Bosque aleatorio, el método de componentes principales y optimización de hiperparámetros: un ejemplo de resolución del problema de clasificación en Python

1. El modelo básico basado en el algoritmo de RF (abreviaremos este modelo de RF).
2. El mismo modelo que el número 1, pero en el que se aplica una reducción en la dimensión del espacio de características utilizando el método del componente principal (RF + PCA).
3. El mismo modelo que el No. 2, pero construido utilizando la optimización de hiperparámetros (RF + PCA + HT).

1. Importar datos

• df.head() - echar un vistazo al nuevo marco de datos y ver si se ve como se esperaba.
• df.info()- para conocer las características de los tipos de datos y el contenido de las columnas. Puede ser necesario realizar una conversión de tipo de datos antes de continuar.
• df.isna()- para asegurarse de que no hay valores en los datos NaN. Los valores correspondientes, si los hay, pueden necesitar ser procesados ​​de alguna manera, o, si es necesario, puede ser necesario eliminar filas enteras del marco de datos.
• df.describe() - para encontrar los valores mínimos, máximos y promedio de los indicadores en las columnas, para encontrar los indicadores del cuadrado medio y la desviación probable en las columnas.

import pandas as pd
from sklearn.datasets import load_breast_cancer
columns = ['mean radius', 'mean texture', 'mean perimeter', 'mean area', 'mean smoothness', 'mean compactness', 'mean concavity', 'mean concave points', 'mean symmetry', 'mean fractal dimension', 'radius error', 'texture error', 'perimeter error', 'area error', 'smoothness error', 'compactness error', 'concavity error', 'concave points error', 'symmetry error', 'fractal dimension error', 'worst radius', 'worst texture', 'worst perimeter', 'worst area', 'worst smoothness', 'worst compactness', 'worst concavity', 'worst concave points', 'worst symmetry', 'worst fractal dimension']
dataset = load_breast_cancer()
data = pd.DataFrame(dataset['data'], columns=columns)
data['cancer'] = dataset['target']
display(data.head())
display(data.info())
display(data.isna().sum())
display(data.describe())

2.

from sklearn.model_selection import train_test_split
X = data.drop('cancer', axis=1)  
y = data['cancer'] 
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.50, random_state = 2020, stratify=y)

3. Escalado de datos

import numpy as np
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
ss = StandardScaler()
X_train_scaled = ss.fit_transform(X_train)
X_test_scaled = ss.transform(X_test)
y_train = np.array(y_train)

4. Entrenamiento del modelo básico (modelo No. 1, RF)

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.metrics import recall_score
rfc = RandomForestClassifier()
rfc.fit(X_train_scaled, y_train)
display(rfc.score(X_train_scaled, y_train))
# 1.0

feats = {}
for feature, importance in zip(data.columns, rfc_1.feature_importances_):
    feats[feature] = importance
importances = pd.DataFrame.from_dict(feats, orient='index').rename(columns={0: 'Gini-Importance'})
importances = importances.sort_values(by='Gini-Importance', ascending=False)
importances = importances.reset_index()
importances = importances.rename(columns={'index': 'Features'})
sns.set(font_scale = 5)
sns.set(style="whitegrid", color_codes=True, font_scale = 1.7)
fig, ax = plt.subplots()
fig.set_size_inches(30,15)
sns.barplot(x=importances['Gini-Importance'], y=importances['Features'], data=importances, color='skyblue')
plt.xlabel('Importance', fontsize=25, weight = 'bold')
plt.ylabel('Features', fontsize=25, weight = 'bold')
plt.title('Feature Importance', fontsize=25, weight = 'bold')
display(plt.show())
display(importances)

5. El método de los componentes principales.

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from sklearn.decomposition import PCA
pca_test = PCA(n_components=30)
pca_test.fit(X_train_scaled)
sns.set(style='whitegrid')
plt.plot(np.cumsum(pca_test.explained_variance_ratio_))
plt.xlabel('number of components')
plt.ylabel('cumulative explained variance')
plt.axvline(linewidth=4, color='r', linestyle = '--', x=10, ymin=0, ymax=1)
display(plt.show())
evr = pca_test.explained_variance_ratio_
cvr = np.cumsum(pca_test.explained_variance_ratio_)
pca_df = pd.DataFrame()
pca_df['Cumulative Variance Ratio'] = cvr
pca_df['Explained Variance Ratio'] = evr
display(pca_df.head(10))

pca = PCA(n_components=10)
pca.fit(X_train_scaled)
X_train_scaled_pca = pca.transform(X_train_scaled)
X_test_scaled_pca = pca.transform(X_test_scaled)

pca_dims = []
for x in range(0, len(pca_df)):
    pca_dims.append('PCA Component {}'.format(x))
pca_test_df = pd.DataFrame(pca_test.components_, columns=columns, index=pca_dims)
pca_test_df.head(10).T

6. Capacitación del modelo básico de RF después de aplicar el método de componentes principales a los datos (modelo No. 2, RF + PCA)

rfc = RandomForestClassifier()
rfc.fit(X_train_scaled_pca, y_train)
display(rfc.score(X_train_scaled_pca, y_train))
# 1.0

7. Optimización de hiperparámetros. Ronda 1: RandomizedSearchCV

• n_estimators - el número de "árboles" en el "bosque aleatorio".
• max_features - la cantidad de funciones para seleccionar la división.
• max_depth - Profundidad máxima de los árboles.
• min_samples_split - el número mínimo de objetos necesarios para que un nodo de árbol se divida.
• min_samples_leaf - El número mínimo de objetos en las hojas.
• bootstrap - Se utiliza para construir árboles de submuestras con retorno.

from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV
n_estimators = [int(x) for x in np.linspace(start = 100, stop = 1000, num = 10)]
max_features = ['log2', 'sqrt']
max_depth = [int(x) for x in np.linspace(start = 1, stop = 15, num = 15)]
min_samples_split = [int(x) for x in np.linspace(start = 2, stop = 50, num = 10)]
min_samples_leaf = [int(x) for x in np.linspace(start = 2, stop = 50, num = 10)]
bootstrap = [True, False]
param_dist = {'n_estimators': n_estimators,
               'max_features': max_features,
               'max_depth': max_depth,
               'min_samples_split': min_samples_split,
               'min_samples_leaf': min_samples_leaf,
               'bootstrap': bootstrap}
rs = RandomizedSearchCV(rfc_2, 
                        param_dist, 
                        n_iter = 100, 
                        cv = 3, 
                        verbose = 1, 
                        n_jobs=-1, 
                        random_state=0)
rs.fit(X_train_scaled_pca, y_train)
rs.best_params_
# {'n_estimators': 700,
# 'min_samples_split': 2,
# 'min_samples_leaf': 2,
# 'max_features': 'log2',
# 'max_depth': 11,
# 'bootstrap': True}

rs_df = pd.DataFrame(rs.cv_results_).sort_values('rank_test_score').reset_index(drop=True)
rs_df = rs_df.drop([
            'mean_fit_time', 
            'std_fit_time', 
            'mean_score_time',
            'std_score_time', 
            'params', 
            'split0_test_score', 
            'split1_test_score', 
            'split2_test_score', 
            'std_test_score'],
            axis=1)
rs_df.head(10)

fig, axs = plt.subplots(ncols=3, nrows=2)
sns.set(style="whitegrid", color_codes=True, font_scale = 2)
fig.set_size_inches(30,25)
sns.barplot(x='param_n_estimators', y='mean_test_score', data=rs_df, ax=axs[0,0], color='lightgrey')
axs[0,0].set_ylim([.83,.93])axs[0,0].set_title(label = 'n_estimators', size=30, weight='bold')
sns.barplot(x='param_min_samples_split', y='mean_test_score', data=rs_df, ax=axs[0,1], color='coral')
axs[0,1].set_ylim([.85,.93])axs[0,1].set_title(label = 'min_samples_split', size=30, weight='bold')
sns.barplot(x='param_min_samples_leaf', y='mean_test_score', data=rs_df, ax=axs[0,2], color='lightgreen')
axs[0,2].set_ylim([.80,.93])axs[0,2].set_title(label = 'min_samples_leaf', size=30, weight='bold')
sns.barplot(x='param_max_features', y='mean_test_score', data=rs_df, ax=axs[1,0], color='wheat')
axs[1,0].set_ylim([.88,.92])axs[1,0].set_title(label = 'max_features', size=30, weight='bold')
sns.barplot(x='param_max_depth', y='mean_test_score', data=rs_df, ax=axs[1,1], color='lightpink')
axs[1,1].set_ylim([.80,.93])axs[1,1].set_title(label = 'max_depth', size=30, weight='bold')
sns.barplot(x='param_bootstrap',y='mean_test_score', data=rs_df, ax=axs[1,2], color='skyblue')
axs[1,2].set_ylim([.88,.92])
axs[1,2].set_title(label = 'bootstrap', size=30, weight='bold')
plt.show()

