投稿者: Yutaro

今回もscikit-learn 0.22.0 の新機能を試します。
今回はROC曲線を書いてくれる、plot_roc_curveです。
ドキュメント: sklearn.metrics.plot_roc_curve

元々、 roc_curve という機能はあったのですが、これを可視化するのは少しだけ面倒だったので結構期待していました。

ただ、試してみたところ、plot_roc_curveは2値分類のモデルにしか対応していないようです。
roc_curveは引数のpos_labelに対象のラベルを指定してあげれば多値分類にも対応しているので、今後に期待します。

ということで、2値分類のダミーデータを作成して、試してみます。
綺麗に分類できる問題だとROC曲線の価値がよくわからないので線形分離不可能な問題にしています。
最後にグラフを二つ出力していますが、左のが、生成したテストデータとモデルの決定境界、右側が、ROC曲線です。

from sklearn.metrics import plot_roc_curve
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 綺麗に線形分類することのできないダミーデータの生成。
X0 = np.clip(2 * np.random.randn(500, 2) + np.array([1, 1]), -7, 7)
X1 = np.clip(2 * np.random.randn(500, 2) + np.array([-1, -1]), -7, 7)
X = np.concatenate([X0, X1])
y = np.array([0]*500 + [1]*500)

# 学習データとテストデータに分ける
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
                                    X,
                                    y,
                                    test_size=0.2,
                                    stratify=y,
                                )
# モデルの作成と学習
clf = LogisticRegression()
clf.fit(X_train, y_train)

# ここから可視化
fig = plt.figure(figsize=(12, 6), facecolor="w")
ax = fig.add_subplot(1, 2, 1, aspect='equal', xlim=(-7, 7), ylim=(-7, 7))
ax.set_title("テストデータと決定境界")

# データを散布図で表示する
ax.scatter(X_test[y_test == 0, 0], X_test[y_test == 0, 1], alpha=0.7)
ax.scatter(X_test[y_test == 1, 0], X_test[y_test == 1, 1], alpha=0.7)

# 決定境界を可視化する
X_mesh, Y_mesh = np.meshgrid(np.linspace(-7, 7, 401), np.linspace(-7, 7, 401))
Z_mesh = clf.predict(np.array([X_mesh.ravel(), Y_mesh.ravel()]).T)
Z_mesh = Z_mesh.reshape(X_mesh.shape)
ax.contourf(X_mesh, Y_mesh, Z_mesh, alpha=0.1)

ax = fig.add_subplot(1, 2, 2, aspect='equal', xlim=(0, 1), ylim=(0, 1))
ax.set_title("ROC曲線",)
plot_roc_curve(clf, X_test, y_test, ax=ax)

plt.show()

出力された図がこちら。

コード全体が長いのでわかりにくくて恐縮ですが、 ROC曲線自体は1行で出力できており、非常に手軽です。
また、AUCも同時に出力してくれています。

前回に引き続き、scikit-learn 0.22.0 の新機能の紹介です。

複数の機械学習モデルを組み合わせて使う方法の一つに、スタッキング(Stacking)があります。
簡単に言えば、いつくかの機械学習のモデルの予測結果を特徴量として、別のモデルが最終的な予測を行うものです。
アイデアは単純で、効果もあるらしいのですが、これをscikit-learnでやろうとすると、少し面倒だったので僕はあまり使ってきませんでした。

それが、 StackingClassifier と StackingRegressor という 二つの機能がscikit-learnに実装され、
手軽にできそうな期待が出てきたので、試してみました。
とりあえず、 StackingClassifier (分類)の方をやってみます。

サンプルのコードを参考しながら、 iris を digitsに変えてやってみました。
ランダムフォレストと、線形SVMの出力を特徴量にして、ロジスティック回帰で予測しています。

from sklearn.datasets import load_digits
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.svm import LinearSVC
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from sklearn.ensemble import StackingClassifier

# データの準備
X, y = load_digits(return_X_y=True)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
        X,
        y,
        stratify=y,
        random_state=42,
    )


# 1段目として、二つのモデルを構築。
# 初期値の max_iter では収束しなかったので大きめの値を設定
estimators = [
        ('rf', RandomForestClassifier(n_estimators=10, random_state=42)),
        ('svr', make_pipeline(
                StandardScaler(),
                LinearSVC(max_iter=4000, random_state=42)
                )
            )
        ]
clf = StackingClassifier(
    estimators=estimators,
    final_estimator=LogisticRegression(max_iter=600),
)
clf.fit(X_train, y_train)
print("正解率:", clf.score(X_test, y_test))
# 正解率: 0.96

そこそこの正解率が出ましたね。
ちなみに、同じパラメータのランダムフォレストと線形SVM、の単体の正解率は次のようになります。

make_pipeline(
            StandardScaler(),
            LinearSVC(max_iter=4000, random_state=42)
        ).fit(X_train, y_train).score(X_test, y_test)

# 0.9511111111111111

RandomForestClassifier(
    n_estimators=10,
    random_state=42
).fit(X_train, y_train).score(X_test, y_test)

