python大数据之随机森林（回归与分类）

随机森林在大数据运用中非常的常见，它在预测和回归上相比于SVM，多元线性回归，逻辑回归，多项式回归这些，有着比较好的鲁棒性。

随机森林是一个用随机方式建立的，包含多个决策树的分类器。其输出的类别是由各个树输出的类别的众数而定。

优点：

• 处理高纬度的数据，并且不用做特征选择，当然也可以使用随机森林做特征筛选。
• 模型泛化能力强
• 对不平衡数据集来说，可以平衡误差。
• 对缺失值，异常值不敏感。

缺点：

• 当数据噪声比较大时，会产生过拟合现象。
• 对不同取值的属性的数据，取值划分较多的属性会对随机森林产生更大的影响。

废话不多说，直接上干货

随机森林的代码的基本实现

分类模型

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

#模型训练
forest = RandomForestClassifier()
forest.fit(x_train.values, y_train.values) #训练集和训练集标签

#模型评估
score = forest.score(x_test, y_test) 
print(score)   #这里的score代表的acc，精确率

#模型预测
pre = forest.predict(x_test) 
print(pre)

#模型预测--输出概率值
pre_p = forest.predict_proba(x_test) 
print(pre_p)

#计算模型运行的时间
import time
start = time.time()
end = time.time()
end-start

同时对于分类问题，我们常常需要用到的指标如混淆矩阵，准确率，精准率，召回率，F1指数等等。

下面为分类模型的评估指标计算方法

#分类模型的评估指标
from sklearn import metrics
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
class ClassEval():

    def __init__(self, pre,y_test):
        self.pre = pre
        self.y_test = y_test
        self.C2 = None

    '''计算混淆矩阵'''
    def confusion_matrix(self):
        self.C2 = metrics.confusion_matrix(self.y_test,self.pre, labels=[0,1])  
        return self.C2

    '''绘制混淆矩阵热图'''
    def C2_heatmap(self):
        self.confusion_matrix()
        #绘图
        sns.set()
        f, ax = plt.subplots(figsize=(8, 7))
        TX = sns.heatmap(self.C2, annot=True, ax=ax, cmap="Spectral_r", fmt=".20g")  # 热力图
        #标题设置
        ax.set_title("Confusion Matrix")
        ax.set_xlabel("Predict")
        ax.set_ylabel("Answer")
        print("混淆矩阵")

    '''计算准确率'''
    def get_acc(self):
        self.confusion_matrix()
        print(type(self.C2))
        #计算
        acc = np.trace(self.C2)/self.C2.sum()
        return acc

    '''计算精准率'''
    def get_precision(self):
        self.confusion_matrix()
        Precision = []
        i = 0
        for row in self.C2:
            TP = row[i]
            TP_FP = 0
            for col in row:
                TP_FP += col
            Precision.append(TP/TP_FP)
            i+=1
        return Precision;

    '''计算召回率'''
    def get_Recall(self):
        self.confusion_matrix()
        Recall = []
        i = 0
        TP_FN = np.sum(self.C2, axis=0)
        for row in self.C2:
            TP = row[i]
            Recall.append(TP/TP_FN[i])
            i+=1
        return Recall

    '''计算F1指数'''
    def get_F1(self):
        self.confusion_matrix()
        Precision = self.get_precision()
        Recall = self.get_Recall()
        F1 = []
        for i in range(len(Precision)):
            F1.append(2*Precision[i]*Recall[i] / (Precision[i] + Recall[i]))
        return F1

    '''计算kappa系数'''
    def get_kappa(self):
        self.confusion_matrix()
        kappa = metrics.cohen_kappa_score(np.array(self.predict_label_list).astype(np.int16),np.array(self.answer_label_list).astype(np.int16))
        return kappa
    
RF_data = ClassEval(pre, y_test.values)

# RF_data.C2_heatmap()
print("精确度",RF_data.get_acc())
print("精准率",RF_data.get_precision())
print("召回率",RF_data.get_Recall())
print("F1值",RF_data.get_F1())

回归模型

from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor

#训练模型
forest = RandomForestRegressor()
forest.fit(x_train.values, y_train.values) #训练集和训练集标签

