机器学习神器Scikit-Learn保姆级入门教程

2023-10-23 23:40:46

公众号：尤而小屋
作者：Peter
编辑：Peter

大家好，我是Peter~

Scikit-learn是一个非常知名的Python机器学习库，它广泛地用于统计分析和机器学习建模等数据科学领域。

  • 建模无敌：用户通过scikit-learn能够实现各种监督和非监督学习的模型
  • 功能多样：同时使用sklearn还能够进行数据的预处理、特征工程、数据集切分、模型评估等工作
  • 数据丰富：内置丰富的数据集，比如：泰坦尼克、鸢尾花等，数据不再愁啦

本篇文章通过简明快要的方式来介绍scikit-learn的使用，更多详细内容请参考官网：

  1. 内置数据集使用
  2. 数据集切分
  3. 数据归一化和标准化
  4. 类型编码
  5. 建模6部曲

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Scikit-learn使用神图

下面这张图是官网提供的，从样本量的大小开始，分为回归、分类、聚类、数据降维共4个方面总结了scikit-learn的使用：

https://scikit-learn.org/stable/tutorial/machine_learning_map/index.html

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-282zsYxN-1642000510115)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy8xqnswgej31c40u0afu.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iSRvRlDE-1642000510115)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy927cm155j313d0u0qav.jpg)]

安装

关于安装scikit-learn，建议通过使用anaconda来进行安装，不用担心各种配置和环境问题。当然也可以直接pip来安装：

pip install scikit-learn

数据集生成

sklearn内置了一些优秀的数据集，比如：Iris数据、房价数据、泰坦尼克数据等。

import pandas as pd
import numpy as np

import sklearn 
from sklearn import datasets  # 导入数据集

分类数据-iris数据

# iris数据
iris = datasets.load_iris()
type(iris)

sklearn.utils.Bunch

iris数据到底是什么样子？每个内置的数据都存在很多的信息

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EKRG6QrN-1642000510116)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91n9pteoj30rm0megni.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2gecPp4v-1642000510121)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91nwfg6oj31k60pc12z.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-kOXvOKmu-1642000510121)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91offvk6j31jm09qacu.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-b2RTObAG-1642000510123)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91posqcij316e0ogjus.jpg)]

可以将上面的数据生成我们想看到的DataFrame，还可以添加因变量：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-v3LKCaCW-1642000510123)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91q8nb2xj310k0qeq55.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8dUQ8uGK-1642000510124)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91qs9ryrj31640qawgw.jpg)]

回归数据-波士顿房价

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-E7quU7oC-1642000510124)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91s2w95wj31ak0pqdlw.jpg)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-4ee7qBKU-1642000510125)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91t3mq61j31ky0oswqu.jpg)]

我们重点关注的属性：

  • data
  • target、target_names
  • feature_names
  • filename

同样可以生成DataFrame：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QZvGcvlw-1642000510126)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91uej0edj31fc0s80yg.jpg)]

三种方式生成数据

方式1

#调用模块
from sklearn.datasets import load_iris
data = load_iris()

#导入数据和标签
data_X = data.data
data_y = data.target

方式2

from sklearn import datasets
loaded_data = datasets.load_iris()  # 导入数据集的属性

#导入样本数据
data_X = loaded_data.data
# 导入标签
data_y = loaded_data.target

方式3

# 直接返回
data_X, data_y = load_iris(return_X_y=True)

数据集使用汇总

from sklearn import datasets  # 导入库

boston = datasets.load_boston()  # 导入波士顿房价数据
print(boston.keys())  # 查看键(属性)     ['data','target','feature_names','DESCR', 'filename'] 
print(boston.data.shape,boston.target.shape)  # 查看数据的形状 
print(boston.feature_names)  # 查看有哪些特征 
print(boston.DESCR)  # described 数据集描述信息 
print(boston.filename)  # 文件路径

数据切分

# 导入模块
from sklearn.model_selection import train_test_split
# 划分为训练集和测试集数据
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
  data_X, 
  data_y, 
  test_size=0.2,
  random_state=111
)

# 150*0.8=120
len(X_train)

数据标准化和归一化

from sklearn.preprocessing import StandardScaler  # 标准化
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler  # 归一化

# 标准化
ss = StandardScaler()
X_scaled = ss.fit_transform(X_train)  # 传入待标准化的数据

# 归一化
mm = MinMaxScaler()
X_scaled = mm.fit_transform(X_train)

类型编码

来自官网案例：https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.preprocessing.LabelEncoder.html

对数字编码

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tTLfiYwG-1642000510127)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy91ym3xtmj310m0ki419.jpg)]

对字符串编码

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-sLR8wcpO-1642000510129)(https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNly1gy9202euv9j313q0g8dia.jpg)]

建模案例

导入模块

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier, NeighborhoodComponentsAnalysis  # 模型
from sklearn.datasets import load_iris  # 导入数据
from sklearn.model_selection import train_test_split  # 切分数据
from sklearn.model_selection import GridSearchCV  # 网格搜索
from sklearn.pipeline import Pipeline  # 流水线管道操作

from sklearn.metrics import accuracy_score  # 得分验证

模型实例化

# 模型实例化
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)

训练模型

knn.fit(X_train, y_train)

KNeighborsClassifier()

测试集预测

y_pred = knn.predict(X_test)
y_pred  # 基于模型的预测值

array([0, 0, 2, 2, 1, 0, 0, 2, 2, 1, 2, 0, 1, 2, 2, 0, 2, 1, 0, 2, 1, 2,
       1, 1, 2, 0, 0, 2, 0, 2])

得分验证

模型得分验证的两种方式：

knn.score(X_test,y_test)

0.9333333333333333

accuracy_score(y_pred,y_test)

0.9333333333333333

网格搜索

如何搜索参数

from sklearn.model_selection import GridSearchCV

# 搜索的参数
knn_paras = {"n_neighbors":[1,3,5,7]}
# 默认的模型
knn_grid = KNeighborsClassifier()

# 网格搜索的实例化对象
grid_search = GridSearchCV(
	knn_grid, 
	knn_paras, 
	cv=10  # 10折交叉验证
)
grid_search.fit(X_train, y_train)

GridSearchCV(cv=10, estimator=KNeighborsClassifier(),
             param_grid={'n_neighbors': [1, 3, 5, 7]})

# 通过搜索找到的最好参数值
grid_search.best_estimator_ 

KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)

grid_search.best_params_

Out[42]:

{'n_neighbors': 7}

grid_search.best_score_

0.975

基于搜索结果建模

knn1 = KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)

knn1.fit(X_train, y_train)

KNeighborsClassifier(n_neighbors=7)

通过下面的结果可以看到：网格搜索之后的建模效果是优于未使用网格搜索的模型

y_pred_1 = knn1.predict(X_test)

knn1.score(X_test,y_test)

1.0

accuracy_score(y_pred_1,y_test)

1.0
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