京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
一个机器可以根据照片来辨别鲜花的品种吗?在机器学习角度,这其实是一个分类问题,即机器根据不同品种鲜花的数据进行学习,使其可以对未标记的测试图片数据进行分类。这一小节,我们还是从scikit-learn出发,理解基本的分类原则,多动手实践。
Iris flower数据集是1936年由Sir Ronald Fisher引入的经典多维数据集,可以作为判别分析(discriminant analysis)的样本。该数据集包含Iris花的三个品种(Iris setosa, Iris virginica and Iris versicolor)各50个样本,每个样本还有4个特征参数(分别是萼片<sepals>的长宽和花瓣<petals>的长 宽,以厘米为单位),Fisher利用这个数据集开发了一个线性判别模型来辨别花朵的品种。基于Fisher的线性判别模型,该数据集成为了机器学习中各 种分类技术的典型实验案例。
现在我们要解决的分类问题是,当我们看到一个新的iris花朵,我们能否根据以上测量参数成功预测新iris花朵的品种。
我们利用给定标签的数据,设计一种规则进而应用到其他样本中做预测,这是基本的监督问题(分类问题)。
由于iris数据集样本量和维度都很小,所以可以方便进行可视化和操作。
scikit-learn自带有一些经典的数据集,比如用于分类的iris和digits数据集,还有用于回归分析的boston house prices数据集。可以通过下面的方式载入数据:
from sklearn import datasets iris = datasets.load_iris() digits = datasets.load_digits()
该数据集是一种字典结构,数据存储在.data成员中,输出标签存储在.target成员中。
可以用下面的方式画出任意两个维度的散点图,这里以第一维sepal length和第二维数据sepal width为例:
from sklearn import datasets import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np iris = datasets.load_iris() irisFeatures = iris["data"] irisFeaturesName = iris["feature_names"] irisLabels = iris["target"] def scatter_plot(dim1, dim2): for t,marker,color in zip(xrange(3),">ox","rgb"): # zip()接受任意多个序列参数,返回一个元组tuple列表 # 用不同的标记和颜色画出每种品种iris花朵的前两维数据 # We plot each class on its own to get different colored markers plt.scatter(irisFeatures[irisLabels == t,dim1], irisFeatures[irisLabels == t,dim2],marker=marker,c=color) dim_meaning = {0:'setal length',1:'setal width',2:'petal length',3:'petal width'} plt.xlabel(dim_meaning.get(dim1)) plt.ylabel(dim_meaning.get(dim2)) plt.subplot(231) scatter_plot(0,1) plt.subplot(232) scatter_plot(0,2) plt.subplot(233) scatter_plot(0,3) plt.subplot(234) scatter_plot(1,2) plt.subplot(235) scatter_plot(1,3) plt.subplot(236) scatter_plot(2,3) plt.show()
效果如图:
如果我们的目标是区别这三种花朵,我们可以做一些假设。比如花瓣的长度(petal length)好像将Iris Setosa品种与其它两种花朵区分开来。我们可以以此来写一段小代码看看这个属性的边界是什么:
petalLength = irisFeatures[:,2] #select the third column,since the features is 150*4 isSetosa = (irisLabels == 0) #label 0 means iris Setosa maxSetosaPlength = petalLength[isSetosa].max() minNonSetosaPlength = petalLength[~isSetosa].min() print ('Maximum of setosa:{0} '.format(maxSetosaPlength)) print ('Minimum of others:{0} '.format(minNonSetosaPlength)) ''' 显示结果是: Maximum of setosa:1.9 Minimum of others:3.0 '''
我们根据实验结果可以建立一个简单的分类模型,如果花瓣长度小于2,就是Iris Setosa花朵,否则就是其他两种花朵。
这个模型的结构非常简单,是由数据的一个维度阈值来确定的。我们通过实验确定这个维度的最佳阈值。
以上的例子将Iris Setosa花朵和其他两种花朵很容易的分开了,然而我们不能立即确定Iris Virginica花朵和Iris Versicolor花朵的最佳阈值,我们甚至发现,我们无法根据某一维度的阈值将这两种类别很完美的分开。
我们先选出非Setosa的花朵。
irisFeatures = irisFeatures[~isSetosa] labels = irisLabels[~isSetosa] isVirginica = (labels == 2) #label 2 means iris virginica
这里我们非常依赖NumPy对于数组的操作,isSetosa是一个Boolean值数组,我们可以用它来选择出非Setosa的花朵。最后,我 们还构造了一个新的Boolean数组,isVirginica。接下来,我们对每一维度的特征写一个循环小程序,然后看一下哪一个阈值能得到更好的准确 率。
