基于Python和Scikit-Learn的机器学习探索

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我叫Alex，我在机器学习和网络图分析（主要是理论）有所涉猎。我同时在为一家俄罗斯移动运营商开发大数据产品。这是我第一次在网上写文章，不喜勿喷。

现在，很多人想开发高效的算法以及参加机器学习的竞赛。所以他们过来问我：”该如何开始？”。一段时间以前，我在一个俄罗斯联邦*的下属机构中领导了媒体和社交网络大数据分析工具的开发。我仍然有一些我团队使用过的文档，我乐意与你们分享。前提是读者已经有很好的数学和机器学习方面的知识（我的团队主要由MIPT（莫斯科物理与技术大学）和数据分析学院的毕业生构成）。

这篇文章是对数据科学的简介，这门学科最近太火了。机器学习的竞赛也越来越多（如，Kaggle, TudedIT），而且他们的资金通常很可观。

R和Python是提供给数据科学家的最常用的两种工具。每一个工具都有其优缺点，但Python最近在各个方面都有所胜出（仅为鄙人愚见，虽然我两者都用）。这一切的发生是因为Scikit-Learn库的腾空出世，它包含有完善的文档和丰富的机器学习算法。
请注意，我们将主要在这篇文章中探讨机器学习算法。通常用Pandas包去进行主数据分析会比较好，而且这很容易你自己完成。所以，让我们集中精力在实现上。为了确定性，我们假设有一个特征-对象矩阵作为输入，被存在一个*.csv文件中。

数据加载

首先，数据要被加载到内存中，才能对其操作。Scikit-Learn库在它的实现用使用了NumPy数组，所以我们将用NumPy来加载*.csv文件。让我们从UCI Machine Learning Repository下载其中一个数据集。

import numpy as np
import urllib
# url with dataset
url = “http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/pima-indians-diabetes/pima-indians-diabetes.data”
# download the file
raw_data = urllib.urlopen(url)
# load the CSV file as a numpy matrix
dataset = np.loadtxt(raw_data, delimiter=“,”)
# separate the data from the target attributes
X = dataset[:,0:7]
y = dataset[:,8]

我们将在下面所有的例子里使用这个数据组，换言之，使用X特征物数组和y目标变量的值。

数据标准化

我们都知道大多数的梯度方法（几乎所有的机器学习算法都基于此）对于数据的缩放很敏感。因此，在运行算法之前，我们应该进行标准化，或所谓的规格化。标准化包括替换所有特征的名义值，让它们每一个的值在0和1之间。而对于规格化，它包括数据的预处理，使得每个特征的值有0和1的离差。Scikit-Learn库已经为其提供了相应的函数。

from sklearn
import metrics
from sklearn.ensemble
import ExtraTreesClassifier
model = ExtraTreesClassifier()
model.fit(X, y)# display the relative importance of each attribute
print(model.feature_importances_)

特征的选取

毫无疑问，解决一个问题最重要的是是恰当选取特征、甚至创造特征的能力。这叫做特征选取和特征工程。虽然特征工程是一个相当有创造性的过程，有时候更多的是靠直觉和专业的知识，但对于特征的选取，已经有很多的算法可供直接使用。如树算法就可以计算特征的信息量。

from sklearn
import metrics
from sklearn.ensemble
import ExtraTreesClassifier
model = ExtraTreesClassifier()
model.fit(X, y)# display the relative importance of each attribute
print(model.feature_importances_)

其他所有的方法都是基于对特征子集的高效搜索，从而找到最好的子集，意味着演化了的模型在这个子集上有最好的质量。递归特征消除算法（RFE）是这些搜索算法的其中之一，Scikit-Learn库同样也有提供。

from sklearn.feature_selection
import RFE
from sklearn.linear_model
import LogisticRegression
model = LogisticRegression()# create the RFE model and select 3 attributes
rfe = RFE(model, 3)
rfe = rfe.fit(X, y)# summarize the selection of the attributes
print(rfe.support_)
print(rfe.ranking_)

算法的开发

正像我说的，Scikit-Learn库已经实现了所有基本机器学习的算法。让我来瞧一瞧它们中的一些。

逻辑回归

大多数情况下被用来解决分类问题（二元分类），但多类的分类（所谓的一对多方法）也适用。这个算法的优点是对于每一个输出的对象都有一个对应类别的概率。

from sklearn
import metrics
from sklearn.linear_model
import LogisticRegression
model = LogisticRegression()
model.fit(X, y)
print(model)# make predictions
expected = y
predicted = model.predict(X)# summarize the fit of the model
print(metrics.classification_report(expected, predicted))
print(metrics.confusion_matrix(expected, predicted))

朴素贝叶斯

它也是最有名的机器学习的算法之一，它的主要任务是恢复训练样本的数据分布密度。这个方法通常在多类的分类问题上表现的很好。

from sklearn
import metrics
from sklearn.naive_bayes
import GaussianNB
model = GaussianNB()
model.fit(X, y)
print(model)# make predictions
expected = y
predicted = model.predict(X)# summarize the fit of the model
print(metrics.classification_report(expected, predicted))
print(metrics.confusion_matrix(expected, predicted))

k-最近邻

kNN（k-最近邻）方法通常用于一个更复杂分类算法的一部分。例如，我们可以用它的估计值做为一个对象的特征。有时候，一个简单的kNN

from sklearn
import metrics
from sklearn.neighbors
import KNeighborsClassifier# fit a k - nearest neighbor model to the data
model = KNeighborsClassifier()
model.fit(X, y)
print(model)# make predictions
expected = y
predicted = model.predict(X)# summarize the fit of the model
print(metrics.classification_report(expected, predicted))
print(metrics.confusion_matrix(expected, predicted))

决策树

分类和回归树（CART）经常被用于这么一类问题，在这类问题中对象有可分类的特征且被用于回归和分类问题。决策树很适用于多类分类。

from sklearn
import metrics
from sklearn.tree
import DecisionTreeClassifier# fit a CART model to the data
model = DecisionTreeClassifier()
model.fit(X, y)
print(model)# make predictions
expected = y
predicted = model.predict(X)# summarize the fit of the model
print(metrics.classification_report(expected, predicted))
print(metrics.confusion_matrix(expected, predicted))

支持向量机

SVM（支持向量机）是最流行的机器学习算法之一，它主要用于分类问题。同样也用于逻辑回归，SVM在一对多方法的帮助下可以实现多类分类。

from sklearn import metrics
from sklearn.svm import SVC
# fit a SVM model to the data
model = SVC()
model.fit(X, y)
print(model)
# make predictions
expected = y
predicted = model.predict(X)
# summarize the fit of the model
print(metrics.classification_report(expected, predicted))
print(metrics.confusion_matrix(expected, predicted))

除了分类和回归问题，Scikit-Learn还有海量的更复杂的算法，包括了聚类， 以及建立混合算法的实现技术，如Bagging和Boosting。

如何优化算法的参数

在编写高效的算法的过程中最难的步骤之一就是正确参数的选择。一般来说如果有经验的话会容易些，但无论如何，我们都得寻找。幸运的是Scikit-Learn提供了很多函数来帮助解决这个问题。

作为一个例子，我们来看一下规则化参数的选择，在其中不少数值被相继搜索了：

import numpy as np
from sklearn.linear_model
import Ridge
from sklearn.grid_search
import GridSearchCV# prepare a range of alpha values to test
alphas = np.array([1, 0.1, 0.01, 0.001, 0.0001, 0])# create and fit a ridge regression model, testing each alpha
model = Ridge()
grid = GridSearchCV(estimator = model, param_grid = dict(alpha = alphas))
grid.fit(X, y)
print(grid)# summarize the results of the grid search
print(grid.best_score_)
print(grid.best_estimator_.alpha)

有时候随机地从既定的范围内选取一个参数更为高效，估计在这个参数下算法的质量，然后选出最好的。

import numpy as np
from scipy.stats
import uniform as sp_rand
from sklearn.linear_model
import Ridge
from sklearn.grid_search
import RandomizedSearchCV# prepare a uniform distribution to sample
for the alpha parameter
param_grid = {‘
  alpha': sp_rand()
}#
create and fit a ridge regression model, testing random alpha values
model = Ridge()
rsearch = RandomizedSearchCV(estimator = model, param_distributions = param_grid, n_iter = 100)
rsearch.fit(X, y)
print(rsearch)# summarize the results of the random parameter search
print(rsearch.best_score_)
print(rsearch.best_estimator_.alpha)

至此我们已经看了整个使用Scikit-Learn库的过程，除了将结果再输出到一个文件中。这个就作为你的一个练习吧，和R相比Python的一大优点就是它有很棒的文档说明。

总结

以上就是本文关于基于Python和Scikit-Learn的机器学习探索的全部内容，感兴趣的朋友可以参阅：python 排序算法总结及实例详解、Java 蒙特卡洛算法求圆周率近似值实例详解、Java常见数据结构面试题（带答案）以及本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出，小编一定及时回复大家并改正，为广大编程爱好者提供更优质的文章以及更好的帮助，感谢朋友们对本站的支持！