能通过更少的特征捕获到数据集的大部分信息。
1.7 组合
包：sklearn.ensemble
组合技术即通过聚集多个分类器的预测来提高分类准确率。
常用的组合分类器方法：
(1)通过处理训练数据集。即通过某种抽样分布，对原始数据进行再抽样，得到多个训练集。常用的方法有装袋（bagging）和提升（boosting）。
(2)通过处理输入特征。即通过选择输入特征的子集形成每个训练集。适用于有大量冗余特征的数据集。随机森林（Random forest）就是一种处理输入特征的组合方法。
(3)通过处理类标号。适用于多分类的情况，将类标号随机划分成两个不相交的子集，再把问题变为二分类问题，重复构建多次模型，进行分类投票。
- BaggingClassifier： Bagging分类器组合
- BaggingRegressor： Bagging回归器组合
- AdaBoostClassifier： AdaBoost分类器组合
- AdaBoostRegressor： AdaBoost回归器组合
- GradientBoostingClassifier：GradientBoosting分类器组合
- GradientBoostingRegressor： GradientBoosting回归器组合
- ExtraTreeClassifier：ExtraTree分类器组合
- ExtraTreeRegressor： ExtraTree回归器组合
- RandomTreeClassifier：随机森林分类器组合
- RandomTreeRegressor： 随机森林回归器组合
使用举例
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1
2
3
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AdaBoostClassifier
(
DecisionTreeClassifier
(
max_depth
=
1
)
,
algorithm
=
"SAMME"
,
n_estimators
=
200
)
|
解释
装袋（bagging）：根据均匀概率分布从数据集中重复抽样（有放回），每个自助样本集和原数据集一样大，每个自助样本集含有原数据集大约63%的数据。训练k个分类器，测试样本被指派到得票最高的类。
提升（boosting）：通过给样本设置不同的权值，每轮迭代调整权值。不同的提升算法之间的差别，一般是（1）如何更新样本的权值，（2）如何组合每个分类器的预测。其中Adaboost中，样本权值是增加那些被错误分类的样本的权值，分类器C_i的重要性依赖于它的错误率。
Boosting主要关注降低偏差，因此Boosting能基于泛化性能相当弱的学习器构建出很强的集成；Bagging主要关注降低方差，因此它在不剪枝的决策树、神经网络等学习器上效用更为明显。偏差指的是算法的期望预测与真实预测之间的偏差程度，反应了模型本身的拟合能力；方差度量了同等大小的训练集的变动导致学习性能的变化，刻画了数据扰动所导致的影响。
1.8 模型评估（度量）
包：sklearn.metrics
sklearn.metrics包含评分方法、性能度量、成对度量和距离计算。
分类结果度量
参数大多是y_true和y_pred。
- accuracy_score：分类准确度
- condusion_matrix ：分类混淆矩阵
- classification_report：分类报告
- precision_recall_fscore_support：计算精确度、召回率、f、支持率
- jaccard_similarity_score：计算jcaard相似度
- hamming_loss：计算汉明损失
- zero_one_loss：0-1损失
- hinge_loss：计算hinge损失
- log_loss：计算log损失
其中，F1是以每个类别为基础进行定义的，包括两个概念：准确率（precision）和召回率（recall）。准确率是指预测结果属于某一类的个体，实际属于该类的比例。召回率是被正确预测为某类的个体，与数据集中该类个体总数的比例。F1是准确率和召回率的调和平均数。
回归结果度量
- explained_varicance_score：可解释方差的回归评分函数
- mean_absolute_error：平均绝对误差
- mean_squared_error：平均平方误差
多标签的度量
- coverage_error：涵盖误差
- label_ranking_average_precision_score：计算基于排名的平均误差Label ranking average precision (LRAP)
聚类的度量
- adjusted_mutual_info_score：调整的互信息评分
- silhouette_score：所有样本的轮廓系数的平均值
- silhouette_sample：所有样本的轮廓系数
1.9 交叉验证
包：sklearn.cross_validation
- KFold：K-Fold交叉验证迭代器。接收元素个数、fold数、是否清洗
- LeaveOneOut：LeaveOneOut交叉验证迭代器
- LeavePOut：LeavePOut交叉验证迭代器
- LeaveOneLableOut：LeaveOneLableOut交叉验证迭代器
- LeavePLabelOut：LeavePLabelOut交叉验证迭代器
LeaveOneOut(n) 相当于 KFold(n, n_folds=n) 相当于LeavePOut(n, p=1)。
LeaveP和LeaveOne差别在于leave的个数，也就是测试集的尺寸。LeavePLabel和LeaveOneLabel差别在于leave的Label的种类的个数。
LeavePLabel这种设计是针对可能存在第三方的Label，比如我们的数据是一些季度的数据。那么很自然的一个想法就是把1,2,3个季度的数据当做训练集，第4个季度的数据当做测试集。这个时候只要输入每个样本对应的季度Label，就可以实现这样的功能。
以下是实验代码，尽量自己多实验去理解。
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#coding=utf-8
import
numpy
as
np
import
sklearnfrom
sklearn
import
cross
_validation
X
=
np
.
array
(
[
[
1
,
2
]
,
[
3
,
4
]
,
[
5
,
6
]
,
[
7
,
8
]
,
[
9
,
10
]
]
)
y
=
np
.
array
(
[
1
,
2
,
1
,
2
,
3
]
)
def
show_cross_val
(
method
)
:
if
method
==
"lolo"
:
labels
=
np
.
array
(
[
"summer"
,
"winter"
,
"summer"
,
"winter"
,
"spring"
]
)
cv
=
cross_validation
.
