从Iris数据集开始---机器学习入门
代码多来自《Introduction to Machine Learning with Python》. 该文集主要是自己的一个阅读笔记以及一些小思考，小总结。
#前言在开始进行模型训练之前，非常有必要了解准备的数据：数据的特征，数据和目标结果之间的关系是什么？而且这可能是机器学习过程中最重要的部分。
在开始使用机器学习实际应用时，有必要先回答下面几个问题：
- 解决的问题是什么？现在收集的数据能够解决目前的问题吗？
- 该问题可以转换成机器学习问题吗？如果可以，具体属于哪一类？监督 or 非监督
- 从数据中抽取哪些特征？足够支持去做预测吗？
- 训练好模型后，如何确保模型是可以信赖的？---是骡子是马牵出来溜溜。
机器学习算法只是处理问题过程中的一个小部分而已!处理问题时，保持一个大局观，上帝视角，从整个处理流程上看问题，不要只局限于某一个小部分。难道这就是传说中的 牵一发而动全身？
从Iris分类，谈入门
很明确：这是一个分类问题。
导入应用包
import pandas as pd #数据分析、处理 import numpy as np #科学计算包 import matplotlib.pyplot as plt #画图 %matplotlib inline #显示在Notebook里
加载数据集，观察数据
from sklearn.datasets import load_iris iris_dataset = load_iris() #sklearn已经整理了Iris数据集，使用load_iris函数可以直接下载，使用；
- 我们输出看一下：
print(iris_dataset)#发现数据集整理成了一个大字典；
output:
{'feature_names': ['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)'], 'target': array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2]), 'DESCR': 'Iris Plants Database\n====================\n\nNotes\n-----\nData Set Characteristics:\n :Number of Instances: 150 (50 in each of three classes)\n :Number of Attributes: 4 numeric, predictive attributes and the class\n :Attribute Information:\n - sepal length in cm\n - sepal width in cm\n - petal length in cm\n - petal width in cm\n - class:\n - Iris-Setosa\n - Iris-Versicolour\n - Iris-Virginica\n :Summary Statistics:\n\n ============== ==== ==== ======= ===== ====================\n Min Max Mean SD Class Correlation\n ============== ==== ==== ======= ===== ====================\n sepal length: 4.3 7.9 5.84 0.83 0.7826\n sepal width: 2.0 4.4 3.05 0.43 -0.4194\n petal length: 1.0 6.9 3.76 1.76 0.9490 (high!)\n petal width: 0.1 2.5 1.20 0.76 0.9565 (high!)\n ============== ==== ==== ======= ===== ====================\n\n :Missing Attribute Values: None\n :Class Distribution: 33.3% for each of 3 classes.\n :Creator: R.A. Fisher\n :Donor: Michael Marshall (MARSHALL%PLU@io.arc.nasa.gov)\n :Date: July, 1988\n\nThis is a copy of UCI ML iris datasets.\nhttp://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Iris\n\nThe famous Iris database, first used by Sir R.A Fisher\n\nThis is perhaps the best known database to be found in the\npattern recognition literature. Fisher\'s paper is a classic in the field and\nis referenced frequently to this day. (See Duda & Hart, for example.) The\ndata set contains 3 classes of 50 instances each, where each class refers to a\ntype of iris plant. One class is linearly separable from the other 2; the\nlatter are NOT linearly separable from each other.\n\nReferences\n----------\n - Fisher,R.A. "The use of multiple measurements in taxonomic problems"\n Annual Eugenics, 7, Part II, 179-188 (1936); also in "Contributions to\n Mathematical Statistics" (John Wiley, NY, 1950).\n - Duda,R.O., & Hart,P.E. (1973) Pattern Classification and Scene Analysis.\n (Q327.D83) John Wiley & Sons. ISBN 0-471-22361-1. See page 218.\n - Dasarathy, B.V. (1980) "Nosing Around the Neighborhood: A New System\n Structure and Classification Rule for Recognition in Partially Exposed\n Environments". IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine\n Intelligence, Vol. PAMI-2, No. 1, 67-71.\n - Gates, G.W. (1972) "The Reduced Nearest Neighbor Rule". IEEE Transactions\n on Information Theory, May 1972, 431-433.\n - See also: 1988 MLC Proceedings, 54-64. Cheeseman et al"s AUTOCLASS II\n conceptual clustering system finds 3 classes in the data.\n - Many, many more ...\n', 'target_names': array(['setosa', 'versicolor', 'virginica'], dtype='<U10'), 'data': array([[5.1, 3.5, 1.4, 0.2],
[4.9, 3. , 1.4, 0.2],
[4.7, 3.2, 1.3, 0.2],
[4.6, 3.1, 1.5, 0.2],
[5. , 3.6, 1.4, 0.2],
[5.4, 3.9, 1.7, 0.4],
[4.6, 3.4, 1.4, 0.3],
[5. , 3.4, 1.5, 0.2],
[4.4, 2.9, 1.4, 0.2],
...
