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机器学习
一、机器学习
1.定义
让计算机在数据中学习规律并根据得到的规律对未来进行预测。
2.发展史
19世纪50年代：图灵测试提出、塞缪尔开发的西洋跳棋程序，标志着机器学习正式进入发展期
19世纪80年代：神经网络反向传播（BP）算法训练的多参数线性规划（MLP），复兴时代
19世纪90年代：决策树（ID3）算法，支持向量机（SVM），由知识驱动转变为数据驱动
21世纪初：Hinton提出深度学习（Deep Learning），蓬勃发展时期
2012年：算力提升和海量训练样本的支持，深度学习成为机器学习研究热点
3.分类
按学习模式不同：
监督学习：给结果去学习模型，然后对给定的新数据利用模型去进行预测。主要用于回归和分类。
半监督学习：利用少量标注数据和大量无标注数据进行学习，侧重于在有监督的分类算法中加入无标记样本来实现半监督分类。
无监督学习：没有结果，给数据找出规律。主要用于关联分析、聚类和降维。对抗神经网络。
强化学习：类似于监督学习，但未使用样本数据进行训练，通过不断试错进行学习的模式。两个可交互对象：智能体和环境，四个核心要素：策略、回报函数（收益信号）、价值函数、环境模型（可选）。常用于机器人避障、棋牌类游戏、广告和推荐等应用场景。
4.机器学习项目开发步骤
1.收集数据
2.准备数据
3.训练模型
4.评估模型
5.提高性能
二、scikit-learn工具
1.安装
windows+r输入cmd，进入命令提示符
激活conda：conda activate
创建sklearn虚拟环境：conda create -n sklearn python=3.9
激活sklearn环境：activate sklearn
pip install --index https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/ numpy
pip install --index https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple/ scipy
pip install --index Verifying - USTC Mirrors matplotlib
pip install --index Verifying - USTC Mirrors pandas
pip install --index Verifying - USTC Mirrors scikit-learn
参考以下安装教程：https://www.sklearncn.cn/62/
安装报错参考：pip 安装 scikit-learn失败解决教程_failed to build scikit-learn-CSDN博客
pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple scikit-learn
VScode安装
环境选择-测试是否可以正常使用
2.scikit-learn包含内容
分类
回归
聚类
降低维度
模型选择
特征预处理
三、数据集
1.sklearn玩具数据集
数据在sklearn库的本地，数据量小
| 函数 | 返回 |
|---|---|
| load_boston(*[,return_X_y]) | 加载并返回波士顿房价数据集（回归） |
| load_iris(*[,return_X_y，as_frame]) | 加载并返回鸢尾花数据集（分类） |
| load_diabetes(*[,return_X_y,as_frame]) | 加载并返回糖尿病数据集（回归） |
| load_digits(*[,n_class,return_X_y，as_frame]) | 加载并返回数字数据集（分类） |
| load_linnerud(*[,return_X_y,as_frame]) | 加载并返回linnerud物理锻炼数据集 |
| load_wine(*[,return_X_y，as_frame]) | 加载并返回葡萄酒数据集（分类） |
| load_breast_cancer(*[,return_X_y，as_frame]) | 加载并返回威斯康星州乳腺癌数据集（分类） |
2.sklearn现实世界数据集
通过网络获取，数据量大
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| fetch_olivetti_faces(*[,data_home,...]) | 从AT＆T（分类）中加载Olivetti人脸数据集 |
| fetch_20newsgroups(*[,data_home,subset,...]) | 从20个新闻组数据集中加载文件名和数据（分类） |
| fetch_20newsgroups_vectorized(*[,subset,...]) | 加载20个新闻组数据集并将其矢量化为令牌计数（分类） |
| fetch_lfw_people(*[,data_home,funneled...]) | 将标签的面孔加载到Wild（LFW）人数据集中（分类） |
| fetch_lfw_pairs(*[,subset,data_home,...]) | 在“Wild（LFW）”对数据集中加载标签的面部（分类） |
| fetch_covtype(*[,data_home,...]) | 加载covertype（植被型数据集）数据集（分类） |
| fetch_rcv1(*[,data_home,subset,...]) | 加载RCV1多标签数据集（分类） |
| fetch_kddcup99(*[,subset,data_home,...]) | 加载kddcup99（网络入侵检测）数据集（分类） |
| fetch_california_housing(*[,data_home,...]) | 加载加利福尼亚住房数据集（回归） |
3.sklearn加载玩具数据集
eg1：加载鸢尾花数据
