机器学习常见算法概述和简单py实现

机器学习常见算法概述和简单py实现

广义来说，有三种机器学习算法
1. 监督式学习使用告有确定的结果的数据集去训练，监督式学习的例子有：回归、决策树、随机森林、K近邻算法、逻辑回归等。
2. 非监督式学习在这个算法中，没有任何目标变量或结果变量要预测或估计。这个算法用在不同的组内聚类分析。这种分析方式被广泛地用来细分客户，根据干预的方式分为不同的用户组。非监督式学习的例子有：关联算法和 K–均值算法。
3. 强化学习工作机制：这个算法训练机器进行决策。它是这样工作的：机器被放在一个能让它通过反复试错来训练自己的环境中。机器从过去的经验中进行学习，并且尝试利用了解最透彻的知识作出精确的商业判断。强化学习的例子有马尔可夫决策过程。 (机器自己总结经验，我认为可以用来检验人类经验的准确性)

线性回归–回归

线性回归通常用于根据连续变量估计实际数值（房价、呼叫次数、总销售额等）。我们通过拟合最佳直线来建立自变量和因变量的关系。这条最佳直线叫做回归线，结果是所有属性的线性组合。理解线性回归的最好办法是回顾一下童年。假设在不问对方体重的情况下，让一个五年级的孩子按体重从轻到重的顺序对班上的同学排序，你觉得这个孩子会怎么做？他（她）很可能会目测人们的身高和体型，综合这些可见的参数来排列他们。这是现实生活中使用线性回归的例子。实际上，这个孩子发现了身高和体型与体重有一定的关系，线性回归的两种主要类型是一元线性回归和多元线性回归。一元线性回归的特点是只有一个自变量。多元线性回归的特点正如其名，存在多个自变量。找最佳拟合直线的时候，你可以拟合到多项或者曲线回归。这些就被叫做多项或曲线回归。

from sklearn import linear_model
 
#Load Train and Test datasets
x_train=input_variables_values_training_datasets
y_train=target_variables_values_training_datasets
x_test=input_variables_values_test_datasets
 
# Create linear regression object
linear = linear_model.LinearRegression()
 
# Train the model using the training sets and check score
linear.fit(x_train, y_train)
linear.score(x_train, y_train)
 
#Equation coefficient and Intercept
print('Coefficient: n', linear.coef_)
print('Intercept: n', linear.intercept_)
 
#Predict Output
predicted= linear.predict(x_test)

逻辑回归–分类

是一个分类算法而不是一个回归算法。该算法可根据已知的一系列因变量估计离散数值[0,1]。简单来说，它通过将数据拟合进一个逻辑函数来预估一个事件出现的概率。因此，它也被叫做逻辑回归。因为它预估的是概率，所以它的输出值大小在 0 和 1 之间（正如所预计的一样）。

让我们再次通过一个简单的例子来理解这个算法。假设你的朋友让你解开一个谜题。这只会有两个结果：你解开了或是你没有解开。想象你要解答很多道题来找出你所擅长的主题。这个研究的结果就会像是这样：假设题目是一道十年级的三角函数题，你有 70%的可能会解开这道题。然而，若题目是个五年级的历史题，你只有30%的可能性回答正确。这就是逻辑回归能提供给你的信息。

从数学上看，就是在线性组合的输出上套一个sigma函数或者脚logistic函数，使得输出在(0,1)内。

#Import Library
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create logistic regression object
model = LogisticRegression() 
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
model.score(X, y)
 
#Equation coefficient and Intercept
print('Coefficient: n', model.coef_)
print('Intercept: n', model.intercept_)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

决策树–分类

这个监督式学习算法通常被用于分类问题。令人惊奇的是，它同时适用于分类变量和连续因变量。在这个算法中，我们将总体分成两个或更多的同类群。这是根据最重要的属性或者自变量来分成尽可能不同的组别。挑选最终要的属性是通过分析每个属性的熵增益来挑选的，简单的说就是挑选能能把数据集分的最有秩序的那个属性就是本次挑选的最重要的属性，每次挑选最重要的属性，得到一系列的判断标准，层层筛选。

