第七章.机器学习 Scikit-Learn
7.1 Scikit-Learn简介
Scikit-Learn简称(SKlearn)是Python的第三方模块，是机器学习领域当中知名的Python模块之一，对常用的机器学习算法进行了封装，包括回归(Regression)，降维(Dimensionality Reduction)，分类(Classfication)，聚类(Clustering)四大机器学习算法。
1.Scikit-Learn安装指令
1).pip工具安装
pip install -U scikit-learn
2).conda工具安装
conda install scikit-learn
2.线性模型
· 线性回归：利用数理统计中的回归分析，来确定两种或两种以上变量间，相互依赖的定量关系的一种统计分析与预测的方法.
· 一元线性回归分析：只包含一个自变量和一个因变量，且二者之间的关系可用一条直接近似表示。
· 多元线性回归分析：只包含两个或两个以上的自变，且自变量和因变量之间是线性关系。
· 在python中直接调用Scikit-Learn中的linear_model模块就可以实现线性回归分析，导入from sklearn import linear_model即可。
1).最小二乘法回归：(linear_model.LinearRegression)
·目的：通过最小化误差的平方和，使得预测值和真值无限接近。
·语法：
linear_model.LinearRegression(fit_intercept=True,copy_X=True, n_jobs=None)
参数说明:
fit_intercept：是否需要计算截距，布尔类型，默认值为True
copy_X：是否复制X数据，默认值为True
n_jobs：CPU的工作核数，整数，默认值为1，-1：表示和CPU核数一致。
主要属性:
coef_：数组或形状，表示线性回归分析的回归系数
intercept：数组，表示截距
主要方法:
fit(X,y,sample_weight=None)：拟合线性模型
predict(X)：使用线性回归模型返回预测数据
score(X,y,sample_weight=None)：返回预测的确定系数R^2
·示例：
Excel中的数据：
代码：
import pandas as pd
import matplotlib as plt
from sklearn import linear_model
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True)
df = pd.read_excel('F:\\Note\\清单.xlsx', sheet_name='Sheet10')
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 解决中文乱码
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决负号不显示的问题
area = pd.DataFrame(df['面积'])
price = pd.DataFrame(df['价格'])
# 最小二乘法回归
clf = linear_model.LinearRegression()
# 拟合线性模型
clf.fit(area, price)
# 回归系数
k = clf.coef_
print('回归系数=', k)
# 截距
b = clf.intercept_
print('截距=', b)
# 预测面积所对应的价格
area_pre = pd.DataFrame({'面积': df['预测面积']})
# 预测值
y = clf.predict(area_pre)
print('预测值=', y)
# 确定系数R^2
score = clf.score(area, price)
print('R^2=', score)
结果展示:
2).岭回归：(linear_model.Ridge)
·岭回归是在最小二乘法回归的基础上，加入了对回归系数L2范数的约束，岭回归是缩减法的一种，对回归系数的大小进行了限制。
·语法：
linear_model.Ridge( alpha=1.0,fit_intercept=True,copy_X=True, max_iter=None,tol=1e-4,solver="auto",positive=False,random_state=None)
参数说明:
alpha：权重
fit_intercept：是否需要计算截距，布尔类型，默认值为True
copy_X：是否复制X数据，默认值为True
max_iter：最大迭代次数
tol：控制求解的精度，浮点数
solver：求解器，值为：auto(默认值)，svd，cholesky，sparse_cg和lsqr。
·示例：
Excel中的数据：
代码：
import pandas as pd
import matplotlib as plt
from sklearn import linear_model
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True)
df = pd.read_excel('F:\\Note\\清单.xlsx', sheet_name='Sheet10')
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 解决中文乱码
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决负号不显示的问题
area = pd.DataFrame(df['面积'])
price = pd.DataFrame(df['价格'])
# 岭回归
clf = linear_model.Ridge()
# 拟合线性模型
clf.fit(area, price)
# 回归系数
k = clf.coef_
print('回归系数=', k)
# 截距
b = clf.intercept_
print('截距=', b)
# 预测面积所对应的价格
area_pre = pd.DataFrame({'面积': df['预测面积']})
# 预测值
y = clf.predict(area_pre)
print('预测值=', y)
# 确定系数R^2
score = clf.score(area, price)
print('R^2=', score)
结果展示:
3.支持向量机（sklearn.svm.linearSVR）
