ラビットチャレンジ レポート 機械学習

#1. 線形回帰モデル

回帰問題
ある入力(離散あるいは連続値)から出力(連続値)を予測する問題
・直線で予測▶線形回帰
・曲線で予測▶非線形回帰

回帰で扱うデータ
入力(各要素を説明変数または特徴量と呼ぶ)
・m次元のベクトル(m=1の場合はスカラ)
$$x=(x_1,x_2,x_3,\cdots,x_m)^T\in\mathbb{R^m}$$
出力(目的変数)
・スカラー値(目的変数)
$$y\in\mathbb{R}$$

線形回帰モデル
回帰問題を解くための機械学習モデルの一つ
教師あり学習(教師データから学習)
入力とm次元パラメータの線形結合を出力するモデル
線形回帰のモデルの推定するべき未知のパラメータ$w$は
$$w=(w_1,w_2,w_3,\cdots,w_m)^T\in\mathbb{R^m}$$
切片を$w_0$とする
予測値を $\hat{y}\in\mathbb{R}$ とすると、
$$\hat{y}=w^Tx+w_0=\sum_{k=1}^m x_k w_k+w_0$$

データへの仮定
データは回帰直線（ないし回帰曲面）に誤差が加わり観測されていると仮定

データの分割
学習用データ：機械学習モデルの学習に利用するデータ
検証用データ：学習済みモデルの精度を検証するためのデータ

なぜ分割するか
モデルの汎化性能(Generalization)を測定するため
データへの当てはまりの良さではなく、未知のデータに対してどれくらい精度が高いかを測りたい

線形回帰モデルのパラメータは最小二乗法で推定
平均二乗誤差(残差平方和)
・データとモデル出力の二乗誤差の和
・パラメータのみに依存する関数（データは既知の値でパラメータのみ未知）
$$MSE_{\rm train}=\frac{1}{n_{\rm train}}\sum_{k=1}^{n_{\rm train}}\Big(\hat{y_k}-y_k\Big)^2$$

最小二乗法
・学習データの平均二乗誤差を最小とするパラメータを探索
・学習データの平均二乗誤差の最小化は、その勾配が0になる点を求めれば良い
$w$に対して微分したものが0となる$w$の点を求める。つまり勾配が0になる点を求める。
$$\frac{\partial}{\partial w}MSE_{\rm train}=0$$

線形回帰ハンズオン

from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.linear_model import LinearRegression
import pandas as pd
import numpy as np

boston = load_boston()

print(boston.feature_names)

['CRIM' 'ZN' 'INDUS' 'CHAS' 'NOX' 'RM' 'AGE' 'DIS' 'RAD' 'TAX' 'PTRATIO'
'B' 'LSTAT']

df = pd.DataFrame(data=boston.data, columns = boston.feature_names)
df['PRICE'] = np.array(boston.target)

train_X = df.loc[:, ['RM', 'CRIM']].values
train_y = df.loc[:, 'PRICE'].values
model = LinearRegression()
model.fit(train_X, train_y)

LinearRegression(copy_X=True, fit_intercept=True, n_jobs=None, normalize=False)

print(model.coef_)
print(model.intercept_)
print(model.predict([[4, 0.3]]))

[ 8.39106825 -0.26491325]
-29.24471945192995
[4.24007956]

つまり、部屋数が4で犯罪率が0.3の物件の価格は4240ドルと予想される。

#2. 非線形回帰モデル
複雑な非線形構造を内在する現象に対して、非線形回帰モデリングを実施
・データの構造を線形で捉えられる場合は限られる
・非線形な構造を捉えられる仕組みが必要

基底展開法
・回帰関数として、基底関数と呼ばれる既知の非線形関数とパラメータベクトルの線型結合を使用
・未知パラメータは線形回帰モデルと同様に最小2乗法や最尤法により推定

基底関数の例
多項式関数
$$\phi_j(x)=x^j$$

ガウス型基底関数

$$\phi_j(x)=\exp \Bigg(\frac{(x-\mu_j)^2}{2h_j}\Bigg)$$

未学習(underfitting)と過学習(overfitting)
・学習データに対して、十分小さな誤差が得られないモデル→未学習
　　(対策)モデルの表現力が低いため、表現力の高いモデルを利用する
・小さな誤差は得られたけど、テスト集合誤差との差が大きいモデル→過学習
　　(対策1) 学習データの数を増やす
　　(対策2) 不要な基底関数(変数)を削除して表現力を抑止
　　(対策3) 正則化法を利用して表現力を抑止

正則化法(罰則化法)
「モデルの複雑さに伴って、その値が大きくなる正則化項(罰則項)を課した関数」を最小化
正則化項(罰則項)：形状によっていくつもの種類があり、それぞれ推定量の性質が異なる
正則化(平滑化)パラメータ：モデルの曲線のなめらかさを調節▶適切に決める必要あり
$$S_{\gamma}=(y-\Phi w)^T(y-\Phi w)+\gamma R(w)$$