LeaveOneLabelOut
(
labels
)
elif
method
==
'lplo'
:
labels
=
np
.
array
(
[
"summer"
,
"winter"
,
"summer"
,
"winter"
,
"spring"
]
)
cv
=
cross_validation
.
LeavePLabelOut
(
labels
,
p
=
2
)
elif
method
==
'loo'
:
cv
=
cross_validation
.
LeaveOneOut
(
n
=
len
(
y
)
)
elif
method
==
'lpo'
:
cv
=
cross_validation
.
LeavePOut
(
n
=
len
(
y
)
,
p
=
3
)
for
train_index
,
test_index
in
cv
:
print
(
"TRAIN:"
,
train_index
,
"TEST:"
,
test_index
)
X_train
,
X_test
=
X
[
train_index
]
,
X
[
test_index
]
y_train
,
y_test
=
y
[
train_index
]
,
y
[
test_index
]
print
"X_train: "
,
X_train
print
"y_train: "
,
y_train
print
"X_test: "
,
X_test
print
"y_test: "
,
y_test
if
__name__
==
'__main__'
:
show_cross_val
(
"lpo"
)
|
常用方法
- train_test_split：分离训练集和测试集（不是K-Fold）
- cross_val_score：交叉验证评分，可以指认cv为上面的类的实例
- cross_val_predict：交叉验证的预测。
1.10 网格搜索
包：sklearn.grid_search
网格搜索最佳参数
- GridSearchCV：搜索指定参数网格中的最佳参数
- ParameterGrid：参数网格
- ParameterSampler：用给定分布生成参数的生成器
- RandomizedSearchCV：超参的随机搜索
通过best_estimator_.get_params()方法，获取最佳参数。
1.11 多分类、多标签分类
包：sklearn.multiclass
- OneVsRestClassifier：1-rest多分类（多标签）策略
- OneVsOneClassifier：1-1多分类策略
- OutputCodeClassifier：1个类用一个二进制码表示
示例代码
12345678910111213141516171819202122232425262728293031#coding=utf-8from sklearn import metricsfrom sklearn import cross_validationfrom sklearn . svm import SVCfrom sklearn . multiclass import OneVsRestClassifierfrom sklearn . preprocessing import MultiLabelBinarizerimport numpy as npfrom numpy import randomX = np . arange ( 15 ) . reshape ( 5 , 3 )y = np . arange ( 5 )Y_1 = np . arange ( 5 )random . shuffle ( Y_1 )Y_2 = np . arange ( 5 )random . shuffle ( Y_2 )Y = np . c_ [ Y_1 , Y_2 ]def multiclassSVM ( ) :X_train , X_test , y_train , y_test = cross_validation . train_test_split ( X , y , test_size = 0.2 , random_state = 0 )model = OneVsRestClassifier ( SVC ( ) )model . fit ( X_train , y_train )predicted = model . predict ( X_test )print predicteddef multilabelSVM ( ) :Y_enc = MultiLabelBinarizer ( ) . fit_transform ( Y )X_train , X_test , Y_train , Y_test = cross_validation . train_test_split ( X , Y_enc , test_size = 0.2 , random_state = 0 )model = OneVsRestClassifier ( SVC ( ) )model . fit ( X_train , Y_train )predicted = model . predict ( X_test )print predictedif __name__ == '__main__' :multiclassSVM ( )# multilabelSVM()
上面的代码测试了svm在OneVsRestClassifier的包装下，分别处理多分类和多标签的情况。特别注意，在多标签的情况下，输入必须是二值化的。所以需要MultiLabelBinarizer()先处理。
2 具体模型
2.1 朴素贝叶斯（Naive Bayes）
包：sklearn.cross_validation
朴素贝叶斯的特点是分类速度快，分类效果不一定是最好的。
- GasussianNB：高斯分布的朴素贝叶斯
- MultinomialNB：多项式分布的朴素贝叶斯
- BernoulliNB：伯努利分布的朴素贝叶斯
所谓使用什么分布的朴素贝叶斯，就是假设P(x_i|y)是符合哪一种分布，比如可以假设其服从高斯分布，然后用最大似然法估计高斯分布的参数。
3 scikit-learn扩展
3.0 概览
具体的扩展，通常要继承sklearn.base包下的类。
- BaseEstimator： 估计器的基类
- ClassifierMixin ：分类器的混合类
- ClusterMixin：聚类器的混合类
- RegressorMixin ：回归器的混合类
- TransformerMixin ：转换器的混合类
关于什么是Mixin（混合类），具体可以看这个知乎链接。简单地理解，就是带有实现方法的接口，可以将其看做是组合模式的一种实现。举个例子，比如说常用的TfidfTransformer，继承了BaseEstimator， TransformerMixin，因此它的基本功能就是单一职责的估计器和转换器的组合。
3.1 创建自己的转换器
在特征抽取的时候，经常会发现自己的一些数据预处理的方法，sklearn里可能没有实现，但若直接在数据上改，又容易将代码弄得混乱，难以重现实验。这个时候最好自己创建一个转换器，在后面将这个转换器放到pipeline里，统一管理。
例如《Python数据挖掘入门与实战》书中的例子，我们想接收一个numpy数组，根据其均值将其离散化，任何高于均值的特征值替换为1，小于或等于均值的替换为0。