from sklearn.datasets import load_iris#加载玩具数据(鸢尾花数据集) iris = load_iris() print(iris.data)#数据(特征数据) print(iris.data.shape) print(iris.feature_names)#特征名称 print(iris.target)#标签(目标) print(iris.target.shape) print(iris.target_names)#目标描述 print(iris.filename) #iris.csv 保存后的文件名 print(iris.DESCR)#数据集的描述
特征有:
花萼长 sepal length
花萼宽sepal width
花瓣长 petal length
花瓣宽 petal width
三分类：
0-Setosa山鸢尾
1-Versicolour变色鸢尾
2-Virginica维吉尼亚鸢尾
用pandas把特征和目标一起显示出来：
from sklearn.datasets import load_iris
import pandas as pd
import numpy as np
def loadiris1():iris = load_iris()#加载鸢尾花数据(去本地加载了一个csv文件)# print(iris.data)#特征数据# print(iris.feature_names)# print(iris.target)# print(iris.target_names)# print(iris.DESCR)# print(iris.filename)# print("data什么类型的数据",type(iris.data),iris.data.dtype)# print("target什么类型的数据",type(iris.target),iris.target.dtype)x = iris.data# print(x.shape,x.dtype)y = iris.target.reshape(x.shape[0],1).astype(np.float64)#把一维数组转化为2维数组(待会可以和x堆叠) 再把保存的数据的类型转化为跟x一样data=np.hstack([x,y])# print(data,data.shape)# print(data[80][4])# print(iris.target_names[int(data[80][4])])# print(iris.feature_names.append("target"))iris.feature_names.append("target")dataf=pd.DataFrame(data=data,columns=iris.feature_names)print(dataf)
loadiris1()
4.sklearn获取现实世界数据集
1.联网下载后，保存到home目录
from sklearn import datasets datasets.get_data_home() #查看数据集默认存放的位置
eg2.获取20分类新闻数据
sklearn.datasets.fetch_20newsgroups(data_home,subset)
data_home：
subset:train：只下载训练集；test：只下载测试集；all：训练集和测试集
return_X_y：决定返回值的情况，False：默认
当参数return_X_y值为False时， 函数返回Bunch对象,Bunch对象中有以下属性 *data:特征数据集, 长度为18846的列表list, 每一个元素就是一篇新闻内容， 共有18846篇 *target:目标数据集，长度为18846的数组ndarray, 第一个元素是一个整数，整数值为[0,20) *target_names:目标描述，长度为20的list *filenames：长度为18846的ndarray, 元素为字符串,代表新闻的数据位置的路径 当参数return_X_y值为True时，函数返回值为元组，元组长度为2， 第一个元素值为特征数据集，第二个元素值为目标数据集
from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups data=fetch_20newsgroups(data_home="./src",subset="test") print(data.data[1]) print(data.target_names)
5.加载本地自己的数据集
1.csv文件
①：txt，数据之间用英文逗号隔开，保存后缀名改为csv
②：excel，填写数据，以csv后缀保存文件
2.pandas加载csv
pd.read_csv("./src/ss.csv")
数据为DataFrame形式
import pandas as pd
# 作业("" "./" "../" "/" 是什么意思 而且举例说明)
#. (点) 表示当前目录，从当前工作目录开始的相对路径
#.. (两个点) 表示上一级目录，引用位于当前目录父目录中的文件
#/路径分隔符，用于分隔目录名和文件名
data=pd.read_csv('src/ss.csv')
print(data)
import pandas as pd
data=pd.read_excel("src/ss.xlsx")
print(data)
6.数据集的划分
1.函数
sklearn.model_selection.train_test_split(*arrays，**options)
*array ：用于接收1到多个"列表、numpy数组、稀疏矩阵或padas中的DataFrame"。
**options， 重要的关键字参数有： test_size 值为0.0到1.0的小数，表示划分后测试集占的比例 random_state 值为任意整数，表示随机种子，使用相同的随机种子对相同的数据集多次划分结果是相同的。否则多半不同 shuffle：布尔值。默认为True，在分割之前是否对数据进行洗牌 stratify：分层划分，默认是y，按照 y 中类别的比例进行分层抽样，确保训练集和测试集中各类别样本的比例相同。 返回值说明：返回值为列表list, 列表长度与形参array接收到的参数数量相关联, 形参array接收到的是什么类型，list中对应被划分出来的两部分就是什么类型
2.示例