# 0.9333333333333333

確かにスタッキングしたモデルの方が正解率が高くなっていました。

先日、scikit-learnの新しいバージョンがリリースされていたことに気づきました。
Version 0.22.0 December 3 2019

色々、機能が追加されていたり、改善が施されていたりしますが、何かパッと試せるものを試してみようと眺めてみたのですが、
新機能の中に metrics.plot_confusion_matrix というのが目についたのでこれをやってみることにしました。

元々、 confusion_matrix を計算する関数はあるのですが、
出力がそっけないarray で、自分でlabelを設定したりしていたのでこれは便利そうです。

まず、元々存在する confusion_matrix で混同行列を出力してみます。

from sklearn.svm import SVC
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import confusion_matrix

# データの読み込み
iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target
class_names = iris.target_names

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
                                        X,
                                        y,
                                        test_size=0.2,
                                        random_state=0,
                                        stratify=y,
                                    )

# モデルの作成と学習
classifier = SVC(kernel='linear', C=0.01).fit(X_train, y_train)
y_pred = classifier.predict(X_test)
print(confusion_matrix(y_test, y_pred))

"""
[[10  0  0]
 [ 0 10  0]
 [ 0  3  7]]
"""

最後の行列が出力された混同行列です。各行が正解のラベル、各列が予測したラベルに対応し、
例えば一番下の行の中央の3は、正解ラベルが2なのに、1と予測してしまったデータが3件あることを意味します。
(とても便利なのですが、行と列のどちらがどっちだったのかすぐ忘れるのが嫌でした。)

さて、次に　sklearn.metrics.plot_confusion_matrix を使ってみます。
どうやら、confusion_matrixのように、正解ラベルと予測ラベルを渡すのではなく、
モデルと、データと、正解ラベルを引数に渡すようです。
こちらにサンプルコードもあるので、参考にしながらやってみます。
normalizeに4種類の設定を渡せるのでそれぞれ試しました。

データとモデルは上のコードのものをそのまま使います。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import plot_confusion_matrix

# 表示桁数の設定
np.set_printoptions(precision=2)

# 可視化時のタイトルと、正規化の指定
titles_options = [
        ("Confusion matrix, without normalization", None),
        ("Normalized confusion matrix: true", 'true'),
        ("Normalized confusion matrix: pred", 'pred'),
        ("Normalized confusion matrix: all", 'all'),
    ]

fig = plt.figure(figsize=(10, 10), facecolor="w")
fig.subplots_adjust(hspace=0.2, wspace=0.4)
i = 0
for title, normalize in titles_options:
    i += 1
    ax = fig.add_subplot(2, 2, i)
    disp = plot_confusion_matrix(
                        classifier,
                        X_test,
                        y_test,
                        display_labels=class_names,
                        cmap=plt.cm.Blues,
                        normalize=normalize,
                        ax=ax,
                    )

    # 画像にタイトルを表示する。
    disp.ax_.set_title(title)

    print(title)
    print(disp.confusion_matrix)
plt.show()

"""
Confusion matrix, without normalization
[[10  0  0]
 [ 0 10  0]
 [ 0  3  7]]
Normalized confusion matrix: true
[[1.  0.  0. ]
 [0.  1.  0. ]
 [0.  0.3 0.7]]
Normalized confusion matrix: pred
[[1.   0.   0.  ]
 [0.   0.77 0.  ]
 [0.   0.23 1.  ]]
Normalized confusion matrix: all
[[0.33 0.   0.  ]
 [0.   0.33 0.  ]
 [0.   0.1  0.23]]
"""

最後に表示された画像がこちら。

今回例なので4つ並べましたが、一つだけ表示する方が カラーバーの割合がいい感じにフィットします。
軸に True label、 Predicated label の表記を自動的につけてくれるのありがたいです。

kerasではあらかじめ様々な活性化関数が用意されています。
正直普段使ってないものもあるのですが、どのようなもがあるのか一通り把握しておきたかったので可視化を試みました。
原論文か何か読んで数式を順番に実装しようかと思ったのですが、
Activationレイヤーだけから構成される超単純なモデルを作るのが手軽だと気付いたのでやってみました。

今回はこちらのページにある、 利用可能な活性化関数 を対象にしました。
(この他にもより高度な活性化関数はいくつか用意されています。)

コードは次のようになります。

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Activation
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(-5, 5, 101).reshape(-1, 1)

# 絶対値の範囲が 有限なもの
activations_0 = [
    "sigmoid",
    "tanh",
    "hard_sigmoid",
    "softsign",
    ]

# 絶対値の範囲に上限がないもの
activations_1 = [
    "elu",
    "selu",
    "softplus",
    "relu",
    "linear",
]

fig = plt.figure(figsize=(10, 8))
for i, activations in enumerate([activations_0, activations_1]):
    ax = fig.add_subplot(2, 1,  i+1)
    for activation_str in activations:
        model = Sequential()
        model.add(
            Activation(
                activation_str,
                input_shape=(1, ),
            )
        )
        y = model.predict(x).ravel()
        ax.plot(x, y, label=activation_str)

    ax.legend()

plt.show()

出力結果はこちら。