准确度的陷阱与混淆矩阵

准确度的陷阱与混淆矩阵

import numpy as np

def confusion_matrix(y_true, y_predict):

    '''

    构建二分类的混淆矩阵,并将其返回

    :param y_true: 真实类别,类型为ndarray

    :param y_predict: 预测类别,类型为ndarray

    :return: shape为(2, 2)的ndarray

    '''

    #********* Begin *********#

    def TN(y_true, y_predict):

        return np.sum((y_true == 0) & (y_predict == 0))

    def FP(y_true, y_predict):

        return np.sum((y_true == 0) & (y_predict == 1))

    def FN(y_true, y_predict):

        return np.sum((y_true == 1) & (y_predict == 0))

    def TP(y_true, y_predict):

        return np.sum((y_true == 1) & (y_predict == 1))

    return np.array([

        [TN(y_true, y_predict), FP(y_true, y_predict)],

        [FN(y_true, y_predict), TP(y_true, y_predict)]

    ])

    #********* End *********#

第7关:精准率与召回率

import numpy as np

def precision_score(y_true, y_predict):

    '''

    计算精准率并返回

    :param y_true: 真实类别,类型为ndarray

    :param y_predict: 预测类别,类型为ndarray

    :return: 精准率,类型为float

    '''

    #********* Begin *********#

    def TP(y_true, y_predict):

        return np.sum((y_true ==1)&(y_predict == 1))

    def FP(y_true,y_predict):

        return np.sum((y_true ==0)&(y_predict==1))

    tp =TP(y_true, y_predict)

    fp =FP(y_true, y_predict)

    try:

        return tp /(tp+fp)

    except:

        return 0.0

    #********* End *********#

def recall_score(y_true, y_predict):

    '''

    计算召回率并召回

    :param y_true: 真实类别,类型为ndarray

    :param y_predict: 预测类别,类型为ndarray

    :return: 召回率,类型为float

    '''

    #********* Begin *********#

    def FN(y_true, y_predict):

        return np.sum((y_true ==1)&(y_predict == 0))

    def TP(y_true,y_predict):

        return np.sum((y_true ==1)&(y_predict==1))

    fn =FN(y_true, y_predict)

    tp =TP(y_true, y_predict)

    try:

        return tp /(tp+fn)

    except:

        return 0.0

    #********* End *********#

第8关:F1 Score

import numpy as np

def f1_score(precision, recall):

    '''

    计算f1 score并返回

    :param precision: 模型的精准率,类型为float

    :param recall: 模型的召回率,类型为float

    :return: 模型的f1 score,类型为float

    '''

    #********* Begin *********#

    try:

        return 2*precision*recall / (precision+recall)

    except:

        return 0.0

    #********* End ***********#

第9关:ROC曲线与AUC

import numpy as np

def calAUC(prob, labels):

    '''

    计算AUC并返回

    :param prob: 模型预测样本为Positive的概率列表,类型为ndarray

    :param labels: 样本的真实类别列表,其中1表示Positive,0表示Negtive,类型为ndarray

    :return: AUC,类型为float

    '''

    #********* Begin *********#

    a= list(zip(prob,labels))

    rank =[values2 for values1,values2 in sorted(a, key=lambda x:x[0])]

    rankList=[i+1 for i in range(len(rank))if rank[i] ==1]

    posNum =0

    negNum =0

    for i in range(len(labels)):

        if(labels[i]==1):

            posNum+=1

        else:

            negNum+=1

    auc= (sum(rankList)-(posNum*(posNum+1))/2)/(posNum*negNum)

    return auc       

    #********* End *********#

第10关:sklearn中的分类性能指标

from sklearn.metrics import accuracy_score, precision_score, recall_score, f1_score, roc_auc_score

def classification_performance(y_true, y_pred, y_prob):

    '''

    返回准确度、精准率、召回率、f1 Score和AUC

    :param y_true:样本的真实类别,类型为`ndarray`

    :param y_pred:模型预测出的类别,类型为`ndarray`

    :param y_prob:模型预测样本为`Positive`的概率,类型为`ndarray`

    :return:

    '''

    #********* Begin *********#

    return accuracy_score(y_true, y_pred),precision_score(y_true, y_pred),recall_score(y_true, y_pred),f1_score(y_true, y_pred),roc_auc_score(y_true, y_prob)

