sklearn-5模型评估与改进

通过前述章节可以发现，可调用模型的.score方法获取测试集评分，还有其他方法可以更好的评估模型，有交叉验证和网格搜索

1 交叉验证

特点 1数据被多次划分，且需要训练多个模型

k折交叉验证 k由用户指定，通常取5-10， 将数据均分为k份，每份叫做折，然后开始训练数据，训练k次，每第k次训练时，取第k折数据作为测试集，其他数据均为训练集，最后可以得到k个模型训练的打分，一般可以用k次训练的平均值作为交叉验证的结果

1.1 优缺点

优点

1 验证次数多，验证均匀，不会像train_test_split一样，可能偶尔某个测试集异常数据较多，导致测试结果不稳定

2 训练集比例不同。RFE训练数据比例高于train_test_split的划分比例（75%）

缺点

1 交叉验证多次训练，更消耗时间，大约比单次训练验证慢k倍

2 交叉验证只是验证，不会返回经过数据训练的数据模型，只能获取得分

1.2 k折交叉验证和其他策略

1.2.1 分层k折交叉验证

分层k折和一般k折不同点在于，一般k折直接按顺序k分支一取测试集，如果原始数据分布不均匀，k折会不太稳定，一种解决方法是分层k折。分层k折是保证每个测试集和训练集的分类的百分比占比都为k分之一。cross_val_score默认使用的k折是一般k折交叉验证

1.2.2 交叉验证分离器

可将一些参数传给交叉分离器，交叉分离器可作为cv参数传入，类似于一种解耦

默认使用3折交叉验证iris时效率为0，因为数据已经有序分为3类，所以每次训练集都是一样的，只有一个种类，就啥也学不到

1.2.2.1 默认k折分离器

    def test_cross_kfold(self):
        kfold = KFold(n_splits=5)
        logreg = LogisticRegression().fit(self.iris.data, self.iris.target)
        print(f'5 fold cross score: {cross_val_score(logreg, self.iris.data, self.iris.target, cv=kfold)}')
        print(f'3 fold cross score: {cross_val_score(logreg, self.iris.data, self.iris.target, cv=KFold(n_splits=3))}')

1.2.2.2 留一法交叉验证

概念 每次k折保留单个样本（集测试集只有一个样本）

优点 适合小型数据集，准确度高

缺点 耗时，需很多次模型创建与训练

    def test_cross_leave_one(self):
        loo = LeaveOneOut()
        logreg = LogisticRegression().fit(self.iris.data, self.iris.target)
        scores = cross_val_score(logreg, self.iris.data, self.iris.target, cv=loo)
        print(f'score number: {len(scores)}, score mean: {scores.mean()}')

1.2.2.3 打乱划分交叉验证

随机从数据集取数据作为测试集和训练集，这俩没有交集，且可以不用把所有数据取完，可以取一部分

    def test_cross_shuffle_split(self):
        logreg = LogisticRegression().fit(self.iris.data, self.iris.target)
        shuffle_split = ShuffleSplit(test_size=.5, train_size=.5, n_splits=10)
        scores = cross_val_score(logreg, self.iris.data, self.iris.target, cv=shuffle_split)
        print(f'shuffle split scores: {scores}')

1.2.2.4 分组交叉验证

例子 从已知人脸的情感识别出新人脸的感情，target是情感。对机器模型来说，学习出现过的人脸情感比新人脸的情感容易，因此希望训练集和测试集不包含相同的人的人脸，可以用分组交叉验证

分组交叉验证按照groups输入参数将输入分成不同组，每次验证将一个组的数据作为测试集，如果组不够则将剩下的数据作为测试集，其他说句作为训练集

    def test_cross_group_split(self):
        groups = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 3]
        scores = cross_val_score(LogisticRegression(), *self.blob, groups=groups, cv=GroupKFold(n_splits=4))
        print(f'cross validation scores: {scores}')