正則化項(罰則項)
無い▶最小2乗推定量
L2ノルムを利用▶Ridge推定量
$$R(w)=\sqrt{\sum_{k=1}^m w_k^2}=\sqrt{w_1^2+w_2^2+w_3^2+\cdots +w_m^2}$$
L1ノルムを利用▶Lasso推定量
$$R(w)=\sum_{k=1}^m|w_k|=|w_1|+|w_2|+|w_3|+\cdots +|w_m|$$

正則化パラータの役割
小さく▶制約面が大きく
大きく▶制約面が小さく

ホールドアウト法
有限のデータを学習用とテスト用の2つに分割し、「予測精度」や「誤り率」を推定する為に使用。
学習用を多くすればテスト用が減り学習精度は良くなるが、性能評価の精度は悪くなる。
逆にテスト用を多くすれば学習用が減少するので、学習そのものの精度が悪くなることになる。
手元にデータが大量にある場合を除いて、良い性能評価を与えないという欠点がある。

交差検証（クロスバリデーション）
データをいくつかのブロックに分割し、1つのブロックを検証データ、他を学習データとする。
学習データでモデルを学習させ、検証データで各モデルの精度を計測する、ということを分割数だけ繰り返す。
各々で得られた精度の平均（CV値）をそれぞれ算出する。
最もCV値が小さいものを採用する。

グリッドサーチ
全てのチューニングパラメータの組み合わせで評価値を算出
最も良い評価値を持つチューニングパラメータを持つ組み合わせを、「いいモデルのパラメータ」として採用

非線形回帰ハンズオン

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
%matplotlib inline
sns.set()
sns.set_style("darkgrid", {'grid.linestyle': '--'})
sns.set_context("paper")

n=100

def true_func(x):
    z = 1-48*x+218*x**2-315*x**3+145*x**4
    return z 

def linear_func(x):
    z = x
    return z 

# 真の関数からノイズを伴うデータを生成

# 真の関数からデータ生成
data = np.random.rand(n).astype(np.float32)
data = np.sort(data)
target = true_func(data)

# 　ノイズを加える
noise = 0.5 * np.random.randn(n) 
target = target  + noise

# ノイズ付きデータを描画

plt.scatter(data, target)

plt.title('NonLinear Regression')
plt.legend(loc=2)

from sklearn.linear_model import LinearRegression

clf = LinearRegression()
data = data.reshape(-1,1)
target = target.reshape(-1,1)
clf.fit(data, target)

p_lin = clf.predict(data)

plt.scatter(data, target, label='data')
plt.plot(data, p_lin, color='darkorange', marker='', linestyle='-', linewidth=1, markersize=6, label='linear regression')
plt.legend()
print(clf.score(data, target))

0.2972077836133967

線形回帰が今回のデータにfitしていないことが分かる。

from sklearn.kernel_ridge import KernelRidge

clf = KernelRidge(alpha=0.0002, kernel='rbf')
clf.fit(data, target)

p_kridge = clf.predict(data)
print(clf.score(data, target))

plt.scatter(data, target, color='blue', label='data')

plt.plot(data, p_kridge, color='orange', linestyle='-', linewidth=3, markersize=6, label='kernel ridge')
plt.legend()

0.825000625105667

線形回帰よりも精度が上昇していることが分かる。

#. 多項式を基底関数とした非線形回帰モデル
from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
from sklearn.pipeline import Pipeline
deg = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
for d in deg:
    regr = Pipeline([
        ('poly', PolynomialFeatures(degree=d)),
        ('linear', LinearRegression())
    ])
    regr.fit(data, target)
    # make predictions
    p_poly = regr.predict(data)
    # plot regression result
    plt.scatter(data, target, label='data')
    plt.plot(data, p_poly, label='polynomial of degree %d' % (d))

#. サポートベクター回帰(SVR)モデル
from sklearn import model_selection, preprocessing, linear_model, svm

# SVR-rbf
clf_svr = svm.SVR(kernel='rbf', C=1e3, gamma=0.1, epsilon=0.1)
clf_svr.fit(data, target)
y_rbf = clf_svr.fit(data, target).predict(data)
 
# plot

plt.scatter(data, target, color='darkorange', label='data')
plt.plot(data, y_rbf, color='red', label='Support Vector Regression (RBF)')
plt.legend()
plt.show()

#. Kerasによる深層学習実装
from sklearn.model_selection import train_test_split
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(data, target, test_size=0.1, random_state=0)
from keras.callbacks import EarlyStopping, TensorBoard, ModelCheckpoint

cb_cp = ModelCheckpoint('out/checkpoints/weights.{epoch:02d}-{val_loss:.2f}.hdf5', verbose=1, save_weights_only=True)
cb_tf  = TensorBoard(log_dir='out/tensorBoard', histogram_freq=0)

def relu_reg_model():
    model = Sequential()
    model.add(Dense(10, input_dim=1, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='relu'))
    model.add(Dense(1000, activation='linear'))
#     model.add(Dense(100, activation='relu'))
#     model.add(Dense(100, activation='relu'))
#     model.add(Dense(100, activation='relu'))
#     model.add(Dense(100, activation='relu'))
    model.add(Dense(1))

    model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer='adam')
    return model

