Матрица ошибок для 3 классов

Были ли вы в ситуации, когда вы ожидали, что ваша модель машинного обучения должна работать очень хорошо, но у нее была низкая точность? Вы проделали всю тяжелую работу — так где же модель классификации сработала не так? Как это исправить?

Существует множество способов оценить эффективность вашей модели классификации, но ни один из них не выдержал испытания временем, кроме матрицы ошибок. Она помогает нам оценить, как наша модель работала, где она пошла не туда, и предлагает нам рекомендации по исправлению нашего пути.

В этой статье мы рассмотрим, как матрица ошибок дает целостное представление об эффективности вашей модели. И, в отличие от названия, вы поймете, что матрица ошибок — довольно простая, но мощная концепция. Итак, давайте раскроем тайну матрицы ошибок!

Что такое матрица ошибок?

Вопрос на миллион долларов — что такое, в конце концов, матрица ошибок?

Матрица ошибок — это матрица размером N x N, используемая для оценки эффективности модели классификации, где N — количество целевых классов. Матрица сравнивает фактические целевые значения с предсказанными моделью машинного обучения. Это дает нам целостное представление о том, насколько хорошо работает наша классификационная модель и какие ошибки она допускает.

Для задачи двоичной классификации у нас будет матрица 2 x 2, как показано ниже, с 4 значениями:

Расшифруем матрицу:

Но подождите — что здесь TP, FP, FN и TN? Это важнейшая часть матрицы ошибок. Давайте разберемся с каждым термином ниже.

Понимание True Positive, True Negative, False Positive и False Negative в матрице ошибок

True Positive (TP)

True Negative (TN)

False Positive (FP) — ошибка 1-го типа

False Negative (FN) — ошибка 2-го типа

Позвольте мне привести пример, чтобы лучше это понять. Предположим, у нас есть набор данных классификации с 1000 точками данных. Мы подгоняем на нем классификатор и получаем следующую матрицу ошибок:

Различные значения матрицы ошибок будут следующими:

Это оказался довольно приличный классификатор для нашего набора данных, учитывая относительно большее количество истинно положительных и истинно отрицательных значений.

Помните об ошибках 1-го и 2-го типа. Интервьюеры любят спрашивать, в чем разница между ними!

Зачем нам нужна матрица ошибок?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте подумаем о проблеме гипотетической классификации.

Допустим, вы хотите предсказать, сколько людей инфицировано заразным вирусом, до того, как у них проявятся симптомы, и изолировать их от здорового населения. Двумя значениями для нашей целевой переменной будут: Sick и Not Sick.

Теперь вы, должно быть, задаетесь вопросом — зачем нам матрица ошибок, когда у нас есть наш вечный друг — Точность? Что ж, посмотрим, где точность не работает.

Наш набор данных является примером несбалансированного набора данных. Имеется 947 точек данных для отрицательного класса и 3 точки данных для положительного класса. Вот как мы рассчитаем точность:

Посмотрим, как работает наша модель:

Общие значения результатов:

TP = 30, TN = 930, FP = 30, FN = 10

Итак, точность для нашей модели:

96%! Неплохо!

Но это дает неверное представление о результате. Подумайте об этом.

Наша модель гласит: «Я могу предсказать заболевание в 96% случаев». Однако она делает наоборот. Это предсказание людей, которые не заболеют с точностью 96%, пока больные распространяют вирус!

Как вы думаете, это правильный показатель для нашей модели, учитывая серьезность проблемы? Разве мы не должны измерять, сколько положительных случаев мы можем правильно предсказать, чтобы остановить распространение заразного вируса? Или, из правильно спрогнозированных случаев сколько положительных случаев для проверки надежности нашей модели?

Здесь мы сталкиваемся с двойным понятием «точность (Precision) и полнота (Recall)».

Precision vs. Recall

Точность говорит нам, сколько из правильно предсказанных случаев действительно оказались положительными.

Вот как рассчитать точность:

Это определило бы надежность нашей модели.

Полнота сообщает нам, сколько реальных положительных случаев мы смогли правильно предсказать с помощью нашей модели.

А вот как мы можем рассчитать полноту:

Мы можем легко рассчитать точность и полноту для нашей модели, подставив значения в приведенные выше уравнения:

50% процентов правильно предсказанных случаев оказались положительными. В то время как 75% положительных результатов были успешно предсказаны нашей моделью. Потрясающие!

Точность — полезный показатель в тех случаях, когда ложноположительный результат важнее, чем ложноотрицательный.

Точность важна в системах рекомендаций по музыке или видео, на веб-сайтах электронной коммерции и т. д. Неправильные результаты могут привести к оттоку клиентов и нанести вред бизнесу.

Полнота — полезный показатель в случаях, когда ложноотрицательный результат важнее ложноположительного.

Полнота важна в медицинских случаях, когда не имеет значения, что возникает ложная тревога, но реальные положительные случаи не должны оставаться незамеченными!