#模型评估
score = forest.score(x_test, y_test) 
print(score)   #这里的score代表的R2分数

#模型预测
pre = forest.predict(x_test) 
print(pre)

#计算模型运行的时间
import time
start = time.time()
end = time.time()
end-start

回归模型的评价指标结果如下

MSE：均方误差，观测值与真值偏差的平方和，反应预测结果的精确度。

RMSE：MSE的算术平方根，用来衡量观测值和真值之间的偏差。（开根号之后，误差的结果就与真值在同一个级别）

MAE：平均绝对误差，能更好地反映预测值误差的实际情况

R2:介于0-1之间，越接近1，回归拟合效果越好

MSE计算简便，但MAE对异常点有更好的鲁棒性。

MSE与MAE各自的优缺点

1. MSE对误差取了平方（令e=真实值-预测值），因此若e>1，则MSE会进一步增大误差。如果数据中存在异常点，那么e值就会很大，而e则会远大于|e|。因此，相对于使用MAE计算损失，使用MSE的模型会赋予异常点更大的权重。在第二个例子中，用RMSE计算损失的模型会以牺牲了其他样本的误差为代价，朝着减小异常点误差的方向更新。然而这就会降低模型的整体性能。如果训练数据被异常点所污染，那么MAE损失就更好用（比如，在训练数据中存在大量错误的反例和正例标记，但是在测试集中没有这个问题）。

2. 直观上可以这样理解：如果我们最小化MSE来对所有的样本点只给出一个预测值，那么这个值一定是所有目标值的平均值。但如果是最小化MAE，那么这个值，则会是所有样本点目标值的中位数。众所周知，对异常值而言，中位数比均值更加鲁棒，因此MAE对于异常值也比MSE更稳定。

3. MAE存在一个严重的问题（特别是对于神经网络）：更新的梯度始终相同，也就是说，即使对于很小的损失值，梯度也很大。这样不利于模型的学习。为了解决这个缺陷，我们可以使用变化的学习率，在损失接近最小值时降低学习率。而MSE在这种情况下的表现就很好，即便使用固定的学习率也可以有效收敛。MSE损失的梯度随损失增大而增大，而损失趋于0时则会减小。这使得在训练结束时，使用MSE模型的结果会更精确。

MSE和MAE的选择

如果异常点代表在商业中很重要的异常情况，并且需要被检测出来，则应选用MSE损失函数。相反，如果只把异常值当作受损数据，则应选用MAE损失函数。总的来说，处理异常点时，MAE损失函数更稳定，但它的导数不连续，因此求解效率较低。MSE损失函数对异常点更敏感，但通过令其导数为0，可以得到更稳定的封闭解。

from sklearn.metrics import mean_squared_error #MSE
from sklearn.metrics import mean_absolute_error #MAE
from sklearn.metrics import r2_score#R2
import numpy as np

R2 = r2_score(y_test,pre)  #真实数据和预测数据
MSE = mean_squared_error(y_test,pre)  
MAE = mean_absolute_error(y_test,pre)
RMSE = np.sqrt(MSE)

随机森林的随机搜索调优

可以通过get_params()函数来得到随机森林的各项参数

• n_esimators:要使用的树的数量
• max_feauters:每个节点拆分时要使用的特性数量
• max_depth:每棵树上的叶子数量
• min_samples_split:分裂内部节点所需的最小样本数
• min_samples_leaf:每个叶子中的最小样本数量
• bootstrap:取样方法，是否替换。

Scikit-learn提供RandomizedSearchCV类实现随机搜索。它需要两个参数来建立:一个估计器和超参数的可能值集，称为参数网格或空间。让我们为我们的随机森林模型定义这个参数网格:

from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV

#设置各类参数的范围
n_estimators = np.arange(100, 2000, step=100)   #从100，2000，步长为100
max_features = ["auto", "sqrt", "log2"]   #max_features的几种选择
max_depth = list(np.arange(10, 100, step=10)) + [None]  #深度计算
min_samples_split = np.arange(2, 10, step=2)  #最小分割
min_samples_leaf = [1, 2, 4]  #最小叶子
bootstrap = [True, False]
param_grid = {
    "n_estimators": n_estimators,
    "max_features": max_features,
    "max_depth": max_depth,
    "min_samples_split": min_samples_split,
    "min_samples_leaf": min_samples_leaf,
    "bootstrap": bootstrap,
}