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Input, Dense, Dropout, BatchNormalization
from keras.wrappers.scikit_learn import KerasRegressor

# use data split and fit to run the model
estimator = KerasRegressor(build_fn=relu_reg_model, epochs=100, batch_size=5, verbose=1)

history = estimator.fit(x_train, y_train, callbacks=[cb_cp, cb_tf], validation_data=(x_test, y_test))
y_pred = estimator.predict(x_train)

#3. ロジスティック回帰モデル
分類問題を解くための教師あり機械学習モデル(教師データから学習)
・入力とm次元パラメータの線形結合をシグモイド関数に入力
・出力はy=1になる確率の値になる

シグモイド関数
・入力は実数・出力は必ず0~1の値
・(クラス1に分類される)確率を表現
・単調増加関数

$$\sigma(x)=\frac{1}{1+\exp(-ax)}=\frac{1}{1+e^{-ax}}$$

シグモイド関数の微分はシグモイド関数自身で表現できる。
$$\sigma^{\prime}(x)=a\sigma(x)\big(1-\sigma(x) \big)$$

シグモイド関数の出力をY=1になる確率に対応させる
$$P(Y=1|x)=\sigma(w_0+w_1x_1+w_2x_2+w_3x_3+\cdots+w_mx_m)$$

最尤推定
・元のデータである$x$、$y$を生成する尤もらしいパラメータを探す推定方法
・尤度関数を最大化させる未知のパラメータを探す
・ロジスティック回帰モデルではベルヌーイ分布を利用する

尤度関数
データを固定し、パラメータを変化させる
1回の試行で$y=y_1$となる確率
$$p(y)=p^y(1-p)^{1-y}$$

$n$回の試行で同時に、$y_1,y_2,y_3,\cdots,y_n$が起こる確率
$$P(y_1,y_2,y_3,\cdots,y_n ;p)=\prod_{i=1}^np^{y_i}(1-p)^{1-y_i} \
=\prod_{i=1}^n \Big(\sigma(w^Tx_i) \Big)^{y_i}\Big(1-\sigma(w^Tx_i)\Big)^{1-y_i} \
= L(w)$$

尤度関数を最大とするパラメータを探す(推定)
・対数をとると微分の計算が簡単
　　同時確率の積が和に変換可能
　　指数が積の演算に変換可能
・対数尤度関数が最大になる点と尤度関数が最大になる点は同じ
　　対数関数は単調増加
・「尤度関数にマイナスをかけたものを最小化」し、「最小2乗法の最小化」と合わせる

勾配降下法(Gradient descent)
反復学習によりパラメータを逐次的に更新するアプローチの一つ
対数尤度関数をパラメータで微分して0になる値を求める必要があるのだが、解析的にこの値を求めることは困難であるため、勾配降下法を用いる

モデルの評価
・正解率（Accuracy）
$$\frac{TP+TN}{TP+FN+FP+TN}$$
・再現率（Recall）
$$\frac{TP}{TP+FN}$$
・適合率（Precision）
$$\frac{TP}{TP+FP}$$
・F値(F score)
再現率（Recall）と適合率（Precision）の調和平均
$$\frac{2}{\frac{1}{Recall}+\frac{1}{Precision}}=\frac{2(Precision)(Recall)}{Recall+Precision}$$

ロジスティック回帰ハンズオン

import pandas as pd
from pandas import DataFrame
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
%matplotlib inline

titanic_df = pd.read_csv('../data/titanic_train.csv')

titanic_df.head(5)

#予測に不要と考えるカラムをドロップ (本当はここの情報もしっかり使うべきだと思っています)
titanic_df.drop(['PassengerId', 'Name', 'Ticket', 'Cabin'], axis=1, inplace=True)

#nullを含んでいる行を表示
titanic_df[titanic_df.isnull().any(1)].head(10)

#Ageカラムのnullを中央値で補完
titanic_df['AgeFill'] = titanic_df['Age'].fillna(titanic_df['Age'].mean())

#再度nullを含んでいる行を表示 (Ageのnullは補完されている)
titanic_df[titanic_df.isnull().any(1)]

#運賃だけのリストを作成
data1 = titanic_df.loc[:, ["Fare"]].values
#生死フラグのみのリストを作成
label1 =  titanic_df.loc[:,["Survived"]].values
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
model=LogisticRegression()
model.fit(data1, label1)

LogisticRegression(C=1.0, class_weight=None, dual=False, fit_intercept=True,
intercept_scaling=1, l1_ratio=None, max_iter=100,
multi_class='warn', n_jobs=None, penalty='l2',
random_state=None, solver='warn', tol=0.0001, verbose=0,
warm_start=False)

model.predict([[61]])

array([0])

model.predict_proba([[62]])

array([[0.49968899, 0.50031101]])

print (model.intercept_)
print (model.coef_)

[-0.93290045]
[[0.01506685]]

#. ロジスティック回帰の実装（2変数から生死を判別）
#. 性別をparameterとして取り込むため、女性︓female=0、男性︓male＝1とした変数を新たに作成する
titanic_df['Gender'] = titanic_df['Sex'].map({'female': 0, 'male': 1}).astype(int)

#. Pclass（乗客の社会階級）＋Gender（乗客の性別）を新たにPclass_Genderと定義する。
titanic_df['Pclass_Gender'] = titanic_df['Pclass'] + titanic_df['Gender']

titanic_df = titanic_df.drop(['Pclass', 'Sex', 'Gender','Age'], axis=1)

np.random.seed = 0

xmin, xmax = -5, 85
ymin, ymax = 0.5, 4.5

index_survived = titanic_df[titanic_df["Survived"]==0].index
index_notsurvived = titanic_df[titanic_df["Survived"]==1].index

from matplotlib.colors import ListedColormap
fig, ax = plt.subplots()
cm = plt.cm.RdBu
cm_bright = ListedColormap(['#FF0000', '#0000FF'])
sc = ax.scatter(titanic_df.loc[index_survived, 'AgeFill'],
                titanic_df.loc[index_survived, 'Pclass_Gender']+(np.random.rand(len(index_survived))-0.5)*0.1,
                color='r', label='Not Survived', alpha=0.3)
sc = ax.scatter(titanic_df.loc[index_notsurvived, 'AgeFill'],
                titanic_df.loc[index_notsurvived, 'Pclass_Gender']+(np.random.rand(len(index_notsurvived))-0.5)*0.1,
                color='b', label='Survived', alpha=0.3)
ax.set_xlabel('AgeFill')
ax.set_ylabel('Pclass_Gender')
ax.set_xlim(xmin, xmax)
ax.set_ylim(ymin, ymax)
ax.legend(bbox_to_anchor=(1.4, 1.03))

#運賃だけのリストを作成
data2 = titanic_df.loc[:, ["AgeFill", "Pclass_Gender"]].values
#生死フラグのみのリストを作成
label2 =  titanic_df.loc[:,["Survived"]].values
model2 = LogisticRegression()
model2.fit(data2, label2)

LogisticRegression(C=1.0, class_weight=None, dual=False, fit_intercept=True,
intercept_scaling=1, l1_ratio=None, max_iter=100,
multi_class='warn', n_jobs=None, penalty='l2',
random_state=None, solver='warn', tol=0.0001, verbose=0,
warm_start=False)

model2.predict([[10,1]])

array([1], dtype=int64)

model2.predict_proba([[10,1]])

array([[0.06072391, 0.93927609]])

h = 0.02
xmin, xmax = -5, 85
ymin, ymax = 0.5, 4.5
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(xmin, xmax, h), np.arange(ymin, ymax, h))
Z = model2.predict_proba(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])[:, 1]
Z = Z.reshape(xx.shape)

fig, ax = plt.subplots()
levels = np.linspace(0, 1.0)
cm = plt.cm.RdBu
cm_bright = ListedColormap(['#FF0000', '#0000FF'])
#contour = ax.contourf(xx, yy, Z, cmap=cm, levels=levels, alpha=0.5)

sc = ax.scatter(titanic_df.loc[index_survived, 'AgeFill'],
                titanic_df.loc[index_survived, 'Pclass_Gender']+(np.random.rand(len(index_survived))-0.5)*0.1,
                color='r', label='Not Survived', alpha=0.3)
sc = ax.scatter(titanic_df.loc[index_notsurvived, 'AgeFill'],
                titanic_df.loc[index_notsurvived, 'Pclass_Gender']+(np.random.rand(len(index_notsurvived))-0.5)*0.1,
                color='b', label='Survived', alpha=0.3)

ax.set_xlabel('AgeFill')
ax.set_ylabel('Pclass_Gender')
ax.set_xlim(xmin, xmax)
ax.set_ylim(ymin, ymax)
#fig.colorbar(contour)

x1 = xmin
x2 = xmax
y1 = -1*(model2.intercept_[0]+model2.coef_[0][0]*xmin)/model2.coef_[0][1]
y2 = -1*(model2.intercept_[0]+model2.coef_[0][0]*xmax)/model2.coef_[0][1]
ax.plot([x1, x2] ,[y1, y2], 'k--')

#. 混同行列とクロスバリデーション
from sklearn.model_selection import train_test_split
traindata1, testdata1, trainlabel1, testlabel1 = train_test_split(data1, label1, test_size=0.2)
traindata2, testdata2, trainlabel2, testlabel2 = train_test_split(data2, label2, test_size=0.2)
#本来は同じデータセットを分割しなければいけない。(簡易的に別々に分割している。)
data = titanic_df.loc[:, ].values
label =  titanic_df.loc[:,["Survived"]].values
traindata, testdata, trainlabel, testlabel = train_test_split(data, label, test_size=0.2)
eval_model1=LogisticRegression()
eval_model2=LogisticRegression()
predictor_eval1=eval_model1.fit(traindata1, trainlabel1).predict(testdata1)
predictor_eval2=eval_model2.fit(traindata2, trainlabel2).predict(testdata2)

eval_model1.score(traindata1, trainlabel1)

0.6558988764044944

eval_model1.score(testdata1,testlabel1)

0.6983240223463687

eval_model2.score(traindata2, trainlabel2)

0.7893258426966292

eval_model2.score(testdata2,testlabel2)

0.7206703910614525

説明変数2のモデルのほうが決定係数が高いことが分かる。

from sklearn import metrics
print(metrics.classification_report(testlabel1, predictor_eval1))
print(metrics.classification_report(testlabel2, predictor_eval2))

from sklearn.metrics import confusion_matrix
confusion_matrix1=confusion_matrix(testlabel1, predictor_eval1)
confusion_matrix2=confusion_matrix(testlabel2, predictor_eval2)
confusion_matrix1

array([[107, 10],
[ 44, 18]], dtype=int64)

confusion_matrix2

array([[92, 13],
[37, 37]], dtype=int64)

#Paired categorical plots

import seaborn as sns
sns.set(style="whitegrid")

# Load the example Titanic dataset
titanic = sns.load_dataset("titanic")

# Set up a grid to plot survival probability against several variables
g = sns.PairGrid(titanic, y_vars="survived",
                 x_vars=["class", "sex", "who", "alone"],
                 size=5, aspect=.5)

# Draw a seaborn pointplot onto each Axes
g.map(sns.pointplot, color=sns.xkcd_rgb["plum"])
g.set(ylim=(0, 1))
sns.despine(fig=g.fig, left=True)

plt.show()

#Faceted logistic regression

import seaborn as sns
sns.set(style="darkgrid")

# Load the example titanic dataset
df = sns.load_dataset("titanic")

# Make a custom palette with gendered colors
pal = dict(male="#6495ED", female="#F08080")

# Show the survival proability as a function of age and sex
g = sns.lmplot(x="age", y="survived", col="sex", hue="sex", data=df,
               palette=pal, y_jitter=.02, logistic=True)
g.set(xlim=(0, 80), ylim=(-.05, 1.05))
plt.show()

#4. 主成分分析
多変量データの持つ構造をより少数個の指標に圧縮
・変量の個数を減らすことに伴う、情報の損失はなるべく小さくしたい
・少数変数を利用した分析や可視化(2・3次元の場合)が実現可能

第1~元次元分の主成分の分散は、元のデータの分散と一致
　　2次元のデータを2次元の主成分で表示した時、固有値の和と元のデータの分散が一致
　　第k主成分の分散は主成分に対応する固有値

寄与率：第k主成分の分散の全分散に対する割合(第k主成分が持つ情報量の割合)
累積寄与率：第1-k主成分まで圧縮した際の情報損失量の割合

主成分分析ハンズオン

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.linear_model import LogisticRegressionCV
from sklearn.metrics import confusion_matrix
from sklearn.decomposition import PCA
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
cancer_df = pd.read_csv('../data/cancer.csv')

cancer_df.drop('Unnamed: 32', axis=1, inplace=True)
cancer_df

# 目的変数の抽出
y = cancer_df.diagnosis.apply(lambda d: 1 if d == 'M' else 0)
# 説明変数の抽出
X = cancer_df.loc[:, 'radius_mean':]

# 学習用とテスト用でデータを分離
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)

# 標準化
scaler = StandardScaler()
X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
X_test_scaled = scaler.transform(X_test)

# ロジスティック回帰で学習
logistic = LogisticRegressionCV(cv=10, random_state=0)
logistic.fit(X_train_scaled, y_train)

# 検証
print('Train score: {:.3f}'.format(logistic.score(X_train_scaled, y_train)))
print('Test score: {:.3f}'.format(logistic.score(X_test_scaled, y_test)))
print('Confustion matrix:\n{}'.format(confusion_matrix(y_true=y_test, y_pred=logistic.predict(X_test_scaled))))

Train score: 0.988
Test score: 0.972
Confustion matrix:
[[89 1]
[ 3 50]]

検証スコア97%で分類できることが確認された。

pca = PCA(n_components=30)
pca.fit(X_train_scaled)
plt.bar([n for n in range(1, len(pca.explained_variance_ratio_)+1)], pca.explained_variance_ratio_)

# PCA
# 次元数2まで圧縮
pca = PCA(n_components=2)
X_train_pca = pca.fit_transform(X_train_scaled)
print('X_train_pca shape: {}'.format(X_train_pca.shape))
# X_train_pca shape: (426, 2)

# 寄与率
print('explained variance ratio: {}'.format(pca.explained_variance_ratio_))
# explained variance ratio: [ 0.43315126  0.19586506]

# 散布図にプロット
temp = pd.DataFrame(X_train_pca)
temp['Outcome'] = y_train.values
b = temp[temp['Outcome'] == 0]
m = temp[temp['Outcome'] == 1]
plt.scatter(x=b[0], y=b[1], marker='o') # 良性は○でマーク
plt.scatter(x=m[0], y=m[1], marker='^') # 悪性は△でマーク
plt.xlabel('PC 1') # 第1主成分をx軸
plt.ylabel('PC 2') # 第2主成分をy軸