    #********* End *********#


2关:线性回归的正规方程解

 

#encoding=utf8 

import numpy as np

def mse_score(y_predict,y_test):

    '''

    input:y_predict(ndarray):预测值

          y_test(ndarray):真实值

    ouput:mse(float):mse损失函数值

    '''

    #********* Begin *********#

    mse = np.mean((y_predict-y_test)**2)

    #********* End *********#

    return mse

class LinearRegression :

    def __init__(self):

        '''初始化线性回归模型'''

        self.theta = None

    def fit_normal(self,train_data,train_label):

        '''

        input:train_data(ndarray):训练样本

              train_label(ndarray):训练标签

        '''

        #********* Begin *********#

        x = np.hstack([np.ones((len(train_data),1)),train_data])

        self.theta =np.linalg.inv(x.T.dot(x)).dot(x.T).dot(train_label)

        #********* End *********#

        return self.theta

    def predict(self,test_data):

        '''

        input:test_data(ndarray):测试样本

        '''

        #********* Begin *********#

        x = np.hstack([np.ones((len(test_data),1)),test_data])

        return x.dot(self.theta)

        #********* End *********#

第3关:衡量线性回归的性能指标

#encoding=utf8 

import numpy as np

#mse

def mse_score(y_predict,y_test):

    mse = np.mean((y_predict-y_test)**2)

    return mse

#r2

def r2_score(y_predict,y_test):

    '''

    input:y_predict(ndarray):预测值

          y_test(ndarray):真实值

    output:r2(float):r2值

    '''

    #********* Begin *********#

    r2 =1-mse_score(y_predict,y_test)/np.var(y_test)

    #********* End *********#

    return r2

class LinearRegression :

    def __init__(self):

        '''初始化线性回归模型'''

        self.theta = None

    def fit_normal(self,train_data,train_label):

        '''

        input:train_data(ndarray):训练样本

              train_label(ndarray):训练标签

        '''

        #********* Begin *********#

        x = np.hstack([np.ones((len(train_data),1)),train_data])

        self.theta =np.linalg.inv(x.T.dot(x)).dot(x.T).dot(train_label)

        #********* End *********#

        return self

    def predict(self,test_data):

        '''

        input:test_data(ndarray):测试样本

        '''

        #********* Begin *********#

        x = np.hstack([np.ones((len(test_data),1)),test_data])

        return x.dot(self.theta)

        #********* End *********#

第4关:scikit-learn线性回归实践 - 波斯顿房价预测

#encoding=utf8

#********* Begin *********#

import pandas as pd

from sklearn.linear_model import LinearRegression

train_data = pd.read_csv('./step3/train_data.csv')

train_label = pd.read_csv('./step3/train_label.csv')

train_label = train_label['target']

test_data = pd.read_csv('./step3/test_data.csv')

lr = LinearRegression()

lr.fit(train_data,train_label)

predict = lr.predict(test_data)

df = pd.DataFrame({

    'result':predict}) 

df.to_csv('./step3/result.csv', index=False)

#********* End *********#

第1关:实现kNN算法

#encoding=utf8

import numpy as np

class kNNClassifier(object):

    def __init__(self, k):

        '''

        初始化函数

        :param k:kNN算法中的k

        '''

        self.k = k

        # 用来存放训练数据,类型为ndarray

        self.train_feature = None

        # 用来存放训练标签,类型为ndarray

        self.train_label = None

    def fit(self, feature, label):

        '''

        kNN算法的训练过程

        :param feature: 训练集数据,类型为ndarray

        :param label: 训练集标签,类型为ndarray

        :return: 无返回

        '''

        #********* Begin *********#

        self.train_feature = np.array(feature)

        self.train_label = np.array(label)

        #********* End *********#

    def predict(self, feature):

        '''

        kNN算法的预测过程

        :param feature: 测试集数据,类型为ndarray

        :return: 预测结果,类型为ndarray或list

        '''

        #********* Begin *********#、

        def _predict(test_data):

            distances = [np.sqrt(np.sum((test_data - vec) ** 2)) for vec in self.train_feature]

            nearest = np.argsort(distances)

            topK = [self.train_label[i] for i in nearest[:self.k]]

            votes = {}

            result = None

            max_count = 0

            for label in topK:

                if label in votes.keys():

                    votes[label] += 1

                    if votes[label] > max_count:

                        max_count = votes[label]

                        result = label

                else:

                    votes[label] = 1

                    if votes[label] > max_count:

                        max_count = votes[label]

                        result = label

            return result

        predict_result = [_predict(test_data) for test_data in feature]

        return predict_result

        #********* End *********#

第2关:红酒分类

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

def classification(train_feature, train_label, test_feature):

    '''

    对test_feature进行红酒分类

    :param train_feature: 训练集数据,类型为ndarray

    :param train_label: 训练集标签,类型为ndarray

    :param test_feature: 测试集数据,类型为ndarray

    :return: 测试集数据的分类结果

    '''

    #********* Begin *********#

    scaler = StandardScaler()

    train_feature = scaler.fit_transform(train_feature)

    test_feature = scaler.transform(test_feature)

    clf = KNeighborsClassifier()

    clf.fit(train_feature, train_label)

    return clf.predict(test_feature)

    #********* End **********#


3关:朴素贝叶斯分类算法流程

import numpy as np

class NaiveBayesClassifier(object):

    def __init__(self):

        '''

        self.label_prob表示每种类别在数据中出现的概率

        例如,{0:0.333, 1:0.667}表示数据中类别0出现的概率为0.333,类别1的概率为0.667

        '''

        self.label_prob = {}

        '''

        self.condition_prob表示每种类别确定的条件下各个特征出现的概率

        例如训练数据集中的特征为 [[2, 1, 1],

                              [1, 2, 2],

                              [2, 2, 2],

                              [2, 1, 2],

                              [1, 2, 3]]

        标签为[1, 0, 1, 0, 1]

        那么当标签为0时第0列的值为1的概率为0.5,值为2的概率为0.5;

        当标签为0时第1列的值为1的概率为0.5,值为2的概率为0.5;

        当标签为0时第2列的值为1的概率为0,值为2的概率为1,值为3的概率为0;

        当标签为1时第0列的值为1的概率为0.333,值为2的概率为0.666;

        当标签为1时第1列的值为1的概率为0.333,值为2的概率为0.666;

        当标签为1时第2列的值为1的概率为0.333,值为2的概率为0.333,值为3的概率为0.333;

        因此self.label_prob的值如下:     

        {

            0:{

                0:{

                    1:0.5

                    2:0.5

                }

                1:{

                    1:0.5

                    2:0.5

                }

                2:{

                    1:0

                    2:1

                    3:0

                }

            }

            1:

            {

                0:{

                    1:0.333

                    2:0.666

                }

                1:{

                    1:0.333

                    2:0.666

                }

                2:{

                    1:0.333

                    2:0.333

                    3:0.333

                }

            }

        }

        '''

        self.condition_prob = {}

    def fit(self, feature, label):

        '''

        对模型进行训练,需要将各种概率分别保存在self.label_prob和self.condition_prob中

        :param feature: 训练数据集所有特征组成的ndarray

        :param label:训练数据集中所有标签组成的ndarray

        :return: 无返回

        '''

        #********* Begin *********#

        row_num = len(feature)

        col_num = len(feature[0])

        for c in label:

            if c in self.label_prob:

                self.label_prob[c] +=1

            else:

                self.label_prob[c]=1

        for key in self.label_prob.keys():

            self.label_prob[key]/=row_num

            self.condition_prob[key] = {}

            for i in range(col_num):

                self.condition_prob[key][i] = {}

                for k in np.unique(feature[:,i],axis=0):

                    self.condition_prob[key][i][k]=0

        for i in range(len(feature)):

            for j in range(len(feature[i])):

                # if feature[i][j] in self.condition_prob[label[i]]:

                if feature[i][j] in self.condition_prob[label[i]]:

                    self.condition_prob[label[i]][j][feature[i][j]] +=1

                    # self.condition_prob[label[i][j][feature[i][j]] +=1

                else:

                    self.condition_prob[label[i]][j][feature[i][j]] =1

        for label_key in self.condition_prob.keys():

            for k in self.condition_prob[label_key].keys():

                total =0

                for v in self.condition_prob[label_key][k].values():

                    total +=v

                for kk in self.condition_prob[label_key][k].keys():

                    self.condition_prob[label_key][k][kk] /=total

        #********* End *********#

    def predict(self, feature):

        '''

        对数据进行预测,返回预测结果

        :param feature:测试数据集所有特征组成的ndarray

        :return:

        '''

        # ********* Begin *********#

        result = []

        for i,in enumerate(feature):

            prob = np.zeros(len(self.label_prob.keys()))

            ii = 0

            for label,label_prob in self.label_prob.items():

                prob[ii] = label_prob

                for j in range(len(feature[0])):

                    prob[ii] *=self.condition_prob[label][j][f[j]]

                ii+=1

            result.append(list(self.label_prob.keys())[np.argmax(prob)])

        return np.array(result)

        #********* End *********#

第4关:拉普拉斯平滑

import numpy as np

class NaiveBayesClassifier(object):

    def __init__(self):

        '''

        self.label_prob表示每种类别在数据中出现的概率

        例如,{0:0.333, 1:0.667}表示数据中类别0出现的概率为0.333,类别1的概率为0.667

        '''

        self.label_prob = {}

        '''

        self.condition_prob表示每种类别确定的条件下各个特征出现的概率

        例如训练数据集中的特征为 [[2, 1, 1],

                              [1, 2, 2],

                              [2, 2, 2],

                              [2, 1, 2],

                              [1, 2, 3]]

        标签为[1, 0, 1, 0, 1]

        那么当标签为0时第0列的值为1的概率为0.5,值为2的概率为0.5;

        当标签为0时第1列的值为1的概率为0.5,值为2的概率为0.5;

        当标签为0时第2列的值为1的概率为0,值为2的概率为1,值为3的概率为0;

        当标签为1时第0列的值为1的概率为0.333,值为2的概率为0.666;

        当标签为1时第1列的值为1的概率为0.333,值为2的概率为0.666;

        当标签为1时第2列的值为1的概率为0.333,值为2的概率为0.333,值为3的概率为0.333;

        因此self.label_prob的值如下:     

        {

            0:{

                0:{

                    1:0.5

                    2:0.5

                }

                1:{

                    1:0.5

                    2:0.5

                }

                2:{

                    1:0

                    2:1

                    3:0

                }

            }

            1:

            {

                0:{

                    1:0.333

                    2:0.666

                }

                1:{

                    1:0.333

                    2:0.666

                }

                2:{

                    1:0.333

                    2:0.333

                    3:0.333

                }

            }

        }

        '''

        self.condition_prob = {}

    def fit(self, feature, label):

        '''

        对模型进行训练,需要将各种概率分别保存在self.label_prob和self.condition_prob中

        :param feature: 训练数据集所有特征组成的ndarray

        :param label:训练数据集中所有标签组成的ndarray

        :return: 无返回

        '''

        #********* Begin *********#

        row_num = len(feature)

        col_num = len(feature[0])

        unique_label_count = len(set(label))

        for c in label:

            if c in self.label_prob:

                self.label_prob[c] +=1

            else:

                self.label_prob[c] =1

        for key in self.label_prob.keys():

            self.label_prob[key] +=1

            self.label_prob[key] /=(unique_label_count+row_num)

            self.condition_prob[key] = {}

            for i in range(col_num):

                self.condition_prob[key][i] = {}

                for k in np.unique(feature[:,i],axis=0):

                    self.condition_prob[key][i][k] = 1

        for i in range(len(feature)):

            for j in range(len(feature[i])):

                if feature[i][j] in self.condition_prob[label[i]]:

                    self.condition_prob[label[i]][j][feature[i][j]] +=1

        for label_key in self.condition_prob.keys():

            for k in self.condition_prob[label_key].keys():

                total = len(self.condition_prob[label_key].keys())

                for v in self.condition_prob[label_key][k].values():

                    total +=v

                for kk in self.condition_prob[label_key][key].keys():

                    self.condition_prob[label_key][k][kk] /=total

        #********* End *********#

    def predict(self, feature):

        '''

        对数据进行预测,返回预测结果

        :param feature:测试数据集所有特征组成的ndarray

        :return:

        '''

        result = []

        # 对每条测试数据都进行预测

        for i, f in enumerate(feature):

            # 可能的类别的概率

            prob = np.zeros(len(self.label_prob.keys()))

            ii = 0

            for label, label_prob in self.label_prob.items():

                # 计算概率

                prob[ii] = label_prob

                for j in range(len(feature[0])):

                    prob[ii] *= self.condition_prob[label][j][f[j]]

                ii += 1

            # 取概率最大的类别作为结果

            result.append(list(self.label_prob.keys())[np.argmax(prob)])

        return np.array(result)


