选择正确的度量来评估机器学习模型

我们什么时候评估我们的机器学习模型呢?答案不是只有一次。通常，我们在实际的数据科学工作流中两次使用机器学习模型验证指标:

1. 模型比较：为您的任务选择最佳机器学习（ML）模型
2. 模型改进：调整超参数

为了更清楚地了解这两者之间的区别，让我通过机器学习（ML)实现的工作流程来解释。在为任务y设置所有特征X后，您可以准备多个机器学习模型作为候选。

那么你怎么才能最终为你的任务选择一个呢?是的，这是使用模型验证度量的第一点。Scikit-learn提供了一些快捷方法来比较模型，比如cross - validation。

在您选择了一个准确度最好的机器学习模型后，您将跳转到超参数调优部分，以提高精度和通用性。这里是您将使用这些度量的第二点。

在本文中，我试图制作机器学习模型评估指标的总结。

交叉验证用于模型比较

训练/测试拆分和交叉验证的可视化表示

我们拆分数据的原因和方式的起点是泛化。因为我们构建机器学习模型的目标是使用未来未知数据的真实实现。因此，我们不需要过度拟合过去数据的无用模型。

• Holdout 方法

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import load_wine
wine = load_wine()
X, y = wine.data, wine.target
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)

• 交叉验证方法

K-Folds的视觉表示

# Decision Tree Classifieras for estimator
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
clf = DecisionTreeClassifier(random_state=0)

cross_val_score：最简单的编码方法

我们可以通过参数“cv”来决定数据拆分的数量。通常5被认为是标准拆分数。

# X, y = wine.data, wine.target
from sklearn.model_selection import cross_val_score
scores = cross_val_score(clf, X, y, cv=5)
print(scores) # cv = number of splited data
print(scores.mean())

cross_validate：我推荐这个可自定义的

scoring = ['precision_macro', 'recall_macro']
scores = cross_validate(clf, X, y, scoring=scoring, cv=5)
print(scores)

回归度量

TL; DR：在大多数情况下，我们使用R2或RMSE。

我将使用Boston House Price数据集。

# Data Preparation
from sklearn.datasets import load_boston
boston = load_boston()
X, y = boston.data, boston.target
# Train data and Test data Splitting
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)

模型1：线性回归

reg = LinearRegression()
reg.fit(X_train, y_train)
y_pred1 = reg1.predict(X_test)

模型2：决策树回归

from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
reg2 = DecisionTreeRegressor(max_depth=3)
reg2.fit(X_train, y_train)
y_pred2 = reg2.predict(X_test)

现在我们准备评估我们的两个机器学习模型并选择一个！

R2：决定系数

from sklearn.metrics import r2_score

r2_score(y_test, y_pred1) # Linear Regression

r2_score(y_test, y_pred2) # Decision Tree Regressor

MSE：均方误差

from sklearn.metrics import mean_squared_error
mean_squared_error(y_test, y_pred)

>>> 23.873348..

RMSE：均方根误差

import numpy as np
np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred))

>>> 4.886036..

MAE：平均绝对误差

reg = LinearRegression()
reg.fit(X_train, y_train)
y_pred = reg.predict(X_test)
mean_absolute_error(y_test, y_pred)

>>> 3.465279..

分类指标

分类问题：

1. 一对一分类：例如付费用户或免费
2. One vs. Rest分类：例如高级会员或付费或免费

我将使用Iris数据集作为多类分类问题。

# Data Preparation
from sklearn.datasets import load_iris
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target
# Train data and Test data Splitting
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)

模型1：SVM

from sklearn.svm import SVC
clf1 = SVC(kernel = 'linear', C = 0.01)
clf1.fit(X_train, y_train)
y_pred1 = clf1.predict(X_test)

模型2：朴素贝叶斯

from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
clf2 = GaussianNB()
clf2.fit(X_train, y_train)
y_pred2 = clf2.predict(X_test)

现在我们准备评估我们的两个模型并选择一个！

1.准确性：

from sklearn.metrics import accuracy_score

accuracy_score(y_test, y_pred1)

accuracy_score(y_test, y_pred2)

2.精度：

from sklearn.metrics import precision_score

precision_score(y_test, y_pred1, average=None)

precision_score(y_test, y_pred2, average=None)

3.召回或灵敏度：

from sklearn.metrics import recall_score
recall_score(y_test, y_pred2, average=None)