X_train_pca shape: (426, 2)
explained variance ratio: [0.43315126 0.19586506]

2次元でのプロット結果より、2次元データでも良悪性の判別がある程度可能であることが示唆される。
また、第1成分の寄与率が0.433、第2成分の寄与率が0.195である。

#5. k近傍法
分類問題のための機械学習手法
最近傍のデータをk個取り、それらが最も多く属するクラスに識別する。
kを変化させると結果も変わる。
kを大きくすると決定境界は滑らかになる。

k近傍法ハンズオン

%matplotlib inline
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import stats

# 訓練データ生成
def gen_data():
    x0 = np.random.normal(size=50).reshape(-1, 2) - 1
    x1 = np.random.normal(size=50).reshape(-1, 2) + 1.
    x_train = np.concatenate([x0, x1])
    y_train = np.concatenate([np.zeros(25), np.ones(25)]).astype(np.int)
    return x_train, y_train

X_train, ys_train = gen_data()
plt.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=ys_train)

# 予測
def distance(x1, x2):
    return np.sum((x1 - x2)**2, axis=1)

def knc_predict(n_neighbors, x_train, y_train, X_test):
    y_pred = np.empty(len(X_test), dtype=y_train.dtype)
    for i, x in enumerate(X_test):
        distances = distance(x, X_train)
        nearest_index = distances.argsort()[:n_neighbors]
        mode, _ = stats.mode(y_train[nearest_index])
        y_pred[i] = mode
    return y_pred

def plt_resut(x_train, y_train, y_pred):
    xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-5, 5, 100), np.linspace(-5, 5, 100))
    xx = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T
    plt.scatter(x_train[:, 0], x_train[:, 1], c=y_train)
    plt.contourf(xx0, xx1, y_pred.reshape(100, 100).astype(dtype=np.float), alpha=0.2, levels=np.linspace(0, 1, 3))

n_neighbors = 3

xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-5, 5, 100), np.linspace(-5, 5, 100))
X_test = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T

y_pred = knc_predict(n_neighbors, X_train, ys_train, X_test)
plt_resut(X_train, ys_train, y_pred)

# numpyによる実装
xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-5, 5, 100), np.linspace(-5, 5, 100))
xx = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
knc = KNeighborsClassifier(n_neighbors=n_neighbors).fit(X_train, ys_train)
plt_resut(X_train, ys_train, knc.predict(xx))

#6. k-平均法（k-means）
・教師なし学習
・クラスタリング手法
・与えられたデータをk個のクラスタに分類する

k平均法(k-means)のアルゴリズム

1. 各クラスタ中心の初期値を設定する
2. 各データ点に対して、各クラスタ中心との距離を計算し、最も距離が近いクラスタを割り当てる
3. 各クラスタの平均ベクトル（中心）を計算する
4. 収束するまで2, 3の処理を繰り返す

中心の初期値を変えるとクラスタリング結果も変わりうる
kの値を変えるとクラスタリング結果も変わる

%matplotlib inline
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# データ生成
def gen_data():
    x1 = np.random.normal(size=(100, 2)) + np.array([-5, -5])
    x2 = np.random.normal(size=(100, 2)) + np.array([5, -5])
    x3 = np.random.normal(size=(100, 2)) + np.array([0, 5])
    return np.vstack((x1, x2, x3))

#データ作成
X_train = gen_data()
#データ描画
plt.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1])

def distance(x1, x2):
    return np.sum((x1 - x2)**2, axis=1)

n_clusters = 3
iter_max = 100

# 各クラスタ中心をランダムに初期化
centers = X_train[np.random.choice(len(X_train), n_clusters, replace=False)]

for _ in range(iter_max):
    prev_centers = np.copy(centers)
    D = np.zeros((len(X_train), n_clusters))
    # 各データ点に対して、各クラスタ中心との距離を計算
    for i, x in enumerate(X_train):
        D[i] = distance(x, centers)
    # 各データ点に、最も距離が近いクラスタを割り当
    cluster_index = np.argmin(D, axis=1)
    # 各クラスタの中心を計算
    for k in range(n_clusters):
        index_k = cluster_index == k
        centers[k] = np.mean(X_train[index_k], axis=0)
    # 収束判定
    if np.allclose(prev_centers, centers):
        break

def plt_result(X_train, centers, xx):
    #　データを可視化
    plt.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=y_pred, cmap='spring')
    # 中心を可視化
    plt.scatter(centers[:, 0], centers[:, 1], s=200, marker='X', lw=2, c='black', edgecolor="white")
    # 領域の可視化
    pred = np.empty(len(xx), dtype=int)
    for i, x in enumerate(xx):
        d = distance(x, centers)
        pred[i] = np.argmin(d)
    plt.contourf(xx0, xx1, pred.reshape(100, 100), alpha=0.2, cmap='spring')

y_pred = np.empty(len(X_train), dtype=int)
for i, x in enumerate(X_train):
    d = distance(x, centers)
    y_pred[i] = np.argmin(d)

xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-10, 10, 100), np.linspace(-10, 10, 100))
xx = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T

plt_result(X_train, centers, xx)

