【机器学习】基于逻辑回归，LightGBM,XGBoost额的分类预测
- 一.基于逻辑回归的分类预测
* - 1 逻辑回归的介绍和应用
– - 2.Demo实践
– - 3.基于鸢尾花（iris）数据集的逻辑回归分类实践
– - 二.基于XGBoost的分类预测
* - 1.XGBoost与应用
– - 2.基于天气数据集的XGBoost分类实战
– - s
一.基于逻辑回归的分类预测
1 逻辑回归的介绍和应用
1.1 逻辑回归的介绍
逻辑回归（Logistic regression，简称LR）虽然其中带有”回归”两个字，但逻辑回归其实是一个分类模型，并且广泛应用于各个领域之中。虽然现在深度学习相对于这些传统方法更为火热，但实则这些传统方法由于其独特的优势依然广泛应用于各个领域中。
而对于逻辑回归而且，最为突出的两点就是其模型简单和模型的可解释性强。
逻辑回归模型的优劣势:
- 优点：实现简单，易于理解和实现；计算代价不高，速度很快，存储资源低
- 缺点：容易欠拟合，分类精度可能不高
1.2逻辑回归的应用
逻辑回归模型广泛用于各个领域，包括机器学习，大多数医学领域和社会科学。例如，最初由Boyd 等人开发的创伤和损伤严重度评分（TRISS）被广泛用于预测受伤患者的死亡率，使用逻辑回归 基于观察到的患者特征（年龄，性别，体重指数,各种血液检查的结果等）分析预测发生特定疾病（例如糖尿病，冠心病）的风险。逻辑回归模型也用于预测在给定的过程中，系统或产品的故障的可能性。还用于市场营销应用程序，例如预测客户购买产品或中止订购的倾向等。在经济学中它可以用来预测一个人选择进入劳动力市场的可能性，而商业应用则可以用来预测房主拖欠抵押贷款的可能性。条件随机字段是逻辑回归到顺序数据的扩展，用于自然语言处理。
逻辑回归模型现在同样是很多分类算法的基础组件,比如 分类任务中基于GBDT算法+LR逻辑回归实现的信用卡交易反欺诈，CTR(点击通过率)预估等，其好处在于输出值自然地落在0到1之间，并且有概率意义。模型清晰，有对应的概率学理论基础。它拟合出来的参数就代表了每一个特征(feature)对结果的影响。也是一个理解数据的好工具。但同时由于其本质上是一个线性的分类器，所以不能应对较为复杂的数据情况。很多时候我们也会拿逻辑回归模型去做一些任务尝试的基线（基础水平）。
说了这些逻辑回归的概念和应用，大家应该已经对其有所期待了吧，那么我们现在开始吧！！！
2.Demo实践
Step1:库函数导入
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
Step2:模型训练
x_fearures = np.array([[-1, -2], [-2, -1], [-3, -2], [1, 3], [2, 1], [3, 2]])
y_label = np.array([0, 0, 0, 1, 1, 1])
lr_clf = LogisticRegression()
lr_clf = lr_clf.fit(x_fearures, y_label)
Step3:模型参数查看
print('the weight of Logistic Regression:',lr_clf.coef_)
print('the intercept(w0) of Logistic Regression:',lr_clf.intercept_)
Step4:数据和模型可视化
plt.figure()
plt.scatter(x_fearures[:,0],x_fearures[:,1], c=y_label, s=50, cmap='viridis')
plt.title('Dataset')
plt.show()
plt.figure()
plt.scatter(x_fearures[:,0],x_fearures[:,1], c=y_label, s=50, cmap='viridis')
plt.title('Dataset')
nx, ny = 200, 100
x_min, x_max = plt.xlim()
y_min, y_max = plt.ylim()
x_grid, y_grid = np.meshgrid(np.linspace(x_min, x_max, nx),np.linspace(y_min, y_max, ny))
z_proba = lr_clf.predict_proba(np.c_[x_grid.ravel(), y_grid.ravel()])
z_proba = z_proba[:, 1].reshape(x_grid.shape)
plt.contour(x_grid, y_grid, z_proba, [0.5], linewidths=2., colors='blue')
plt.show()
plt.figure()
x_fearures_new1 = np.array([[0, -1]])
plt.scatter(x_fearures_new1[:,0],x_fearures_new1[:,1], s=50, cmap='viridis')
plt.annotate(s='New point 1',xy=(0,-1),xytext=(-2,0),color='blue',arrowprops=dict(arrowstyle='-|>',connectionstyle='arc3',color='red'))
x_fearures_new2 = np.array([[1, 2]])
plt.scatter(x_fearures_new2[:,0],x_fearures_new2[:,1], s=50, cmap='viridis')
plt.annotate(s='New point 2',xy=(1,2),xytext=(-1.5,2.5),color='red',arrowprops=dict(arrowstyle='-|>',connectionstyle='arc3',color='red'))
plt.scatter(x_fearures[:,0],x_fearures[:,1], c=y_label, s=50, cmap='viridis')
