四、机器学习基础概念介绍
- 1_机器学习基础概念
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- 机器学习分类
- 1.1 有监督学习
- 1.2 无监督学习
- 2_有监督机器学习—常见评估方法
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- 数据集的划分
- 2.1 留出法
- 2.2 校验验证法(重点方法)
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- 简单交叉验证
- K折交叉验证(单独流出测试集)(常用方法/Sklearn的默认方法)
- k折交叉验证(不单独留出测试集)
- 留一法交叉验证
- Subject-wise交叉验证
- 2.3 bootstrap自助法
- 3_ 有监督机器学习—学习评价指标
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- 3.1 准确率(Accuracy)
- 混淆矩阵
- 3.2 精确率(Precision)
- 3.3 召回率(Recall)
- 3.4 特异度(Specificity)
- 3.5 F1-值(F1-score)
- 3,6 ROC曲线
- 3.7 AUC面积
- 3.8 PR曲线
1_机器学习基础概念
机器学习一般可以分为训练和测试两个步骤。
训练:让模型学习数据的特点。
测试:让模型对新的数据进行预测,对比预测结果与实际结果之间的差异。
训练集:这批数据是供模型学习使用。
测试集:这批数据是供模型测试使用。
一般情况训练集和测试集是完全不相同的,训练集和测试集发生重叠是一个严重错误!
机器学习分类
1)按照学习方式
- 有监督学习:训练数据包含了数据本身及其对应的标签。每个训练数据都有一个明确的标识或结果。
- 无监督学习:训练数据只包含数据本身,不包含对应的标签。例如通过聚类算法对很多段EEG信号进行聚类分析。模型能够自主的学习到一些数据的特点。(通常缺乏先验知识,因此难以对数据进行标注或者标注成本太高)
- 半监督学习:部分训练数据有标签,部分训练数据没有标签。
- 强化学习:强化学习的标签可以不是一个明确的标识或结果。 一般是一个反馈或者奖励。
2)按照算法的原理
- 传统的机器学习(不包含任何人工神经网络结构,此文章的重点)
- 深度学习
1.1 有监督学习
监督学习一般解决两个问题:分类和回归
1) 分类和回归是做什么的
- 无论是分类还是回归,其本质都是对输入进行预测,都是有监督学习。
- 分类是根据输出得到一个分类的类别,而回归是根据输出得到一个具体的值。
2)分类和回归的区别
- 分类问题的输出的物体所属的类别,而回归问题的输出是物体的值。
- 分类问题的输出是离散值(0,1,2,3,…),回归问题输出的是连续值(36.7,36.8,…)
- eg:输入是一堆气象数据:
如果输出是具体的天气情况:雨天?晴天?阴天? —分类—
如果输出是具体的温度? —回归—
3)有监督学习有哪些
1.2 无监督学习
无监督学习一般解决两个问题:聚类和降维
1)聚类
- 在无监督学习中,数据不会带有任何标签。将这些无标签数据分成N个分开点集(称为簇)的算法,就被称为聚类算法。
- 常用聚类算法:K均值聚类和层次聚类
- 聚类和分类的区别:分类是有标签的,每个物体有其具体的明确的归属。而聚类是没有标签的,根据算法不同可能会得到不通过的结果。
2)降维
- 采用某种映射方法,将原高维空间中的数据点映射到低维度的空间中。
- 降维是对数据本身处理,不需要标签。
- 常用降维算法:PCA、张量分解。
2_有监督机器学习—常见评估方法
常见的评估方法有:留出法、校验验证法和自助法
数据集的划分
- 第一种:训练集和测试集(不建议适用)
- 第二种:训练集、验证集和测试集(正确的数据集划分方法)
训练集——学生的课本;学生 根据课本里的内容来掌握知识。
验证集——作业,通过作业可以知道 不同学生学习情况、进步的速度快慢。
测试集——考试,考的题是平常都没有见过,考察学生举一反三的能力。
正确做法: 在训练集上训练模型,在验证集上评估模型(对模型进行参数调整),最后在测试集上测试模型。
2.1 留出法
- 将数据集D分割为两个互斥的集合:训练集S和测试集T。
- 其中训练集S还可以进一步划分为训练集S1和验证集V。
- 数据集划分完毕后,直接在训练集S上训练模型,在验证集S1上评估模型,在测试集T上测试模型即可。
一般情况下,会选择20%左右的数据作为测试集。
缺点:数据选择随机,结果的方差比较大
2.2 校验验证法(重点方法)
校验验证法:能充分利用数据集,但不适用于特别大的数据集
- 一般分为:简单交叉验证,留一法交叉验证和K折交叉验证
- 其中,K折交叉验证(单独流出测试集)(该方法为常用方法,Sklearn的默认方法)
简单交叉验证
- 将样本全部打乱,随机的将样本数据集分为互斥的两个部分:训练集和测试集。其中训练集还可以划分为训练集和验证集。
- 通过训练集训练模型,通过验证集选择模型参数,在测试集上评估模型的分类率。
