【机器学习】西瓜书习题3.5Python编程实现线性判别分析，并给出西瓜数据集 3.0α上的结果

参考代码
结合自己的理解，添加注释。

代码

1. 导入相关的库

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib
from matplotlib import pyplot as plt

2. 导入数据，进行数据处理和特征工程
   得到数据集$D=\{(x_i,y_i){\}}_{i=1}^m,y_i\in \{0,1\}$

# 1.数据处理，特征工程
data_path = 'watermelon3_0_Ch.csv'
data = pd.read_csv(data_path).values
# 按照数据集3.0α，强制转换数据类型
X = data[:,7:9].astype(float)
y = data[:,9]
y[y=='是'] = 1
y[y=='否'] = 0
y = y.astype(int)

3. 计算西瓜书60页中的$X_i、{\mu }_i、{\Sigma }_i$

# 将X的数据根据label值分成X0和X1
pos = y == 1
neg = y == 0
X0 = X[neg]
X1 = X[pos]

# 计算u0，u1 keepdims保持原数据维数
u0 = X0.mean(0, keepdims=True)
u1 = X1.mean(0, keepdims=True)

# 计算sigma0，sigma1
sigma0 = np.dot((X0-u0).T,X0-u0)
sigma1 = np.dot((X1-u1).T,X1-u1)

4. 根据式3.33计算类内散度矩阵
   $$S_w={\Sigma }_0+{\Sigma }_1=\sum _{x\in X_0}(x-{\mu }_0)(x-{\mu }_0{)}^T+\sum _{x\in X_1}(x-{\mu }_1)(x-{\mu }_1{)}^T$$
   根据式3.39计算$w$
   $$w=S_w^{-1}({\mu }_0-{\mu }_1)$$

# 计算类内散度矩阵 with-class scatter matrix
sw = sigma0 + sigma1

# numpy.linalg.inv() 函数来计算矩阵的逆
w = np.dot(np.linalg.inv(sw),(u0-u1).T).reshape(1,-1)

5. 画出样本点和得到的直线

fig, ax = plt.subplots()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))

plt.scatter(X1[:, 0], X1[:, 1], c='k', marker='o', label='good')
plt.scatter(X0[:, 0], X0[:, 1], c='r', marker='x', label='bad')

plt.xlabel('密度', labelpad=1)
plt.ylabel('含糖量')
plt.legend(loc='upper right')

x_tmp = np.linspace(-0.05, 0.15)
y_tmp = x_tmp * w[0, 1] / w[0, 0]
plt.plot(x_tmp, y_tmp, '#808080', linewidth=1)

得到下图

6. 计算每个样本点在直线上的投影
   计算的理解参考这篇文章

# 求w这个向量的 单位向量 wu
# np.linalg.norm()默认求2 范数，表示向量中各个元素平方和 的 1/2 次方，L2 范数又称 Euclidean 范数或者 Frobenius 范数。
wu = w / np.linalg.norm(w)

# 正负样本点
# 求负样本的投影点，并连线
X0_project = np.dot(X0, np.dot(wu.T, wu))
plt.scatter(X0_project[:, 0], X0_project[:, 1], c='r', s=15)
for i in range(X0.shape[0]):
    plt.plot([X0[i, 0], X0_project[i, 0]], [X0[i, 1], X0_project[i, 1]], '--r', linewidth=1)

# 求正样本的投影点，并连线
X1_project = np.dot(X1, np.dot(wu.T, wu))
plt.scatter(X1_project[:, 0], X1_project[:, 1], c='k', s=15)
for i in range(X1.shape[0]):
    plt.plot([X1[i, 0], X1_project[i, 0]], [X1[i, 1], X1_project[i, 1]], '--k', linewidth=1)

得到下图

将上述代码封装成类，如下：

class LDA(object):

    def fit(self, X_, y_, plot_=False):
        pos = y_ == 1
        neg = y_ == 0
        X0 = X_[neg]
        X1 = X_[pos]

        u0 = X0.mean(0, keepdims=True)  # (1, n)
        u1 = X1.mean(0, keepdims=True)

        sw = np.dot((X0 - u0).T, X0 - u0) + np.dot((X1 - u1).T, X1 - u1)
        w = np.dot(np.linalg.inv(sw), (u0 - u1).T).reshape(1, -1)  # (1, n)

        if plot_:
            # 设置字体为楷体
            plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False #用来正常显示负号
            plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['KaiTi']
            fig, ax = plt.subplots()
            ax.spines['right'].set_color('none')
            ax.spines['top'].set_color('none')
            ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
            ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))

            plt.scatter(X1[:, 0], X1[:, 1], c='k', marker='o', label='good')
            plt.scatter(X0[:, 0], X0[:, 1], c='r', marker='x', label='bad')

            plt.xlabel('密度', labelpad=1)
            plt.ylabel('含糖量')
            plt.legend(loc='upper right')

            x_tmp = np.linspace(-0.05, 0.15)
            y_tmp = x_tmp * w[0, 1] / w[0, 0]
            plt.plot(x_tmp, y_tmp, '#808080', linewidth=1)

            wu = w / np.linalg.norm(w)

            # 正负样板店
            X0_project = np.dot(X0, np.dot(wu.T, wu))
            plt.scatter(X0_project[:, 0], X0_project[:, 1], c='r', s=15)
            for i in range(X0.shape[0]):
                plt.plot([X0[i, 0], X0_project[i, 0]], [X0[i, 1], X0_project[i, 1]], '--r', linewidth=1)

            X1_project = np.dot(X1, np.dot(wu.T, wu))
            plt.scatter(X1_project[:, 0], X1_project[:, 1], c='k', s=15)
            for i in range(X1.shape[0]):
                plt.plot([X1[i, 0], X1_project[i, 0]], [X1[i, 1], X1_project[i, 1]], '--k', linewidth=1)

            # 中心点的投影
            u0_project = np.dot(u0, np.dot(wu.T, wu))
            plt.scatter(u0_project[:, 0], u0_project[:, 1], c='#FF4500', s=60)
            u1_project = np.dot(u1, np.dot(wu.T, wu))
            plt.scatter(u1_project[:, 0], u1_project[:, 1], c='#696969', s=60)

            ax.annotate(r'u0 投影点',
                        xy=(u0_project[:, 0], u0_project[:, 1]),
                        xytext=(u0_project[:, 0] - 0.2, u0_project[:, 1] - 0.1),
                        size=13,
                        va="center", ha="left",
                        arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                                        color="k",
                                        )
                        )

            ax.annotate(r'u1 投影点',
                        xy=(u1_project[:, 0], u1_project[:, 1]),
                        xytext=(u1_project[:, 0] - 0.1, u1_project[:, 1] + 0.1),
                        size=13,
                        va="center", ha="left",
                        arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                                        color="k",
                                        )
                        )
            plt.axis("equal")  # 两坐标轴的单位刻度长度保存一致
            plt.show()

        self.w = w
        self.u0 = u0
        self.u1 = u1
        return self

    def predict(self, X):
        project = np.dot(X, self.w.T)

        wu0 = np.dot(self.w, self.u0.T)
        wu1 = np.dot(self.w, self.u1.T)

        return (np.abs(project - wu1) < np.abs(project - wu0)).astype(int)