Python机器学习----第1部分环境安装及算法介绍

1、环境搭建

下载Python3.6版本后，双击安装程序，下一步，下一步完成安装。安装路径选择的简单些，直接C盘或D盘下即可。安装完毕后，用pip下载virtualenv后，建立虚拟环境“ScikitLearn”。在虚拟环境目录下，用pip下载NumPy、SciPy、scikit-learn、matplotlib、pandas。

2、样本数据的准备

我们把数据存放在cvs文件中，使用pandas读取数据，并抽取相应的列出来，做数据转换后，进行训练。

import Pandas as pd
import numpy as np
df = pd.read_cvs("文件路径",hearder=None)
y=df.iloc[0:100, 4].values  #抽取0--100行，第4列数据
y=np.where(y=='Iris-setosa',-1,1) #向量推导
X=df.iloc[0:100, [0,2]].values #抽取0--100行，第0列，第2列数据
#这里已将样本数据及分类结果抽取出来了，下面需要将样本数据分为训练数据和测试数据
from sklearn.cross_validation import train_test_split
X_train,X_test,Y_train,Y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3,random_state=0)
#将样本数据和分类结果拆分为训练数据（70%）和测试数据（30%）
#为了优化性能，很多机器学习算法要求对数据做特征缩放：
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
sc = StandardScaler()
sc.fit(X_train)
X_train_std = sc.transform(X_train)
X_test_std = sc.transform(X_test)

在标准化过程中，使用训练数据计算特征缩放参数，而后使用同样的参数处理训练数据和测试数据。

注意：这里只分了两个类别，scikit-learn算法基本上都支持多类别分类。

3、scikit-learn的感知器算法

from sklearn.linear_model import Perceptron
ppn = Perceptron(n_iter=40,eta=0.1,random_state=0)
ppn.fit(X_train_std,Y_train)
Y_pred = ppn.Predict(X_test_std)
(Y_test != Y_pred).sum()#得到错误预测的样本数
from sklearn.metrics import accuracy_score
accuracy_score(Y_test,Y_pred)#得到分类准确性

感知器算法是机器学习的入门算法，对线性可分的样本有效，但对于非线性可分的样本，则不会收敛，实际项目中很少应用这个算法，而是使用逻辑斯蒂回归和SVM（支持向量机）等算法。

代码中训练数据为X_train_std，测试数据为X_test_std，后缀std表示样本数据已经被标准化，后续不在做说明。

上面代码中计算错误预测样本数和分类准确性的代码，可用于其他评估算法性能。对于二维的样本，我们可以使用matplotlib绘制图例查看样本是否为线性可分，并查看分类结果。但对于高维样本，则需降维后在绘制（后续继续深入研究）。

4、scikit-learn的逻辑斯蒂回归算法

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
lr = LogisticRegression(C=1000.0,random_state=0)
lr.fit(X_train_std, Y_train)  #训练模型
Y_pred = lr.predict(X_test_std)  #测试准确性
lr.predict_proba(X_test_std[0,:]) #得到一个样本数据在各个分类的概率的向量

如果模型在训练数据集上表现良好，在测试数据集上不佳，则存在过拟合，即高方差。原因是样本中特征（列数）太多，过于复杂。解决方案是进行正则化，过滤噪声。在LogisticsRegression和SVC（支持向量机）类的构造函数中有一个C参数，即为正则化强度参数，C越小，正则化强度约大。如果算法过拟合，可以减小参数C，加强正则化后再次训练和测试。

5、scikit-learn的支持向量机算法

from sklearn.SVM import SVC
svm = SVC(Kernel='linear', C=1.0,random_state=0)
svm.fit(X_train_std, Y_train)
Y_pred = svm.predict(X_test_std)

SVC类的构造函数中也有C参数，即为正则化强度（成反比），另一个参数Kernel指定核函数，值可为'linear'（处理线性可分数据集），或'rbf'（处理非线性可分数据集）

from sklearn.SVM import SVC
svm = SVC(Kernel='rbf', C=10.0, random_state=0, gamma=0.10)
svm.fit(X_train_std, Y_train)
Y_pred = svm.predict(X_test_std)

参数gamma决定了支持向量机分类的边界宽松程度（成反比）

6、 scikit-learn中超大数据量的情况的分类算法

from sklearn.linear_model import SGDClassifier
ppn = SGDClassifier(loss='Perceptron')  # 感知器算法
lr = SGDClassifier(loss='log')          #逻辑斯蒂回归算法
svm = SGDClassifier(loss='hinge')       #支持向量机算法

如果数据量太大，无法一次加载到内存，则使用SGDClassifier算法进行训练。而且还提供了partial_fit方法进行在线学习（样本分批训练）。

7、scikit-learn中的决策树算法

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
tree = DecisionTreeClassifier(criterion='entropy',max_depth=3,random_state=0)
tree.fit(X_train,Y_train)
Y_pred = tree.predict(X_test)

决策树和下面说的K近邻算法如过拟合，正则化是无效的（因此构造函数没有提供参数C），需进行特征选择或降维处理。

8、scikit-learn中的随机森林算法

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
forest = RandomForestClassifier(criterion='entropy', 
                                n_estimators=10, #决策树数量
                                random_state=0,
                                n_jobs=2)        #使用几个CPU内核进行计算
forest.fit(X_train,Y_train)
Y_pred = forest.predict(X_test)

随机森林由多个决策树组成，准确性比单个决策树更好，易于扩展，具有更好的泛化误差，不易产生过拟合现象。

9、scikit-learn中的K-近邻算法

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
knn = KNerghborsClassifier(n_neighbers=5,
                           p=2,  #计算样本点间距离的算法 1为曼哈顿距离，2为欧几里得距离
                           metric='minkowski')
knn.fit(X_train,Y_train)  #因为要计算距离，所以先进行了标准化，防止某个特征值范围过大，计算出来的距离也过大，无法收敛
Y_pred = knn.predict(X_test)

上面介绍了scikit-learn提供的各种算法，对应类的构造函数参数具体意义与其算法理论相关，不做具体介绍。后续继续讲解如果选择参数的值，提高分类准确性。

Python机器学习----第1部分 环境安装及算法介绍

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