plt.title('Dataset')
plt.contour(x_grid, y_grid, z_proba, [0.5], linewidths=2., colors='blue')
plt.show()
Step5:模型预测
y_label_new1_predict = lr_clf.predict(x_fearures_new1)
y_label_new2_predict = lr_clf.predict(x_fearures_new2)
print('The New point 1 predict class:\n',y_label_new1_predict)
print('The New point 2 predict class:\n',y_label_new2_predict)
y_label_new1_predict_proba = lr_clf.predict_proba(x_fearures_new1)
y_label_new2_predict_proba = lr_clf.predict_proba(x_fearures_new2)
print('The New point 1 predict Probability of each class:\n',y_label_new1_predict_proba)
print('The New point 2 predict Probability of each class:\n',y_label_new2_predict_proba)
可以发现训练好的回归模型将X_new1预测为了类别0（判别面左下侧），X_new2预测为了类别1（判别面右上侧）。其训练得到的逻辑回归模型的概率为0.5的判别面为上图中蓝色的线。
3.基于鸢尾花（iris）数据集的逻辑回归分类实践
本次我们选择鸢花数据（iris）进行方法的尝试训练，该数据集一共包含5个变量，其中4个特征变量，1个目标分类变量。共有150个样本，目标变量为 花的类别 其都属于鸢尾属下的三个亚属，分别是山鸢尾 (Iris-setosa)，变色鸢尾(Iris-versicolor)和维吉尼亚鸢尾(Iris-virginica)。包含的三种鸢尾花的四个特征，分别是花萼长度(cm)、花萼宽度(cm)、花瓣长度(cm)、花瓣宽度(cm)，这些形态特征在过去被用来识别物种。
; Step1:库函数导入
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
Step2:数据读取/载入
from sklearn.datasets import load_iris
data = load_iris()
iris_target = data.target
iris_features = pd.DataFrame(data=data.data, columns=data.feature_names)
Step3:数据信息简单查看
iris_features.info()
iris_features.head()
iris_target
pd.Series(iris_target).value_counts()
iris_features.describe()
从统计描述中我们可以看到不同数值特征的变化范围。
Step4:可视化描述
iris_all = iris_features.copy()
iris_all['target'] = iris_target
sns.pairplot(data=iris_all,diag_kind='hist', hue= 'target')
plt.show()
上图可以发现，在2D情况下不同的特征组合对于不同类别的花的散点分布，以及大概的区分能力。
for col in iris_features.columns:
sns.boxplot(x='target', y=col, saturation=0.5,palette='pastel', data=iris_all)
plt.title(col)
plt.show()
利用箱型图我们也可以得到不同类别在不同特征上的分布差异情况。
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
fig = plt.figure(figsize=(10,8))
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
iris_all_class0 = iris_all[iris_all['target']==0].values
iris_all_class1 = iris_all[iris_all['target']==1].values
iris_all_class2 = iris_all[iris_all['target']==2].values
ax.scatter(iris_all_class0[:,0], iris_all_class0[:,1], iris_all_class0[:,2],label='setosa')
ax.scatter(iris_all_class1[:,0], iris_all_class1[:,1], iris_all_class1[:,2],label='versicolor')
ax.scatter(iris_all_class2[:,0], iris_all_class2[:,1], iris_all_class2[:,2],label='virginica')
plt.legend()
plt.show()
Step5:利用 逻辑回归模型 在二分类上 进行训练和预测
from sklearn.model_selection import train_test_split
iris_features_part = iris_features.iloc[:100]
iris_target_part = iris_target[:100]
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris_features_part, iris_target_part, test_size = 0.2, random_state = 2020)