#Import Library
#Import other necessary libraries like pandas, numpy...
from sklearn import tree
 
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create tree object 
model = tree.DecisionTreeClassifier(criterion='gini') # for classification, here you can change the algorithm as gini or entropy (information gain) by default it is gini  
 
# model = tree.DecisionTreeRegressor() for regression
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
model.score(X, y)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

支持向量机

这是一种分类方法。在这个算法中，我们将每个数据在N维空间中用点标出（N是你所有的特征总数），每个特征的值是一个坐标的值。

举个例子，如果我们只有身高和头发长度两个特征，我们会在二维空间中标出这两个变量，每个点有两个坐标（这些坐标叫做支持向量）。我们能找到将两组不同数据分开的一条直线。两个分组中距离最近的两个点到这条线的距离同时最优化。

类似在N维空间通过N-1维度的面分开N维中各个点，找到这个超平面的算法就是SVM

#Import Library
from sklearn import svm
 
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create SVM classification object 
model = svm.svc() # there is various option associated with it, this is simple for classification. You can refer link, for mo# re detail.
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
model.score(X, y)

#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

朴素贝叶斯–分类

在预示变量间相互独立的前提下，根据贝叶斯定理可以得到朴素贝叶斯这个分类方法。用更简单的话来说，一个朴素贝叶斯分类器假设一个分类的特性与该分类的其它特性不相关。举个例子，如果一个水果又圆又红，并且直径大约是 3 英寸，那么这个水果可能会是苹果。即便这些特性互相依赖，或者依赖于别的特性的存在，朴素贝叶斯分类器还是会假设这些特性分别独立地暗示这个水果是个苹果。

朴素贝叶斯模型易于建造，且对于大型数据集非常有用。虽然简单，但是朴素贝叶斯的表现却超越了非常复杂的分类方法。

#Import Library
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
 
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create SVM classification object model = GaussianNB() # there is other distribution for multinomial classes like Bernoulli Naive Bayes, Refer link
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

KNN（K – 最近邻算法）–回归、分类

该算法可用于分类问题和回归问题。然而，在业界内，K–最近邻算法更常用于分类问题。K – 最近邻算法是一个简单的算法。它储存所有的案例，通过周围k个案例中的大多数情况划分新的案例。根据一个距离函数，新案例会被分配到它的 K 个近邻中最普遍的类别中去。

这些距离函数可以是欧式距离、曼哈顿距离、明式距离或者是汉明距离。前三个距离函数用于连续函数，第四个函数（汉明函数）则被用于分类变量。如果 K=1，新案例就直接被分到离其最近的案例所属的类别中。有时候，使用 KNN 建模时，选择 K 的取值是一个挑战。

注

#Import Library
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
 
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create KNeighbors classifier object model 
KNeighborsClassifier(n_neighbors=6) # default value for n_neighbors is 5
 
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

K 均值算法–聚类

K – 均值算法是一种非监督式学习算法，它能解决聚类问题。使用 K – 均值算法来将一个数据归入一定数量的集群（假设有 k 个集群）的过程是简单的。一个集群内的数据点是均匀齐次的，并且异于别的集群。

K – 均值算法怎样形成集群：
1. K – 均值算法给每个集群选择k个点。这些点称作为质心。
2. 每一个数据点与距离最近的质心形成一个集群，也就是 k 个集群。
3. 根据现有的类别成员，找出每个类别的质心。现在我们有了新质心。
4. 当我们有新质心后，重复步骤 2 和步骤 3。找到距离每个数据点最近的质心，并与新的k集群联系起来。重复这个过程，直到数据都收敛了，也就是当质心不再改变。
如何决定 K 值：
1. K – 均值算法涉及到集群，每个集群有自己的质心。一个集群内的质心和各数据点之间距离的平方和形成了这个集群的平方值之和。同时，当所有集群的平方值之和加起来的时候，就组成了集群方案的平方值之和。
2. 我们知道，当集群的数量增加时，K值会持续下降。但是，如果你将结果用图表来表示，你会看到距离的平方总和快速减少。到某个值 k 之后，减少的速度就大大下降了。在此，我们可以找到集群数量的最优值