#随机参数调优
forest = RandomForestRegressor()
'''
n_iter参数，控制我们在搜索中允许的超参数组合的随机选择的迭代次数。
cv:同时也表示三折交叉验证
scoring：评分标准
n_jobs=-1：表示使用机器上的所有内核
'''
random_cv = RandomizedSearchCV(
    forest, param_grid, n_iter=100, cv=3, scoring="r2", n_jobs=-1
)
random_cv.fit(X, y)
print("Best params:\n")
print(random_cv.best_params_)

虽然你用了各种调优方法，但是你同样也需要表达。你需要将你的调优过程可视化

随机森林的网格搜索调优

相比于随机搜索，网格搜索则类似与穷举各种可能。

有13680个可能的超参数组合和3倍CV, GridSearchCV将必须适合随机森林41040次。使用RandomizedGridSearchCV，我们得到了相当好的分数，并且只需要100 * 3 = 300 次训练。

new_params = {
    "n_estimators": [650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000],
    "max_features": ['sqrt'],
    "max_depth": [10, 15, 20, 25, 30],
    "min_samples_split": [2, 4, 6],
    "min_samples_leaf": [1, 2],
    "bootstrap": [False],
}

from sklearn.model_selection import GridSearchCV

forest = RandomForestRegressor()
'''
这里我们不需要指定评分和CV，这里采用了默认设置
'''
grid_cv = GridSearchCV(forest, new_params, n_jobs=-1)
grid_cv.fit(X, y)
print('Best params:\n')
print(grid_cv.best_params_, '\n')

当您在实践中使用需要大量计算的模型时，最好得到随机搜索的结果，并在更小的范围内在网格搜索中验证它们。

随机森林的k折交叉验证

把数据平均分成k等份，每次实验拿一份做测试，其余用做训练。

因此你训练出来的模型也是k个，需要实验k次求平均值。

from sklearn.model_selection import KFold
import pandas as pd
import numpy as np

#数据分割
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.2, random_state=0)

#转成numpy格式
x_train = np.array(x_train)
y_train = np.array(y_train)
#这里的k表示进行几折交叉验证
k = 2
kfolder = KFold(n_splits=k, shuffle=True,random_state=0)
kfold = kfolder.split(x_train, y_train)

for train_index, val_index in kfold:
    k_x_train = x_train[train_index]  #训练集
    k_y_train = y_train[train_index]  #测试集标签
    k_x_vali = x_train[val_index]    #验证集
    k_y_vali = y_train[val_index]    #验证集标签
    
    forest = RandomForestRegressor()    #回归采用平均值
    #forest = RandomForestClassifier()  #分类采用投票法
    
    forest.fit(k_x_train, k_y_train) #训练集和训练集标签
    score = forest.score(x_test, y_test) 
	print(score)   #这里的score代表的acc，精确率

这里只是一个简单的实现，最后预测的结果的融合，需要你们自己灵活组合，可以采用平均值，也可以采用堆叠法等

随机森林特征筛选

主要就是可视化特征的重要程度，但是由于随机森林对不同取值的属性的数据，取值划分较多的属性会对随机森林产生更大的影响。

建议采用至少两种机器学习方法进行特征筛选，在通过相关性热图，预测指标去判断最后选择那种模型作为特征筛选模型

# 将训练好的模型提取其特征的重要程度
import_level = model.feature_importances_ #这个方法可以调取关于特征重要程度

# 特征程度的显示
x_columns = data.columns[1:]
index = np.argsort(import_level)[::-1]
for each in range(x.shape[1]):
    print('The important level of '+ x_columns[each]+ ':      '+ str(import_level[index[each]]))

如果特征较多，建议绘制折线图，如果特征适量，那肯定是柱状图更加清晰

柱状图

#柱状图可视化
plt.figure(figsize=(10,6))
plt.title('title',fontsize = 18)
plt.ylabel('import level',fontsize = 15,rotation = 90)
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False
for i in range(x_columns.shape[0]):
   plt.bar(i,import_level[index[i]],color = 'orange',align = 'center')
   plt.xticks(np.arange(x_columns.shape[0]),x_columns,rotation = 90,fontsize = 15)