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无比强大的机器学习扩展包MLxtend

原创

皮大大

发布于 2024-06-06 03:25:33

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文章被收录于专栏：机器学习/数据可视化机器学习/数据可视化

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公众号：尤而小屋编辑：Peter 作者：Peter

大家好，我是Peter~

今天给大家介绍一个强大的机器学习建模扩展包：mlxtend。

mlxtend(machine learning extensions，机器学习扩展)是一个用于日常数据分析、机器学习建模的有用Python库。

mlxtend可以用作模型的可解释性，包括统计评估、数据模式、图像提取等。mlxtend是一个Python第三方库，用于支持机器学习和数据分析任务。

本文关键词：机器学习、mlxtend、聚类、分类、回归、模型可视化

1 MLxtend主要功能

MLxtend主要功能包含：

数据处理
- 数据：提供了数据集加载和预处理的功能，方便用户处理各种格式的数据集。
- 预处理：包括数据清洗、标准化、归一化等，确保数据质量，提高模型性能等
特征选择
- 基于特征重要性的方法：这种方法通过评估各个特征对模型预测能力的贡献度来选择特征。
- 递归特征消除：这是一种通过递归地考虑越来越小的特征子集来选择特征的方法。
- 基于特征子集搜索的方法：这种方法通过搜索最优特征子集来选择特征，通常使用启发式或优化技术来实现。
模型评估
- 分类器：提供了多种分类算法的实现，帮助用户进行分类任务的建模和评估。
- 聚类器：提供了多种聚类算法，用于无监督学习中的样本分组。
- 回归器：提供了回归分析的工具，用于预测连续值输出。
- 评估方法：提供了模型性能评估的方法，如交叉验证、得分指标等。
数据可视化
- 绘图：提供了丰富的绘图功能，帮助用户在数据探索和分析过程中可视化数据分布和模型结果。
- 图像：支持图像数据的处理和分析，扩展了机器学习在视觉领域的应用。

官方学习地址：https://rasbt.github.io/mlxtend/

2 导入库

In 1:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.gridspec as gridspec
import itertools

from sklearn.linear_model import LogisticRegression # 逻辑回归分类
from sklearn.svm import SVC  # SVC
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier  # 随机森林分类
from mlxtend.classifier import EnsembleVoteClassifier  # 从mlxtend导入集成投票表决分类算法
from mlxtend.data import iris_data # 内置数据集
from mlxtend.plotting import plot_decision_regions  # 绘制决策边界

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

3 MLxtend分类案例

提供一个分类模型相关的入门案例：

3.1 导入数据

In 2:

X, y = iris_data()
X = X[:, [0,2]]  # 所有行，选择2个列

X[:3]

Out2:

array([[5.1, 1.4],
       [4.9, 1.4],
       [4.7, 1.3]])

In 3:

y[:3]

Out3:

array([0, 0, 0])

3.2 初始化多个分类器

In 4:

# 建立3个基线分类器
clf1 = LogisticRegression(random_state=0)
clf2 = RandomForestClassifier(random_state=0)
clf3 = SVC(random_state=0, probability=True)  # 输出概率值

3.3 使用集成投票表决分类器EnsembleVoteClassifier

In 5:

eclf = EnsembleVoteClassifier(
    clfs=[clf1,clf2,clf3], # 使用3个基分类器
    weights=[2,1,1],  # 赋予权重
    voting="soft"  # 使用软投票方式
)

3.4 绘制决策边界

绘制分类器的决策边界：

In 6:

list(itertools.product([0, 1],repeat=2))  # 计算笛卡尔积

Out6:

[(0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1)]

In 7:

labels = ['Logistic Regression','Random Forest','RBF kernel SVM','Ensemble']

fig = plt.figure(figsize=(14, 10))
gs = gridspec.GridSpec(2, 2)

for clf, lab, grd in zip([clf1, clf2, clf3, eclf], # 分类器
                         labels,  # 分类器名称
                         # 设置图片的位置：[0,0],[0,1],[1,0],[1,1]
                         itertools.product([0, 1],repeat=2)):  
    clf.fit(X,y)
    ax = plt.subplot(gs[grd[0], grd[1]])  # 子图
    fig = plot_decision_regions(X=X,
                                y=y,
                               clf=clf,
                               legend=2)
    plt.title(lab)  # 标题
    
plt.show()

4 MLxtend回归案例

MLxtend内置了线性回归的算法LinearRegression

https://rasbt.github.io/mlxtend/user_guide/regressor/LinearRegression/

4.1 direct（默认）

LinearRegression类中有个参数method，取值不同：direct（默认）、qr（QR decomopisition）、svd（Singular Value Decomposition）、sgd（Stochastic Gradient Descent）

In 8:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mlxtend.regressor import LinearRegression

# 模拟数据：从一维变成二维，使用np.newaxis函数
X = np.array([ 1.0, 2.1, 3.6, 4.2, 6])[:, np.newaxis]
y = np.array([ 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0])

ne_lr = LinearRegression()  # 默认方法
ne_lr.fit(X, y)

#print('Intercept: %.2f' % ne_lr.b_)   # 截距
#print('Slope: %.2f' % ne_lr.w_[0])   # 斜率

def lin_regplot(X, y, model):
    plt.scatter(X, y, c='blue')
    plt.plot(X, model.predict(X), color='red')    
    return None

lin_regplot(X, y, ne_lr)
plt.show()

4.2 QR decomposition（QR分解）

In 9:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mlxtend.regressor import LinearRegression

X = np.array([ 1.0, 2.1, 3.6, 4.2, 6])[:, np.newaxis]
y = np.array([ 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0])

ne_lr = LinearRegression(method="qr")  # 
ne_lr.fit(X, y)

def lin_regplot(X, y, model):
    plt.scatter(X, y, c='blue')
    plt.plot(X, model.predict(X), color='red')    
    return None

lin_regplot(X, y, ne_lr)
plt.show()

4.3 Gradient Descent-梯度下降

In 10:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mlxtend.regressor import LinearRegression

X = np.array([ 1.0, 2.1, 3.6, 4.2, 6])[:, np.newaxis]
y = np.array([ 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0])

gd_lr = LinearRegression(method='sgd',
                         eta=0.005, 
                         epochs=100,
                         minibatches=1,  # 必须和method="sgd"联用
                         random_seed=123,
                         print_progress=3)
gd_lr.fit(X, y)

def lin_regplot(X, y, model):
    plt.scatter(X, y, c='blue')
    plt.plot(X, model.predict(X), color='red')    
    return

lin_regplot(X, y, gd_lr)
plt.show()

绘制损失函数值cost随迭代次数epochs的变化情况：

In 11:

plt.plot(range(1, gd_lr.epochs+1), gd_lr.cost_)
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Cost')

plt.ylim([0, 0.2])
plt.tight_layout()
plt.show()

5 MLxtend聚类案例

mlxtend内置的是K-means算法

5.1 导入数据

In 12:

import matplotlib.pyplot as plt
from mlxtend.data import three_blobs_data

X, y = three_blobs_data()
X[:3]

Out12:

array([[2.60509732, 1.22529553],
       [0.5323772 , 3.31338909],
       [0.802314  , 4.38196181]])

In 13:

Out13:

array([1, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 1, 0, 2, 1, 0, 0, 2, 2, 0, 0, 1, 0, 1, 2, 1,
       2, 2, 0, 1, 1, 2, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 2, 1, 1, 1, 2, 2, 0, 0, 2, 1,
       1, 1, 0, 2, 0, 2, 1, 2, 2, 1, 1, 0, 2, 1, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 2, 0,
       2, 1, 2, 2, 2, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 0, 0, 2, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 1, 0,
       0, 1, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 2, 0, 2, 2, 2,
       0, 2, 1, 0, 2, 0, 2, 2, 0, 0, 2, 1, 2, 2, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0,
       1, 0, 0, 0, 2, 0, 1, 0, 2, 2, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1])

5.2 数据可视化

In 14:

plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c='black')
plt.show()

5.3 计算聚类质心

In 15:

from mlxtend.cluster import Kmeans

km = Kmeans(k=3, # 聚类数
            max_iter=50,  # 最大迭代次数
            random_seed=1,  # 随机种子
            print_progress=3  # 每隔3次打印进度
           )

km.fit(X)
Iteration: 2/50 | Elapsed: 00:00:00 | ETA: 00:00:00

Out15:

<mlxtend.cluster.kmeans.Kmeans at 0x281b745ff10>

In 16:

km.iterations_  # 打印聚类的迭代次数

Out16:

In 17:

km.centroids_  # 打印聚类的中心

Out17:

array([[-1.5947298 ,  2.92236966],
       [ 2.06521743,  0.96137409],
       [ 0.9329651 ,  4.35420713]])

5.4 聚类可视化

In 18:

# 聚类结果
y_clust = km.predict(X)  

# 簇群1
plt.scatter(X[y_clust == 0, 0],
            X[y_clust == 0, 1],
            s=50,
            c="lightgreen",
            marker="s",
            label="cluster1"
           )
# 簇群2
plt.scatter(X[y_clust == 1, 0],
            X[y_clust == 1, 1],
            s=50,
            c="orange",
            marker="o",
            label="cluster2"
           )
# 簇群3
plt.scatter(X[y_clust == 2, 0],
            X[y_clust == 2, 1],
            s=50,
            c="lightblue",
            marker="v",
            label="cluster3"
           )

# 绘制聚类质心
plt.scatter(km.centroids_[:,0],
            km.centroids_[:,1],
            s=250,
            marker='*',
            c='red',
            label='centroids')

plt.legend(loc='lower left', 
           scatterpoints=1
          )

plt.grid()
plt.show()