#Import Library
from sklearn.cluster import KMeans
 
#Assumed you have, X (attributes) for training data set and x_test(attributes) of test_dataset
# Create KNeighbors classifier object model 
k_means = KMeans(n_clusters=3, random_state=0)
 
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

随机森林

随机森林是表示决策树总体的一个专有名词。在随机森林算法中，我们有一系列的决策树（因此又名“森林”）。为了根据一个新对象的属性将其分类，每一个决策树有一个分类，称之为这个决策树“投票”给该分类。这个森林选择获得森林里（在所有树中）获得票数最多的分类。

每棵树是像这样种植养成的：
1. 如果训练集的案例数是 N，则从 N 个案例中用重置抽样法随机抽取样本。这个样本将作为“养育”树的训练集。
2. 假如有 M 个输入变量，则定义一个数字 m«M。m 表示，从 M 中随机选中 m 个变量，这 m 个变量中最好的切分会被用来切分该节点。在种植森林的过程中，m 的值保持不变。
3. 尽可能大地种植每一棵树，全程不剪枝。

#Import Library
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
 
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create Random Forest object
model= RandomForestClassifier()
 
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

降维算法

在过去的 4 到 5 年里，在每一个可能的阶段，信息捕捉都呈指数增长。公司、政府机构、研究组织在应对着新资源以外，还捕捉详尽的信息。

举个例子：电子商务公司更详细地捕捉关于顾客的资料：个人信息、网络浏览记录、他们的喜恶、购买记录、反馈以及别的许多信息，比你身边的杂货店售货员更加关注你。

作为一个数据科学家，我们提供的数据包含许多特点。这听起来给建立一个经得起考研的模型提供了很好材料，但有一个挑战：如何从 1000 或者 2000 里分辨出最重要的变量呢？在这种情况下，降维算法和别的一些算法（比如决策树、随机森林、PCA(主成分分析)、因子分析）帮助我们根据相关矩阵，缺失的值的比例和别的要素来找出这些重要变量。

#Import Library
from sklearn import decomposition
 
#Assumed you have training and test data set as train and test
# Create PCA obeject pca= decomposition.PCA(n_components=k) #default value of k =min(n_sample, n_features)
# For Factor analysis
#fa= decomposition.FactorAnalysis()
# Reduced the dimension of training dataset using PCA
train_reduced = pca.fit_transform(train)
 
#Reduced the dimension of test dataset
test_reduced = pca.transform(test)
 
#For more detail on this, please refer  this link.

Gradient Boosting 和 AdaBoost 算法

当我们要处理很多数据来做一个有高预测能力的预测时，我们会用到 GBM 和 AdaBoost 这两种 boosting 算法。boosting 算法是一种集成学习算法。它结合了建立在多个基础估计值基础上的预测结果，来增进单个估计值的可靠程度。这些 boosting 算法通常在数据科学比赛如 Kaggl、AV Hackathon、CrowdAnalytix 中很有效。

#Import Library
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier
 
#Assumed you have, X (predictor) and Y (target) for training data set and x_test(predictor) of test_dataset
# Create Gradient Boosting Classifier object
model= GradientBoostingClassifier(n_estimators=100, learning_rate=1.0, max_depth=1, random_state=0)
 
# Train the model using the training sets and check score
model.fit(X, y)
 
#Predict Output
predicted= model.predict(x_test)

我们笑着说再见，却深知再见遥遥无期。

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