支持向量机(SVMs)可用于监督学习算法，主要包括分类，回归和异常检测，支持向量分类的方法可以被扩展用作解决回归问题，这个方法被称作支持向量回归。
1).语法：
sklearn.svm.linearSVR( epsilon=0.0,tol=1e-4,C=1.0,loss="epsilon_insensitive",fit_intercept=True,intercept_scaling=1.0,dual=True,verbose=0, random_state=None,max_iter=1000)
参数说明:
epsilon：float类型，默认值为0.1
tol：终止迭代的标准值，float类型，默认值为0.0001
C：罚项参数，该参数越大，使用的正则化越少，默认值为1.0
loss：损失函数（字符串类型），参数的两个选项：epsilon_insensitive:损失函数为Lε(标准SVR)，默认值；squared_epsilon_insensitive:损失函数为Lε^2
fit_intercept：是否计算此模型的截距，默认值为True
intercept_scaling：float类型，intercept_scaling=True，实例向量x变为[x,self.intercept_scaling],相当于增加了一个特征，该特征将对所有实例都显示为常数值。此时截距变成intercept_scaling特征的权重wε，此时该特征值也参与了罚项的计算
dual：选择算法是解决对偶问题还是原始问题，dual=True，解决对偶问题
verbose：是否开启verbose输出，默认值为True
random_state：int类型，随机数生成器的种子，用于在混洗数据时时使用，如果是整数：随机数生成器使用的种子，如果是RandomState示例，则是随机数生成器。
max_iter：运行的最大迭代次数，默认值为1000
coef_：特征的权重，返回array数据类型
intercept_0:决策函数中的常量，返回array数据类型。
4.K_means聚类算法
·聚类类似于分类，不同的是聚类所要求划分的类是未知的，通过算法自动分类,k_means算法是一种无监督学习算法，目的是将相似的对象归到同一簇中，簇内的对象越相似，聚类的效果就越好。
·K_means聚类是给定一个数据点集合和需要的聚类数目K，K由用户指定，K均值算法将根据某个距离函数反复把数据分入到k的聚类中。
1).聚类数据生成器的语法：
sklearn.datasets.make_blobs(n_samples=100,n_features=2,centers=None,cluster_std=1.0,center_box=(-10.0, 10.0),shuffle=True,random_state=None, return_centers=False)
参数说明:
n_samples：待生成的样本总数
n_features：每个样本的特征数
centers：类别数
cluster_std：每个类别的方差。例如：生成两类数据，其中一类比另一类具有更大的方差，可以将cluster_std参数设置为[1.0,3.0]
2).K_means聚类的语法：
KMeans( n_clusters=8,init="k-means++",n_init="warn", max_iter=300,tol=1e-4,verbose=0,random_state=None,copy_x=True,algorithm="lloyd")
参数说明:
n_clusters：生成的聚类数，及产生的质心数，默认值为8.
init：参数值为k-means++，random或者传递一个数组向量，k-means++：用一种特殊方法选定初始质心从而加速迭代过程的收敛；random：随机从训练数据中选取初始质心；传递数组向量：应该是shape(n_clusters,n_clusters)的形式，并给出初始质心
n_init：用不同的质心初始化值运行算法的系数，默认值为10
max_iter：每执行一次K_means算法的最大迭代次数，默认值为300
tol：求解的精度，默认值为1e-4
verbose：冗长的模式
random_state：用于初始化质心的生成器，整型或者随机数组类型，整型：确定一个种子(seed)，默认是NumPy的随机数生成器
copy_x：是否对源数据进行复制，copy_x=True，原始数据不会发生变化，copy_x=False，则会直接在原始数据上进行修改，并在函数返回值时将其还原，但是在计算过程中，有对数据均值的加减运算，所以数据返回后，原始数据同计算前的数据可能会有细小变化。
algorithm：表示K_means算法法则，参考值：auto(默认值)，full或elkan
主要属性:
cluster_centers_：聚类中心坐标值，返回数组类型
labels_：每个样本数据所属的类别标记，返回数组类型
inertia_：每个样本数据距离他们各自最近簇的中心之和，返回数组类型
主要方法:
fit(X[,y])：计算K_means聚类
fit_predict(X[,y])：计算簇质心并给每个样本数据预测类别
predict(X)：给每个样本估计最近的簇
score(X[,y])：计算聚类误差
3).示例：
代码：
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.datasets import make_blobs
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成用于聚类的数据(500个样本，每个样本中含有两个特征)
x, y = make_blobs(n_samples=500, n_features=2, centers=3)
# 生成的聚类数，及产生的质心数
kmodel = KMeans(n_clusters=4, n_init='auto', random_state=9)
# 预测类别
y_pred = kmodel.fit_predict(x)
print('预测类别：', y_pred)
# 聚类中心坐标值
center_coor = kmodel.cluster_centers_
print('聚类中心坐标值', center_coor)
# 样本数据所属类别
category = kmodel.labels_
print('样本数据所属类别：', category)
plt.scatter(x[:, 0], x[:, 1], c=y_pred)
plt.show()
结果展示:
