Python机器学习之数据探索可视化库yellowbrick

Posted 2022-08-10

背景介绍

从学sklearn时，除了算法的坎要过，还得学习matplotlib可视化，对我的实践应用而言，可视化更重要一些，然而matplotlib的易用性和美观性确实不敢恭维。陆续使用过plotly、seaborn，最终定格在了Bokeh，因为它可以与Flask完美的结合，数据看板的开发难度降低了很多。

前阵子看到这个库可以较为便捷的实现数据探索，今天得空打算学习一下。原本访问的是英文文档，结果发现已经有人在做汉化，虽然看起来也像是谷歌翻译的，本着拿来主义，少费点精力的精神，就半抄半学，还是发现了一些与文档不太一致的地方。

# http://www.scikit-yb.org/zh/latest/quickstart.html
# http://www.scikit-yb.org/en/latest/quickstart.html

import pandas as pd
data = pd.read_csv(‘data/bikeshare/bikeshare.csv‘)
X = data[[
    "season", "month", "hour", "holiday", "weekday", "workingday",
    "weather", "temp", "feelslike", "humidity", "windspeed"
]]
y = data["riders"]

from yellowbrick.features import Rank2D
visualizer = Rank2D(algorithm="pearson")
visualizer.fit_transform(X.values)
visualizer.poof() # 在notebook显示
# visualizer.poof(outpath="pcoords.jpg",clear_figure=True)  # 输出为png、jpg格式

由上图可以看出特征向量7、8为强相关；0、1相关系数也比较高。
下面再来通过曲线拟合看看两者的相关度。

from yellowbrick.features import JointPlotVisualizer
visualizer = JointPlotVisualizer(feature=‘temp‘, target=‘feelslike‘)
visualizer.fit(X[‘temp‘], X[‘feelslike‘])
visualizer.poof()

JointPlotVisualizer 让我们能快速浏览有强相关性的特征，以及各个特征的范围和分布情况。需要注意的是图中的各个轴都已经标准化到0到1之间的值，这是机器学习中一中非常常用的减少一个特征对另一个影响的技术。

from yellowbrick.regressor import ResidualsPlot
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.model_selection import train_test_split

# Create training and test sets
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    X, y, test_size=0.1
)

visualizer = ResidualsPlot(LinearRegression())
visualizer.fit(X_train, y_train)
visualizer.score(X_test, y_test)
visualizer.poof()

残差图还向我们展示了模型的误差是怎么产生的：那根加粗的水平线表示的是 residuals = 0 ，也就是没有误差；线上方或者下方的点则表示误差值的大小。比如大部分残差是负值，并且其值是由 actual - expected 算得，也就是说大部分时间预测值比实际值要大，比如和实际相比我们的模型总是预测有更多的骑手。|

import numpy as np

from sklearn.linear_model import RidgeCV
from yellowbrick.regressor import AlphaSelection
# RidgeCV:多个阿尔法，得出多个对应最佳的w,然后得到最佳的w及对应的阿尔法
alphas = np.logspace(-10, 1, 200)
visualizer = AlphaSelection(RidgeCV(alphas=alphas))
visualizer.fit(X, y)
visualizer.poof()

alpha = visualizer.alpha_
visualizer.alpha_

3.612342699709438

在探索模型家族的过程中，第一个要考虑的是模型是怎样变得更复杂的。当模型的复杂度增加，由于方差增加形成的误差也相应增加，因为模型会变得过拟合并且不能泛化到未知数据上。然而，模型越简单由于偏差造成的误差就会越大；模型欠拟合，因此有更多的未中靶预测。大部分机器学习的目的就是要产生一个复杂度适中的模型，在偏差和方差之间找到一个中间点。

对一个线性模型来说，复杂度来自于特征本身以及根据模型赋予它们的值。因此对线性模型期望用最少的特征达到最好的阐释结果。正则化是实现如上目标的其中一种技术，即引入一个alpha参数来对其相互之间系数的权重进行标准化并且惩罚其复杂度。Alpha和复杂度之间是一个负相关。alpha值越大，复杂度越小，反之亦然。

我们现在可以训练我们最终的模型并且用 PredictionError 对其进行可视化了：

from sklearn.linear_model import Ridge
from yellowbrick.regressor import PredictionError

visualizer = PredictionError(Ridge(alpha=alpha))
visualizer.fit(X_train, y_train)
visualizer.score(X_test, y_test)
visualizer.poof()

用预测误差visualizer将实际（测量）值对期望（预测）值进行可视化。黑色的45度虚线表示误差为0的点。和残差图一样，这让我们可以看到误差在何处出现，值为多大。

在这个图上，我们可以看到大部分的点集中在小于200骑手的位置。我们也许想要尝试用正交匹配追踪算法（OMP）或者样条（spline）来训练一个将更多区域性考虑进来的回归模型。我们还可以看到残差图中奇怪的拓扑结构好像已被Ridge回归纠正，而且在我们的模型中大值和小值之间有了更多的平衡。Ridge正则化可能纠正了两个特征之间的协方差问题。当我们用其他模型的形式将我们的数据分析推进的同时，我们可以继续visualizers来快速比较并且可视化我们的结果。

希望这个流程让你对怎样将Visualizers通过Scikit-Learn整合到机器学习中去有一个概念，并且给你启发让你将其运用到你的工作中！如果想要了解更多的有关怎样开始使用Yellowbrick的信息，请查看 模型选择教程 。然后你就在 Visualizers and API 上快速查看更多的特定visualizers了。