>>> array([1. , 1. , 0.85714286]) # GNB

4. F分数：

from sklearn.metrics import f1_score
f1_score(y_test, y_pred2, average=None)

>>> array([1. , 0.9375 , 0.92307692]) # GNB

5.混淆矩阵

from sklearn.metrics import confusion_matrix

confusion_matrix(y_test, y_pred2)

6. ROC

如果你不使用OneVsRest Classifier，它不起作用......

from sklearn.multiclass import OneVsRestClassifier
from sklearn.svm import LinearSVC
clf = OneVsRestClassifier(LinearSVC(random_state=0))
clf.fit(X_train, y_train)
y_pred = clf.predict(X_test)

现在我们将通过ROC Curve进行检查。

from sklearn.metrics import roc_curve
fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_test, y_pred, pos_label=2)
fpr, tpr, thresholds

7. AUC：曲线下面积

from sklearn.metrics import auc
auc(fpr, tpr)

>>> 0.913333... # auc

8.多类对数损失

这是一个概率。并且需要使用OneVsRestClassifier。

# clf = OneVsRestClassifier(LinearSVC(random_state=0))
from sklearn.metrics import log_loss
y_pred = clf.predict_proba(X_test) # not .predict()
log_loss(y_test, y_pred)

>>> 0.09970990582482485

聚类度量

基本上在真正的聚类任务中，（我的意思是无监督聚类），我们没有任何方法来测量准确度或精度，因为没有人知道。

然而，作为分类任务的过程，有时我们使用有监督的聚类来了解数据的特征。（在实际工作中也是如此。）

因此，我将快速介绍一些监督聚类的指标。

我只使用了Iris数据集中的特征来解决聚类问题。

from sklearn.datasets import load_iris
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target

作为聚类问题的代表模型，这次我使用了K-means。

from sklearn.cluster import KMeans
kmeans = KMeans(n_clusters=3, random_state=0)
kmeans.fit(X)
y_means = kmeans.predict(X)

现在，监督聚类的结果是在y_means中。

同质性得分，Completeness Score，V度量得分

from sklearn.metrics import homogeneity_score, completeness_score, v_measure_score

hg = homogeneity_score(y, y_means)

co = completeness_score(y, y_means)

vm = v_measure_score(y, y_means)

print(hg, co, vm)

附加：学习曲线可视化

from sklearn.model_selection import learning_curve
from sklearn.model_selection import ShuffleSplit
def plot_learning_curve(clf, title, X, y, ylim=None, cv=None,
 n_jobs=None, train_sizes=np.linspace(.1, 1.0, 5)):
 plt.figure()
 plt.title(title)
 if ylim is not None:
 plt.ylim(*ylim)
 plt.xlabel("Training examples")
 plt.ylabel("Score")
 train_sizes, train_scores, test_scores = learning_curve(
 clf, X, y, cv=cv, n_jobs=n_jobs, train_sizes=train_sizes)
 train_scores_mean = np.mean(train_scores, axis=1)
 train_scores_std = np.std(train_scores, axis=1)
 test_scores_mean = np.mean(test_scores, axis=1)
 test_scores_std = np.std(test_scores, axis=1)
 plt.grid()
plt.fill_between(train_sizes, train_scores_mean - train_scores_std,
 train_scores_mean + train_scores_std, alpha=0.1,
 color="r")
 plt.fill_between(train_sizes, test_scores_mean - test_scores_std,
 test_scores_mean + test_scores_std, alpha=0.1, color="g")
 plt.plot(train_sizes, train_scores_mean, 'o-', color="r",
 label="Training score")
 plt.plot(train_sizes, test_scores_mean, 'o-', color="g",
 label="Cross-validation score")
plt.legend(loc="best")
 return plt
title = "Learning Curves (Decision Tree, max_depth=2)"
cv = ShuffleSplit(n_splits=100, test_size=0.2, random_state=0)
clf = DecisionTreeClassifier(max_depth=2, random_state=0)
plot_learning_curve(clf, title, X, y, ylim=(0.7, 1.01), cv=cv, n_jobs=4)
title = "Learning Curves (SVM, Decision Tree, max_depth=5)"
cv = ShuffleSplit(n_splits=10, test_size=0.2, random_state=0)
clf = DecisionTreeClassifier(max_depth=5, random_state=0)
plot_learning_curve(clf, title, X, y, (0.7, 1.01), cv=cv, n_jobs=4)
plt.show()