5关:新闻文本主题分类

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer

from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfTransformer

def news_predict(train_sample, train_label, test_sample):

    '''

    训练模型并进行预测,返回预测结果

    :param train_sample:原始训练集中的新闻文本,类型为ndarray

    :param train_label:训练集中新闻文本对应的主题标签,类型为ndarray

    :param test_sample:原始测试集中的新闻文本,类型为ndarray

    :return 预测结果,类型为ndarray

    '''

    #********* Begin *********#

    vec = CountVectorizer()

    train_sample = vec.fit_transform(train_sample)

    test_sample = vec.transform(test_sample)

    tfidf = TfidfTransformer()

    train_sample = tfidf.fit_transform(train_sample)

    test_sample = tfidf.transform(test_sample)

    mnb = MultinomialNB(alpha = 0.01)

    mnb.fit(train_sample,train_label)

    predict = mnb.predict(test_sample)

    return predict

    #********* End *********#

第2关:Adaboost算法

# encoding=utf8

import numpy as np

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier

# adaboost算法

class AdaBoost:

    '''

    input:n_estimators(int):迭代轮数

          learning_rate(float):弱分类器权重缩减系数

    '''

    def __init__(self, n_estimators=50, learning_rate=1.0):

        self.clf_num = n_estimators

        self.learning_rate = learning_rate

    def init_args(self, datasets, labels):

        self.X = datasets

        self.Y = labels

        self.M, self.N = datasets.shape

        # 弱分类器数目和集合

        self.clf_sets = []

        # 初始化weights

        self.weights = [1.0 / self.M] * self.M

        # G(x)系数 alpha

        self.alpha = []

    # ********* Begin *********#

    def _G(self, features, labels, weights):

        '''

        input:features(ndarray):数据特征

              labels(ndarray):数据标签

              weights(ndarray):样本权重系数

        '''

        e = 0

        for i in range(weights.shape[0]):

            if (labels[i] == self.G(self.X[i], self.clif_sets, self.alpha)):

                e += weights[i]

        return e

    # 计算alpha

    def _alpha(self, error):

        return 0.5 * np.log((1 - error) / error)

    # 规范化因子

    def _Z(self, weights, a, clf):

        return np.sum(weights * np.exp(-a * self.Y * self.G(self.X, clf, self.alpha)))

    # 权值更新

    def _w(self, a, clf, Z):

        w = np.zeros(self.weights.shape)

        for i in range(self.M):

            w[i] = weights[i] * np.exp(-a * self.Y[i] * G(x, clf, self.alpha)) / Z

        self.weights = w

    # G(x)的线性组合

    def G(self, x, v, direct):

        result = 0

        x = x.reshape(1, -1)

        for i in range(len(v)):

            result += v[i].predict(x) * direct[i]

        return result

    def fit(self, X, y):

        '''

        X(ndarray):训练数据

        y(ndarray):训练标签

        '''

        # 计算G(x)系数a

        self.init_args(X, y)

        '''

        for i in range(100):

            classifier = DecisionTreeClassifier(max_depth=3)

            classifier.fit(X, y)

            self.clf_sets.append(classifier)

            e = 0

            for i in range(len(self.weights)):

                temp = -1

                if classifier.predict(X[i].reshape(1,-1))>0:

                    temp = 1

                if(self.Y[i] == temp):

                    e += self.weights[i]

            a = self._alpha(e)

            self.alpha.append(a)

            z = self._Z(self.weights, a, self.clf_sets)

            self._w(a, self.clf_sets, z)

        '''

        # 记录分类器

        # 规范化因子

        # 权值更新

    def predict(self, data):

        '''

        input:data(ndarray):单个样本

        output:预测为正样本返回+1,负样本返回-1

        '''

        ada = AdaBoostClassifier(n_estimators=100, learning_rate=0.1)

        ada.fit(self.X, self.Y)

        data = data.reshape(1, -1)

        predict = ada.predict(data)

        return predict[0]

    # ********* End *********#

第3关:sklearn中的Adaboost

#encoding=utf8

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier

def ada_classifier(train_data,train_label,test_data):

    '''

    input:train_data(ndarray):训练数据

          train_label(ndarray):训练标签

          test_data(ndarray):测试标签

    output:predict(ndarray):预测结果

    '''

