机器学习（三）：感知器算法实现鸢尾花分类项目实战

r囧r小猫 2022-05-26 12:20 647阅读 0赞

上一章我们已经介绍了感知器算法规则，并且用python语言实现了。现在我们应用感知器学习规则进行鸢尾花分类实验。

测试数据我们从鸢尾花数据集中挑选出了山鸢尾（Setosa）和变色鸢尾（Versicolor）两种花的信息作为测试数据。虽然感知器并不将数据样本特征的数量限定为两个，但出于可视化的原因，我们只考虑数据集中萼片长度（sepal length）和花瓣长度（petal length）这两个特征。同时，选择山鸢尾和变色鸢尾也是出于实践需要的考虑。不过，感知器算法可以扩展到多类别的分类器应用中，比如通过一对多技术。

注：一对多技术也称为一对其他技术，是一种将二分类技术扩充到多类别分类任务上的一种技术。  
我们可以使用QvA针对每个类别训练一个分类器，其中分类器所对应类别样本为正类别，其他所有分类器的样本为负类别。当应用与新数据样本识别时，我们可以借助于分类器*ϕ*(*z*)  ϕ ( z ) ，其中m为类标数量，并将相关度最高的类标赋给待识别样本。对于感知器来说，就是最大净输入值绝对值对应的类标。

## 1、加载训练数据 ##

使用pandas库直接从UCI机器学习库中将鸢尾花数据集转换为DataFrame对象并加载到内存中，并使用  
tail方法现实部分数据信息

import pandas as pd
    
    df = pd.read_csv("https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/iris/iris.data", header=None)
    # 输出最后20行的数据，并观察数据结构 萼片长度（sepal length），萼片宽度()，
    # 花瓣长度（petal length），花瓣宽度，种类
    print(df.tail(n=20))
    print(df.shape)

## 2、绘制训练数据 ##

我们从鸢尾花数据集中提取前100个类标，其中分别包含50个山鸢尾类标和50个变色鸢尾类标，  
并将这些类标用两个整数值来替代：1代表变色鸢尾，-1代表山鸢尾，同时把pandas DataFrame产生的对应的整数类标赋值给Numpy的向量y。  
类似的，我们提取这100个训练样本的第一个特征列（萼片长度）和第三个特征列（花瓣长度），并赋值给属性矩阵X，这样我们就可以用二维散点图对这些数据进行可视化了。

# 0到100行，第5列
    y = df.iloc[0:100, 4].values
    # 将target值转数字化 Iris-setosa为-1，否则值为1
    y = np.where(y == "Iris-setosa", -1, 1)
    # 取出0到100行，第1，第三列的值
    x = df.iloc[0:100, [0, 2]].values
    
    """ 鸢尾花散点图 """
    
    # scatter绘制点图
    plt.scatter(x[0:50, 0], x[0:50, 1], color="red", marker="o", label="setosa")
    plt.scatter(x[50:100, 0], x[50:100, 1], color="blue", marker="x", label="versicolor")
    # 防止中文乱码 下面分别是windows系统，mac系统解决中文乱码方案
    # zhfont1 = mat.font_manager.FontProperties(fname='C:\Windows\Fonts\simsun.ttc')
    zhfont1 = mat.font_manager.FontProperties(fname='/System/Library/Fonts/PingFang.ttc')
    plt.title("鸢尾花散点图", fontproperties=zhfont1)
    plt.xlabel(u"花瓣长度", fontproperties=zhfont1)
    plt.ylabel(u"萼片长度", fontproperties=zhfont1)
    plt.legend(loc="upper left")
    plt.show()

![这里写图片描述][70]

## 3、训练数据 ##

现在我们可以利用抽取出的鸢尾花数据子集来训练感知器了。同时，我们还将绘制每次迭代的错误分类数量的折线图，以检验算法是否收敛并找到可以分开两种类型鸢尾花的决策边界。

训练代码：

from perceptron import Perceptron
    
    import matplotlib.pyplot as plt
    import matplotlib as mat
    import pandas as pd
    import numpy as np
    """ 训练模型并且记录错误次数，观察错误次数的变化 """
    print(__doc__)
    # 加载鸢尾花数据
    df = pd.read_csv("https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/iris/iris.data", header=None)
    
