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选择分类模型

更新时间: 2023-02-24 21:37:01  作者: 佚名

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为了说明选择分类模型的问题，考虑一些模拟数据， 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

第一种策略是将数据集分成两部分， 训练 数据集和 测试 数据集。 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

Holdout 方法：训练和测试数据集

这两个数据集可以在下面可视化，上面是训练数据集，下面是测试数据集 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

我们可以考虑一个简单的 分类树。 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

要将其可视化，请使用 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

和 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

我们在训练数据集上进行预测，然后在测试数据集上进行预测。最后在底部，测试数据集（黑色曲线）和训练数据集（灰色曲线）的 ROC 曲线 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

从那棵树中，很自然地可以使用 随机森林 进行预测 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

要获得预测，请在此处使用 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

并不是说训练样本的拟合度是完美的。另一个流行的模型可能是 逻辑回归 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

后者非常接近于 线性判别分析 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

或 二次判别分析 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

要尝试非常不同的模型，请考虑 k 最近邻
（这里有 9 个邻居） 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

双变量样条的一些逻辑回归 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

或者一些 梯度提升算法 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

然而，使用这种 holdout 方法创建一些训练和测试数据集可能很困难。只有当我们有很多观察时才能做到这一点。即便如此，我们在创建测试样本时仍然可能不走运（仅仅是因为运气不好）。另一种方法是使用交叉验证。

使用交叉验证

这里，我们考虑one-leave-out交叉验证（但也可以考虑 v -fold交叉验证，以更快地得到结果）。

考虑这里的 分类树 。例如，要导出交叉验证 ROC 曲线，请使用 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

在这里，我存储了 n 个 模型，每次都会删除一个观察值，然后我得到对删除的观察值的预测。我们可以生成 ROC 曲线 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

当然，一个人可以轻松获得运行速度更快的代码，但那个代码是在那个小数据集上工作的。

如果我们考虑 随机森林 ，我们得到 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

可以考虑 逻辑回归 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

或 线性判别分析 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

而 二次判别分析 产生 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

同样，如果我们考虑另一种类型的模型，例如 k 最近邻 （ k = 5），我们得到 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

或 k 最近邻 k = 9

或 k = 21

还可以考虑 使用二元样条的逻辑回归

或者，最后但同样重要的是，一些 梯度提升模型 。在那一个上，我们可能无法存储梯度提升函数的 500 个输出（输出很大）。更快的代码可能是 


 > n = 500
> set.seed(1)
> X = rnorm(n)
> ma = 10-(X+1.5)^2*2
> mb = -10+(X-1.5)^2*2
> M = cbind(ma,mb)
> set.seed(1)
> Z = sample(1:2,size=n,replace=TRUE)
> Y = ma*(Z==1)+mb*(Z==2)+rnorm(n)*5
> df = data.frame(Z=as.factor(Z),X,Y)

实际上，现在可以将所有这些模型与单个图表上的所有 ROC 曲线进行比较：


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