В нашем примере полнота была бы лучшим показателем, потому что мы не хотим, чтобы случайно выписали инфицированного человека и позволили ему смешаться со здоровым населением, тем самым распространяя заразный вирус. Теперь вы можете понять, почему точность была плохим показателем для нашей модели.

Но будут случаи, когда нет четкой разницы между тем, что важнее: точность или полнота. Что нам делать в таких случаях? Мы их совмещаем!

F1-Score

На практике, когда мы пытаемся повысить точность нашей модели, полнота снижается, и наоборот. F1-Score отражает обе тенденции в одном значении:

F1-Score представляет собой гармоничное среднее значение точности и полноты, поэтому дает общее представление об этих двух показателях. Оно максимально, когда точность равно полноте.

Но здесь есть одна загвоздка. Интерпретируемость оценки F1 оставляет желать лучшего. Это означает, что мы не знаем, чего добивается наш классификатор — точности или полноты? Итак, мы используем его в сочетании с другими оценочными метриками, что дает нам полную картину результата.

Матрица ошибок с использованием scikit-learn в Python

Вы знаете теорию — теперь давайте применим ее на практике. Давайте запрограммируем матрицу ошибок с помощью библиотеки Scikit-learn (sklearn) на Python.

# confusion matrix in sklearn

from sklearn.metrics import confusion_matrix

3 from sklearn.metrics import classification_report

# actual values

actual = [1,0,0,1,0,0,1,0,0,1]

# predicted values

predicted = [1,0,0,1,0,0,0,1,0,0]

# confusion matrix

matrix = confusion_matrix(actual,predicted, labels=[1,0])

print(‘Confusion matrix : n’,matrix)

# outcome values order in sklearn

tp, fn, fp, tn = confusion_matrix(actual,predicted,labels=[1,0]).reshape(-1)

print(‘Outcome values : n’, tp, fn, fp, tn)

# classification report for precision, recall f1-score and accuracy

matrix = classification_report(actual,predicted,labels=[1,0])

print(‘Classification report : n’,matrix)

Sklearn имеет две отличные функции: confusion_matrix() и classification_report().

Mirco average — это оценка точности/полноты/f1, рассчитанная для всех классов.

Macro average — это среднее значение точности/полноты/f1-score.

Weighted average — это просто средневзвешенное значение точности/полноты/f1-score.

Матрица ошибок для мультиклассовой классификации

Как матрица ошибок будет работать для задачи классификации нескольких классов? Мы рассмотрим и этот случай.

Давайте нарисуем матрицу ошибок для мультиклассовой задачи, в которой мы должны предсказать, любит ли человек Facebook, Instagram или Snapchat. Матрица ошибок будет иметь вид 3 x 3:

true positive, true negative, false positive и false negative для каждого класса будут вычисляться путем сложения значений ячеек следующим образом:

Вот и все! Вы готовы расшифровать любую матрицу ошибок размером N x N!

Заключение

И вдруг матрица ошибок перестает быть такой запутанной! Эта статья должна дать вам прочную основу для интерпретации и использования матрицы ошибок для алгоритмов классификации в машинном обучении.

Вскоре мы выпустим статью о кривой AUC-ROC и продолжим наше обсуждение там. До этого не теряйте надежды на свою модель классификации, возможно, вы просто используете неправильную метрику оценки!

В компьютерном зрении обнаружение объекта — это проблема определения местоположения одного или нескольких объектов на изображении. Помимо традиционных методов обнаружения, продвинутые модели глубокого обучения, такие как R-CNN и YOLO, могут обеспечить впечатляющие результаты при различных типах объектов. Эти модели принимают изображение в качестве входных данных и возвращают координаты прямоугольника, ограничивающего пространство вокруг каждого найденного объекта.

В этом руководстве обсуждается матрица ошибок и то, как рассчитываются precision, recall и accuracy метрики.

Здесь мы рассмотрим:

• Матрицу ошибок для двоичной классификации.
• Матрицу ошибок для мультиклассовой классификации.
• Расчет матрицы ошибок с помощью Scikit-learn.
• Accuracy, Precision и Recall.
• Precision или Recall?

Матрица ошибок для бинарной классификации

В бинарной классификации каждая выборка относится к одному из двух классов. Обычно им присваиваются такие метки, как 1 и 0, или положительный и отрицательный (Positive и Negative). Также могут использоваться более конкретные обозначения для классов: злокачественный или доброкачественный (например, если проблема связана с классификацией рака), успех или неудача (если речь идет о классификации результатов тестов учащихся).

Предположим, что существует проблема бинарной классификации с классами positive и negative. Вот пример достоверных или эталонных меток для семи выборок, используемых для обучения модели.

positive, negative, negative, positive, positive, positive, negative

Такие наименования нужны в первую очередь для того, чтобы нам, людям, было проще различать классы. Для модели более важна числовая оценка. Обычно при передаче очередного набора данных на выходе вы получите не метку класса, а числовой результат. Например, когда эти семь семплов вводятся в модель, каждому классу будут назначены следующие значения:

0.6, 0.2, 0.55, 0.9, 0.4, 0.8, 0.5

На основании полученных оценок каждой выборке присваивается соответствующий класс. Такое преобразование числовых результатов в метки происходит с помощью порогового значения. Данное граничное условие является гиперпараметром модели и может быть определено пользователем. Например, если порог равен 0.5, тогда любая оценка, которая больше или равна 0.5, получает положительную метку. В противном случае — отрицательную. Вот предсказанные алгоритмом классы:

positive (0.6), negative (0.2), positive (0.55), positive (0.9), negative (0.4), positive (0.8), positive (0.5)

Сравните достоверные и полученные метки — мы имеем 4 верных и 3 неверных предсказания. Стоит добавить, что изменение граничного условия отражается на результатах. Например, установка порога, равного 0.6, оставляет только два неверных прогноза.

Реальность: positive, negative, negative, positive, positive, positive, negative 
Предсказания: positive, negative, positive, positive, negative, positive, positive

Для получения дополнительной информации о характеристиках модели используется матрица ошибок (confusion matrix). Матрица ошибок помогает нам визуализировать, «ошиблась» ли модель при различении двух классов. Как видно на следующем рисунке, это матрица 2х2. Названия строк представляют собой эталонные метки, а названия столбцов — предсказанные.

Четыре элемента матрицы (клетки красного и зеленого цвета) представляют собой четыре метрики, которые подсчитывают количество правильных и неправильных прогнозов, сделанных моделью. Каждому элементу дается метка, состоящая из двух слов:

1. True или False.
2. Positive или Negative.

True, если получено верное предсказание, то есть эталонные и предсказанные метки классов совпадают, и False, когда они не совпадают. Positive или Negative — названия предсказанных меток.

Таким образом, всякий раз, когда прогноз неверен, первое слово в ячейке False, когда верен — True. Наша цель состоит в том, чтобы максимизировать показатели со словом «True» (True Positive и True Negative) и минимизировать два других (False Positive и False Negative). Четыре метрики в матрице ошибок представляют собой следующее:

1. Верхний левый элемент (True Positive): сколько раз модель правильно классифицировала Positive как Positive?
2. Верхний правый (False Negative): сколько раз модель неправильно классифицировала Positive как Negative?
3. Нижний левый (False Positive): сколько раз модель неправильно классифицировала Negative как Positive?
4. Нижний правый (True Negative): сколько раз модель правильно классифицировала Negative как Negative?

Мы можем рассчитать эти четыре показателя для семи предсказаний, использованных нами ранее. Полученная матрица ошибок представлена на следующем рисунке.

Вот так вычисляется матрица ошибок для задачи двоичной классификации. Теперь посмотрим, как решить данную проблему для большего числа классов.

Матрица ошибок для мультиклассовой классификации

Что, если у нас более двух классов? Как вычислить эти четыре метрики в матрице ошибок для задачи мультиклассовой классификации? Очень просто!

Предположим, имеется 9 семплов, каждый из которых относится к одному из трех классов: White, Black или Red. Вот достоверные метки для 9 выборок:

Red, Black, Red, White, White, Red, Black, Red, White

После загрузки данных модель делает следующее предсказание:

Red, White, Black, White, Red, Red, Black, White, Red

Для удобства сравнения здесь они расположены рядом.

Реальность: Red, Black, Red, White, White, Red, Black, Red, White Предсказания: Red, White, Black, White, Red, Red, Black, White, Red

Перед вычислением матрицы ошибок необходимо выбрать целевой класс. Давайте назначим на эту роль класс Red. Он будет отмечен как Positive, а все остальные отмечены как Negative.

Positive, Negative, Positive, Negative, Negative, Positive, Negative, Positive, Negative Positive, Negative, Negative, Negative, Positive, Positive, Negative, Negative, Positive

11111111111111111111111После замены остались только два класса (Positive и Negative), что позволяет нам рассчитать матрицу ошибок, как было показано в предыдущем разделе. Стоит заметить, что полученная матрица предназначена только для класса Red.

Далее для класса White заменим каждое его вхождение на Positive, а метки всех остальных классов на Negative. Мы получим такие достоверные и предсказанные метки:

Negative, Negative, Negative, Positive, Positive, Negative, Negative, Negative, Positive Negative, Positive, Negative, Positive, Negative, Negative, Negative, Positive, Negative

На следующей схеме показана матрица ошибок для класса White.

Точно так же может быть получена матрица ошибок для Black.

Расчет матрицы ошибок с помощью Scikit-Learn

В популярной Python-библиотеке Scikit-learn есть модуль metrics, который можно использовать для вычисления метрик в матрице ошибок.

Для задач с двумя классами используется функция confusion_matrix(). Мы передадим в функцию следующие параметры:

1. y_true: эталонные метки.
2. y_pred: предсказанные метки.