# search the threshold between virginica and versicolor irisFeatures = irisFeatures[~isSetosa] labels = irisLabels[~isSetosa] isVirginica = (labels == 2) #label 2 means iris virginica bestAccuracy = -1.0 for fi in xrange(irisFeatures.shape[1]): thresh = irisFeatures[:,fi].copy() thresh.sort() for t in thresh: pred = (irisFeatures[:,fi] > t) acc = (pred == isVirginica).mean() if acc > bestAccuracy: bestAccuracy = acc; bestFeatureIndex = fi; bestThreshold = t; print 'Best Accuracy:\t\t',bestAccuracy print 'Best Feature Index:\t',bestFeatureIndex print 'Best Threshold:\t\t',bestThreshold ''' 最终结果: Best Accuracy: 0.94 Best Feature Index: 3 Best Threshold: 1.6 '''
这里我们首先对每一维度进行排序,然后从该维度中取出任一值作为阈值的一个假设,再计算这个假设的Boolean序列和实际的标签Boolean 序列的一致情况,求平均,即得到了准确率。经过所有的循环,最终得到的阈值和所对应的维度。最后,我们得到了最佳模型针对第四维花瓣的宽度petal width,我们就可以得到这个决策边界decision boundary。
上面,我们得到了一个简单的模型,并且针对训练数据实现了94%的正确率,但这个模型参数可能过于优化了。
我们需要的是评估模型针对新数据的泛化能力,所以我们需要保留一部分数据,进行更加严格的评估,而不是用训练数据做测试数据。为此,我们会保留一部分数据进行交叉检验。
这样我们就会得到训练误差和测试误差,当复杂的模型下,可能训练的准确率是100%,但是测试时效果可能只是比随机猜测好一点。
在许多实际应用中,数据是不充足的。为了选择更好的模型,可以采用交叉检验方法。 交叉检验的基本想法是重复地使用数据;把给定数据进行切分,将切分的数据集组合为训练集和测试集,在此基础上反复地进行训练、测试以及模型选择。
应用最多的是S折交叉检验(S-fold cross validation),方法如下:首先随机地将已给数据切分为S个互不相交的大小相同的子集;然后利用S-1个子集的数据训练模型,利用余下的子集测试 模型;将这一过程对可能的S种选择重复进行;最后选出S次评测中平均测试误差最小的模型。
如上图,我们将数据集分成5部分,即5-fold交叉检验。接下来,我们可以对每一个fold生成一个模型,留出20%的数据进行检验。
留一交叉检验(leave-one-out cross validation)是S折交叉检验的特殊情形,是S为给定数据集的容量时情形。我们可以从训练数据中挑选一个样本,然后拿其他训练数据得到模型,最后看该模型是否能将这个挑出来的样本正确的分类。
def learn_model(features,labels): bestAccuracy = -1.0 for fi in xrange(features.shape[1]): thresh = features[:,fi].copy() thresh.sort() for t in thresh: pred = (features[:,fi] > t) acc = (pred == labels).mean() if acc > bestAccuracy: bestAccuracy = acc; bestFeatureIndex = fi; bestThreshold = t; ''' print 'Best Accuracy:\t\t',bestAccuracy print 'Best Feature Index:\t',bestFeatureIndex print 'Best Threshold:\t\t',bestThreshold ''' return {'dim':bestFeatureIndex, 'thresh':bestThreshold, 'accuracy':bestAccuracy} def apply_model(features,labels,model): prediction = (features[:,model['dim']] > model['thresh']) return prediction #-----------cross validation------------- error = 0.0 for ei in range(len(irisFeatures)): # select all but the one at position 'ei': training = np.ones(len(irisFeatures), bool) training[ei] = False testing = ~training model = learn_model(irisFeatures[training], isVirginica[training]) predictions = apply_model(irisFeatures[testing], isVirginica[testing], model) error += np.sum(predictions != isVirginica[testing])
上面的程序,我们用所有的样本对一系列的模型进行了测试,最终的估计说明了模型的泛化能力。
对于上面对数据集进行划分时,我们需要注意平衡分配数据。如果对于一个子集,所有的数据都来自一个类别,则结果没有代表性。基于以上的讨论,我们利用一个简单的模型来训练,交叉检验过程给出了这个模型泛化能力的估计。
Wiki:Iris flower data set
Building Machine Learning Systems with Python
转载请注明作者Jason Ding及其出处
Github主页(http://jasonding1354.github.io/)
CSDN博客(http://blog.csdn.net/jasonding1354)
简书主页(http://www.jianshu.com/users/2bd9b48f6ea8/latest_articles)
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在企业数字化运营、业务流程管理与精细化管控体系中,流程运营是串联各项业务环节、保障工作落地、提升运转效率的核心载体。无论 ...
2026-09-16在数据分析与统计学研究中,卡方检验是分析分类变量关联性与差异性的重要方法,广泛应用于市场调研、行为统计、社会调查、商业数 ...
2026-09-16 很多数据分析师每天盯着GMV、DAU、转化率,但当被问到“什么是指标”“指标和维度有什么区别”“如何定义指标值的计算规则和 ...
2026-09-16CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义: 用户增长核心分析框架,刻画用户从接触产品到自发推荐的全生命周期,五个递进环节构建 ...
2026-09-15在数字化营销与精细化用户运营时代,企业传统的广撒网式营销模式成本高、转化率低,已无法适配精准商业竞争需求。客户画像作为大 ...
2026-09-15 很多数据分析师精通描述性统计,能熟练计算均值、中位数、标准差,但当被问到“用500个样本如何推断10万用户的真实满意度” ...
2026-09-15在MySQL数据库数据查询与数据分析中,GROUP BY与ORDER BY是使用频率极高的核心关键字。二者语法结构相似,常搭配使用,但核心功 ...
2026-09-14随着数字化治理、智慧运营、数字孪生技术的普及,数字体征成为衡量业务状态、系统运行、城市治理与企业经营健康度的核心体系。数 ...
2026-09-14 很多数据分析师沉迷于复杂的模型和算法,却忽略了数据分析的一项基础能力——描述性统计。事实上,大量商业分析问题,用描述 ...
2026-09-14在MySQL数据库运维与开发实践中,经常出现一种典型现象:数据库实际存储的数据量很小,数据表条数少、文件体积低,但服务器整体 ...
2026-09-11 很多数据分析师能熟练计算均值、标准差,但当被问到“总体和样本有什么区别”“参数和统计量有什么关系”“数据级别的高低如 ...
2026-09-11CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义: 将同一时间段内因具备相同属性或共同经历的用户划分为群体,分析其留存与生命周期价值 ...
2026-09-11在零售、商超、餐饮、线下门店等实体商业运营中,客流与销售额是衡量门店经营状态的两大核心指标。销售额是门店经营的最终结果, ...
2026-09-10在数据可视化体系中,柱形图是最基础、应用最广泛的图表类型,其中**累计柱形图(堆积柱状图)**是兼顾整体总量与内部结构的核心 ...
2026-09-10 许多数据分析师精通Excel函数和SQL查询,但当面对一张上万行的销售明细表,要快速回答“哪个地区销量最高”“哪款产品增长最 ...
2026-09-10在Python Pandas数据分析中,DataFrame是承载结构化数据的核心载体,数据清洗、数据修正、条件赋值、字段更新等实操场景,都离不 ...
2026-09-09 很多数据分析师掌握了Excel函数、会写SQL查询,但当被问到“数据从哪里来”“数据加工有哪些步骤”“如何使用分析工具连接数 ...
2026-09-09卡方检验(Chi-Square Test)是统计学中针对分类数据的经典显著性检验方法,核心用于判断两个离散分类变量是否相互独立、数据实 ...
2026-09-09CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 1. 销售漏斗阶段判断 题目:销售漏斗模型中,通过广告、社交媒体等方式触达品牌信息(如浏览品 ...
2026-09-07在Python数据分析中,Pandas库的DataFrame是最核心、最常用的结构化数据表对象,类似于Excel的二维表格,具备规整的行列结构、字 ...
2026-09-07