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Python分类模型实战(KNN、逻辑回归、决策树、SVM)调优调参,评估模型——综合项目

2024-04-02 阅读次数:

目录

一、技术原理

逻辑回归

k近邻法(k-nearest neighbor,k-NN)

决策树

SVM(Support Vector Machine)

模型评估

二、数据探索与处理 

2.1读取贷款违约数据集,在系统中可视化展示部分数据集

2.2对违约情况进行饼图可视化,查看其占比情况 

2.3对数据中的年龄情况进行可视化分析 

2.4对数据中的工龄情况进行可视化分析 

2.5对收入可视化分析 

2.6对各负债情况进行可视化查看 

2.7根据皮尔森系数,得到与违约相关性较高的特征如下表所示 

2.8进一步探查负债率、信用卡负债、工龄这3类与违约的关系

2.8.1负债率与违约关系

2.8.2信用卡负债与违约关系

2.8.3工龄与违约关系 

三、模型构建

①选取负债率,信用卡负债为X

②x选取负债率、工龄(与上同理)

③x选信用卡负债、工龄(与上同理)

四、模型的基本训练

4.1决策树、SVM、逻辑回归、KNN模型的基本训练,并展示模型函数;

4.2测试集中基本模型的评估,并展示评估结果;

4.3模型的调优调参,寻找最优模型,并列表对比参数的变化过程及对应结果;

①决策树的调优调参

②SVM支持向量机的调优调参

③逻辑回归的调优调参

通过自动化调优调参得到最优参数如下:

④KNN的调优调参

五、实验结果及讨论

①KNN模型图

②逻辑回归模型图

③SVM模型图

④决策树模型图

各模型的优缺点汇总:

决策树

KNN算法

支持向量机(SVM)

逻辑回归

 csv数据资源


一、技术原理

逻辑回归

面对一个回归或者分类问题,建立代价函数,然后通过优化方法迭代求解出最优的模型参数,然后测试验证我们这个求解的模型的好坏。

k近邻法(k-nearest neighbor,k-NN)

一种基本的分类和回归方法,是监督学习方法里的一种常用方法。k近邻算法假设给定一个训练数据集,其中的实例类别已定。分类时,对新的实例,根据其k个最近邻的训练实例类别,通过多数表决等方式进行预测。

决策树

一种基于树结构来进行决策的分类算法,我们希望从给定的训练数据集学得一个模型(即决策树),用该模型对新样本分类。决策树可以非常直观展现分类的过程和结果,一旦模型构建成功,对新样本的分类效率也相当高。

SVM(Support Vector Machine)

中文名为支持向量机,是常见的一种判别方法。在机器学习领域,是一个有监督的学习模型,通常用来进行模式识别、分类以及回归分析。

模型评估

可以根据混淆矩阵。得到其Accuracy准确率以及F1 score是精确率和召回率的调和平均值,F1的结果当精确率接近0,或者召回率接近0时,都会得到一个很低的F值。当精确率为1,召回率也为1时,F值为1。因此F值可以用来为我们选择一个较好的临界值。

二、数据探索与处理 

2.1读取贷款违约数据集,在系统中可视化展示部分数据集

通过pd.read_csv()读取数据集

dataset = pd.read_csv('../doc/bankloan.csv')
dataset.isnull().sum()#查看缺失值情况
dataset=dataset.dropna(axis=0, how='all')#去除行为空值
dataset2=dataset.dropna(axis=1,how="all")#去除列为空值
dataset3 = dataset2.drop_duplicates()
print(dataset3.shape)
dataset3.sample(5)#随机抽取5列进行展示

进行缺失值处理,重复值删除之后数据的大小为(700,9)

describe()查看数据情况

2.2对违约情况进行饼图可视化,查看其占比情况 

weiyue=dataset3.groupby('违约').size()
series = pd.Series([weiyue[0],weiyue[1]], index=["未违约", "违约"], name="违约情况")
series.plot.pie(figsize=(6, 6),autopct="%.2f",fontsize=20,labels=["未违约", "违约"],colors=["r", "g"])

由图可知,本次贷款违数据集中,占了超过4分之3的客户是未违约客户,违约客户占了4分之1,需要进一步分析其违约情况与其具体关系

2.3对数据中的年龄情况进行可视化分析 

groupby_birthyear = dataset3.groupby('年龄').size()
groupby_birthyear=pd.DataFrame(groupby_birthyear)
groupby_birthyear.columns=['年龄']
groupby_birthyear.plot.bar(figsize=(12, 6),title = '年龄分布情况',color='b')

从图可知大多数客户的年龄集中在24-41之间 

2.4对数据中的工龄情况进行可视化分析 

working_age = dataset3.groupby('工龄').size()
working_age.plot.bar(figsize=(12, 6),title = '工龄分布情况',color='r')

 从图可知,大多数客户的工龄集中在13年以下,说明长期客户很不够多

2.5对收入可视化分析 

 由箱型图可以明显的观察到,大多数客户的收入集中在20-50w之间,有极少数大于100w的收入。

2.6对各负债情况进行可视化查看 

 

2.7根据皮尔森系数,得到与违约相关性较高的特征如下表所示 

绘制热力图进行展示

由图可知,负债率、信用卡负债、工龄这3类均达到了0.20以上的相关性。 

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  #用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  #用来正常显示负号 
c=dataset3.corr()
c['违约'].sort_values(ascending=False)#获得相关性-最高的为-负债率-工龄
fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6),facecolor='w')
import seaborn as sns
# 指定颜色带的色系
sns.heatmap(c,annot=True, vmax=1, square=True, cmap="Blues", fmt='.2g')
plt.title('相关性热力图')
plt.show()

2.8进一步探查负债率、信用卡负债、工龄这3类与违约的关系

2.8.1负债率与违约关系

 2.8.2信用卡负债与违约关系

2.8.3工龄与违约关系 

最后选择以下三种方式行数据集的列名构建进行探究

自变量X的取值

Y值

负债率,信用卡负债

违约

负债率、工龄

违约

信用卡负债、工龄

违约

三、模型构建

①选取负债率,信用卡负债为X

X=dataset3.loc[:,['负债率','信用卡负债']].values
y=dataset3.loc[:,'违约'].values

 得到以下的图

 以下是这块的代码

X=dataset3.loc[:,['负债率','信用卡负债']].values
y=dataset3.loc[:,'违约'].values
size=np.arange(0.1,1,0.1)
scorelist=[[],[],[],[]]
from sklearn.model_selection import train_test_split
for i in range(0,9):
    train_X, test_X, train_y, test_y = train_test_split(X ,
                                                        y,
                                                      train_size=size[i],
                                                        random_state=76)
    from sklearn.preprocessing import StandardScaler
    sc = StandardScaler()
    train_X = sc.fit_transform(train_X)
    test_X = sc.transform(test_X)
    #逻辑回归
    from sklearn.linear_model import LogisticRegression
    model = LogisticRegression()
    model.fit( train_X , train_y )
    scorelist[0].append(model.score(test_X , test_y ))

    #决策树
    from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
    model = DecisionTreeClassifier()
    model.fit(train_X, train_y)
    scorelist[1].append(model.score(test_X,test_y))

    #支持向量机Support Vector Machines
    from sklearn.svm import SVC
    model = SVC()
    model.fit( train_X , train_y )
    scorelist[2].append(model.score(test_X , test_y ))

    #KNN最邻近算法 K-nearest neighbors
    from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
    model = KNeighborsClassifier()
    model.fit( train_X , train_y )
    scorelist[3].append(model.score(test_X , test_y ))

plt.rcParams['font.sans-serif'] = 'SimHei'
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
color_list = ('red', 'blue', 'lightgreen', 'cornflowerblue')
for i in range(0,4):
    plt.plot(size,scorelist[i],color=color_list[i])
plt.legend(['逻辑回归', '决策树','SVM支持向量机', 'KNN最邻近算法'])
plt.xlabel('训练集占比')
plt.ylabel('准确率')
plt.title('不同的模型随着训练集占比变化曲线')
plt.show()

②x选取负债率、工龄(与上同理)

 ③x选信用卡负债、工龄(与上同理)

 综合上述三个图可知第③种划分中,逻辑回归模型的准确率最高

四、模型的基本训练

4.1决策树、SVM、逻辑回归、KNN模型的基本训练,并展示模型函数;

①决策树的基本训练

②SVM的基本训练

③逻辑回归的基本训练

④KNN模型的基本训练

4.2测试集中基本模型的评估,并展示评估结果;