Следующий код вычисляет матрицу ошибок для примера двоичной классификации, который мы обсуждали ранее.

import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "negative", "negative", "positive", "positive", "positive", "negative"]
y_pred = ["positive", "negative", "positive", "positive", "negative", "positive", "positive"]

r = sklearn.metrics.confusion_matrix(y_true, y_pred)
print(r)

array([[1, 2],
       [1, 3]], dtype=int64)

Обратите внимание, что порядок метрик отличается от описанного выше. Например, показатель True Positive находится в правом нижнем углу, а True Negative — в верхнем левом углу. Чтобы исправить это, мы можем перевернуть матрицу.

import numpy

r = numpy.flip(r)
print(r)

array([[3, 1],
       [2, 1]], dtype=int64)

Чтобы вычислить матрицу ошибок для задачи с большим числом классов, используется функция multilabel_confusion_matrix(), как показано ниже. В дополнение к параметрам y_true и y_pred третий параметр labels принимает список классовых меток.

import sklearn.metrics
import numpy

y_true = ["Red", "Black", "Red",   "White", "White", "Red", "Black", "Red",   "White"]
y_pred = ["Red", "White", "Black", "White", "Red",   "Red", "Black", "White", "Red"]

r = sklearn.metrics.multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred, labels=["White", "Black", "Red"])
print(r)

array([
    [[4 2]
     [2 1]]

    [[6 1]
     [1 1]]
    
    [[3 2]
     [2 2]]], dtype=int64)

Функция вычисляет матрицу ошибок для каждого класса и возвращает все матрицы. Их порядок соответствует порядку меток в параметре labels. Чтобы изменить последовательность метрик в матрицах, мы будем снова использовать функцию numpy.flip().

print(numpy.flip(r[0]))  # матрица ошибок для класса White
print(numpy.flip(r[1]))  # матрица ошибок для класса Black
print(numpy.flip(r[2]))  # матрица ошибок для класса Red

# матрица ошибок для класса White
[[1 2]
 [2 4]]

# матрица ошибок для класса Black
[[1 1]
 [1 6]]

# матрица ошибок для класса Red
[[2 2]
 [2 3]]

В оставшейся части этого текста мы сосредоточимся только на двух классах. В следующем разделе обсуждаются три ключевых показателя, которые рассчитываются на основе матрицы ошибок.

Как мы уже видели, матрица ошибок предлагает четыре индивидуальных показателя. На их основе можно рассчитать другие метрики, которые предоставляют дополнительную информацию о поведении модели:

1. Accuracy
2. Precision
3. Recall

В следующих подразделах обсуждается каждый из этих трех показателей.

Метрика Accuracy

Accuracy — это показатель, который описывает общую точность предсказания модели по всем классам. Это особенно полезно, когда каждый класс одинаково важен. Он рассчитывается как отношение количества правильных прогнозов к их общему количеству.

Рассчитаем accuracy с помощью Scikit-learn на основе ранее полученной матрицы ошибок. Переменная acc содержит результат деления суммы True Positive и True Negative метрик на сумму всех значений матрицы. Таким образом, accuracy, равная 0.5714, означает, что модель с точностью 57,14% делает верный прогноз.

import numpy
import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "negative", "negative", "positive", "positive", "positive", "negative"]
y_pred = ["positive", "negative", "positive", "positive", "negative", "positive", "positive"]

r = sklearn.metrics.confusion_matrix(y_true, y_pred)
r = numpy.flip(r)

acc = (r[0][0] + r[-1][-1]) / numpy.sum(r)
print(acc)
# вывод будет 0.571

В модуле sklearn.metrics есть функция precision_score(), которая также может вычислять accuracy. Она принимает в качестве аргументов достоверные и предсказанные метки.

acc = sklearn.metrics.accuracy_score(y_true, y_pred)

Стоит учесть, что метрика accuracy может быть обманчивой. Один из таких случаев — это несбалансированные данные. Предположим, у нас есть всего 600 единиц данных, из которых 550 относятся к классу Positive и только 50 — к Negative. Поскольку большинство семплов принадлежит к одному классу, accuracy для этого класса будет выше, чем для другого.

Если модель сделала 530 правильных прогнозов из 550 для класса Positive, по сравнению с 5 из 50 для Negative, то общая accuracy равна (530 + 5) / 600 = 0.8917. Это означает, что точность модели составляет 89.17%. Полагаясь на это значение, вы можете подумать, что для любой выборки (независимо от ее класса) модель сделает правильный прогноз в 89.17% случаев. Это неверно, так как для класса Negative модель работает очень плохо.

Precision

Precision представляет собой отношение числа семплов, верно классифицированных как Positive, к общему числу выборок с меткой Positive (распознанных правильно и неправильно). Precision измеряет точность модели при определении класса Positive.

Когда модель делает много неверных Positive классификаций, это увеличивает знаменатель и снижает precision. С другой стороны, precision высока, когда:

1. Модель делает много корректных предсказаний класса Positive (максимизирует True Positive метрику).
2. Модель делает меньше неверных Positive классификаций (минимизирует False Positive).

Представьте себе человека, который пользуется всеобщим доверием; когда он что-то предсказывает, окружающие ему верят. Метрика precision похожа на такого персонажа. Если она высока, вы можете доверять решению модели по определению очередной выборки как Positive. Таким образом, precision помогает узнать, насколько точна модель, когда она говорит, что семпл имеет класс Positive.

Основываясь на предыдущем обсуждении, вот определение precision:

Precision отражает, насколько надежна модель при классификации Positive-меток.

На следующем изображении зеленая метка означает, что зеленый семпл классифицирован как Positive, а красный крест – как Negative. Модель корректно распознала две Positive выборки, но неверно классифицировала один Negative семпл как Positive. Из этого следует, что метрика True Positive равна 2, когда False Positive имеет значение 1, а precision составляет 2 / (2 + 1) = 0.667. Другими словами, процент доверия к решению модели, что выборка относится к классу Positive, составляет 66.7%.

Цель precision – классифицировать все Positive семплы как Positive, не допуская ложных определений Negative как Positive. Согласно следующему рисунку, если все три Positive выборки предсказаны правильно, но один Negative семпл классифицирован неверно, precision составляет 3 / (3 + 1) = 0.75. Таким образом, утверждения модели о том, что выборка относится к классу Positive, корректны с точностью 75%.

Единственный способ получить 100% precision — это классифицировать все Positive выборки как Positive без классификации Negative как Positive.

В Scikit-learn модуль sklearn.metrics имеет функцию precision_score(), которая получает в качестве аргументов эталонные и предсказанные метки и возвращает precision. Параметр pos_label принимает метку класса Positive (по умолчанию 1).

import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "positive", "positive", "negative", "negative", "negative"]
y_pred = ["positive", "positive", "negative", "positive", "negative", "negative"]

precision = sklearn.metrics.precision_score(y_true, y_pred, pos_label="positive")
print(precision)

Вывод: 0.6666666666666666.

Recall

Recall рассчитывается как отношение числа Positive выборок, корректно классифицированных как Positive, к общему количеству Positive семплов. Recall измеряет способность модели обнаруживать выборки, относящиеся к классу Positive. Чем выше recall, тем больше Positive семплов было найдено.

Recall заботится только о том, как классифицируются Positive выборки. Эта метрика не зависит от того, как предсказываются Negative семплы, в отличие от precision. Когда модель верно классифицирует все Positive выборки, recall будет 100%, даже если все представители класса Negative были ошибочно определены как Positive. Давайте посмотрим на несколько примеров.

На следующем изображении представлены 4 разных случая (от A до D), и все они имеют одинаковый recall, равный 0.667. Представленные примеры отличаются только тем, как классифицируются Negative семплы. Например, в случае A все Negative выборки корректно определены, а в случае D – наоборот. Независимо от того, как модель предсказывает класс Negative, recall касается только семплов относящихся к Positive.

Из 4 случаев, показанных выше, только 2 Positive выборки определены верно. Таким образом, метрика True Positive равна 2. False Negative имеет значение 1, потому что только один Positive семпл классифицируется как Negative. В результате recall будет равен 2 / (2 + 1) = 2/3 = 0.667.
Поскольку не имеет значения, как предсказываются объекты класса Negative, лучше их просто игнорировать, как показано на следующей схеме. При расчете recall необходимо учитывать только Positive выборки.

Что означает, когда recall высокий или низкий? Если recall имеет большое значение, все Positive семплы классифицируются верно. Следовательно, модели можно доверять в ее способности обнаруживать представителей класса Positive.

На следующем изображении recall равен 1.0, потому что все Positive семплы были правильно классифицированы. Показатель True Positive равен 3, а False Negative – 0. Таким образом, recall вычисляется как 3 / (3 + 0) = 1. Это означает, что модель обнаружила все Positive выборки. Поскольку recall не учитывает, как предсказываются представители класса Negative, могут присутствовать множество неверно определенных Negative семплов (высокая False Positive метрика).

С другой стороны, recall равен 0.0, если не удается обнаружить ни одной Positive выборки. Это означает, что модель обнаружила 0% представителей класса Positive. Показатель True Positive равен 0, а False Negative имеет значение 3. Recall будет равен 0 / (0 + 3) = 0.

Когда recall имеет значение от 0.0 до 1.0, это число отражает процент Positive семплов, которые модель верно классифицировала. Например, если имеется 10 экземпляров Positive и recall равен 0.6, получается, что модель корректно определила 60% объектов класса Positive (т.е. 0.6 * 10 = 6).

