Kaggle案例——使用scikit-learn解决DigitRecognition问题

机器学习AI算法工程

发布于 2018-03-13 11:27:02

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发布于 2018-03-13 11:27:02

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1、scikit-learn简介

scikit-learn是一个基于NumPy、SciPy、Matplotlib的开源机器学习工具包，采用Python语言编写，主要涵盖分类、

回归和聚类等算法，例如knn、SVM、逻辑回归、朴素贝叶斯、随机森林、k-means等等诸多算法，官网上代码和文档

都非常不错，对于机器学习开发者来说，是一个使用方便而强大的工具，节省不少开发时间。

scikit-learn官网指南：http://scikit-learn.org/stable/user_guide.html

上一篇文章《大数据竞赛平台—Kaggle入门》（回复本公众号“kaggle”可获取）我分两部分内容介绍了Kaggle，在第二部分中，我记录了解决Kaggle上的竞赛项目DigitRecognition的整个过程，当时我是用自己写的kNN算法，尽管自己写歌kNN算法并不会花很多时间，但是当我们想尝试更多、更复杂的算法，如果每个算法都自己实现的话，会很浪费时间，这时候scikit-learn就发挥作用了，我们可以直接调用scikit-learn的算法包。当然，对于初学者来说，最好还是在理解了算法的基础上，来调用这些算法包，如果有时间，自己完整地实现一个算法相信会让你对算法掌握地更深入。

2、使用scikit-learn解决DigitRecognition

我发现自己很喜欢用DigitRecognition这个问题来练习分类算法，因为足够简单。如果你还不知道DigitRecognition问题是什么，请先简单了解一下（https://www.kaggle.com/c/digit-recognizer），在我上一篇文章《大数据竞赛平台—Kaggle入门》中也有描述。下面我使用scikit-learn中的算法包kNN（k近邻）、SVM（支持向量机）、NB（朴素贝叶斯）来解决这个问题，解决问题的关键步骤有两个：

1、处理数据。

2、调用算法。

（1）处理数据

这一部分与上一篇文章《大数据竞赛平台—Kaggle入门》中第二部分的数据处理是一样的，本文不打算重复，下面只简单地罗列各个函数及其功能，在本文最后部分也有详细的代码。

def loadTrainData():
    #这个函数从train.csv文件中获取训练样本:trainData、trainLabel
def loadTestData():
    #这个函数从test.csv文件中获取测试样本:testData
def toInt(array):
def nomalizing(array):
    #这两个函数在loadTrainData()和loadTestData()中被调用
    #toInt()将字符串数组转化为整数，nomalizing()归一化整数
def loadTestResult():
    #这个函数加载测试样本的参考label，是为了后面的比较
def saveResult(result,csvName):
    #这个函数将result保存为csv文件，以csvName命名

“处理数据”部分，我们从train.csv、test.csv文件中获取了训练样本的feature、训练样本的label、测试样本的feature，在程序中我们用trainData、trainLabel、testData表示。

（2）调用scikit-learn中的算法

kNN算法

#调用scikit的knn算法包
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  
def knnClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    knnClf=KNeighborsClassifier()#default:k = 5,defined by yourself:KNeighborsClassifier(n_neighbors=10)
    knnClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=knnClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_knn_Result.csv')
    return testLabel

kNN算法包可以自己设定参数k，默认k=5，上面的comments有说明。

更加详细的使用，推荐上官网查看：http://scikit-learn.org/stable/modules/neighbors.html

SVM算法

#调用scikit的SVM算法包
from sklearn import svm   
def svcClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    svcClf=svm.SVC(C=5.0) #default:C=1.0,kernel = 'rbf'. you can try kernel:‘linear’, ‘poly’, ‘rbf’, ‘sigmoid’, ‘precomputed’  
    svcClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=svcClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_SVC_C=5.0_Result.csv')
    return testLabel

SVC()的参数有很多，核函数默认为'rbf'（径向基函数）,C默认为1.0

更加详细的使用，推荐上官网查看：http://scikit-learn.org/stable/modules/svm.html

朴素贝叶斯算法

#调用scikit的朴素贝叶斯算法包,GaussianNB和MultinomialNB
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB      #nb for 高斯分布的数据
def GaussianNBClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    nbClf=GaussianNB()          
    nbClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=nbClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_GaussianNB_Result.csv')
    return testLabel
    
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB   #nb for 多项式分布的数据    
def MultinomialNBClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    nbClf=MultinomialNB(alpha=0.1)      #default alpha=1.0,Setting alpha = 1 is called Laplace smoothing, while alpha < 1 is called Lidstone smoothing.       
    nbClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=nbClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_MultinomialNB_alpha=0.1_Result.csv')
    return testLabel

上面我尝试了两种朴素贝叶斯算法:高斯分布的和多项式分布的。多项式分布的函数有参数alpha可以自设定。

更加详细的使用，推荐上官网查看：http://scikit-learn.org/stable/modules/naive_bayes.html

使用方法总结：

第一步：首先确定使用哪种分类器，这一步可以设置各种参数，比如:

svcClf=svm.SVC(C=5.0)

第二步：接这个分类器要使用哪些训练数据？调用fit方法，比如:

svcClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))

fit(X,y)说明：

X: 对应trainData

array-like, shape = [n_samples, n_features]，X是训练样本的特征向量集，n_samples行n_features列，即每个训练样本占一行，每个训练样本有多少特征就有多少列。

y: 对应trainLabel

array-like, shape = [n_samples]，y必须是一个行向量，这也是上面为什么使用numpy.ravel()函数的原因。

第三步：使用分类器预测测试样本，比如：

 testLabel=svcClf.predict(testData)

调用predict方法。

第四步：保存结果，这一步是取决于我们解决问题的要求，因为本文以DigitRecognition为例，所以有：

saveResult(testLabel,'sklearn_SVC_C=5.0_Result.csv')

（3）make a submission

上面基本就是整个开发过程了，下面看一下各个算法的效果，在Kaggle上make a submission

knn算法的效果，准确率95.871%

朴素贝叶斯，alpha=1.0，准确率81.043%

SVM，linear核，准确率93.943%

3、工程文件

下载：回复本公众号“kaggle”可获取。

贴一下代码：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Tue Dec 16 21:59:00 2014

@author: wepon

@blog:http://blog.csdn.net/u012162613
"""

from numpy import *
import csv

def toInt(array):
    array=mat(array)
    m,n=shape(array)
    newArray=zeros((m,n))
    for i in xrange(m):
        for j in xrange(n):
                newArray[i,j]=int(array[i,j])
    return newArray
    
def nomalizing(array):
    m,n=shape(array)
    for i in xrange(m):
        for j in xrange(n):
            if array[i,j]!=0:
                array[i,j]=1
    return array
    
def loadTrainData():
    l=[]
    with open('train.csv') as file:
         lines=csv.reader(file)
         for line in lines:
             l.append(line) #42001*785
    l.remove(l[0])
    l=array(l)
    label=l[:,0]
    data=l[:,1:]
    return nomalizing(toInt(data)),toInt(label)  #label 1*42000  data 42000*784
    #return trainData,trainLabel
    
def loadTestData():
    l=[]
    with open('test.csv') as file:
         lines=csv.reader(file)
         for line in lines:
             l.append(line)#28001*784
    l.remove(l[0])
    data=array(l)
    return nomalizing(toInt(data))  #  data 28000*784
    #return testData
    
def loadTestResult():
    l=[]
    with open('knn_benchmark.csv') as file:
         lines=csv.reader(file)
         for line in lines:
             l.append(line)#28001*2
    l.remove(l[0])
    label=array(l)
    return toInt(label[:,1])  #  label 28000*1
    
#result是结果列表 
#csvName是存放结果的csv文件名
def saveResult(result,csvName):
    with open(csvName,'wb') as myFile:    
        myWriter=csv.writer(myFile)
        for i in result:
            tmp=[]
            tmp.append(i)
            myWriter.writerow(tmp)
            
            
#调用scikit的knn算法包
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  
def knnClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    knnClf=KNeighborsClassifier()#default:k = 5,defined by yourself:KNeighborsClassifier(n_neighbors=10)
    knnClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=knnClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_knn_Result.csv')
    return testLabel
    
#调用scikit的SVM算法包
from sklearn import svm   
def svcClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    svcClf=svm.SVC(C=5.0) #default:C=1.0,kernel = 'rbf'. you can try kernel:‘linear’, ‘poly’, ‘rbf’, ‘sigmoid’, ‘precomputed’  
    svcClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=svcClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_SVC_C=5.0_Result.csv')
    return testLabel
    
#调用scikit的朴素贝叶斯算法包,GaussianNB和MultinomialNB
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB      #nb for 高斯分布的数据
def GaussianNBClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    nbClf=GaussianNB()          
    nbClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=nbClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_GaussianNB_Result.csv')
    return testLabel
    
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB   #nb for 多项式分布的数据    
def MultinomialNBClassify(trainData,trainLabel,testData): 
    nbClf=MultinomialNB(alpha=0.1)      #default alpha=1.0,Setting alpha = 1 is called Laplace smoothing, while alpha < 1 is called Lidstone smoothing.       
    nbClf.fit(trainData,ravel(trainLabel))
    testLabel=nbClf.predict(testData)
    saveResult(testLabel,'sklearn_MultinomialNB_alpha=0.1_Result.csv')
    return testLabel


def digitRecognition():
    trainData,trainLabel=loadTrainData()
    testData=loadTestData()
    #使用不同算法
    result1=knnClassify(trainData,trainLabel,testData)
    result2=svcClassify(trainData,trainLabel,testData)
    result3=GaussianNBClassify(trainData,trainLabel,testData)
    result4=MultinomialNBClassify(trainData,trainLabel,testData)
    
    #将结果与跟给定的knn_benchmark对比,以result1为例
    resultGiven=loadTestResult()
    m,n=shape(testData)
    different=0      #result1中与benchmark不同的label个数，初始化为0
    for i in xrange(m):
        if result1[i]!=resultGiven[0,i]:
            different+=1
    print different

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