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【Python成长之路】机器学习:10+分类算法汇总学习

技术火炬手 发表于 2020-07-27 17:31:29 07-27 17:31
技术火炬手 发表于 2020-07-27 17:31:29 2020/07/27
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【摘要】 一直都说python是人工智能、机器学习等算法的良配,很多python大神除了常规的大数据爬虫、网站开发等代码能力外,人工智能/机器学习也都是手到擒来。因此我也“跳坑”来看看 。

一直都说python是人工智能、机器学习等算法的良配,很多python大神除了常规的大数据爬虫、网站开发等代码能力外,人工智能/机器学习也都是手到擒来。因此我也“跳坑”来看看 。

由于python sklearn库的良好集成,我发现无论对于各类算法的实现、训练、预测都很简单,而且不同算法之间的代码逻辑和使用方法也不尽相同。那就干脆来个一锅端,来个10+分类算法的汇总集锦。

示例代码

这次为了方便理解,我直接先放代码,然后再简单入门级地讲讲各类算法的优劣。

from sklearn import svm
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.naive_bayes import BernoulliNB
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier
import xgboost
import lightgbm
import time
from sklearn import metrics
from sklearn.model_selection import train_test_split
import random
import numpy
from openpyxl import Workbook,load_workbook
def train_test_algorithm(model, x_train, y_train, x_test, y_test):
    print('begin to train……')
    start_time = time.time()
    model.fit(x_train, y_train)
    print('begin to predict……')
    y_pred_model = model.predict(x_test)
    classifier = str(model).split('(')[0]
    print('begin to get the result of Classifier_Type:{}...'.format(classifier))
    score = metrics.accuracy_score(y_test, y_pred_model)
    print('The accuracy score of {0} is: {1}%'.format(classifier, round(score * 100, 2)))
    end_time = time.time()
    use_time = end_time - start_time
    print('The time of using {0} is :{1}'.format(classifier, round(use_time, 2)))
    print('{} test end!\n\n'.format(classifier))
    return score, round(use_time, 2), classifier
def get_redball():
    redlist = []
    while len(redlist) < 7:
        temp = random.randint(1, 34)
        if temp not in redlist:
            redlist.append(temp)
    return redlist
def get_blueball():
    return random.randint(1, 17)
    def get_data():
    x_temp, y_temp = [], []
    for i in range(2000):
        x_temp.append(get_redball())
        y_temp.append(get_blueball())
    x = numpy.array(x_temp)
    y = numpy.array(y_temp)
    return x, y
 
def get_data2():
    import csv
    data = csv.reader(open('winequality-red.csv','r'))
    labels,xlist=[],[]
    firstline = True
    for i in data:
        if firstline:
            firstline = False
        else:
            r = i[0].split(';')
            labels.append(float(r[-1]))
            r.pop()
            floatrow = [float(num) for num in r]
            xlist.append(floatrow)
    # 转化为numpy格式
    x = numpy.array(xlist)
    y = numpy.array(labels)
    return x,y
 
if __name__ == '__main__':
    # 定义各类分类算法
    svc = svm.SVC()  # 支持向量机,SVM
    mlp = MLPClassifier()  # 多层感知机,MLP
    dtc = DecisionTreeClassifier()  # 决策树,DT
    knc = KNeighborsClassifier()  # K最近邻,KNN
    bnb = BernoulliNB()  # 伯努利贝叶斯,BNB
    gnb = GaussianNB()  # 高斯贝叶斯,GNB
    mnb = MultinomialNB()  # 朴素贝叶斯,MNB
    lgr = LogisticRegression()  # 逻辑回归,LGR
    rfc = RandomForestClassifier()  # 随机森林,RFC
    abc = AdaBoostClassifier()  # AdaBoost
    xgb = xgboost.XGBClassifier()  # xgboost
    gbm = lightgbm.LGBMClassifier()  # lightgbm
 
    # 训练/测试数据生成
    # 真实红酒销售数据
    x, y = get_data2()
    # 随机生成的双色球红蓝球数据
    # x,y = get_data()
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.20, random_state=531)
    classify_type_list = [svc, mlp, dtc, knc, bnb, gnb, mnb, lgr, rfc, abc, xgb, gbm]
    test_result = {}
    tablename = 'wine_result'
    wb = load_workbook('result.xlsx')
    try:
        ws = wb[tablename]
    except:
        ws = wb.create_sheet(tablename)
    ws.append(['classifer_type','score','use_time'])
    for i, type in enumerate(classify_type_list):
        score, use_time, classifier = train_test_algorithm(type, x_train, y_train, x_test, y_test)
        ws.append([classifier,str(round(100*score,2))+'%',use_time])
    wb.save('result.xlsx')

这里有两组测试数据,一组是机器学习官网常用的红酒质量数据(下载地址:"http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/winequality/winequality-red.csv"),一组是2000期双色球红/蓝球号码(当然这里我自己偷懒了,是用随机函数生成的,但不影响对机器学习算法的学习)。