Подобно precision_score(), функция repl_score() из модуля sklearn.metrics вычисляет recall. В следующем блоке кода показан пример ее использования.

import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "positive", "positive", "negative", "negative", "negative"]
y_pred = ["positive", "positive", "negative", "positive", "negative", "negative"]

recall = sklearn.metrics.recall_score(y_true, y_pred, pos_label="positive")
print(recall)

Вывод: 0.6666666666666666.

После определения precision и recall давайте кратко подведем итоги:

• Precision измеряет надежность модели при классификации Positive семплов, а recall определяет, сколько Positive выборок было корректно предсказано моделью.
• Precision учитывает классификацию как Positive, так и Negative семплов. Recall же использует при расчете только представителей класса Positive. Другими словами, precision зависит как от Negative, так и от Positive-выборок, но recall — только от Positive.
• Precision принимает во внимание, когда семпл определяется как Positive, но не заботится о верной классификации всех объектов класса Positive. Recall в свою очередь учитывает корректность предсказания всех Positive выборок, но не заботится об ошибочной классификации представителей Negative как Positive.
• Когда модель имеет высокий уровень recall метрики, но низкую precision, такая модель правильно определяет большинство Positive семплов, но имеет много ложных срабатываний (классификаций Negative выборок как Positive). Если модель имеет большую precision, но низкий recall, то она делает высокоточные предсказания, определяя класс Positive, но производит всего несколько таких прогнозов.

Некоторые вопросы для проверки понимания:

• Если recall равен 1.0, а в датасете имеются 5 объектов класса Positive, сколько Positive семплов было правильно классифицировано моделью?
• Учитывая, что recall составляет 0.3, когда в наборе данных 30 Positive семплов, сколько представителей класса Positive будет предсказано верно?
• Если recall равен 0.0 и в датасете14 Positive-семплов, сколько корректных предсказаний класса Positive было сделано моделью?

Precision или Recall?

Решение о том, следует ли использовать precision или recall, зависит от типа вашей проблемы. Если цель состоит в том, чтобы обнаружить все positive выборки (не заботясь о том, будут ли negative семплы классифицированы как positive), используйте recall. Используйте precision, если ваша задача связана с комплексным предсказанием класса Positive, то есть учитывая Negative семплы, которые были ошибочно классифицированы как Positive.

Представьте, что вам дали изображение и попросили определить все автомобили внутри него. Какой показатель вы используете? Поскольку цель состоит в том, чтобы обнаружить все автомобили, используйте recall. Такой подход может ошибочно классифицировать некоторые объекты как целевые, но в конечном итоге сработает для предсказания всех автомобилей.

Теперь предположим, что вам дали снимок с результатами маммографии, и вас попросили определить наличие рака. Какой показатель вы используете? Поскольку он обязан быть чувствителен к неверной идентификации изображения как злокачественного, мы должны быть уверены, когда классифицируем снимок как Positive (то есть с раком). Таким образом, предпочтительным показателем в данном случае является precision.

Вывод

В этом руководстве обсуждалась матрица ошибок, вычисление ее 4 метрик (true/false positive/negative) для задач бинарной и мультиклассовой классификации. Используя модуль metrics библиотеки Scikit-learn, мы увидели, как получить матрицу ошибок в Python.

Основываясь на этих 4 показателях, мы перешли к обсуждению accuracy, precision и recall метрик. Каждая из них была определена и использована в нескольких примерах. Модуль sklearn.metrics применяется для расчета каждого вышеперечисленного показателя.

Перевод статьи – Understanding Confusion Matrix – Sarang Narkhede

Когда мы получаем данные после очистки, предварительной обработки и обработки данных, первым шагом, который мы делаем, является создание модели  и, конечно, получение результатов в вероятностях. Но держись! Как, черт возьми, мы можем измерить эффективность нашей модели? Лучшая эффективность, лучшая производительность и это именно то, что мы хотим. В данном случае мы начинаем использовать матрицу ошибок. Матрица ошибок (Confusion Matrix) – это измерение производительности для классификации машинного обучения.

Этот пост призван ответить на следующие вопросы:

• Что такое Матрица ошибок и зачем она нужна?
• Как вычислить матрицу ошибок для задач бинарной классификации?

Сегодня давайте разберемся с матрицей путаницы раз и навсегда.

Что такое матрица ошибок, и зачем она нужна?

Ну, это измерение производительности для задачи классификации машинного обучения, где выходной может быть два или более классов. Это таблица с 4 различными комбинациями прогнозируемых и фактических значений.

Это чрезвычайно полезно для вычисления Полноты, Точности, Специфичность, Точность и, что наиболее важно кривой ошибок AUC-ROC.

Давайте поймем термины TP, FP, FN, TN  на примере аналогии с  беременностью.

TP — истино-положительное решение:

Интерпретация: Вы предсказали положительное, и это правда.

Вы предсказали, что женщина беременна, и она на самом деле беременна.

TN — истино-отрицательное решение:

Интерпретация: Вы прогнозировали отрицательное значения, и это правда.

Вы предсказали, что мужчина не беременен, а он на самом деле не беременен.

