[python] 机器学习 sklearn和tensorflow

雨点打透心脏的1/2处 2021-12-05 14:19 402阅读 0赞

### Sklearn库 ###

Sklearn是Python中的一个非常重要的机器学习库，在Sklearn库中不仅封装了大量的机器学习算法，它还内置了数据集，节省了获取和整理数据的时间。下面将简单介绍一下Sklearn库中常用的算法。

1、无监督学习算法

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2、监督学习算法

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3、数据变换

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注意：以上的每个模型中都包含着多个算法，使用某算法时，直接导入需要的包即可。例如：

from sklearn.linear_model import logistic

### TensorFlow框架的基本使用 ###

TensorFlow是一个编程系统，使用图来表示计算任务。图中的节点被称之为op（operation的缩写）。一个op获得0个或多个tensor，执行计算并产生0个或多个tensor。每个 tensor是一个类型化的多维数组。在Python语言中，返回的tensor是NumPy中的ndarray对象。下面我们就对TensorFlow如何使用进行简单的介绍。

1、常量变量的定义

# 导入需要的包
    import tensorflow as tf
     
    #常量的定义
    cl = tf.constant(9)
     
    # 变量的定义
    bl = tf.Variable(tf.zeros(2, 2))
     
    # 变量要想使用，需要执行以下代码
    init = tf.initialize_all_variables()

如上例所示，调用TensorFlow中的constant()方法可以定义一个常量，调用Variable()方法可以定义一个变量。这里需要注意的是，变量定义完之后如果想要使用的话还要执行上例中的最后一条代码。

2、占位符的使用

占位符常用于变量定义时，定义变量需要初始化，但是有些变量在定义的时候是不知道他们的值的，这个时候就可以使用占位符来代替，定义方法如下。

# 占位符
        zwf = tf.placeholder(tf.int16, [None, 88])

placeholder()方法可以定义一个占位符。上例中定义的占位符指定了zwf这个变量的类型和大小。

3、图的使用

就像上面所说的那样，在TensorFlow中，要实现具体的运算，如最基本的加减乘除，我们不能直接定义几个变量进行运算，要使用图来表示计算任务。一个TensorFlow图描述了计算的过程。为了进行计算, 图必须在session里被启动，session运行整个计算过程。

a = tf.Variable(5)
    b = tf.Variable(5)
    c = a * b
     
    init = tf.initialize_all_variables()
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(init)
        print(sess.run(c))

输出结果：

上例中的sess.run()是执行操作，session创建使用完之后要释放。如果使用占位符的话，需要使用run()方法中的feed\_dict参数为其赋值。  
        注意：要先执行初始化变量操作再执行相应的运算。

### 区别 ###

1、功能不同

**Scikit-learn(sklearn)的定位是通用机器学习库**，而**TensorFlow(tf)的定位主要是深度学习库**。一个显而易见的不同：tf并未提供sklearn那种强大的特征工程，如维度压缩、特征选择等。究其根本，我认为是因为机器学习模型的两种不同的处理数据的方式：

*  **传统机器学习：利用特征工程(feature engineering)，人为对数据进行提炼清洗**
 *  **深度学习：利用表示学习(representation learning)，机器学习模型自身对数据进行提炼**

**sklearn更倾向于使用者可以自行对数据进行处理**，比如选择特征、压缩维度、转换格式，是传统机器学习库。而以tf为代表的深度学习库会自动从数据中抽取有效特征，而不需要人为的来做这件事情，因此并未提供类似的功能。

2、使用自由度不同

**sklearn 中的模块都是高度抽象化的，所有的分类器基本都可以在3-5行内完成，所有的转换器(如scaler和transformer)也都有固定的格式**。这种抽 象化限制了使用者的自由度，但增加了模型的效率，降低了批量化、标准化的的难度(通过使用pipeline)。

clf = svm.SVC() # 初始化一个分类器
    clf.fit(X_train, y_train) # 训练分类器
    y_predict = clf.predict(X_test) # 使用训练好的分类器进行预测