对应的测试结果如下:

(1)双色球数据测试结果:

(2)红酒质量数据测试结果:

知识串讲

(1)分类算法代码实现流程:

1、准备数据样本,通过train_test_split函数可自动按比例生成训练和测试的数据数量,如样例代码为20%的测试数据,80%的训练数据;

2、实例化具体某个算法,如mlp = MLPClassifier();

3、通过fit函数对训练数据(x_train/y_train)进行预处理;

4、基于测试x_test数据进行具体算法的预测(predict函数实现),产生y_pred_data;

5、将预测数据y_pred_data与真实数据y_test进行对比,可以通过平方差等各类评估方法来判定,分类算法的准确率。

从流程上来讲,后面分类算法实现上都可以参照我的样例代码来做。

(2)示例代码有一部分代码是涉及excle表(csv/xlsx格式等)的处理,常用的python库有csv、openpyxl、xlrd等。因此我准备下次对excle表处理再进行汇总整理。这次就不具体记录了。

分类算法对比总结

支持向量机(SVM):通过分类面使两侧样本数据到分类面的最小距离最大,通俗地讲就是让他们离分类面都滚远点;当前在文本识别、人脸识别等场景中都有应用 优点:泛化性能高,能解决高维问题;对小样本的机器学习效果好 缺点:对缺失数据敏感,对非线性问题缺少通用解决方案,参数调节和函数的选择对算法准确率有很大影响

多层感知机(MLP) 其实就是两层的传统神经网络,是为了解决非线性问题(单层感知机只能对线性数据进行分类),通过将第一层神经元计算结果作为第二层输入,进行计算预测 优点:能处理非线性问题 缺点:随着层数增加会导致过拟合,参数调节难,梯度弥散、单侧抑制性等问题

决策树(DT) 通过多个结点判断进行结果判定,类似树的节点为条件,叶节点为分类结果 优点:适用于高维数据 缺点:对各类别样本数量不一致时,会对多样本的类别偏向;易过拟合,会忽略数据之间的相关性

K最近邻(KNN) 通过训练数据与预测数据之间的最邻近K个实例来判断,如果多数实例属于某个类别则预测数据属于那一类 优点:可以处理多分类问题,简单易懂 缺点:每次分类需要重新计算训练数据和测试数据,效率低;对训练数据的容错性较差,对多维数据无法处理

朴素贝叶斯(MNB) 对于待分类数据,通过学习得到的模型计算后验概率分布,并以后验概率作为 类别断定,一般用于新闻分类、垃圾邮件过滤  优点:模型参数少,对缺失数据不敏感,算法简单 缺点:实际应用中数据集属性无法保证相互独立,当数据集呈现不同属性时会导致分类效果大大下降;另外需要事先知道先验概率

逻辑回归(LGR) 是一种广义的线性回归分析模型,一般用于二分类问题,给定一些输入,给出是或否的结果 优点:计算量较小,易于实现和理解  缺点:容易出现欠拟合,对数据正确性高度依赖;如果无效数据过高会直接影响分类精度

随机森林(RFC) 通过随机森林中所有决策树的预测,进行平均值计算,如果哪一分类被选择最多,则预测数据就属于哪一类 优点:能降低过拟合风险,不会因为少量异常导致整体出错,因此相对稳定   缺点:计算成本高,训练时间长,如果训练数据有噪音则会出现过拟合现象

AdaBoost 将多个弱分类器通过加权结合,使其成为一个强分类器  优点:泛化误差低,不易过拟合,易与其他分类算法结合使用 缺点:对异常点非常敏感,并在分错后会逐级影响后面的弱分类器

xgboost 在GBDT(梯度提升决策树)基础发展而来,利用cpu的多线程引入正则化项 优点:不易过拟合,计算有提升,支持线性分类,能通过自动学习解决样本缺失问题 缺点:数据规格大时贪心算法比较耗时,对cache优化不友好 

lightgbm 梯度boosting框架的升级版,使用基于学习算法的决策树,能通过减少数据并行过程中的通讯开销提升效率,目前貌似是最热闹的boosting算法 优点:训练效率快,支持并行化学习,能处理大规格数据。速度比xgboost更快

结束

以上示例代码,其实并不能完全代表一类算法的优劣,因为我用的都是默认参数。针对不同测试数据,其实是需要具体来调参的,比如xgboost算法,其实有以下参数。因此我今天只是入门级地了解下机器学习的框架流程。

base_score=0.5, booster='gbtree', colsample_bylevel=1,
              colsample_bynode=1, colsample_bytree=1, gamma=0,
              learning_rate=0.1, max_delta_step=0, max_depth=3,
              min_child_weight=1, missing=None, n_estimators=100, n_jobs=1,
              nthread=None, objective='binary:logistic', random_state=0,
              reg_alpha=0, reg_lambda=1, scale_pos_weight=1, seed=None,
              silent=None, subsample=1, verbosity=1

作者:华为云特约供稿开发者 鹏哥贼优秀


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