    #********* Begin *********#

    ada=AdaBoostClassifier(n_estimators=100,learning_rate=1.0)

    ada.fit(train_data,train_label)

    predict = ada.predict(test_data)

    #********* End *********#

    return predict


2关:线性支持向量机

#encoding=utf8

from sklearn.svm import LinearSVC

def linearsvc_predict(train_data,train_label,test_data):

    '''

    input:train_data(ndarray):训练数据

          train_label(ndarray):训练标签

    output:predict(ndarray):测试集预测标签

    '''

    #********* Begin *********# 

    clf = LinearSVC(dual=False)

    clf.fit(train_data,train_label)

    predict = clf.predict(test_data)

    #********* End *********# 

    return predict

第3关:非线性支持向量机

#encoding=utf8

from sklearn.svm import SVC

def svc_predict(train_data,train_label,test_data,kernel):

    '''

    input:train_data(ndarray):训练数据

          train_label(ndarray):训练标签

          kernel(str):使用核函数类型:

              'linear':线性核函数

              'poly':多项式核函数

              'rbf':径像核函数/高斯核

    output:predict(ndarray):测试集预测标签

    '''

    #********* Begin *********# 

    clf =SVC(kernel=kernel)

    clf.fit(train_data,train_label)

    predict = clf.predict(test_data)

    #********* End *********# 

    return predict

第4关:序列最小优化算法

#encoding=utf8

import numpy as np

class smo:

    def __init__(self, max_iter=100, kernel='linear'):

        '''

        input:max_iter(int):最大训练轮数

              kernel(str):核函数,等于'linear'表示线性,等于'poly'表示多项式

        '''

        self.max_iter = max_iter

        self._kernel = kernel

    #初始化模型

    def init_args(self, features, labels):

        self.m, self.n = features.shape

        self.X = features

        self.Y = labels

        self.b = 0.0

        # 将Ei保存在一个列表里

        self.alpha = np.ones(self.m)

        self.E = [self._E(i) for i in range(self.m)]

        # 错误惩罚参数

        self.C = 1.0

    #********* Begin *********#    

    #kkt条件    

    def _KKT(self, i):

        y_g = self._g(i)*self.Y[i]

        if self.alpha[i] == 0:

            return y_g >= 1

        elif 0 < self.alpha[i] < self.C:

            return y_g == 1

        else:

            return y_g <= 1

    # g(x)预测值,输入xi(X[i])

    def _g(self, i):

        r = self.b

        for j in range(self.m):

            r += self.alpha[j]*self.Y[j]*self.kernel(self.X[i], self.X[j])

        return r

    # 核函数,多项式添加二次项即可

    def kernel(self, x1, x2):

        if self._kernel == 'linear':

            return sum([x1[k]*x2[k] for k in range(self.n)])

        elif self._kernel == 'poly':

            return (sum([x1[k]*x2[k] for k in range(self.n)]) + 1)**2    

        return 0

    # E(x)为g(x)对输入x的预测值和y的差

    def _E(self, i):

        return self._g(i) - self.Y[i]

    #初始alpha

    def _init_alpha(self):

        # 外层循环首先遍历所有满足0

        index_list = [for i in range(self.m) if 0 < self.alpha[i] < self.C]

        # 否则遍历整个训练集

        non_satisfy_list = [for i in range(self.m) if i not in index_list]

        index_list.extend(non_satisfy_list)

        for i in index_list:

            if self._KKT(i):

                continue

            E1 = self.E[i]

            # 如果E2是+,选择最小的;如果E2是负的,选择最大的

            if E1 >= 0:

                j = min(range(self.m), key=lambda x: self.E[x])

            else:

                j = max(range(self.m), key=lambda x: self.E[x])

            return i, j

    #选择alpha参数   

    def _compare(self, _alpha, L, H):

        if _alpha > H:

            return H

        elif _alpha < L:

            return L

        else:

            return _alpha

    #训练

    def fit(self, features, labels):

        '''

        input:features(ndarray):特征

              label(ndarray):标签

        '''

        self.init_args(features, labels)

        for t in range(self.max_iter):

            i1, i2 = self._init_alpha()

            # 边界

            if self.Y[i1] == self.Y[i2]:

                L = max(0, self.alpha[i1]+self.alpha[i2]-self.C)