# numpy実装
from sklearn.cluster import KMeans
kmeans = KMeans(n_clusters=3, random_state=0).fit(X_train)

print("labels: {}".format(kmeans.labels_))
print("cluster_centers: {}".format(kmeans.cluster_centers_))
kmeans.cluster_centers_

plt_result(X_train, kmeans.cluster_centers_, xx)

#6. サポートベクターマシーン（SVM）

2クラス分類のための機械学習手法
線形モデルの正負で2値分類を行う

各点と決定境界との距離は、点と直線との距離の公式から

$$\frac{| w^{\rm T}x_i+b| }{ | | x | |}=\frac{t_i( w^{\rm T}x_i+b) }{ | | x | |}$$

$w$：パラメータ、$x$：説明変数、$b$：切片、$t_i$：分類

マージンとは決定境界と最も距離の近いデータ点との距離をいい
$$\min_{i}\frac{t_i( w^{\rm T}x_i+b) }{ | | w | |}$$

サポートベクターマシーンは、マージンを最大化することを目標なので目的関数は

$$\max_{w,b}\bigg(\min_{i}\frac{t_i( w^{\rm T}x_i+b) }{ | | w | |}\bigg)$$

マージン上の点において、$t_i( w^{\rm T}x_i+b)=1$ が成り立つため、すべての点に対して、$t_i( w^{\rm T}x_i+b)\geqq 1$が成り立ち、目的関数は以下のようになる。
$$\max_{w.b}=\frac{1}{| | w | |}$$

主問題の目的関数と制約条件
目的関数
$$\min_{w.b}\frac12 | | w | |$$
制約条件
$$t_i( w^{\rm T}x_i+b)\geqq 1\qquad (i=1,2,3,\cdots,n)$$
この最適化問題をラグランジュ未定乗数法で解く

$$L(w,b,a)=\frac{1}{2}| | w | |^2 -\sum_{i=1}^n a_i \Big(t_i( w^{\rm T}x_i+b)-1\Big) $$
Lagrange乗数：$a_i\geqq 0\quad (i=1,2,3,\cdots,n)$
$$\frac{\partial L}{\partial w}=w-\sum_{i=1}^na_it_ix_i=0$$
$$\frac{\partial L}{\partial b}=-\sum_{i=1} a_it_i=0$$

式変形すると

$$w=\sum_{i=1}^na_it_ix_i$$
$$\sum_{i=1} a_it_i=0$$

サポートベクターマシーン（SVM）のハンズオン

%matplotlib inline
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 訓練データ生成
def gen_data():
    x0 = np.random.normal(size=50).reshape(-1, 2) - 2.
    x1 = np.random.normal(size=50).reshape(-1, 2) + 2.
    X_train = np.concatenate([x0, x1])
    ys_train = np.concatenate([np.zeros(25), np.ones(25)]).astype(np.int)
    return X_train, ys_train

X_train, ys_train = gen_data()
plt.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=ys_train)

t = np.where(ys_train == 1.0, 1.0, -1.0)

n_samples = len(X_train)
# 線形カーネル
K = X_train.dot(X_train.T)

eta1 = 0.01
eta2 = 0.001
n_iter = 500

H = np.outer(t, t) * K

a = np.ones(n_samples)
for _ in range(n_iter):
    grad = 1 - H.dot(a)
    a += eta1 * grad
    a -= eta2 * a.dot(t) * t
    a = np.where(a > 0, a, 0)

index = a > 1e-6
support_vectors = X_train[index]
support_vector_t = t[index]
support_vector_a = a[index]

term2 = K[index][:, index].dot(support_vector_a * support_vector_t)
b = (support_vector_t - term2).mean()

xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-5, 5, 100), np.linspace(-5, 5, 100))
xx = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T

X_test = xx
y_project = np.ones(len(X_test)) * b
for i in range(len(X_test)):
    for a, sv_t, sv in zip(support_vector_a, support_vector_t, support_vectors):
        y_project[i] += a * sv_t * sv.dot(X_test[i])
y_pred = np.sign(y_project)

# 訓練データを可視化
plt.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=ys_train)
# サポートベクトルを可視化
plt.scatter(support_vectors[:, 0], support_vectors[:, 1],
                    s=100, facecolors='none', edgecolors='k')
# 領域を可視化
#plt.contourf(xx0, xx1, y_pred.reshape(100, 100), alpha=0.2, levels=np.linspace(0, 1, 3))
# マージンと決定境界を可視化
plt.contour(xx0, xx1, y_project.reshape(100, 100), colors='k',
                     levels=[-1, 0, 1], alpha=0.5, linestyles=['--', '-', '--'])


# マージンと決定境界を可視化
plt.quiver(0, 0, 0.1, 0.35, width=0.01, scale=1, color='pink')

# 訓練データ生成（線形分離不可能）
factor = .2
n_samples = 50
linspace = np.linspace(0, 2 * np.pi, n_samples // 2 + 1)[:-1]
outer_circ_x = np.cos(linspace)
outer_circ_y = np.sin(linspace)
inner_circ_x = outer_circ_x * factor
inner_circ_y = outer_circ_y * factor

