机器学习:线性模型学习总结(1):线性回归

机器学习:线性模型学习总结(1):线性回归,第1张

基于周志华老师的《机器学习》、上一篇学习笔记以及网络的其他资料,对线性模型的这一部分内容进行一个总结。

学习时间:2022.04.17~2022.04.18

文章目录
    • 0. 数据预处理
    • 1. 用SK-Learn做线性回归模型
      • 1.1 线性回归
      • 1.2 随机梯度下降执行线性回归
      • 1.3 多项式回归
      • 1.4 逻辑回归
    • 2. 用SK-Learn评价回归模型
      • 2.1 回归模型的评价指标
      • 2.2 交叉验证的评价指标
      • 2.3 过拟合与欠拟合
    • 3. 用Sklearn进行网格搜索
    • 4. 完整代码

0. 数据预处理

尝试构建了一个可以通用处理的数据预处理函数(不能处理文本和时间数据,因为要具体情况具体分析)。

    column_lists = list(df)  # 获取所有的列名
    bool_cos = []  # 获取所有的布尔类型列
    classify_cos = []  # 获取所有的分类数据列
    number_cos = []  # 获取所有的数据类型列
    date_cos = []  # 获取所有的时间类型列

    for i in column_lists:
        if df[i].dtypes == 'bool':
            bool_cos.append(i)
        elif df[i].dtypes == 'object':
            classify_cos.append(i)
        elif str(df[i].dtypes) == 'datetime':
            date_cos.append(i)
        else:
            number_cos.append(i)

    # 缺失值添加是否缺失的特征列
    for i in column_lists:
        if df[i].isnull().any():  # 判断是否有缺失值
            # 或者用if np.any(df[i].isnull()):
            new_column = str(i + '_ifNaN')  # 设置新列名
            df[new_column] = df.apply(lambda df: 1 if df[i] == np.NaN else 0, axis=1) 

    # 对于分类型数据,使用众数填充
    for i in classify_cos:
        df[i] = df[i].fillna(df[i].mode()[0])

    # 对于数值型数据,使用均值填充,并进行标准化(归一化的应用场景有限,可能会将数据的间距缩小)
    for i in number_cos:
        df[i].fillna(df[i].mean(), inplace=True)

        def stand_sca(data):
            data_standard = (data-data.mean())/data.std()
            return data_standard

        df[i] = stand_sca(df[i])

    # 对于bool类型数据,使用众数填充,并转换成0和1
    for i in bool_cos:
        df[i].fillna(df[i].mode(), inplace=True)
        df[i] = df[i].astype('int')

    df = pd.get_dummies(df)
1. 用SK-Learn做线性回归模型 1.1 线性回归

sklearn.linear_model.LinearRegression

1.2 随机梯度下降执行线性回归

sklearn.linear_model.SGDRegressor

可能需要调整的参数:

  • loss损失函数:要使用的损失函数。

    • loss=“squared_error”:平方误差损失函数,普通最小二乘;
    • “loss=huber”:增强平方误差损失函数对离群点的鲁棒性;
    • “loss=epsilon_insensitive”:标准SVR的损失函数,是L1损耗;
    • “loss=squared_epsilon_insensitive”:epsilon_insensitive的平方,是L2损耗。
  • penalty正则化方法:默认为“ l 2 l2 l2”。

    • 有’ l 2 l2 l2’, ‘ l 1 l1 l1’, ' e l a s t i c n e t elasticnet elasticnet'三种,分别对应岭回归、Lasso回归、d性回归。
  • alpha:使正则化项相乘的常量,值越高,正则化越强(仅针对’ l 2 l2 l2’, ‘ l 1 l1 l1’)。默认值为 0.0001。

  • l1_ratio:d性回归参数,[0,1]。确定’ l 2 l2 l2'和 ' l 1 l1 l1'的比率r,仅当是“d性网”时才使用。默认0.15。

  • max_iter最大迭代次数:默认=1000。

  • tol停止的容差标准:如果不是None,则在连续的epoch (loss > best_loss - tol)时停止训练。默认=1e-3。

  • epsilon敏感阈值:仅当为’ huber ‘、’ epsilon_insensitive ‘或’ squared_epsilon_insensitive '时。它决定了一个阈值,如果当前预测和正确标签之间的任何差异小于此阈值,则忽略它们。默认为0.1。

  • learning_rate:学习率模式:默认default=‘invsscaleing’。

    • ‘constant’: 常量。eta = eta0
    • ‘optimal':最优。eta = 1.0 / (alpha * (t + t0))
    • ‘invscaling’:内扩。eta = eta0 / pow(t, power_t)
      • power_t默认=0.1。
    • ‘adaptive’:自适应。eta = eta0,但每次连续的 epoch 无法按tol减少训练损失或未能按 tol 提高验证分数 early_stopping时,当前学习速率除以 5。
  • eta0初始学习率。默认eta0=0.01。

  • early_stopping:当验证分数没有提高时,是否使用提前停止来终止训练。默认值 = False。

    • validation_fraction:要留出的训练数据的比例,用于早期停止的验证集。默认值 = 0.1。

创建模板:

from sklearn.linear_model import SGDRegressor
# 实例化模型
SGDRegressor = SGDRegressor(loss='squared_error', penalty='l2', alpha=0.0001, max_iter=1000, tol=1e-3, eta0=0.01)
# 训练模型
SGDRegressor.fit(train_x, train_y)
# 模型预测
train_result = SGDRegressor.predict(train_x)
1.3 多项式回归

sklearn.preprocessing.PolynomialFeatures

可能需要调整的参数:

  • degree:如果给定一个整数,它指定多项式特征的最大度。如果传递了一个元组(min_degree, max_degree),则min_degree是生成的特征的最小多项式度,max_degree是最大多项式度。注意min_degree=0和min_degree=1是等价的,因为输出的0度项是由include_bias决定的。默认default=2。

在使用PolynomialFeatures()函数后,再使用线性回归,即是多项式回归,PolynomialFeatures()只是一个数据预处理过程。

import numpy as np
from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
X = np.arange(6).reshape(3, 2)
print(X)
'''
array([[0, 1],
       [2, 3],
       [4, 5]])
'''
poly = PolynomialFeatures(2)
print(poly.fit_transform(X))
'''
array([[ 1.,  0.,  1.,  0.,  0.,  1.],
       [ 1.,  2.,  3.,  4.,  6.,  9.],
       [ 1.,  4.,  5., 16., 20., 25.]])
'''
poly = PolynomialFeatures(interaction_only=True)
print(poly.fit_transform(X))
'''
array([[ 1.,  0.,  1.,  0.],
       [ 1.,  2.,  3.,  6.],
       [ 1.,  4.,  5., 20.]])
'''
1.4 逻辑回归

用于分类:sklearn.linear_model.LogisticRegression

  • penalty正则化方法:默认为“ l 2 l2 l2”。
    • 有’ l 2 l2 l2’, ‘ l 1 l1 l1’, ' e l a s t i c n e t elasticnet elasticnet'三种,分别对应岭回归、Lasso回归、d性回归。
  • l1_ratio:d性回归参数,[0,1]。确定’ l 2 l2 l2'和 ' l 1 l1 l1'的比率r,仅当是“d性网”时才使用。默认=None。
  • tol停止的容差标准:如果不是None,则在连续的epoch (loss > best_loss - tol)时停止训练。默认=1e-4。
  • C正则强度的倒数:与支持向量机一样,较小的值指定更强的正则化。default=1.0。
  • solver:用于优化问题的算法。{‘newton-cg’, ‘lbfgs’, ‘liblinear’, ‘sag’, ‘saga’}, 默认=’lbfgs’。
    • ‘newton-cg’:也是牛顿法家族的一种,利用损失函数二阶导数矩阵即海森矩阵来迭代优化损失函数。
    • ‘lbfgs’:拟牛顿法的一种,利用损失函数二阶导数矩阵即海森矩阵来迭代优化损失函数。
    • ‘liblinear’:不支持设置 penalty='none';L1正则化,多用于二分类。
    • ‘sag’:要求数据进行缩放处理。支持L2正则化。随机平均梯度下降,是梯度下降法的变种。
    • ‘saga’:要求数据进行缩放处理。支持L1、L2和d性正则化。
  • max_iter:最大迭代次数,默认=100。
  • multi_class:分类法类型,默认default=’auto’。
    • ‘auto’:自动判断。
    • ‘ovr’:每个标签都看做二分类问题。
    • ‘multinomial’:Softmax算法,多分类,即使数据是二分类的,损失最小是多项式损失拟合整个概率分布。(当solver =‘liblinear’ 时, ‘multinomial’ 不可用)。

可见:机器学习:线性模型学习总结(2)。

2. 用SK-Learn评价回归模型 2.1 回归模型的评价指标

没有交叉验证的评价指标输出函数:

	MSE = mean_squared_error(true_value, pred_value)
    print("均方误差MSE:", MSE, end=';\t')

    RMSE = np.sqrt(mean_squared_error(true_value, pred_value))
    print("均方根误差RMSE:", RMSE, end=';\t')

    MAE = mean_absolute_error(true_value, pred_value)
    print("平均绝对误差MAE:", MAE, end=';\t')

    R2 = r2_score(true_value, pred_value)
    print("决定系数R-Square:", R2, end=';\t')

    MAPE = mean_absolute_percentage_error(true_value, pred_value)
    print("平均绝对百分比误差MAPE:", MAPE, end=';\t')

    EVS = explained_variance_score(true_value, pred_value)
    print("可解释方差:", EVS, end='。')
2.2 交叉验证的评价指标

sklearn.model_selection.cross_val_score

需要定义的参数:

  • estimator:需要使用交叉验证的算法,即传入自己定义的模型。

  • X:传入数据集。

  • y:传入标签。

  • scoring:选择评价指标。回归模型默认R2,分类模型默认accuracy。default=None。

    • 其他支持的评分指标如下:

  • cv:交叉验证折数或可迭代的次数。default=None。

    • None:使用默认的5倍交叉验证;
    • int:指定(Stratified)KFold中的折叠次数;
    • An iterable that generates (train, test) splits as arrays of indices.
  • n_jobs:同时工作的cpu个数(-1代表全部)。default=None。

  • pre_dispatch:控制并行执行期间调度的作业数量。减少这个数量对于避免在CPU发送更多作业时CPU内存消耗的扩大是有用的。default=’2*n_jobs’。该参数可以是:

    • None:在这种情况下,所有的工作立即创建并产生。将其用于轻量级和快速运行的作业,以避免由于按需产生作业而导致延迟;
    • An int:一个int,给出所产生的总工作的确切数量;
    • A str:给出一个表达式作为n_jobs的函数,如’2 * n_jobs
    # 计算交叉验证的MSE
    MSE = cross_val_score(model, test_x, test_y, scoring='neg_mean_squared_error', cv=10)
    print('均方误差MSE:', -MSE)

    # 计算交叉验证的RMSE
    RMSE = np.mean(np.sqrt(np.abs(MSE)))

    # 计算交叉验证的R2
    R2 = cross_val_score(model, test_x, test_y, scoring='r2', cv=10)
    print("决定系数R-Square:", R2)

    print('平均MSE:', np.mean(MSE), ";  平均RMSE:", RMSE, ";  平均R2:", np.mean(R2))
2.3 过拟合与欠拟合

如果模型在训练数据上表现良好,但根据交叉验证的指标泛化较差,则你的模型过拟合。

  • 在神经网络模型中,可使用权值衰减的方法,即每次迭代过程中以某个小因子降低每个权值。
  • 选取合适的停止训练标准,使对机器的训练在合适的程度;
  • 保留验证数据集,对训练成果进行验证;
  • 获取额外数据进行交叉验证;
  • 正则化,即在进行目标函数或代价函数优化时,在目标函数或代价函数后面加上一个正则项,一般有L1正则与L2正则等。

如果两者的表现均不理想,则说明欠拟合。

  • 增加新特征,可以考虑加入进特征组合、高次特征,来增大假设空间;
  • 添加多项式特征,这个在机器学习算法里面用的很普遍,例如将线性模型通过添加二次项或者三次项使模型泛化能力更强;
  • 减少正则化参数,正则化的目的是用来防止过拟合的,但是模型出现了欠拟合,则需要减少正则化参数;
  • 使用非线性模型,比如核SVM 、决策树、深度学习等模型;
  • 调整模型的容量(capacity),通俗地,模型的容量是指其拟合各种函数的能力;
  • 容量低的模型可能很难拟合训练集;使用集成学习方法,如Bagging ,将多个弱学习器Bagging。
3. 用Sklearn进行网格搜索

sklearn.model_selection.GridSearchCV

可能需要的参数:

  • estimator:参数针对的搜索对象,即要调参的模型。
  • param_grid:超参的集合,本质上是一个列表,每个元素代表一组搜索(是一个字典),每个字典中的key是本次一次性要搜索的超参名字,对应的value是一个列表,描述搜索范围,其每个元素是相应的搜索取值。
  • scoring:用于评估测试集上交叉验证模型性能的策略。可接受的评价指标可见上图。一个指标即传入字符串;多个指标传入列表。默认是None。
    • refit:在多个score的情况下,模型在进行选择的时候,需要明确的scoring依据。
  • n_jobs:与并行运行相关,即可以提高搜索速度,取值为整数,默认为1,大于1的整数表示运行核数(但不能超过运行主机有的核数),取-1代表使用主机所有的核数。默认是None。
  • cv:交叉验证的折数。默认是None,即5折。
  • return_train_score:应该是控制是否返回得分。默认是False。

使用:

  • .fit:进行具体的搜索,且会返回搜索器实例本身信息;
  • .best_estimator_:可以查看带有最优超参的搜索器的相关信息;
  • .best_score_:可以查看当前最优超参情况下的得分;
  • .best_params_:可以输出当前由最优的超参及其取值组成的字典。
# 引入网格搜索,找到最优模型
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

SGDReg = SGDRegressor()

params = [
    {'loss': ['squared_error'], 'penalty': ['l1', 'l2'], 'max_iter': [1000, 10000, 30000]},  # 第一组参数及其可选择的值
    {'loss': ['epsilon_insensitive'], 'penalty': ['l1', 'l2'], 'max_iter': [1000, 10000, 30000]}  # 第二组参数及其可选择的值
]  # 根据所要搜索的模型,调整需要搜索的参数
scores = ['r2', 'neg_mean_squared_error']
best_SGDReg = GridSearchCV(SGDReg, param_grid=params, n_jobs=-1, scoring=scores, refit='neg_mean_squared_error')

best_SGDReg.fit(train_x, train_y)
4. 完整代码

完整代码如下:

import pandas as pd
from Data_processing_by_Pandas import mango_processing
from Regression_Model_evaluation import regression_evaluation_without_cross
from Regression_Model_evaluation import regression_evaluation_with_cross

# 读取数据
train = pd.read_csv('train.csv', nrows=50000)
print(train.describe())

train_target = train['fare_amount']
train_feature_before = train.drop(['key', 'fare_amount', 'pickup_datetime'], axis=1)

# 进行数据处理
train_feature = mango_processing(train_feature_before)

# 划分训练集与测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split
train_x, test_x, train_y, test_y = train_test_split(train_feature, train_target, test_size=0.2, random_state=42)

# 引入网格搜索,找到最优模型
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.linear_model import SGDRegressor

SGDReg = SGDRegressor()

params = [
    {'loss': ['squared_error'], 'penalty': ['l1', 'l2'], 'max_iter': [1000, 10000, 30000]},  # 第一组参数及其可选择的值
    {'loss': ['epsilon_insensitive'], 'penalty': ['l1', 'l2'], 'max_iter': [1000, 10000, 30000]}  # 第二组参数及其可选择的值
]  # 根据所要搜索的模型,调整需要搜索的参数
scores = ['r2', 'neg_mean_squared_error']
best_SGDReg = GridSearchCV(SGDReg, param_grid=params, n_jobs=-1, scoring=scores, refit='neg_mean_squared_error')

# 进行网格搜索
best_SGDReg.fit(train_x, train_y)

# 得到相关参数:
print(best_SGDReg.best_score_)
print(best_SGDReg.best_params_)

# 模型训练及预测:
# 将最优模型传入fare_SGD
fare_SGD = best_SGDReg.best_estimator_
fare_SGD.fit(train_x, train_y)
# 模型预测
train_result = fare_SGD.predict(train_x)

# 训练集预测结果评价(个人构建的模型,见上)
regression_evaluation_without_cross(train_y, train_result)
# 测试集交叉验证评价(个人构建的模型,见上)
regression_evaluation_with_cross(fare_SGD, train_x, train_y)

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原文地址: http://outofmemory.cn/langs/722176.html

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