2 网格搜索

概念 网格搜索是一种调参的方法，类似于笛卡尔积的概念，将所有不同类参数的所有结果都组合在一起看性能，找出一组性能最佳的参数组合

2.1 简单网格搜索

就是网格搜索的概念，比如核svm有两个参数核半径和正则化参数，可以用两个for循环遍历要取的值，循环体内保留最高精度和对应的参数值，最后输出.不需要从sklearn导入其他模块

2.2 参数过拟合风险和验证集

验证集 训练集用来训练模型，测试集用来调参，找出最优参数，最优参数是否足够优秀，需要用新的数据去检验，而不应该用训练集和用来调参的测试集。为解决此问题，可以在训练模型前将原始数据集分成三部分，训练集，测试集，验证集。验证集就是用来校验模型调参结果的数据。如果用调参的测试集去验证模型准确度，会发现实际准确度达不到，因为测试集已经用过了，再用会过拟合导致高准度但泛化能力低

如何获取验证集 可以调用两次train_test_split

2.3 交叉验证+网格搜索（GridSearchCV）

网格搜索是选出最优参数，而交叉验证可以很好的验证参数泛化能力，其实可以用交叉验证替代验证集，且验证集对划分方案很敏感，不太合适

特点 1 交叉验证+网格搜索会导致计算量大，耗时 2 相比于手动交叉+网格，免去了划分验证集工序，模型直接用训练集做模型训练和参数评分，最后用测试集验证泛化能力

sklearn支持 交叉验证+网格搜索，sklearn提供了一体化模块，免去了手动for调多个参数然后交叉验证的繁琐。sklearn使用sklearn.model_selection.GridSearchCV实现，逻辑是先网格+交叉验证找到最优参数，然后最终评估。训练，测试数据和参数列表需要手动传参。看个例子

性质 1 网格找到的最佳参数存在模型的best_params_字段中 2 交叉验证的最高得分存在模型的best_score_字段中 3 模型所有字段存在模型的best_estimator_字段中

    def test_grid_and_cross(self):
        params = {'C': [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100], 'gamma': [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100]}
        grid_search = GridSearchCV(SVC(), params, cv=5)
        xtr, xte, ytr, yte = train_test_split(self.iris.data, self.iris.target, random_state=0)
        grid_search.fit(xtr, ytr)
        print(f'test grid search score: {grid_search.score(xte, yte)}')
        print(f'test grid search best params: {grid_search.best_params_}')
        print(f'test grid search best scores: {grid_search.best_score_}')
        print(f'test grid search best all params: {grid_search.best_estimator_}')

2.3.1 分析交叉验证结果

因为网格调参会比较多，此节用可视化方法分析

网格搜索的结果存在cv_results_字段，保存了每个网格的参数和训练得分

可视化方法为热图

    def test_visualization_cross_and_grid(self):
        params = {'C': [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100], 'gamma': [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100]}
        grid_search = GridSearchCV(SVC(), params, cv=5)
        xtr, xte, ytr, yte = train_test_split(self.iris.data, self.iris.target, random_state=0)
        grid_search.fit(xtr, ytr)
        scores = np.array(pd.DataFrame(grid_search.cv_results_).mean_test_score).reshape(6, 6)
        mglearn.tools.heatmap(scores, xlabel='gamma', xticklabels=params['gamma'], ylabel='C', yticklabels=params['C'], cmap='viridis')
        plot.show()

2.3.2 在非网格 空间中搜索

问题 有时候参数组合会动态变化，比如SVC的kernel类别，如果是线性kernel则不用gamma，如果kernel是rbf则C和gamma都要用，如果在线性kernel时网格搜索gamma和C，那么C时没意义的。为解决此问题，可以使用GridSearchCV模型的参数param_grid,这个和params参数不同的是，可以将线性kernel和rbf kernel放在一个列表里，每个列表项是一个字典，键就是C，gamma和kernel类别，用param_grid替代param