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
clf = LogisticRegression(random_state=0, solver='lbfgs')
clf.fit(x_train, y_train)
print('the weight of Logistic Regression:',clf.coef_)
print('the intercept(w0) of Logistic Regression:',clf.intercept_)
train_predict = clf.predict(x_train)
test_predict = clf.predict(x_test)
from sklearn import metrics
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_train,train_predict))
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_test,test_predict))
confusion_matrix_result = metrics.confusion_matrix(test_predict,y_test)
print('The confusion matrix result:\n',confusion_matrix_result)
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.heatmap(confusion_matrix_result, annot=True, cmap='Blues')
plt.xlabel('Predicted labels')
plt.ylabel('True labels')
plt.show()
我们可以发现其准确度为1，代表所有的样本都预测正确了。
Step6:利用 逻辑回归模型 在三分类(多分类)上 进行训练和预测
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(iris_features, iris_target, test_size = 0.2, random_state = 2020)
其余代码与二分类相同
通过结果我们可以发现，其在三分类的结果的预测准确度上有所下降，其在测试集上的准确度为:
86.67
%
，这是由于’versicolor’（1）和 ‘virginica’（2）这两个类别的特征，我们从可视化的时候也可以发现，其特征的边界具有一定的模糊性（边界类别混杂，没有明显区分边界），所有在这两类的预测上出现了一定的错误。
二.基于XGBoost的分类预测
1.XGBoost与应用
XGBoost的介绍
XGBoost是2016年由华盛顿大学陈天奇老师带领开发的一个可扩展机器学习系统。严格意义上讲XGBoost并不是一种模型，而是一个可供用户轻松解决分类、回归或排序问题的软件包。它内部实现了梯度提升树(GBDT)模型，并对模型中的算法进行了诸多优化，在取得高精度的同时又保持了极快的速度，在一段时间内成为了国内外数据挖掘、机器学习领域中的大规模杀伤性武器。
更重要的是，XGBoost在系统优化和机器学习原理方面都进行了深入的考虑。毫不夸张的讲，XGBoost提供的可扩展性，可移植性与准确性推动了机器学习计算限制的上限，该系统在单台机器上运行速度比当时流行解决方案快十倍以上，甚至在分布式系统中可以处理十亿级的数据。
XGBoost的主要优点：
简单易用。相对其他机器学习库，用户可以轻松使用XGBoost并获得相当不错的效果。
高效可扩展。在处理大规模数据集时速度快效果好，对内存等硬件资源要求不高。
鲁棒性强。相对于深度学习模型不需要精细调参便能取得接近的效果。
XGBoost内部实现提升树模型，可以 自动处理缺失值。
XGBoost的主要缺点：
相对于深度学习模型无法对时空位置建模，不能很好地捕获图像、语音、文本等高维数据。
在拥有海量训练数据，并能找到合适的深度学习模型时，深度学习的精度可以遥遥领先XGBoost。
1.2XGboost的应用
XGBoost在机器学习与数据挖掘领域有着极为广泛的应用。据统计在2015年Kaggle平台上29个获奖方案中，17只队伍使用了XGBoost；在2015年KDD-Cup中，前十名的队伍均使用了XGBoost，且集成其他模型比不上调节XGBoost的参数所带来的提升。这些实实在在的例子都表明，XGBoost在各种问题上都可以取得非常好的效果。
同时，XGBoost还被成功应用在工业界与学术界的各种问题中。例如商店销售额预测、高能物理事件分类、web文本分类;用户行为预测、运动检测、广告点击率预测、恶意软件分类、灾害风险预测、在线课程退学率预测。虽然领域相关的数据分析和特性工程在这些解决方案
2.基于天气数据集的XGBoost分类实战
数据集：天气数据集
Step1：函数库导入
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
本次我们选择天气数据集进行方法的尝试训练，现在有一些由气象站提供的每日降雨数据，我们需要根据历史降雨数据来预测明天会下雨的概率。样例涉及到的测试集数据test.csv与train.csv的格式完全相同，但其RainTomorrow未给出，为预测变量。
数据的各个特征描述如下：
Step2：数据读取/载入
data = pd.read_csv('train.csv')
Step3：数据信息简单查看
data.info()
data.head()
由于变量太多，这里只展示部分变量
这里我们发现数据集中存在NaN，一般的我们认为NaN在数据集中代表了缺失值，可能是数据采集或处理时产生的一种错误。这里我们采用-1将缺失值进行填补，还有其他例如”中位数填补、平均数填补”的缺失值处理方法有兴趣的可以查看我的另一篇博客:【数据分析系列】Python数据预处理总结篇，这里详细的解释的数据预处理的基本操作.