①决策树模基本型评估

决策树模型:accuracy精确度为0.70

score得分为0.70

②SVM基本模型评估

SVM模型:accuracy精确度为0.78

score得分为0.77

③逻辑回归基本模型评估

逻辑回归模型:accuracy精确度为0.79

score得分为0.79

④KNN基本模型评估

KNN模型:accuracy精确度为0.75

score得分为0.74

4.3模型的调优调参,寻找最优模型,并列表对比参数的变化过程及对应结果;

①决策树的调优调参

max_depth(决策树的最大深度),默认值为None。如果模型样本数量多,特征也多时,推荐限制这个最大深度,具体取值取决于数据的分布。常用的可以取值10-100之间,常用来解决过拟合。

4.3.1当max_depth为自变量,其他参数不变时score的变化情况如图所示:

参数变化情况:

4.3.2当min_samples_leaf和splitter为自变量时,

spliiter参数为’best’和’random’的情况:

参数变化情况列表:

4.3.3当max_depth和max_features为自变量时,max_features为

‘auto’,’log2’,’sqrt’的情况:

详细信息如下:

4.3.4当min_samples_leaf和max_features为自变量时,max_features为‘auto’,’log2’,’sqrt’的情况:

详细信息如下:

4.3.5最后通过循环,遍历所有可变的参数,进行自动调参得到最高score和accuracy

通过循环设置多个变量,如图所示

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
best_score=0.0
best_criterion = 'entropy'
best_max_depth=0
best_min_samples_leaf=0
best_splitter='best'
best_max_features=''
#best_size=-1
best_state=-1
best_accuracy=-1
best_all_a_s=-1
from sklearn.model_selection import train_test_split
#for p in range(25,50):
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.4, random_state = 76)
for j in range(5,20): #dep的值
        for m in [2,3,5,10]:#sam的值
            for n in ['best','random']: #im的值
                for k in ['auto','log2','sqrt']:
                    from sklearn.preprocessing import StandardScaler
                    sc = StandardScaler()
                    X_train = sc.fit_transform(X_train)
                    X_test = sc.transform(X_test)
                    classifier = DecisionTreeClassifier(criterion = 'entropy', max_depth=j,max_features=k,
                                                        min_samples_leaf=m,splitter=n,random_state=0)
                    classifier.fit(X_train, y_train)
                    score=classifier.score(X_test,y_test) 
                    y_pred = classifier.predict(X_test)
                    from sklearn.metrics import confusion_matrix
                    cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)
                    from sklearn.metrics import classification_report
                    report = classification_report(y_test, y_pred)
                    d=report.replace(" ","").split("\n")
                    d2=d[5][8:]
                    d2=float(d2)#得到准确度 accuracy 
                    all=d2+score#获得score和accuracy的最高分
                    if best_all_a_s

依次遍历循环最终得到最高的score和accuracy的得分如下:

best_score=0.80

best_accuracy=0.79

最高分其对应的最好参数如下:

max_depth

min_samples_leaf

splitter

max_features

random_state

6

10

best

auto

0

②SVM支持向量机的调优调参

best_score2=0
best_i=0
best_kernel=''
best_degree=0
asd=["rbf","linear","poly","sigmoid"]
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.4, random_state = 76)
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
sc = StandardScaler()
X_train = sc.fit_transform(X_train)
X_test = sc.transform(X_test)
from sklearn.svm import SVC
for k2 in range(1,20):
    for i in range(1,100,10):
                for h in asd:
                        classifier = SVC(kernel = h,degree=k2, random_state = i)
                        classifier.fit(X_train, y_train)
                        socre=classifier.score(X_test,y_test)
                        if best_score2

degree

kernel

1

‘rbf’

③逻辑回归的调优调参

best_penalty=''
best_C=0
best_solver=''
best_score=0
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.4, random_state = 76)
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
sc = StandardScaler()
X_train = sc.fit_transform(X_train)
X_test = sc.transform(X_test)
for u in range(1,101):
    for j in ['l1','l2']:
        for k2 in ['liblinear','lbfgs','newton-cg','sag']:
          try:
            u2=u*0.01
            from sklearn.linear_model import LogisticRegression
            classifer=LogisticRegression(C=u2,penalty=j,solver=k2)
            classifer=classifer.fit(X_train,y_train)
            score=classifer.score(X_test,y_test)
            if best_score