FP — ложно-положительное решение (Ошибка типа 1):

Интерпретация: Вы предсказали положительное значение, и это неверно.

Вы предсказали, что мужчина беременен, но на самом деле это не так.

FN— ложно-отрицательное решение (Ошибка Типа 2):

Интерпретация: Вы предсказали отрицательное значение, и это неверно.

Вы предсказали, что женщина не беременна, но она на самом деле беременная.

Только помните, мы описываем прогнозируемые значения как положительные и отрицательные, а фактические значения как истинные и ложные.

How to Calculate Confusion Matrix for a 2-class classification problem?

Как вычислить матрицу ошибок  для задачи классификации с бинарными классами?

Давайте разберемся с матрицей ошибок посредством математик

Полнота Recall

Из всех положительных классов, сколько мы предсказали правильно. Это должно быть как можно выше.

Точность Precision

Из всех классов, сколько мы предсказали правильно. Это должно быть как можно выше.

F-мера

Трудно сравнить две модели с низкой точностью и высокой отзывчивостью или наоборот. Поэтому, чтобы сделать их сопоставимыми, мы используем F-меру. F-мера помогает измерять Полноту и Точность одновременно. Она использует гармоническое среднее вместо среднего арифметического, наказывая экстремальные значения больше.

https://towardsdatascience.com/understanding-confusion-matrix-a9ad42dcfd62

В машинном обучении различают оценки качества для задачи классификации и регрессии. Причем оценка задачи классификации часто значительно сложнее, чем оценка регрессии.

Оценки качества классификации

Матрица ошибок (англ. Сonfusion matrix)

Перед переходом к самим метрикам необходимо ввести важную концепцию для описания этих метрик в терминах ошибок классификации — confusion matrix (матрица ошибок).
Допустим, что у нас есть два класса и алгоритм, предсказывающий принадлежность каждого объекта одному из классов.
Рассмотрим пример. Пусть банк использует систему классификации заёмщиков на кредитоспособных и некредитоспособных. При этом первым кредит выдаётся, а вторые получат отказ. Таким образом, обнаружение некредитоспособного заёмщика () можно рассматривать как «сигнал тревоги», сообщающий о возможных рисках.

Любой реальный классификатор совершает ошибки. В нашем случае таких ошибок может быть две:

• Кредитоспособный заёмщик распознается моделью как некредитоспособный и ему отказывается в кредите. Данный случай можно трактовать как «ложную тревогу».
• Некредитоспособный заёмщик распознаётся как кредитоспособный и ему ошибочно выдаётся кредит. Данный случай можно рассматривать как «пропуск цели».

Несложно увидеть, что эти ошибки неравноценны по связанным с ними проблемам. В случае «ложной тревоги» потери банка составят только проценты по невыданному кредиту (только упущенная выгода). В случае «пропуска цели» можно потерять всю сумму выданного кредита. Поэтому системе важнее не допустить «пропуск цели», чем «ложную тревогу».

Поскольку с точки зрения логики задачи нам важнее правильно распознать некредитоспособного заёмщика с меткой , чем ошибиться в распознавании кредитоспособного, будем называть соответствующий исход классификации положительным (заёмщик некредитоспособен), а противоположный — отрицательным (заемщик кредитоспособен ). Тогда возможны следующие исходы классификации:

• Некредитоспособный заёмщик классифицирован как некредитоспособный, т.е. положительный класс распознан как положительный. Наблюдения, для которых это имеет место называются истинно-положительными (True Positive — TP).
• Кредитоспособный заёмщик классифицирован как кредитоспособный, т.е. отрицательный класс распознан как отрицательный. Наблюдения, которых это имеет место, называются истинно отрицательными (True Negative — TN).
• Кредитоспособный заёмщик классифицирован как некредитоспособный, т.е. имела место ошибка, в результате которой отрицательный класс был распознан как положительный. Наблюдения, для которых был получен такой исход классификации, называются ложно-положительными (False Positive — FP), а ошибка классификации называется ошибкой I рода.
• Некредитоспособный заёмщик распознан как кредитоспособный, т.е. имела место ошибка, в результате которой положительный класс был распознан как отрицательный. Наблюдения, для которых был получен такой исход классификации, называются ложно-отрицательными (False Negative — FN), а ошибка классификации называется ошибкой II рода.

Таким образом, ошибка I рода, или ложно-положительный исход классификации, имеет место, когда отрицательное наблюдение распознано моделью как положительное. Ошибкой II рода, или ложно-отрицательным исходом классификации, называют случай, когда положительное наблюдение распознано как отрицательное. Поясним это с помощью матрицы ошибок классификации:

	Истинно-положительный (True Positive — TP)	Ложно-положительный (False Positive — FP)
	Ложно-отрицательный (False Negative — FN)	Истинно-отрицательный (True Negative — TN)

Здесь — это ответ алгоритма на объекте, а — истинная метка класса на этом объекте.
Таким образом, ошибки классификации бывают двух видов: False Negative (FN) и False Positive (FP).
P означает что классификатор определяет класс объекта как положительный (N — отрицательный). T значит что класс предсказан правильно (соответственно F — неправильно). Каждая строка в матрице ошибок представляет спрогнозированный класс, а каждый столбец — фактический класс.

