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想深入了解線性回歸?用scikit-learn和pandas學習!

對于想深入了解線性回歸的童鞋,這裡給出一個完整的例子,詳細學完這個例子,對用scikit-learn來運作線性回歸,評估模型不會有什麼問題了。

一、擷取資料,定義問題

沒有資料,當然沒法研究機器學習啦。:) 這裡我們用UCI大學公開的機器學習資料來跑線性回歸。

資料的介紹在這:

http://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Combined+Cycle+Power+Plant

資料的下載下傳位址在這:

http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/00294/

裡面是一個循環發電場的資料,共有9568個樣本資料,每個資料有5列,分别是:AT(溫度), V(壓力), AP(濕度), RH(壓強), PE(輸出電力)。我們不用糾結于每項具體的意思。

我們的問題是得到一個線性的關系,對應PE是樣本輸出,而AT/V/AP/RH這4個是樣本特征, 機器學習的目的就是得到一個線性回歸模型,即:

想深入了解線性回歸?用scikit-learn和pandas學習!

而需要學習的,就是

想深入了解線性回歸?用scikit-learn和pandas學習!

這5個參數。

二、整理資料

下載下傳後的資料可以發現是一個壓縮檔案,解壓後可以看到裡面有一個xlsx檔案,我們先用excel把它打開,接着“另存為“”csv格式,儲存下來,後面我們就用這個csv來運作線性回歸。

打開這個csv可以發現資料已經整理好,沒有非法資料,是以不需要做預處理。但是這些資料并沒有歸一化,也就是轉化為均值0,方差1的格式。也不用我們搞,後面scikit-learn線上性回歸時會先幫我們把歸一化搞定。

好了,有了這個csv格式的資料,我們就可以大幹一場了。

import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn import datasets, linear_model           

接着我們就可以用pandas讀取資料了

# read_csv裡面的參數是csv在你電腦上的路徑,此處csv檔案放在notebook運作目錄下面的CCPP目錄裡
data = pd.read_csv('./datalab/5365/ccpp.csv')
           

測試下讀取資料是否成功:

#讀取前五行資料,如果是最後五行,用data.tail()
data.head()           
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看到上面的資料,說明pandas讀取資料成功。

三、準備運作算法的資料

我們看看資料的次元:

data.shape           
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結果是(9568, 5)。說明我們有9568個樣本,每個樣本有5列。

現在我們開始準備樣本特征X,我們用AT, V,AP和RH這4個列作為樣本特征。

X = data[['AT', 'V', 'AP', 'RH']]
X.head()           
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接着我們準備樣本輸出y, 我們用PE作為樣本輸出。

y = data[['PE']]
y.head()           
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四、劃分訓練集和測試集

我們把X和y的樣本組合劃分成兩部分,一部分是訓練集,一部分是測試集,代碼如下:

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=1)           

檢視下訓練集和測試集的次元:

print (X_train.shape)
print (y_train.shape)
print (X_test.shape)
print (y_test.shape)           
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可以看到75%的樣本資料被作為訓練集,25%的樣本被作為測試集。

五、運作scikit-learn的線性模型

終于到了臨門一腳了,我們可以用scikit-learn的線性模型來拟合我們的問題了。scikit-learn的線性回歸算法使用的是最小二乘法來實作的。代碼如下:

from sklearn.linear_model import LinearRegression
linreg = LinearRegression()
linreg.fit(X_train, y_train)           
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拟合完畢後,我們看看我們的需要的模型系數結果:

print (linreg.intercept_)
print (linreg.coef_)           
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這樣我們就得到了在步驟1裡面需要求得的5個值。也就是說PE和其他4個變量的關系如下:

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六、模型評價

我們需要評估我們的模型的好壞程度,對于線性回歸來說,我們一般用均方差(Mean Squared Error, MSE)或者均方根差(Root Mean Squared Error, RMSE)在測試集上的表現來評價模型的好壞。

我們看看我們的模型的MSE和RMSE,代碼如下:

#模型拟合測試集
y_pred = linreg.predict(X_test)
from sklearn import metrics
# 用scikit-learn計算MSE
print ("MSE:",metrics.mean_squared_error(y_test, y_pred))
# 用scikit-learn計算RMSE
print ("RMSE:",np.sqrt(metrics.mean_squared_error(y_test, y_pred)))           
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得到了MSE或者RMSE,如果我們用其他方法得到了不同的系數,需要選擇模型時,就用MSE小的時候對應的參數。

比如這次我們用AT, V,AP這3個列作為樣本特征。不要RH, 輸出仍然是PE。代碼如下:

X = data[['AT', 'V', 'AP']]
y = data[['PE']]
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=1)
from sklearn.linear_model import LinearRegression
linreg = LinearRegression()
linreg.fit(X_train, y_train)
#模型拟合測試集
y_pred = linreg.predict(X_test)
from sklearn import metrics
# 用scikit-learn計算MSE
print ("MSE:",metrics.mean_squared_error(y_test, y_pred))
# 用scikit-learn計算RMSE
print ("RMSE:",np.sqrt(metrics.mean_squared_error(y_test, y_pred)))           
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可以看出,去掉RH後,模型拟合的沒有加上RH的好,MSE變大了。

七、交叉驗證

我們可以通過交叉驗證來持續優化模型,代碼如下,我們采用10折交叉驗證,即cross_val_predict中的cv參數為10:

X = data[['AT', 'V', 'AP', 'RH']]
y = data[['PE']]
from sklearn.model_selection import cross_val_predict
predicted = cross_val_predict(linreg, X, y, cv=10)
# 用scikit-learn計算MSE
print ("MSE:",metrics.mean_squared_error(y, predicted))
# 用scikit-learn計算RMSE
print ("RMSE:",np.sqrt(metrics.mean_squared_error(y, predicted)))           
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可以看出,采用交叉驗證模型的MSE比第6節的大,主要原因是我們這裡是對所有折的樣本做測試集對應的預測值的MSE,而第6節僅僅對25%的測試集做了MSE。兩者的先決條件并不同。

八、畫圖觀察結果

這裡畫圖真實值和預測值的變化關系,離中間的直線y=x直接越近的點代表預測損失越低。代碼如下:

fig, ax = plt.subplots()
ax.scatter(y, predicted)
ax.plot([y.min(), y.max()], [y.min(), y.max()], 'k--', lw=4)
ax.set_xlabel('Measured')
ax.set_ylabel('Predicted')
plt.show()           
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