**而tf不同，虽然是深度学习库，但它有很高的自由度**。你依然可以用它做传统机器学习所做的事情，代价是你需要自己实现算法。因此用tf类比sklearn不适合，封装在tf等工具库上的keras\[2\]才更像深度学习界的sklearn。  
从自由度角度来看，tf更高；从抽象化、封装程度来看，sklearn更高；从易用性角度来看，sklearn更高。

3、针对的群体、项目不同

**sklearn主要适合中小型的、实用机器学习项目，尤其是那种数据量不大且需要使用者手动对数据进行处理，并选择合适模型的项目。这类项目往往在CPU上就可以完成，对硬件要求低**。  
**tf主要适合已经明确了解需要用深度学习，且数据处理需求不高的项目。这类项目往往数据量较大，且最终需要的精度更高，一般都需要GPU加速运算**。对于深度学习做“小样”可以在采样的小数据集上用keras做快速的实验，没了解的过朋友看一下keras的示例代码，就可以了解为什么keras堪比深度学习上的sklearn了。

model = Sequential() # 定义模型
    model.add(Dense(units=64, activation='relu', input_dim=100)) # 定义网络结构
    model.add(Dense(units=10, activation='softmax')) # 定义网络结构
    model.compile(loss='categorical_crossentropy', # 定义loss函数、优化方法、评估标准
                  optimizer='sgd',
                  metrics=['accuracy'])
    model.fit(x_train, y_train, epochs=5, batch_size=32) # 训练模型
    loss_and_metrics = model.evaluate(x_test, y_test, batch_size=128) # 评估模型
    classes = model.predict(x_test, batch_size=128) # 使用训练好的数据进行预测

不难看出，sklearn和tf有很大区别。虽然sklearn中也有神经网络模块，但做严肃的、大型的深度学习是不可能依靠sklearn的。虽然tf也可以用于做传统的机器学习、包括清理数据，但往往事倍功半。

4、scikit-learn&tensorflow结合使用

更常见的情况下，可以把**sklearn和tf，甚至keras结合起来使用**。sklearn肩负基本的数据清理任务，keras用于对问题进行小规模实验验证想法，而tf用于在完整的的数据上进行严肃的调参(炼丹)任务。  
而单独把sklearn拿出来看的话，它的文档做的特别好，初学者跟着看一遍sklearn支持的功能大概就对机器学习包括的很多内容有了基本的了解。举个简单的例子，sklearn很多时候对单独的知识点有概述，比如简单的异常检测。因此，sklearn不仅仅是简单的工具库，它的文档更像是一份简单的新手入门指南。  
因此，以sklearn为代表的传统机器学习库（如瑞士军刀般的万能但高度抽象），和以tf为代表的自由灵活更具有针对性的深度学习库（如乐高般高度自由但使用繁琐）都是机器学习者必须要了解的工具。

不过sklearn 还是很有 必要学习的

理论上来说，**深度学习技术也是机器学习的一个组成部分**，学习其他传统机器学习方法对深入理解深度学习技术有很大帮助，知道模型凸的条件，才能更好的理解神 经网络的非凸。知道传统模型的优点，才能更好的理解深度学习并不是万能的，也有很多问题和场景直接使用深度学习方法会遇到瓶颈和问题，需要传统方法来解 决。  
从实践上来说，深度学习方法一般需要大量GPU机器，工业界哪怕大公司的GPU资源也是有限的，一般只有深度学习方法效果远好于传统方法并且 对业务提升很大的情况下，才会考虑使用深度学习方法，例如语音识别，图像识别等任务现在深度学习方法用的比较多，而NLP领域除了机器翻译以外，其他大部 分任务仍然更常使用传统方法。传统方法一般有着更好的可解释性，这对检查调试模型也是非常有帮助的。工业上一般喜欢招能解决问题的人，而不是掌握最火技术 的人，因此在了解深度学习技术的同时，学习一下传统方法是很有好处的。

结尾

说实话，即使现在深度学习大行其道，很多时候你还是要用传统机器学习方法解决问题的。首先不是每个人都有一个彪悍的电脑/服务器，其次，大多数问题真的不需要深度网络。最后，只会调用工具包的程序员不是好的机器学习者。

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