• n_estimators: los valores de 300, 500, 700, aparentemente, muestran los mejores resultados promedio.
• min_samples_split: Los valores pequeños como 2 y 7 parecen mostrar los mejores resultados. El valor 23 también se ve bien. Puede examinar varios valores de este hiperparámetro en exceso de 2, así como varios valores de aproximadamente 23.
• min_samples_leaf: Existe la sensación de que los valores pequeños de este hiperparámetro dan mejores resultados. Esto significa que podemos experimentar valores entre 2 y 7.
• max_features: la opción sqrtda el resultado promedio más alto.
• max_depth: no existe una relación clara entre el valor del hiperparámetro y el resultado del modelo, pero existe la sensación de que los valores 2, 3, 7, 11, 15 se ven bien.
• bootstrap: el valor Falsemuestra el mejor resultado promedio.

8. Optimización de hiperparámetros. Ronda 2: GridSearchCV (preparación final de parámetros para el modelo No. 3, RF + PCA + HT)

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
n_estimators = [300,500,700]
max_features = ['sqrt']
max_depth = [2,3,7,11,15]
min_samples_split = [2,3,4,22,23,24]
min_samples_leaf = [2,3,4,5,6,7]
bootstrap = [False]
param_grid = {'n_estimators': n_estimators,
               'max_features': max_features,
               'max_depth': max_depth,
               'min_samples_split': min_samples_split,
               'min_samples_leaf': min_samples_leaf,
               'bootstrap': bootstrap}
gs = GridSearchCV(rfc_2, param_grid, cv = 3, verbose = 1, n_jobs=-1)
gs.fit(X_train_scaled_pca, y_train)
rfc_3 = gs.best_estimator_
gs.best_params_
# {'bootstrap': False,
# 'max_depth': 7,
# 'max_features': 'sqrt',
# 'min_samples_leaf': 3,
# 'min_samples_split': 2,
# 'n_estimators': 500}

9. Evaluación de la calidad de los modelos en los datos de verificación.

y_pred = rfc.predict(X_test_scaled)
y_pred_pca = rfc.predict(X_test_scaled_pca)
y_pred_gs = gs.best_estimator_.predict(X_test_scaled_pca)

from sklearn.metrics import confusion_matrix
conf_matrix_baseline = pd.DataFrame(confusion_matrix(y_test, y_pred), index = ['actual 0', 'actual 1'], columns = ['predicted 0', 'predicted 1'])
conf_matrix_baseline_pca = pd.DataFrame(confusion_matrix(y_test, y_pred_pca), index = ['actual 0', 'actual 1'], columns = ['predicted 0', 'predicted 1'])
conf_matrix_tuned_pca = pd.DataFrame(confusion_matrix(y_test, y_pred_gs), index = ['actual 0', 'actual 1'], columns = ['predicted 0', 'predicted 1'])
display(conf_matrix_baseline)
display('Baseline Random Forest recall score', recall_score(y_test, y_pred))
display(conf_matrix_baseline_pca)
display('Baseline Random Forest With PCA recall score', recall_score(y_test, y_pred_pca))
display(conf_matrix_tuned_pca)
display('Hyperparameter Tuned Random Forest With PCA Reduced Dimensionality recall score', recall_score(y_test, y_pred_gs))

Resumen