data = data.fillna(-1)
data.tail()
pd.Series(data['RainTomorrow']).value_counts()
No 82786
,Yes 23858
,Name: RainTomorrow, dtype: int64
我们发现数据集中的负样本数量远大于正样本数量，这种常见的问题叫做”数据不平衡”问题，在某些情况下需要进行一些特殊处理。解决数据不平衡的办法有数据变换或者数据插补等等。
data.describe()
Step4:可视化描述
为了方便，我们先纪录数字特征与非数字特征：
numerical_features = [x for x in data.columns if data[x].dtype == np.float]
numerical_features = [x for x in data.columns if data[x].dtype == np.float]
sns.pairplot(data=data[['Rainfall',
'Evaporation',
'Sunshine'] + ['RainTomorrow']], diag_kind='hist', hue= 'RainTomorrow')
plt.show()
从上图可以发现，在2D情况下不同的特征组合对于第二天下雨与不下雨的散点分布，以及大概的区分能力。相对的Sunshine与其他特征的组合更具有区分能力
for col in data[numerical_features].columns:
if col != 'RainTomorrow':
sns.boxplot(x='RainTomorrow', y=col, saturation=0.5, palette='pastel', data=data)
plt.title(col)
plt.show()
利用箱型图我们也可以得到不同类别在不同特征上的分布差异情况。我们可以发现Sunshine,Humidity3pm,Cloud9am,Cloud3pm的区分能力较强
tlog = {}
for i in category_features:
tlog[i] = data[data['RainTomorrow'] == 'Yes'][i].value_counts()
flog = {}
for i in category_features:
flog[i] = data[data['RainTomorrow'] == 'No'][i].value_counts()
plt.figure(figsize=(10,10))
plt.subplot(1,2,1)
plt.title('RainTomorrow')
sns.barplot(x = pd.DataFrame(tlog['Location']).sort_index()['Location'], y = pd.DataFrame(tlog['Location']).sort_index().index, color = "red")
plt.subplot(1,2,2)
plt.title('Not RainTomorrow')
sns.barplot(x = pd.DataFrame(flog['Location']).sort_index()['Location'], y = pd.DataFrame(flog['Location']).sort_index().index, color = "blue")
plt.show()
从上图可以发现不同地区降雨情况差别很大，有些地方明显更容易降雨
plt.figure(figsize=(10,2))
plt.subplot(1,2,1)
plt.title('RainTomorrow')
sns.barplot(x = pd.DataFrame(tlog['RainToday'][:2]).sort_index()['RainToday'], y = pd.DataFrame(tlog['RainToday'][:2]).sort_index().index, color = "red")
plt.subplot(1,2,2)
plt.title('Not RainTomorrow')
sns.barplot(x = pd.DataFrame(flog['RainToday'][:2]).sort_index()['RainToday'], y = pd.DataFrame(flog['RainToday'][:2]).sort_index().index, color = "blue")
plt.show()
上图我们可以发现，今天下雨明天不一定下雨，但今天不下雨，第二天大概率也不下雨。
Step5:对离散变量进行编码
由于XGBoost无法处理字符串类型的数据，我们需要一些方法讲字符串数据转化为数据。一种最简单的方法是把所有的相同类别的特征编码成同一个值，例如女=0，男=1，狗狗=2，所以最后编码的特征值是在 [0,特征数数量-1]之间的整数。除此之外，还有独热编码、求和编码、留一法编码等等方法可以获得更好的效果。
def get_mapfunction(x):
mapp = dict(zip(x.unique().tolist(),
range(len(x.unique().tolist()))))
def mapfunction(y):
if y in mapp:
return mapp[y]
else:
return -1
return mapfunction
for i in category_features:
data[i] = data[i].apply(get_mapfunction(data[i]))
data['Location'].unique()
Step6：利用 XGBoost 进行训练与预测
from sklearn.model_selection import train_test_split
data_target_part = data['RainTomorrow']
data_features_part = data[[x for x in data.columns if x != 'RainTomorrow']]
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(data_features_part, data_target_part, test_size = 0.2, random_state = 2020)
from xgboost.sklearn import XGBClassifier
clf = XGBClassifier()
clf.fit(x_train, y_train)
train_predict = clf.predict(x_train)
test_predict = clf.predict(x_test)
from sklearn import metrics
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_train,train_predict))
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_test,test_predict))
confusion_matrix_result = metrics.confusion_matrix(test_predict,y_test)
print('The confusion matrix result:\n',confusion_matrix_result)
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.heatmap(confusion_matrix_result, annot=True, cmap='Blues')
plt.xlabel('Predicted labels')
plt.ylabel('True labels')
plt.show()
我们可以发现共有15759 + 2306个样本预测正确，2470 + 794个样本预测错误。
Step7: 利用 XGBoost 进行特征选择
sns.barplot(y=data_features_part.columns, x=clf.feature_importances_)
从图中我们可以发现下午3点的湿度与今天是否下雨是决定第二天是否下雨最重要的因素
初次之外，我们还可以使用XGBoost中的下列重要属性来评估特征的重要性。
weight:是以特征用到的次数来评价
gain:当利用特征做划分的时候的评价基尼指数
cover:利用一个覆盖样本的指标二阶导数（具体原理不清楚有待探究）平均值来划分。
total_gain:总基尼指数
total_cover:总覆盖
from sklearn.metrics import accuracy_score
from xgboost import plot_importance
def estimate(model,data):
ax1=plot_importance(model,importance_type="gain")
ax1.set_title('gain')
ax2=plot_importance(model, importance_type="weight")
ax2.set_title('weight')
ax3 = plot_importance(model, importance_type="cover")
ax3.set_title('cover')
plt.show()
def classes(data,label,test):
model=XGBClassifier()
model.fit(data,label)
ans=model.predict(test)
estimate(model, data)
return ans
ans=classes(x_train,y_train,x_test)
pre=accuracy_score(y_test, ans)
print('acc=',accuracy_score(y_test,ans))
这些图同样可以帮助我们更好的了解其他重要特征。
Step8: 通过调整参数获得更好的效果
XGBoost中包括但不限于下列对模型影响较大的参数：
learning_rate: 有时也叫作eta，系统默认值为0.3。每一步迭代的步长，很重要。太大了运行准确率不高，太小了运行速度慢。
subsample：系统默认为1。这个参数控制对于每棵树，随机采样的比例。减小这个参数的值，算法会更加保守，避免过拟合, 取值范围零到一。
colsample_bytree：系统默认值为1。我们一般设置成0.8左右。用来控制每棵随机采样的列数的占比(每一列是一个特征)。
max_depth： 系统默认值为6，我们常用3-10之间的数字。这个值为树的最大深度。这个值是用来控
制过拟合的。max_depth越大，模型学习的更加具体。
调节模型参数的方法有贪心算法、网格调参、贝叶斯调参等。这里我们采用网格调参，它的基本思想是穷举搜索：在所有候选的参数选择中，通过循环遍历，尝试每一种可能性，表现最好的参数就是最终的结果
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
learning_rate = [0.1, 0.3, 0.6]
subsample = [0.8, 0.9]
colsample_bytree = [0.6, 0.8]
max_depth = [3,5,8]
parameters = { 'learning_rate': learning_rate,
'subsample': subsample,
'colsample_bytree':colsample_bytree,
'max_depth': max_depth}
model = XGBClassifier(n_estimators = 50)
clf = GridSearchCV(model, parameters, cv=3, scoring='accuracy',verbose=1,n_jobs=-1)
clf = clf.fit(x_train, y_train)
clf = XGBClassifier(colsample_bytree = 0.6, learning_rate = 0.3, max_depth= 8, subsample = 0.9)
clf.fit(x_train, y_train)
train_predict = clf.predict(x_train)
test_predict = clf.predict(x_test)
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_train,train_predict))
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_test,test_predict))
confusion_matrix_result = metrics.confusion_matrix(test_predict,y_test)
print('The confusion matrix result:\n',confusion_matrix_result)
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.heatmap(confusion_matrix_result, annot=True, cmap='Blues')
plt.xlabel('Predicted labels')
plt.ylabel('True labels')
plt.show()
原本有2470 + 790个错误，现在有 2112 + 939个错误，带来了明显的正确率提升。
s
Original: https://blog.csdn.net/m0_49263811/article/details/121786460
Author: CHRN晨
Title: 【数据分析与挖掘】基于LightGBM,XGBoost,逻辑回归的二分类/多分类的分类预测实战(有数据集和代码)
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