                H = min(self.C, self.alpha[i1]+self.alpha[i2])

            else:

                L = max(0, self.alpha[i2]-self.alpha[i1])

                H = min(self.C, self.C+self.alpha[i2]-self.alpha[i1])

            E1 = self.E[i1]

            E2 = self.E[i2]

            # eta=K11+K22-2K12

            eta = self.kernel(self.X[i1], self.X[i1]) + self.kernel(self.X[i2], self.X[i2]) - 2*self.kernel(self.X[i1], self.X[i2])

            if eta <= 0:

                continue

            alpha2_new_unc = self.alpha[i2] + self.Y[i2] * (E2 - E1) / eta

            alpha2_new = self._compare(alpha2_new_unc, L, H)

            alpha1_new = self.alpha[i1] + self.Y[i1] * self.Y[i2] * (self.alpha[i2] - alpha2_new)

            b1_new = -E1 - self.Y[i1] * self.kernel(self.X[i1], self.X[i1]) * (alpha1_new-self.alpha[i1]) - self.Y[i2] * self.kernel(self.X[i2], self.X[i1]) * (alpha2_new-self.alpha[i2])self.b 

            b2_new = -E2 - self.Y[i1] * self.kernel(self.X[i1], self.X[i2]) * (alpha1_new-self.alpha[i1]) - self.Y[i2] * self.kernel(self.X[i2], self.X[i2]) * (alpha2_new-self.alpha[i2])self.b 

            if 0 < alpha1_new < self.C:

                b_new = b1_new

            elif 0 < alpha2_new < self.C:

                b_new = b2_new

            else:

                # 选择中点

                b_new = (b1_new + b2_new) / 2

            # 更新参数

            self.alpha[i1] = alpha1_new

            self.alpha[i2] = alpha2_new

            self.b = b_new

            self.E[i1] = self._E(i1)

            self.E[i2] = self._E(i2)       

    def predict(self, data):

        '''

        input:data(ndarray):单个样本

        output:预测为正样本返回+1,负样本返回-1

        '''

        r = self.b

        for i in range(self.m):

            r += self.alpha[i] * self.Y[i] * self.kernel(data, self.X[i])

        return 1 if r > 0 else -1

    #********* End *********# 

第5关:支持向量回归

#encoding=utf8

from sklearn.svm import SVR

def svr_predict(train_data,train_label,test_data):

    '''

    input:train_data(ndarray):训练数据

          train_label(ndarray):训练标签

    output:predict(ndarray):测试集预测标签

    '''

    #********* Begin *********#

    svr = SVR(kernel='rbf',C=100,gamma= 0.001,epsilon=0.1)

    svr.fit(train_data,train_label)

    predict = svr.predict(test_data)

    #********* End *********#

    return predict

第2关:决策树算法原理

#encoding=utf8 

import numpy as np

def mse_score(y_predict,y_test):

    '''

    input:y_predict(ndarray):预测值

          y_test(ndarray):真实值

    ouput:mse(float):mse损失函数值

    '''

    #********* Begin *********#

    mse = np.mean((y_predict-y_test)**2)

    #********* End *********#

    return mse

class LinearRegression :

    def __init__(self):

        '''初始化线性回归模型'''

        self.theta = None

    def fit_normal(self,train_data,train_label):

        '''

        input:train_data(ndarray):训练样本

              train_label(ndarray):训练标签

        '''

        #********* Begin *********#

        x = np.hstack([np.ones((len(train_data),1)),train_data])

        self.theta =np.linalg.inv(x.T.dot(x)).dot(x.T).dot(train_label)

        #********* End *********#

        return self.theta

    def predict(self,test_data):

        '''

        input:test_data(ndarray):测试样本

        '''

        #********* Begin *********#

        x = np.hstack([np.ones((len(test_data),1)),test_data])

        return x.dot(self.theta)

        #********* End *********#

第3关:动手实现ID3决策树

import numpy as np

# 计算熵

def calcInfoEntropy(label):

    '''

    input:

        label(narray):样本标签

    output:

        InfoEntropy(float):熵

    '''

    label_set = set(label)

    InfoEntropy = 0

    for l in label_set:

        count = 0

        for j in range(len(label)):

            if label[j] == l:

                count += 1

        # 计算标签在数据集中出现的概率

        p = count / len(label)

        # 计算熵

        InfoEntropy -= p * np.log2(p)

    return InfoEntropy

#计算条件熵

def calcHDA(feature,label,index,value):

    '''

    input:

        feature(ndarray):样本特征

        label(ndarray):样本标签

        index(int):需要使用的特征列索引

        value(int):index所表示的特征列中需要考察的特征值

    output:

        HDA(float):信息熵

    '''

    count = 0

    # sub_feature和sub_label表示根据特征列和特征值分割出的子数据集中的特征和标签

    sub_feature = []

    sub_label = []

    for i in range(len(feature)):

        if feature[i][index] == value:

            count += 1

            sub_feature.append(feature[i])

            sub_label.append(label[i])

    pHA = count / len(feature)

    e = calcInfoEntropy(sub_label)

    HDA = pHA * e

    return HDA

#计算信息增益

def calcInfoGain(feature, label, index):

    '''

    input:

        feature(ndarry):测试用例中字典里的feature

        label(ndarray):测试用例中字典里的label

        index(int):测试用例中字典里的index,即feature部分特征列的索引。该索引指的是feature中第几个特征,如index:0表示使用第一个特征来计算信息增益。

    output:

        InfoGain(float):信息增益

    '''

    base_e = calcInfoEntropy(label)

    f = np.array(feature)

    # 得到指定特征列的值的集合

    f_set = set(f[:, index])

    sum_HDA = 0

    # 计算条件熵

    for value in f_set:

        sum_HDA += calcHDA(feature, label, index, value)

    # 计算信息增益

    InfoGain = base_e - sum_HDA

    return InfoGain

# 获得信息增益最高的特征

def getBestFeature(feature, label):

    '''

    input:

        feature(ndarray):样本特征

        label(ndarray):样本标签

    output:

        best_feature(int):信息增益最高的特征

    '''

    #*********Begin*********#

    max_infogain = 0

    best_feature = 0

    for i in range(len(feature[0])):

        infogain = calcInfoGain(feature, label, i)

        if infogain > max_infogain:

            max_infogain = infogain

            best_feature = i

    #*********End*********#

    return best_feature

#创建决策树

def createTree(feature, label):

    '''

    input:

        feature(ndarray):训练样本特征

        label(ndarray):训练样本标签

    output:

        tree(dict):决策树模型    

    '''

    #*********Begin*********#

    # 样本里都是同一个label没必要继续分叉了

    if len(set(label)) == 1:

        return label[0]

    # 样本中只有一个特征或者所有样本的特征都一样的话就看哪个label的票数高

    if len(feature[0]) == 1 or len(np.unique(feature, axis=0)) == 1:

        vote = {}

        for l in label:

            if l in vote.keys():

                vote[l] += 1

            else:

                vote[l] = 1

        max_count = 0

        vote_label = None

        for k, v in vote.items():

            if v > max_count:

                max_count = v

                vote_label = k

        return vote_label

    # 根据信息增益拿到特征的索引

    best_feature = getBestFeature(feature, label)

    tree = {best_feature: {}}

    f = np.array(feature)

    # 拿到bestfeature的所有特征值

    f_set = set(f[:, best_feature])

    # 构建对应特征值的子样本集sub_feature, sub_label

    for v in f_set:

        sub_feature = []

        sub_label = []

        for i in range(len(feature)):

            if feature[i][best_feature] == v:

                sub_feature.append(feature[i])

                sub_label.append(label[i])

        # 递归构建决策树

        tree[best_feature][v] = createTree(sub_feature, sub_label)

    #*********End*********#

    return tree

#决策树分类

def dt_clf(train_feature,train_label,test_feature):

    '''

    input:

        train_feature(ndarray):训练样本特征

        train_label(ndarray):训练样本标签

        test_feature(ndarray):测试样本特征

    output:

        predict(ndarray):测试样本预测标签     

    '''

    #*********Begin*********#

    result = []

    tree = createTree(train_feature,train_label)

    def classify(tree, feature):

        if not isinstance(tree, dict):

            return tree

        t_index, t_value = list(tree.items())[0]

        f_value = feature[t_index]

        if isinstance(t_value, dict):

            classLabel = classify(tree[t_index][f_value], feature)

            return classLabel

        else:

            return t_value

    for feature in test_feature:

        result.append(classify(tree, feature))

    predict = np.array(result)

    #*********End*********#

    return predict

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