    # 数据真实值
    y = df.iloc[0:100, 4].values
    y = np.where(y == "Iris-setosa", -1, 1)
    x = df.iloc[0:100, [0, 2]].values
    """ 误差数折线图 @:param eta: 0.1 学习速率 @:param n_iter：0.1 迭代次数 """
    ppn = Perceptron(eta=0.1, n_iter=10)
    ppn.fit(x, y)
    # plot绘制折线图
    plt.plot(range(1, len(ppn.errors_) + 1), ppn.errors_, marker="o")
    # 防止中文乱码
    zhfont1 = mat.font_manager.FontProperties(fname='C:\Windows\Fonts\simsun.ttc')
    plt.xlabel("迭代次数（n_iter）", fontproperties=zhfont1)
    plt.ylabel("错误分类次数（error_number）", fontproperties=zhfont1)
    plt.show()

![这里写图片描述][70 1]

上面的代码绘制了每轮迭代的错误次数，从图可以看出，在第6轮迭代之后的出错次数已经降为0（收敛），并且具备了对训练样本及进行正确分类的能力。

## 4、决策边界可视化 ##

以下代码是对鸢尾花花萼长度、花瓣长度进行可视化及分类

import perceptron as pp
    import pandas as pd
    import matplotlib as mat
    
    from matplotlib.colors import ListedColormap
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    def plot_decision_regions(x, y, classifier, resolution=0.2):
        """ 二维数据集决策边界可视化 :parameter ----------------------------- :param self: 将鸢尾花花萼长度、花瓣长度进行可视化及分类 :param x: list 被分类的样本 :param y: list 样本对应的真实分类 :param classifier: method 分类器：感知器 :param resolution: :return: ----------------------------- """
        markers = ('s', 'x', 'o', '^', 'v')
        colors = ('red', 'blue', 'lightgreen', 'gray', 'cyan')
        # y去重之后的种类
        listedColormap = ListedColormap(colors[:len(np.unique(y))])
    
        # 花萼长度最小值-1，最大值+1
        x1_min, x1_max = x[:, 0].min() - 1, x[:, 0].max() + 1
        # 花瓣长度最小值-1，最大值+1
        x2_min, x2_max = x[:, 1].min() - 1, x[:, 1].max() + 1
    
        # 将最大值，最小值向量生成二维数组xx1,xx2
        # np.arange(x1_min, x1_max, resolution) 最小值最大值中间，步长为resolution
        new_x1 = np.arange(x1_min, x1_max, resolution)
        new_x2 = np.arange(x2_min, x2_max, resolution)
        xx1, xx2 = np.meshgrid(new_x1, new_x2)
    
        # 预测值
        # z = classifier.predict([xx1, xx2])
        z = classifier.predict(np.array([xx1.ravel(), xx2.ravel()]).T)
        z = z.reshape(xx1.shape)
        plt.contourf(xx1, xx2, z, alpha=0.4, camp=listedColormap)
        plt.xlim(xx1.min(), xx1.max())
        plt.ylim(xx2.min(), xx2.max())
    
        for idx, c1 in enumerate(np.unique(y)):
            plt.scatter(x=x[y == c1, 0], y=x[y == c1, 1], alpha=0.8, c=listedColormap(idx), marker=markers[idx], label=c1)
    
    
    df = pd.read_csv("https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/iris/iris.data", header=None)
    
    # 0到100行，第5列
    y = df.iloc[0:100, 4].values
    # 将target值转数字化 Iris-setosa为-1，否则值为1,相当于激活函数-在此处表现为分段函数
    y = np.where(y == "Iris-setosa", -1, 1)
    # 取出0到100行，第1，第三列的值
    x = df.iloc[0:100, [0, 2]].values
    ppn = pp.Perceptron(eta=0.1, n_iter=10)
    ppn.fit(x, y)
    plot_decision_regions(x, y, classifier=ppn)
    # 防止中文乱码
    zhfont1 = mat.font_manager.FontProperties(fname='C:\Windows\Fonts\simsun.ttc')
    plt.title("鸢尾花花瓣、花萼边界分割", fontproperties=zhfont1)
    plt.xlabel("花瓣长度 [cm]", fontproperties=zhfont1)
    plt.ylabel("花萼长度 [cm]", fontproperties=zhfont1)
    
    plt.legend(loc="uper left")
    plt.show()

![这里写图片描述][70 2]

正如图中看到的那样，通过感知器学习得到的分类曲面可以完美地对训练子集中的所有样本进行分类。

[70]: /images/20220526/cdac420bb0984f00a32bfe308290d1b8.png
[70 1]: /images/20220526/5640c0a6ec9d407d8c80af8a1ed88dab.png
[70 2]: /images/20220526/1a127ad3922340e786c20c4337e46753.png