可视化 可以通过grid_search.cv_results_看结果，发现kernel线性的gamma参数为NAN

2.3.3 使用不同交叉验证策略进行网格搜索

GridSearchCV也可以使用不同的交叉验证方法

GridSearchCV对分类问题默认使用分层k折，对回归问题默认使用一般k折

实现 构造不同的验证分离器，作为cv参数传给GridSearchCV即可

 存在的必要性 之前的策略是事先划分测试集和训练集，然后交叉验证+网格搜索，缺点是所有验证和网格搜索都依赖于最开始的测试划分，没有验证和网格搜索在测试集上进行，这在某种程度会导致轻微的过拟合，为避免此问题，可以采用嵌套交叉验证，即先用交叉验证将数据划分为测试集和训练集，再用GridSearchCV模型对交叉验证划分的数据交叉验证

    def test_nested_cross(self):
        params = {'C': [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100], 'gamma': [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100]}
        scores = cross_val_score(GridSearchCV(SVC(), params, cv=5), self.iris.data, self.iris.target, cv=5)
        print(f'nested cross scores: {scores}, \n nested cross mean scores: {scores.mean()}')

性能 1 嵌套交叉验证构造更多的模型：36*5*5=900个模型，36是一次网格搜索构造的模型数量，第一个5是GridSearchCV网格搜索做的交叉验证，第二个5是5次交叉验证保证每次传给GridSearchCV的测试集不一样，用不一样的测试集去交叉验证 2 虽然次数很多，但交叉验证和网格搜索可以并行，模型的传入参数n_jobs可以控制并行数，参数表示并行数，如果设为-1则表示用主机所有内核 3 注意，并行不能嵌套，即如果GridSearchCV使用了嵌套，那么给GridSearchCV传入的训练模型就不可以用并行，sklearn不支持，但没试过

3 评估指标与评分

目前学到现在，一直都用R平方来评估分类和回归模型的精确度，有的模型并不适用R平方评估模型精确度，有更合适的指标，学习下

3.1 选择目标与商业化

一般机器学习都需要应用到现实生活，模型的好坏取决于在实际生活中发挥的作用，这个通过指标呈现，比如手术机器人手术速度，精确度等，越高说明模型越好，这里的手术速度，精确度就是现实的商业指标，但在开发阶段没有这样的现实环境，可又需要这样的现实指标才能评估模型的好坏，怎么办呢？可以找个近似的指标，学习下一般可以考虑哪些近似的指标

3.2 二分类指标

通过 正类 和 反类 两个概念来描述结果是否为我们想要的，与预期相符即为正类，否则为反类

3.2.1 错误类型

考虑预测癌症病人的性质是阴性还是阳性，此处将阳性结果视为正类

假正例/假反例 比如预测一个人癌症阳还是阴性，比如一个人癌症实际是阴性，但预测错了预测为阳性，这种情况叫假正例。假反例就是反过来

第一类错误/第二类错误 统计学上，假正例也叫第一类错误；假反例也叫第二类错误

回到例子中，第一类错误的影响可能导致患者做多的检查，但第二类错误会导致患者误以为自己是阴性但他实际是阳性，可能错过治疗最佳实际，严重的话甚至威胁生命，所以一般我们在设定正类和反类后，应该尽可能避免假反例（即第二类错误）

当然也可能有的场景第一类错误的影响远大于第二类错误，此时可以重点关注第一类错误

3.2.2 不平衡数据集

比如让三个女孩在10000个男孩里挑选最喜欢的人，男孩被喜欢了标1，男孩没被女孩喜欢标0，然后用男孩是否被标1来评估男孩的魅力程度。最后汇总10000个男孩里每个男孩是否被女孩喜欢的结果，得到的数据点有10000个，其中9997个是0，3个是1，但仅靠3个1很难评估这三个男生是有魅力的，也很难评估9997个男生是没魅力的，这种情况可以看作不平衡数据集的一个例子，而不平衡数据集在生活中更为常见

继续看上面这个例子，比如最后用百分比来看，99.97%的男生都没有被女生喜欢，光看数值发现数值很高，但实际这个数值并不能表示什么，不能表示99.97%的男生都没有魅力，而需要用其他指标去评估10000个男生到底谁有魅力

