Python机器学习库scikit-learn使用详解

前言

scikit-learn是python中最流行的机器学习库之一，它提供了各种各样的机器学习算法和工具，包括分类、回归、聚类、降维等。

scikit-learn的优点有：

• 简单易用：scikit-learn 的接口简单易懂，可以让用户很容易地上手进行机器学习。统一的api：scikit-learn 的 API 非常统一，各种算法的使用方法基本一致，使得学习和使用变得更加方便。
• 大量实现了机器学习算法：scikit-learn 实现了各种经典的机器学习算法，而且提供了丰富的工具和函数，使得算法的调试和优化变得更加容易。
• 开源免费：scikit-learn 是完全开源的，而且是免费的，任何人都可以使用和修改它的代码。
• 高效稳定：scikit-learn 实现了各种高效的机器学习算法，可以处理大规模数据集，并且在稳定性和可靠性方面表现出色。scikit-learn因为API非常的统一而且模型相对较简单所以非常适合入门机器学习。这里我的推荐方式是结合官方文档进行学习，不仅有每个模型的适用范围介绍还有代码样例。

scikit-learn官网地址

线性回归模型-LinearRegression

LinearRegression模型是一种基于线性回归的模型，适用于解决连续变量的预测问题。该模型的基本思想是建立一个线性方程，将自变量与因变量之间的关系建模为一条直线，并利用训练数据拟合该直线，从而求出线性方程的系数，再用该方程对测试数据进行预测。

LinearRegression模型适用于自变量和因变量之间存在线性关系的问题，例如房价预测、销售预测、用户行为预测等。当然，当自变量和因变量之间的关系为非线性时，LinearRegression模型的表现会比较差。此时可以采用多项式回归、岭回归、Lasso回归等方法来解决。

准备数据集

在抛开其它因素影响后，学习时间和学习成绩之间存在着一定的线性关系，当然这里的学习时间指的是有效学习时间，表现为随着学习时间的增加成绩也会增加。所以我们准备一份学习时间和成绩的数据集。数据集内部分数据如下：

学习时间,分数
0.5,15
0.75,23
1.0,14
1.25,42
1.5,21
1.75,28
1.75,35
2.0,51
2.25,61
2.5,49

使用LinearRegression

确定特征和目标

在学习时间和成绩间，学习时间为特征，也即自变量；成绩为标签也即因变量，所以我们需要在准备好的学习时间和成绩数据集中提取特征和标签。

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.metrics import r2_score, mean_squared_error
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.linear_model import LinearRegression
# 读取学习时间和成绩CSV数据文件
data = pd.read_csv('data/study_time_score.csv')
# 提取数据特征学习时间
X = data['学习时间']
# 提取数据目标(标签)分数
Y = data['分数']

划分训练集和测试集

在特征及标签数据准备好以后，使用scikit-learn的LinearRegression进行训练，将数据集划分为训练集和测试集。

"""
将特征数据和目标数据划分为测试集和训练集
通过test_size=0.25将百分之二十五的数据划分为测试集
"""
X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, Y, test_size=0.25, random_state=0)
x_train = X_train.values.reshape(-1, 1)
model.fit(x_train, Y_train)

选择模型，对数据进行拟合

将测试集和训练集准备好以后,我们就可以选择合适的模型对训练集进行拟合，以便能够预测出其它特征对应的目标

# 选择模型，选择模型为LinearRegression
model = LinearRegression()
# Scikit-learn中，机器学习模型的输入必须是一个二维数组。我们需要将一维数组转换为二维数组，才能在模型中使用。
x_train = X_train.values.reshape(-1, 1)
# 进行拟合
model.fit(x_train, Y_train)

得到模型参数

由于数据集只包含学习时间和成绩两个是一个很简单的线性模型，其背后的数学公式也即y=ax+b,其中y因变量也就是成绩, x自变量也即学习时间。

"""
输出模型关键参数
Intercept: 截距 即b
Coefficients: 变量权重 即a
"""
print('Intercept:', model.intercept_)
print('Coefficients:', model.coef_)

回测

上面拟合模型只用到了测试集数据，下面我们需要使用测试集数据对模型的拟合进行一个回测，在使用训练集拟合后，我们就可以对特征测试集进行预测，通过得到的目标预测结果与实际目标的值进行比较，我们就可以得到模型的拟合度了。

# 转换为n行1列的二维数组
x_test = X_test.values.reshape(-1, 1)
# 在测试集上进行预测并计算评分
Y_pred = model.predict(x_test)
# 打印测试特征数据
print(x_test)
# 打印特征数据对应的预测结果
print(Y_pred)
# 将预测结果与原特征数据对应的实际目标值进行比较，从而获得模型拟合度
# R2 (R-squared)：模型拟合优度，取值范围在0~1之间，越接近1表示模型越好的拟合了数据。
print("R2:", r2_score(Y_test, Y_pred))

• 程序运行结果
• 根据上述的代码我们需要确定LinearRegression模型的拟合度，也就是这些数据到底适合不适合使用线性模型进行拟合，程序的运行结果如下：

预测结果:
[47.43726068 33.05457106 49.83437561 63.41802692 41.84399249 37.84880093
 23.46611131 37.84880093 26.66226456 71.40841004 18.67188144 88.9872529
 63.41802692 42.6430308  21.86803469 69.81033341 66.61418017 33.05457106
 58.62379705 50.63341392 18.67188144 41.04495418 20.26995807 77.80071653
 28.26034119 13.87765157 61.81995029 90.58532953 77.80071653 36.25072431
 84.19302303]
R2: 0.8935675710322939

总结

上述模型的拟合度达到了89%,如果你能接受大约10%的误差，则可以使用LinearRegression模型进行预测。当调整训练集大小小于25%时，模型的拟合度稍低于89%,数据集的大小和训练集的大小等因为都会影响模型的拟合度，需要不断尝试找到拟合效果的参数设定。

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