[6.3, 2.7, 4.9, 1.8],
[6.7, 3.3, 5.7, 2.1],
[7.2, 3. , 5.8, 1.6],
[7.4, 2.8, 6.1, 1.9],
[7.9, 3.8, 6.4, 2. ],
[6.4, 2.8, 5.6, 2.2],
[5.9, 3. , 5.1, 1.8]])}- 看一下字典的键
print("Keys of iris_dataset:\n{}".format(iris_dataset.keys()))#有5个键；我们逐个看看output:
Keys of iris_dataset: dict_keys(['feature_names', 'target', 'DESCR', 'target_names', 'data'])
- 逐个看看：看看DESCR:
print('DESCR of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['DESCR']))#数据集的描述信息；
#我们知道有150条记录（每类50条，一共有3类）；
#属性：
#4个数值型，用来预测的属性：sepal 长、宽；petal长、宽
#一个类别标签：三类Setosa，Versicolour，Virginica；output:
<pre style="box-sizing: border-box; overflow: auto; font-family: monospace; font-size: 14px; display: block; padding: 0px; margin: 0px; line-height: inherit; word-break: break-all; word-wrap: break-word; color: rgb(0, 0, 0); background-color: rgb(255, 255, 255); border: 0px; border-radius: 0px; white-space: pre-wrap; vertical-align: baseline; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">DESCR of iris_dataset:
Iris Plants Database
====================
Notes
-----
Data Set Characteristics:
:Number of Instances: 150 (50 in each of three classes)
:Number of Attributes: 4 numeric, predictive attributes and the class
:Attribute Information:
- sepal length in cm
- sepal width in cm
- petal length in cm
- petal width in cm
- class:
- Iris-Setosa
- Iris-Versicolour
- Iris-Virginica
:Summary Statistics:
============== ==== ==== ======= ===== ====================
Min Max Mean SD Class Correlation
============== ==== ==== ======= ===== ====================
sepal length: 4.3 7.9 5.84 0.83 0.7826
sepal width: 2.0 4.4 3.05 0.43 -0.4194
petal length: 1.0 6.9 3.76 1.76 0.9490 (high!)
petal width: 0.1 2.5 1.20 0.76 0.9565 (high!)
============== ==== ==== ======= ===== ====================
:Missing Attribute Values: None
:Class Distribution: 33.3% for each of 3 classes.