X = np.vstack((np.append(outer_circ_x, inner_circ_x),
               np.append(outer_circ_y, inner_circ_y))).T
y = np.hstack([np.zeros(n_samples // 2, dtype=np.intp),
               np.ones(n_samples // 2, dtype=np.intp)])
X += np.random.normal(scale=0.15, size=X.shape)
x_train = X
y_train = y

plt.scatter(x_train[:,0], x_train[:,1], c=y_train)

元のデータ空間では線形分離は出来ないが、特徴空間上で線形分離することを考える。
今回はカーネルとしてRBFカーネル（ガウシアンカーネル）を利用する。

def rbf(u, v):
        sigma = 0.8
        return np.exp(-0.5 * ((u - v)**2).sum() / sigma**2)
    
X_train = x_train
t = np.where(y_train == 1.0, 1.0, -1.0)

n_samples = len(X_train)
# RBFカーネル
K = np.zeros((n_samples, n_samples))
for i in range(n_samples):
    for j in range(n_samples):
        K[i, j] = rbf(X_train[i], X_train[j])

eta1 = 0.01
eta2 = 0.001
n_iter = 5000

H = np.outer(t, t) * K

a = np.ones(n_samples)
for _ in range(n_iter):
    grad = 1 - H.dot(a)
    a += eta1 * grad
    a -= eta2 * a.dot(t) * t
    a = np.where(a > 0, a, 0)

index = a > 1e-6
support_vectors = X_train[index]
support_vector_t = t[index]
support_vector_a = a[index]

term2 = K[index][:, index].dot(support_vector_a * support_vector_t)
b = (support_vector_t - term2).mean()

xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-1.5, 1.5, 100), np.linspace(-1.5, 1.5, 100))
xx = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T

X_test = xx
y_project = np.ones(len(X_test)) * b
for i in range(len(X_test)):
    for a, sv_t, sv in zip(support_vector_a, support_vector_t, support_vectors):
        y_project[i] += a * sv_t * rbf(X_test[i], sv)
y_pred = np.sign(y_project)

# 訓練データを可視化
plt.scatter(x_train[:, 0], x_train[:, 1], c=y_train)
# サポートベクトルを可視化
plt.scatter(support_vectors[:, 0], support_vectors[:, 1],
                    s=100, facecolors='none', edgecolors='k')
# 領域を可視化
plt.contourf(xx0, xx1, y_pred.reshape(100, 100), alpha=0.2, levels=np.linspace(0, 1, 3))
# マージンと決定境界を可視化
plt.contour(xx0, xx1, y_project.reshape(100, 100), colors='k',
                     levels=[-1, 0, 1], alpha=0.5, linestyles=['--', '-', '--'])

# 訓練データ生成（重なりあり）
x0 = np.random.normal(size=50).reshape(-1, 2) - 1.
x1 = np.random.normal(size=50).reshape(-1, 2) + 1.
x_train = np.concatenate([x0, x1])
y_train = np.concatenate([np.zeros(25), np.ones(25)]).astype(np.int)
plt.scatter(x_train[:, 0], x_train[:, 1], c=y_train)

X_train = x_train
t = np.where(y_train == 1.0, 1.0, -1.0)

n_samples = len(X_train)
# 線形カーネル
K = X_train.dot(X_train.T)

C = 1
eta1 = 0.01
eta2 = 0.001
n_iter = 1000

H = np.outer(t, t) * K

a = np.ones(n_samples)
for _ in range(n_iter):
    grad = 1 - H.dot(a)
    a += eta1 * grad
    a -= eta2 * a.dot(t) * t
    a = np.clip(a, 0, C)

index = a > 1e-8
support_vectors = X_train[index]
support_vector_t = t[index]
support_vector_a = a[index]

term2 = K[index][:, index].dot(support_vector_a * support_vector_t)
b = (support_vector_t - term2).mean()

xx0, xx1 = np.meshgrid(np.linspace(-4, 4, 100), np.linspace(-4, 4, 100))
xx = np.array([xx0, xx1]).reshape(2, -1).T

X_test = xx
y_project = np.ones(len(X_test)) * b
for i in range(len(X_test)):
    for a, sv_t, sv in zip(support_vector_a, support_vector_t, support_vectors):
        y_project[i] += a * sv_t * sv.dot(X_test[i])
y_pred = np.sign(y_project)

# 訓練データを可視化
plt.scatter(x_train[:, 0], x_train[:, 1], c=y_train)
# サポートベクトルを可視化
plt.scatter(support_vectors[:, 0], support_vectors[:, 1],
                    s=100, facecolors='none', edgecolors='k')
# 領域を可視化
plt.contourf(xx0, xx1, y_pred.reshape(100, 100), alpha=0.2, levels=np.linspace(0, 1, 3))
# マージンと決定境界を可視化
plt.contour(xx0, xx1, y_project.reshape(100, 100), colors='k',
                     levels=[-1, 0, 1], alpha=0.5, linestyles=['--', '-', '--'])