通过自动化调优调参得到最优参数如下:

C2

penalty

solver

0.09

‘l2’

‘liblinear’

④KNN的调优调参

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
best_score=0.0
best_k=-1
best_weight='uniform'
best_p=0
best_test=-1
best_state=-1
best_all_a_s=0
best_accuracy=0

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.4, random_state = 76)
for i in ['uniform','distance']:
           for j in range(1,21): #k的值
             for k in range(1,10): #p的值
                    classifier = KNeighborsClassifier(n_neighbors = j, weights = i, p = k,metric = 'minkowski')
                    classifier.fit(X_train, y_train)
                    score=classifier.score(X_test,y_test)
                    y_pred = classifier.predict(X_test)
                    from sklearn.metrics import confusion_matrix
                    cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)
                    from sklearn.metrics import classification_report
                    report = classification_report(y_test, y_pred)
                    d=report.replace(" ","").split("\n")
                    d2=d[5][8:]
                    d2=float(d2)#得到准确度 accuracy 
                    all=d2+score#获得score和accuracy的最高分
                    if best_all_a_s

通过自动化调优调参得到最优参数如下:

n_neighbors

weights

p

8

‘uniform’

1

综上所述决策树模型的调优调参后的效果最好,精确度达到了0.8

五、实验结果及讨论

①KNN模型图

②逻辑回归模型图

③SVM模型图

④决策树模型图

from matplotlib.colors import ListedColormap
X_set, y_set = X_train, y_train
X1, X2 = np.meshgrid(np.arange(start = X_set[:, 0].min() - 1, stop = X_set[:, 0].max() + 1, step = 0.01),
                     np.arange(start = X_set[:, 1].min() - 1, stop = X_set[:, 1].max() + 1, step = 0.01))
plt.contourf(X1, X2, classifier.predict(np.array([X1.ravel(), X2.ravel()]).T).reshape(X1.shape),
             alpha = 0.75, cmap = ListedColormap(('pink', 'green')))
plt.xlim(X1.min(), X1.max())
plt.ylim(X2.min(), X2.max())
for i, j in enumerate(np.unique(y_set)):
    plt.scatter(X_set[y_set == j, 0], X_set[y_set == j, 1],
                c = ListedColormap(('red', 'green'))(i), label = j)
plt.title('Kernel SVM (Training set)')
plt.xlabel('工龄')
plt.ylabel('负债率')
plt.legend()
plt.show()

由上图可知,逻辑回归的图形明显要好于其他模型的预测

各模型的优缺点汇总:

决策树

优点

一、 决策树易于理解和解释.人们在通过解释后都有能力去理解决策树所表达的意义。

二、 对于决策树,数据的准备往往是简单或者是不必要的.其他的技术往往要求先把数据一般化,比如去掉多余的或者空白的属性。

三、 能够同时处理数据型和常规型属性。其他的技术往往要求数据属性的单一。

缺点:

一、 对于那些各类别样本数量不一致的数据,在决策树当中,信息增益的结果偏向于那些具有更多数值的特征。

二、 决策树处理缺失数据时的困难。

三、 过度拟合问题的出现。

四、 忽略数据集中属性之间的相关性。

KNN算法

优点:

一、 简单、有效。

二、 重新训练的代价较低(类别体系的变化和训练集的变化,在Web环境和电子商务应用中是很常见的)。

三、 计算时间和空间线性于训练集的规模(在一些场合不算太大)

缺点:

  • KNN算法是懒散学习方法(lazy learning,基本上不学习),一些积极学习的算法要快很多

支持向量机(SVM)

优点

一、 可以解决小样本情况下的机器学习问题。

二、 可以提高泛化性能。

三、 可以解决高维问题。

缺点

一、 对缺失数据敏感。

逻辑回归

优点:

一、预测结果是界于0和1之间的概率;

二、可以适用于连续性和类别性自变量;

三、容易使用和解释;

缺点:

对模型中自变量多重共线性较为敏感,例如两个高度相关自变量同时放入模型,可能导致较弱的一个自变量回归符号不符合预期,符号被扭转。​需要利用因子分析或者变量聚类分析等手段来选择代表性的自变量,以减少候选变量之间的相关性;

 csv数据资源

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