3.2.3 混淆矩阵

混淆矩阵输出一个2x2的数组，数组的元素是数据集的样本，两个行表示两个实际的类别，两个列表示两个预测的类。主对角线（matrix[i][i])上的数据是正确的（即预测类和实际类一致）。通过混淆矩阵可以看出正确和错误预测的样本

混淆矩阵的四个趋于可以用 假正例（false positive，FP），假反例（false negative， FN），真正例（TP)，真反例(TN)来描述

指标预测模型 通过FP，FN，TP，TN可以预测模型准确度，公式为（TP+TN）/（TP+TN+FP+FN）

准确率 公式是TP/（TP+FP），描述预测的正类有多少是真实的正类。如果限制FP的数量，可以考虑用准确率评估模型。比如验证新药是否有药效，在1000个小白是做实验，997个起作用了，3个没起作用，准确率99.7%

召回率/灵敏度/命中率 公式是TP/（TP+FN），描述真实正类中有多少被预测为正类。如果希望TP高，可以使用召回率评估模型。比如在预测的阳性癌症患者中找到真实阳性患者，这很有用

f分数 结合了准确率和召回率，是两者的调和平均，公式是2*(准确率*召回率）/（准确率+召回率）

准确率和召回率都是越高越好，两个要一起看，不能只看一个，比如如果让召回率到100但准确率很低，这可能不太行。（思考为很么两个都要高）

classification_report可以将准确率，召回率，f分数都打印出来

    def test_digits_predict_metric(self):
        xtr, xte, ytr, yte = train_test_split(self.digits.data, self.digits.target == 9, random_state=0)
        dummy = DummyClassifier(strategy='most_frequent').fit(xtr, ytr)
        pred_most_freq = dummy.predict(xte)
        print(f'{classification_report(yte, pred_most_freq, target_names=["not nine", "nine"])}')

作用 通过混淆矩阵和classification_report可以看到更多指标，可以全面衡量模型准确度

3.2.4 考虑不确定性

可以通过联合classification_report和decision_function和predict_proba调整决策边界获取好的报告（当然要切合实际），predict_proba值域为0-1（概率），更好操作

3.2.5 准确率-召回率曲线

概念 即训练一个分类模型，然后画二维图，两个方向分别是准确率和召回率，变量是decision_function的阈值，每取一个阈值，准确率和召回率也会取一个值，将所有decision_function的值对应的准确率和召回率的值绘图，就是准确率-召回率曲线

意义 1 准确率和召回率越大越好，绘图后可根据实际情况取舍，有助于可视化，是对f1分数的补充，因为f1分数看不到准确率和召回率（f1分数只提供了准确率召回率曲线上阈值为0的那个点） 2辅助对比多个模型哪个好，可以此为量化指标

量化 1一种量化指标是取曲线的平均值，即平均准确率（感觉就是算面积，积分或累次相加）

3.2.6 受试者工作特征（ROC）与AUC

概念 类似于准确率-召回率曲线，只是两个坐标代表的东西不一样，换成了假正例率（FP/(FP+TN))和真正例率(TP/(TP+FN))，真正例率同时也是召回率

指标意义 越靠近左上角越好，即真正例率越高，假正例率越低，越好

量化 类似于准确率-召回率曲线，也可计算平均值（积分或面积）

意义 1不平衡数据集来说，AUC/ROC是一个很好的指标

注意 AUC没调节阈值，获得了AUC高的组合参数后，一般还要调节阈值进一步

3.3 多分类指标

多分类一般看混淆矩阵和分类报告

多分类报告里有三种汇总值 1macro计算未加权的f分数（无视每个类的样本数） 2weighted计算加权的f分数 3micro计算假正例，假反例，真正例数量，用这些计数计算准确率，召回率，f分数

3.4 回归指标

精度一般够了

3.5 如何使用评估指标

交叉验证和网格搜索 提供了参数输入来选择不同的评估指标比如AUC，参数是scoring="xxx"

分类问题常用指标 accuracy， roc_auc，avg_precision（准确率召回率面积），f1， f1macro，f1micro，f1_weighted

回归问题常用指标 r2， 均方误差，平均绝对误差