复习：
arr2=[100,200]
x,y=arr2
print(x,y)
def m(*a, **b):print(a) #('hello', 123)print(b) #{'name': '小王', 'age': 30, 'sex': '男'} m("hello", 123, name="小王", age=30, sex="男")
def m2(a,b,c):pass
dic={"a":123,"b":12,"c":123}
print(dic) #{'a': 123, 'b': 12, 'c': 123}
#m2(**dic)相当于m2(a=dic["a"],b=dic["b"],c=dic["c"])
①.列表数据集划分
from sklearn.model_selection import train_test_split data1 = [1, 2, 3, 4, 5] data2 = ["1a", "2a","3a", "4a", "5a"] a, b = train_test_split(data1, test_size=0.4, random_state=22) print(a, b) #[4, 1, 5] [2, 3] a, b = train_test_split(data2, test_size=0.4, random_state=22) print(a, b) #['4a', '1a', '5a'] ['2a', '3a'] a, b, c, d = train_test_split(data1, data2, test_size=0.4, random_state=22) print(a,b,c,d) #['4a', '1a', '5a'] ['2a', '3a']
②.ndarray数据集划分
划分前和划分后的数据类型是相同的
from sklearn.model_selection import train_test_split import numpy as np data1 = [1, 2, 3, 4, 5] data2 = np.array(["1a", "2a","3a", "4a", "5a"]) a, b, c, d = train_test_split(data1, data2, test_size=0.4, random_state=22) print(a, b, c, d) #[4, 1, 5] [2, 3] ['4a' '1a' '5a'] ['2a' '3a'] print(type(a), type(b), type(c), type(d)) #<class 'list'> <class 'list'> <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.ndarray'>
# ndarray的数据集划分 from sklearn.model_selection import train_test_split import numpy as np x=np.arange(100).reshape(50,2) # print(x)#这个x数据集中有几个数据(50个) 每一个数据有2个特征 x_train,x_test=train_test_split(x,test_size=11,random_state=42) print(x_train.shape) print(x_test.shape) print(type(x_train)) print(type(x_test))
③.二维数组数据集划分
train_test_split只划分第一维度,第二维度保持不变
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np
data1 = np.arange(1, 16, 1)
data1.shape=(5,3)
print(data1)
a, b = train_test_split(data1, test_size=0.4, random_state=22)
print("a=\n", a)
print("b=\n", b)
[[ 1 2 3][ 4 5 6][ 7 8 9][10 11 12][13 14 15]] a=[[10 11 12][ 1 2 3][13 14 15]] b=[[4 5 6][7 8 9]]
eg3
from sklearn.model_selection import train_test_split arr1=[1,23,2,231,25,36,23,32,22,34,123,12,3,2,3] x_train,x_test=train_test_split(arr1,train_size=0.8) print(arr1) print(x_train,x_test) #[1, 23, 2, 231, 25, 36, 23, 32, 22, 34, 123, 12, 3, 2, 3] [34, 2, 123, 12, 3, 1, 2, 231, 32, 36, 22, 23] [23, 25, 3]
from sklearn.model_selection import train_test_split arr1=[1111,23,2,231,25,36,23,32,22,34,123,12,3,33333,3] arr2=[9999,1,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,3,66666,3] x_train,x_test,y_train,y_test=train_test_split(arr1,arr2,train_size=0.8)#arrays print(arr1) print(x_train,x_test) print(y_train,y_test) #[1111, 23, 2, 231, 25, 36, 23, 32, 22, 34, 123, 12, 3, 33333, 3] #[9999, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 66666, 3] #[34, 3, 1111, 22, 33333, 25, 123, 32, 23, 12, 2, 3] [36, 23, 231] #[2, 3, 9999, 2, 66666, 1, 3, 2, 2, 3, 1, 3] [1, 1, 1] #将arr1和对应的arr2打乱，再划分成训练集和测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split
x=[[11,2,3,31,111],[12,2,3,32,112],[1,23,3,33,113],[14,2,3,34,114],[15,2,3,35,115],[16,2,3,36,116],[1,23,3,36,117],[1,23,3,316,118],[1,23,3,326,119],[1,23,3,336,120]]
y=[1,1,1,1,1,2,2,2,2,2]
x_train,x_test,y_train,y_test=train_test_split(x,y,test_size=0.3,stratify=y,random_state=40)#stratify=y，按y进行分层
print("x_train:\n",x_train)
print("x_test:\n",x_test)
print("y_train:\n",y_train)
print("y_test:\n",y_test)
print(type(x_test))
④.DataFrame数据集划分
# dataFrame的数据集划分 import pandas as pd import numpy as np from sklearn.model_selection import train_test_split # 数据集的划分 data=np.arange(1,100).reshape(33,3) data=pd.DataFrame(data,columns=['a','b','c']) # print(data) train,test=train_test_split(data,train_size=0.7,shuffle=True,random_state=4) print(train.shape) print(test.shape)
⑤.字典数据集划分
可以划分非稀疏矩阵
用于将字典列表转换为特征向量。这个转换器主要用于处理类别数据和数值数据的混合型数据集
# 字典的特征提取和数据划分
from sklearn.feature_extraction import DictVectorizer
from sklearn.model_selection import train_test_split
arr=[{"name":"重庆","count":2000,"tempreture":41},{"name":"成都","count":2300,"tempreture":28},{"name":"北京","count":4900,"tempreture":20},{"name":"昆明","count":190,"tempreture":22},{"name":"昆明","count":290,"tempreture":22}]
model=DictVectorizer(sparse=False)#sparse=False表示返回一个完整的矩阵，sparse=True表示返回一个稀疏矩阵
data=model.fit_transform(arr)#提取特征
print(data)
x_train,y_train=train_test_split(data,train_size=0.8,random_state=666)
print(x_train)
print(y_train)
⑥.鸢尾花数据集划分
# 鸢尾花数据集划分 from sklearn import datasets from sklearn.model_selection import train_test_split iris=datasets.load_iris() X=iris.data y=iris.target X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,train_size=0.8,random_state=4,stratify=y) print(X) print(y) print(X_train.shape) print(X_test.shape) print(y_train.shape) print(y_test.shape) print(y_train) print(iris.feature_names) print(iris.target_names)
⑦.现实世界数据集划分
from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups from sklearn.model_selection import train_test_split import numpy as np news=fetch_20newsgroups(data_home="./src",subset="train") # print(news.data[0]) x_train,x_test,y_train,y_test=train_test_split(news.data,news.target,train_size=0.8,random_state=666) print(np.array(x_train).shape) print(np.array(x_test).shape) print(x_train[0:5]) print(y_train) print(news.target_names)