Python机器学习之数据探索可视化库yellowbrick-tutorial
背景介绍
从学sklearn时，除了算法的坎要过，还得学习matplotlib可视化，对我的实践应用而言，可视化更重要一些，然而matplotlib的易用性和美观性确实不敢恭维。陆续使用过plotly、seaborn，终定格在了Bokeh，因为它可以与Flask完美的结合，数据看板的开发难度降低了很多。
前阵子看到这个库可以较为便捷的实现数据探索，今天得空打算学习一下。原本访问的是英文文档，结果发现已经有人在做汉化，虽然看起来也像是谷歌翻译的，本着拿来主义，少费点精力的精神，就半抄半学，还是发现了一些与文档不太一致的地方。
# http://www.scikit-yb.org/zh/latest/tutorial.html复制代码模型选择教程
在本教程中，我们将查看各种 Scikit-Learn 模型的分数，并使用 Yellowbrick 的可视化诊断工具对其进行比较，以便为我们的数据选择佳模型。
模型选择三元组
关于机器学习的讨论常常集中在模型选择上。无论是逻辑回归、随机森林、贝叶斯方法，还是人工神经网络，机器学习实践者通常都能很快地展示他们的偏好。这主要是因为历史原因。尽管现代的第三方机器学习库使得各类模型的部署显得微不足道，但传统上，即使是其中一种算法的应用和调优也需要多年的研究。因此，与其他模型相比，机器学习实践者往往对特定的(并且更可能是熟悉的)模型有强烈的偏好。
然而，模型选择比简单地选择“正确”或“错误”算法更加微妙。实践中的工作流程包括:
选择和/或设计小和具预测性的特性集
从模型家族中选择一组算法，并且
优化算法超参数以优化性能。复制代码模型选择三元组 是由Kumar 等人，在 2015 年的 SIGMOD 论文中提出。在他们的论文中，谈论到下一代为预测建模而构建的数据库系统的开发。作者很中肯地表示，由于机器学习在实践中具有高度实验性，因此迫切需要这样的系统。“模型选择，”他们解释道，“是迭代的和探索性的，因为(模型选择三元组)的空间通常是无限的，而且通常不可能让分析师事先知道哪个(组合)将产生令人满意的准确性和/或洞察力。”
近，许多工作流程已经通过网格搜索方法、标准化 API 和基于 GUI 的应用程序实现了自动化。然而，在实践中，人类的直觉和指导可以比穷举搜索更有效地专注于模型质量。通过可视化模型选择过程，数据科学家可以转向终的、可解释的模型，并避免陷阱。
Yellowbrick 库是一个针对机器学习的可视化诊断平台，它允许数据科学家控制模型选择过程。Yellowbrick 用一个新的核心对象扩展了Scikit-Learn 的 API: Visualizer。Visualizers 允许可视化模型作为Scikit-Learn管道过程的一部分进行匹配和转换，从而在高维数据的转换过程中提供可视化诊断。
关于数据
本教程使用来自 UCI Machine Learning Repository 的修改过的蘑菇数据集版本。我们的目标是基于蘑菇的特定，去预测蘑菇是有毒的还是可食用的。
这些数据包括与伞菌目(Agaricus)和环柄菇属(Lepiota)科中23种烤蘑菇对应的假设样本描述。 每一种都被确定为可食用，有毒，或未知的可食用性和不推荐（后一类与有毒物种相结合）。
我们的文件“agaricus-lepiota.txt”，包含3个名义上有价值的属性信息和8124个蘑菇实例的目标值(4208个可食用，3916个有毒)。
让我们用Pandas加载数据。
import os
import pandas as pd
mushrooms = 'data/shrooms.csv' # 数据集
dataset = pd.read_csv(mushrooms)
# dataset.columns = names
dataset.head()复制代码.dataframe tbody tr th:only-of-type {vertical-align: middle;}</p>
<pre><code> .dataframe tbody tr th {
vertical-align: top;
}</code></pre>
<pre><code> .dataframe thead th {
text-align: right;
}
</style>
<table border="1">
<thead>
<tr style="text-align: right;">
<th></th>
<th>id</th>
<th>class</th>
<th>cap-shape</th>
<th>cap-surface</th>
<th>cap-color</th>
<th>bruises</th>
<th>odor</th>
<th>gill-attachment</th>
<th>gill-spacing</th>
<th>gill-size</th>
<th>...</th>
<th>stalk-color-above-ring</th>
<th>stalk-color-below-ring</th>
<th>veil-type</th>
<th>veil-color</th>
<th>ring-number</th>
<th>ring-type</th>
<th>spore-print-color</th>
<th>population</th>
<th>habitat</th>
<th>Unnamed: 24</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<th>0</th>
<td>1</td>
<td>p</td>
<td>x</td>
<td>s</td>
<td>n</td>
<td>t</td>
<td>p</td>
<td>f</td>
<td>c</td>
<td>n</td>
<td>...</td>
<td>w</td>
<td>w</td>
<td>p</td>
<td>w</td>
<td>o</td>
<td>p</td>
<td>k</td>
<td>s</td>
<td>u</td>
<td>NaN</td>
</tr>
<tr>
<th>1</th>
<td>2</td>
<td>e</td>
<td>x</td>
<td>s</td>
<td>y</td>
<td>t</td>
<td>a</td>
<td>f</td>
<td>c</td>
<td>b</td>
<td>...</td>
<td>w</td>
<td>w</td>
<td>p</td>
<td>w</td>
<td>o</td>
<td>p</td>
<td>n</td>
<td>n</td>
<td>g</td>
<td>NaN</td>
</tr>
<tr>
<th>2</th>
<td>3</td>
<td>e</td>
<td>b</td>
<td>s</td>
<td>w</td>
<td>t</td>
<td>l</td>
<td>f</td>
<td>c</td>
<td>b</td>
<td>...</td>
<td>w</td>
<td>w</td>
<td>p</td>
<td>w</td>
<td>o</td>
<td>p</td>
<td>n</td>
<td>n</td>
<td>m</td>
<td>NaN</td>
</tr>
<tr>
<th>3</th>
<td>4</td>
<td>p</td>
<td>x</td>
<td>y</td>
<td>w</td>
<td>t</td>
<td>p</td>
<td>f</td>
<td>c</td>
<td>n</td>
<td>...</td>
<td>w</td>
<td>w</td>
<td>p</td>
<td>w</td>
<td>o</td>
<td>p</td>
<td>k</td>
<td>s</td>
<td>u</td>
<td>NaN</td>
</tr>
<tr>
<th>4</th>
<td>5</td>
<td>e</td>
<td>x</td>
<td>s</td>
<td>g</td>
<td>f</td>
<td>n</td>
<td>f</td>
<td>w</td>
<td>b</td>
<td>...</td>
<td>w</td>
<td>w</td>
<td>p</td>
<td>w</td>
<td>o</td>
<td>e</td>
<td>n</td>
<td>a</td>
<td>g</td>
<td>NaN</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>5 rows × 25 columns</p>
</div>
</code></pre>
<pre><code>features = ['cap-shape', 'cap-surface', 'cap-color']
target = ['class']
X = dataset[features]
y = dataset[target]</code></pre>
<p></p>
<pre><code>dataset.shape # 较官方文档少了俩蘑菇</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> (8122, 25)
</code></pre>
<pre><code>dataset.groupby('class').count() # 各少了1个蘑菇</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<p><div><style scoped>.dataframe tbody tr th:only-of-type {vertical-align: middle;}</p>
<pre><code> .dataframe tbody tr th {
vertical-align: top;
}</code></pre>
<pre><code> .dataframe thead th {
text-align: right;
}
</style>
<table border="1">
<thead>
<tr style="text-align: right;">
<th></th>
<th>id</th>
<th>cap-shape</th>
<th>cap-surface</th>
<th>cap-color</th>
<th>bruises</th>
<th>odor</th>
<th>gill-attachment</th>
<th>gill-spacing</th>
<th>gill-size</th>
<th>gill-color</th>
<th>...</th>
<th>stalk-color-above-ring</th>
<th>stalk-color-below-ring</th>
<th>veil-type</th>
<th>veil-color</th>
<th>ring-number</th>
<th>ring-type</th>
<th>spore-print-color</th>
<th>population</th>
<th>habitat</th>
<th>Unnamed: 24</th>
</tr>
<tr>
<th>class</th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<th>e</th>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>...</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>4207</td>
<td>0</td>
</tr>
<tr>
<th>p</th>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>...</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>3915</td>
<td>0</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>2 rows × 24 columns</p>
</div>
</code></pre>
<h1>特征提取</h1>
<p>我们的数据，包括目标参数，都是分类型数据。为了使用机器学习，我们需要将这些值转化为数值型数据。为了从数据集中提取这一点，我们必须使用Scikit-Learn的转换器（transformers）将输入数据集转换为适合模型的数据集。幸运的是，Sckit-Learn提供了一个转换器，用于将分类标签转换为整数: sklearn.preprocessing.LabelEncoder。不幸的是，它一次只能转换一个向量，所以我们必须对它进行调整，以便将它应用于多个列。<br/>有疑问，这个蘑菇分类就是一个向量？</p>
<p></p>
<pre><code>from sklearn.base import BaseEstimator, TransformerMixin
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder, OneHotEncoder
class EncodeCategorical(BaseEstimator, TransformerMixin):
"""
Encodes a specified list of columns or all columns if None.
"""
def __init__(self, columns=None):
self.columns = [col for col in columns]
self.encoders = None
def fit(self, data, target=None):
"""
Expects a data frame with named columns to encode.
"""
# Encode all columns if columns is None
if self.columns is None:
self.columns = data.columns
# Fit a label encoder for each column in the data frame
self.encoders = {
column: LabelEncoder().fit(data[column])
for column in self.columns
}
return self
def transform(self, data):
"""
Uses the encoders to transform a data frame.
"""
output = data.copy()
for column, encoder in self.encoders.items():
output[column] = encoder.transform(data[column])
return output</code></pre>
<p></p>
<h1>建模与评估</h1>
<p></p>
<h2>评估分类器的常用指标</h2>
<p>度(Precision) 是正确的阳性结果的数量除以所有阳性结果的数量(例如，我们预测的可食用蘑菇实际上有多少?)</p>
<p>召回率(Recall) 是正确的阳性结果的数量除以应该返回的阳性结果的数量(例如，我们准确预测了多少有毒蘑菇是有毒的?)</p>
<p>F1分数(F1 score) 是测试准确度的一种衡量标准。它同时考虑测试的度和召回率来计算分数。F1得分可以解释为精度和召回率的加权平均值，其中F1得分在1处达到佳值，在0处达到差值。precision = true positives / (true positives + false positives)</p>
<p>recall = true positives / (false negatives + true positives)</p>
<p>F1 score = 2 <em> ((precision </em> recall) / (precision + recall))现在我们准备好作出一些预测了！</p>
<p>让我们构建一种评估多个估算器(multiple estimators)的方法 —— 首先使用传统的数值分数（我们稍后将与Yellowbrick库中的一些可视化诊断进行比较）。</p>
<p></p>
<pre><code>from sklearn.metrics import f1_score
from sklearn.pipeline import Pipeline
def model_selection(X, y, estimator):
"""
Test various estimators.
"""
y = LabelEncoder().fit_transform(y.values.ravel())
model = Pipeline([
('label_encoding', EncodeCategorical(X.keys())),
('one_hot_encoder', OneHotEncoder(categories='auto')), # 此处增加自动分类，否则有warning
('estimator', estimator)
])
# Instantiate the classification model and visualizer
model.fit(X, y)
expected = y
predicted = model.predict(X)
# Compute and return the F1 score (the harmonic mean of precision and recall)
return (f1_score(expected, predicted))</code></pre>
<p></p>
<pre><code>from sklearn.svm import LinearSVC, NuSVC, SVC
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegressionCV, LogisticRegression, SGDClassifier
from sklearn.ensemble import BaggingClassifier, ExtraTreesClassifier, RandomForestClassifier</code></pre>
<p></p>
<pre><code>model_selection(X, y, LinearSVC())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6582119537920643
</code></pre>
<pre><code>import warnings
warnings.filterwarnings("ignore", category=FutureWarning, module="sklearn") # 忽略警告</code></pre>
<p></p>
<pre><code>model_selection(X, y, NuSVC())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6878837238441299
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, SVC())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6625145971195017
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, SGDClassifier())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.5738408700629649
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, KNeighborsClassifier())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6856846473029046
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, LogisticRegressionCV())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6582119537920643
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, LogisticRegression())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6578749058025622
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, BaggingClassifier())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6873901878632248
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, ExtraTreesClassifier())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6872294372294372
</code></pre>
<pre><code>model_selection(X, y, RandomForestClassifier())</code></pre>
<p></p>
<p></p>
<pre><code> 0.6992081007399714
</code></pre>
<h1>初步模型评估</h1>
<p>根据上面F1分数的结果，哪个模型表现好？</p>
<h1>可视化模型评估</h1>
<p>现在，让我们重构模型评估函数，使用Yellowbrick的ClassificationReport类，这是一个模型可视化工具，可以显示度、召回率和F1分数。这个可视化的模型分析工具集成了数值分数以及彩色编码的热力图，以支持简单的解释和检测，特别是对于我们用例而言非常相关(性命攸关!)的类错误(Type I error)和第二类错误(Type II error)的细微差别。</p>
<p>类错误 (或 "假阳性(false positive)" ) 是检测一种不存在的效应(例如，当蘑菇实际上是可以食用的时候，它是有毒的)。</p>
<p>第二类错误 (或 “假阴性”"false negative" ) 是未能检测到存在的效应(例如，当蘑菇实际上有毒时，却认为它是可以食用的)。</p>
<p></p>
<pre><code>from sklearn.pipeline import Pipeline
from yellowbrick.classifier import ClassificationReport
def visual_model_selection(X, y, estimator):
"""
Test various estimators.
"""
y = LabelEncoder().fit_transform(y.values.ravel())
model = Pipeline([
('label_encoding', EncodeCategorical(X.keys())),
('one_hot_encoder', OneHotEncoder()),
('estimator', estimator)
])
# Instantiate the classification model and visualizer
visualizer = ClassificationReport(model, classes=['edible', 'poisonous'])
visualizer.fit(X, y)
visualizer.score(X, y)
visualizer.poof()</code></pre>
<p></p>
<pre><code>visual_model_selection(X, y, LinearSVC())</code></pre>
<p></p>
<p><img src="https://p1-jj.byteimg.com/tos-cn-i-t2oaga2asx/gold-user-assets/2019/8/20/16cae375dd13c65f~tplv-t2oaga2asx-image.image" title="file" alt="file" /></p>
<p></p>
<pre><code># 其他分类器可视化略
visual_model_selection(X, y, RandomForestClassifier())</code></pre>
<p></p>
<p><img src="https://p1-jj.byteimg.com/tos-cn-i-t2oaga2asx/gold-user-assets/2019/8/20/16cae3760e6d6499~tplv-t2oaga2asx-image.image" title="file" alt="file" /></p>
<p></p>
<h1>检验</h1>
<p></p>
<pre><code> 现在,哪种模型看起来好?为什么?
哪一个模型有可能救你的命?
可视化模型评估与数值模型评价，体验起来有何不同?</code></pre>
<p>准确率Precision召回率Recall以及综合评价指标F1-Measurehttp://www.makaidong.com/%E5%8D%9A%E5%AE%A2%E5%9B%AD%E7%83%AD%E6%96%87/437.shtmlf1-score综合考虑的准确率和召回率。可视化就是直观嘛，逃~<br/></p>
<pre><code></code></pre>
<p></p>
<h1>作者简介</h1>
<p>知乎yeayee，Py龄5年，善Flask+MongoDB+SKlearn+Bokeh</p>
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