:Creator: R.A. Fisher
:Donor: Michael Marshall (MARSHALL%PLU@io.arc.nasa.gov)
:Date: July, 1988看看Feature_names:print('Feature names of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['feature_names']))#4个特征output:Feature names of iris_dataset: ['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)']看看data
print('data of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['data'][:5]))#看数据的前5条；
print('shape of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['data'].shape))#data形状：150*4；150条记录，没错output:
data of iris_dataset: [[5.1 3.5 1.4 0.2] [4.9 3. 1.4 0.2] [4.7 3.2 1.3 0.2] [4.6 3.1 1.5 0.2] [5. 3.6 1.4 0.2]] shape of iris_dataset: (150, 4)
看看target_names:
print('target_names of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['target_names']))#3类output:target_names of iris_dataset: ['setosa' 'versicolor' 'virginica']看看target:
print('target of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['target'][:5]))#全是0;数据是按照类别进行排序的；全是0，全是1，全是2；
print('target shape of iris_dataset:\n{}'.format(iris_dataset['target'].shape))#说明有150个标签，一维数组；output:
target of iris_dataset: [0 0 0 0 0] target shape of iris_dataset: (150,)
划分数据，方便评测
#划分一下数据集，方便对训练后的模型进行评测？可信否？
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(iris_dataset['data'],iris_dataset['target'],
test_size=0.25,random_state=0)
#第一个参数：数据；第二个参数：标签；第三个参数：测试集所占比例；第四个参数：random_state=0：确保无论这条代码，运行多少次，
#产生出来的训练集和测试集都是一模一样的，减少不必要的影响；#观察一下划分后数据：
print('shape of X_train:{}'.format(X_train.shape))
print('shape of y_train:{}'.format(y_train.shape))
print('='*64)
print('shape of X_test:{}'.format(X_test.shape))
print('shape of y_test:{}'.format(y_test.shape))输出：
shape of X_train:(112, 4) shape of y_train:(112,) ================================================================ shape of X_test:(38, 4) shape of y_test:(38,)
画图观察一下数据
#画图观察一下数据：问题是否棘手？
#一般画图使用scatter plot 散点图，但是有一个缺点：只能观察2维的数据情况；如果想观察多个特征之间的数据情况，scatter plot并不可行；
#用pair plot 可以观察到任意两个特征之间的关系图（对角线为直方图）；恰巧：pandas的 scatter_matrix函数能画pair plots。
#所以，我们先把训练集转换成DataFrame形式，方便画图；
iris_dataframe = pd.DataFrame(X_train,columns=iris_dataset.feature_names)
grr = pd.scatter_matrix(iris_dataframe,c=y_train,figsize=(15,15),marker='o',hist_kwds={'bins':20},s=60,\
alpha=.8)#不同颜色代表不同的分类；可以发现：目前的特征来说，完全可以进行分类。下面就进行模型训练：模型选择最简单的knn k近邻的特殊形式--最近邻（与当前点最近点的类别作为该点的标签）。
模型训练
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=1)#设置为最近邻；
训练模型
knn.fit(X_train,y_train)output：
KNeighborsClassifier(algorithm='auto', leaf_size=30, metric='minkowski',
metric_params=None, n_jobs=1, n_neighbors=1, p=2,
weights='uniform')训练完成，我们使用测试集，评估一下训练效果。是否值得信赖？
评估模型
方法一：手动计算
y_pred = knn.predict(X_test)#预测
print('Test Set Score:{:.2f}'.format(np.mean(y_test == y_pred)))#自己计算得分情况；准确率output:
Test Set Score:0.97 Socore为97%：说明在测试集上有97%的记录都被正确分类了；分类效果很好，值得信赖！
方法二：score函数
print('Test Set Score:{:.2f}'.format(knn.score(X_test,y_test)))
#用测试集去打个分，看看得分情况，确定分类器是否可信；
#Socore为97%：说明在测试集上有97%的记录都被正确分类了；分类效果很好，值得信赖！模型应用
训练模型，最终的目的还是应用，应用在新的记录上，预测其分类。
#我们可以用训练好的模型去应用了：unseen data
X_new = np.array([[5,2.9,1,0.2]]) #新数据 为什么定为2维的？ 因为sklearn 总是期望收到二维的numpy数组.
result = knn.predict(X_new)
print('Prediction:{}'.format(result))
print('Predicted target name:{}'.format(iris_dataset['target_names'][result]))output:
Prediction:[0] Predicted target name:['setosa']
小结一下
核心代码段：
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
iris_dataset['data'], iris_dataset['target'], random_state=0)
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=1)
knn.fit(X_train, y_train)
print("Test set score: {:.2f}".format(knn.score(X_test, y_test)))
result = knn.predict(X_new)从这段代码就可以大致看出，应用sklearn中算法的大致流程：
- 实例化一个Estimator：分类，回归etc。
- 使用训练集对模型进行训练。fit方法：sklearn算法中几乎都有这个借口；
- score(X_test,y_test)：对训练好的模型，做个评估；知道训练结果好坏；
- predict :可以对数据进行预测；这是最终的目的。
再有，从Iris数据分类这个例子来看，我们大部分的精力都用在了对数据的理解和分析上，真正用在 算法训练上的时间反而很少。
理解数据！理解数据！理解数据！
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