- 接着重新把样本数据打乱,重新划分训练集和测试集。重复上述过程若干次,此时将会得到若千个分类率。
- 选择最大的分类率作为最终分类率。
等价于将留出法重复n次,通常用于模型预筛,可作为论文中探讨模型选择的一部分。
K折交叉验证(单独流出测试集)(常用方法/Sklearn的默认方法)
- 将样本全部打乱,随机从样本数据集划分出互斥的两部分:训练集和测试集。从训练集D分类K大小相似的互斥子集。
- 每次选用K-1个子集作为训练集,余下的那个子集作为验证集。这样就得到了K组训练/验证集,从而可以进行 K次训练和验证,可以返回K个模型。
- 在测试集上分别对K个模型进行测试得到分类率,最终K次测试中分类率的均值作为最终分类率。
k为几就是几折交叉验证,通常五折/十折。
k折交叉验证(不单独留出测试集)
- 单独留出测试集的交叉验证会在进行交叉验证前单独留出测试集,后续所有的交叉验证都会最终在测试集上进行测试。
- 而不单独留出测试集的折交叉验证不会单独留出测试集,训练集、验证集和测试集将一会通过“交叉”产生。
- 数据量比较多,10折。10000个样本,
留一法交叉验证
- 当K折交叉验证中的K与样本个数N相等时,此时该验证方法被称为“留一法”。
- 理论上,留一法对数据的利用最为充分,其结果最接近实际的结果。如果样本数据比较大,会带来极大的计算量,因此留一法一般只适用于小样本量数据集。最终K个模型分类率的均值作为最终分类率。
- 注意:在神经科学领域,一般使用留一被试法
- 留一被试法:将同一个被试的所有的样本视为一个特定的集合,每次选择一个被试的样本作为测试集,其他被试的样本作为训练集。
Subject-wise交叉验证
2.3 bootstrap自助法
3_ 有监督机器学习—学习评价指标
3.1 准确率(Accuracy)
准确率能够清晰的判断我们模型的表现,但有一个严重的缺陷: 在正负样本不均衡的情况下,占比大的类别往往会成为影响 Accuracy 的最主要因素,此时的 Accuracy 并不能很好的反映模型的整体情况。
例如,一个测试集有正样本99个,负样本1个。模型把所有的样本都预测为正样本,那么模型的Accuracy为99%,看评价指标,模型的效果很好,但实际上模型没有任何预测能力。
混淆矩阵
TP = True Postive = 真阳性; FP = False Positive = 假阳性
FN = False Negative = 假阴性; TN = True Negative = 真阴性
比如我们一个模型对15个样本进行预测,然后结果如下。
真实值:0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0
预测值:1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
3.2 精确率(Precision)
精度(precision, 或者PPV,,positive predictive value) = TP / (TP + FP)
在上面的例子中,精度=5/(5+4)= 0.556
3.3 召回率(Recall)
·召回(recall,或者敏感度,sensitivity,真阳性率,TPR,True Positive Rate)= TP /(TP +FN)
在上面的例子中,召回=5/(5+2) = 0.714
3.4 特异度(Specificity)
特异度(specificity,或者真阴性率,TNR,True Negative Rate) = TN / (TN + FP)
在上面的例子中,特异度 = 4 / (4+2) = 0.667
3.5 F1-值(F1-score)
F1-值(F1-score) = 2TP / (2TP+FP+FN)
精确率和召回率是一对矛盾的指标,因此需要放到一起综合考虑。F1-score是精确率和召回率的调和平均值。
相对于ACC的优势:能够同时表明模型对正负样本的预测能力
在上面的例子中,F1-值 = 25 / (25+4+2) = 0.625
- 敏感度和特异度有何用?
特异度(specificity),TNR,即它反映筛检试验确定非病人的能力。
敏感度(sensitivity,召回率),TPR,即它反映筛检试验确定病人的能力。
敏感度高=漏诊率低,特异度高=误诊率低。
例如:核酸检测允许比较高的误诊率,但漏诊率低一定要很低。
3,6 ROC曲线
ROC曲线(横轴:FPR;纵轴:TPR)该曲线越接近左上角越好
TPR = TP / (TP+FN); 真阳率
FPR = FP / (FP + TN); 伪阳率
3.7 AUC面积
AUC(ROC与坐标轴围成图像的面积)
AUC = 1,是完美分类器。
AUC = [0.85, 0.95], 效果很好
AUC = [0.7, 0.85], 效果一般
AUC = [0.5, 0.7],效果较低,但用于预测股票已经很不错了
AUC = 0.5,跟随机猜测一样(例:丢铜板),模型没有预测价值。
AUC < 0.5,比随机猜测还差;但只要总是反预测而行,就优于随机猜测。
3.8 PR曲线
(仅供了解,横轴是recall,纵轴是precision,越接近右上角越好)