 # код для матрицы ошибок
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import confusion_matrix
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (англ. Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 # Для расчета матрицы ошибок сначала понадобится иметь набор прогнозов, чтобы их можно было сравнивать с фактическими целями
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687],
 #        [ 1891, 3530]])

Безупречный классификатор имел бы только истинно-поло­жительные и истинно отрицательные классификации, так что его матрица ошибок содержала бы ненулевые значения только на своей главной диа­гонали (от левого верхнего до правого нижнего угла):

 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.metrics import confusion_matrix
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 y_train_perfect_predictions = y_train_5 # притворись, что мы достигли совершенства
 print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_perfect_predictions))
 # array([[54579, 0],
 #        [ 0, 5421]])

Аккуратность (англ. Accuracy)

Интуитивно понятной, очевидной и почти неиспользуемой метрикой является accuracy — доля правильных ответов алгоритма:

Эта метрика бесполезна в задачах с неравными классами, что как вариант можно исправить с помощью алгоритмов сэмплирования и это легко показать на примере.

Допустим, мы хотим оценить работу спам-фильтра почты. У нас есть 100 не-спам писем, 90 из которых наш классификатор определил верно (True Negative = 90, False Positive = 10), и 10 спам-писем, 5 из которых классификатор также определил верно (True Positive = 5, False Negative = 5).
Тогда accuracy:

Однако если мы просто будем предсказывать все письма как не-спам, то получим более высокую аккуратность:

При этом, наша модель совершенно не обладает никакой предсказательной силой, так как изначально мы хотели определять письма со спамом. Преодолеть это нам поможет переход с общей для всех классов метрики к отдельным показателям качества классов.

 # код для для подсчета аккуратности:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import accuracy_score
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 # print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687]
 #        [ 1891, 3530]])
 print(accuracy_score(y_train_5, y_train_pred)) # == (53892 + 3530) / (53892 + 3530  + 1891 +687)
 
 # 0.9570333333333333

Точность (англ. Precision)

Точностью (precision) называется доля правильных ответов модели в пределах класса — это доля объектов действительно принадлежащих данному классу относительно всех объектов которые система отнесла к этому классу.

Именно введение precision не позволяет нам записывать все объекты в один класс, так как в этом случае мы получаем рост уровня False Positive.

Полнота (англ. Recall)

Полнота — это доля истинно положительных классификаций. Полнота показывает, какую долю объектов, реально относящихся к положительному классу, мы предсказали верно.

Полнота (recall) демонстрирует способность алгоритма обнаруживать данный класс вообще.

Имея матрицу ошибок, очень просто можно вычислить точность и полноту для каждого класса. Точность (precision) равняется отношению соответствующего диагонального элемента матрицы и суммы всей строки класса. Полнота (recall) — отношению диагонального элемента матрицы и суммы всего столбца класса. Формально:

Результирующая точность классификатора рассчитывается как арифметическое среднее его точности по всем классам. То же самое с полнотой. Технически этот подход называется macro-averaging.

 # код для для подсчета точности и полноты:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import precision_score, recall_score
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 # print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687]
 #        [ 1891, 3530]])
 print(precision_score(y_train_5, y_train_pred)) # == 3530 / (3530 + 687)
 print(recall_score(y_train_5, y_train_pred)) # == 3530 / (3530 + 1891)
   
 # 0.8370879772350012
 # 0.6511713705958311

F-мера (англ. F-score)

Precision и recall не зависят, в отличие от accuracy, от соотношения классов и потому применимы в условиях несбалансированных выборок.
Часто в реальной практике стоит задача найти оптимальный (для заказчика) баланс между этими двумя метриками. Понятно что чем выше точность и полнота, тем лучше. Но в реальной жизни максимальная точность и полнота не достижимы одновременно и приходится искать некий баланс. Поэтому, хотелось бы иметь некую метрику которая объединяла бы в себе информацию о точности и полноте нашего алгоритма. В этом случае нам будет проще принимать решение о том какую реализацию запускать в производство (у кого больше тот и круче). Именно такой метрикой является F-мера.

F-мера представляет собой гармоническое среднее между точностью и полнотой. Она стремится к нулю, если точность или полнота стремится к нулю.

Данная формула придает одинаковый вес точности и полноте, поэтому F-мера будет падать одинаково при уменьшении и точности и полноты. Возможно рассчитать F-меру придав различный вес точности и полноте, если вы осознанно отдаете приоритет одной из этих метрик при разработке алгоритма:

где принимает значения в диапазоне если вы хотите отдать приоритет точности, а при приоритет отдается полноте. При формула сводится к предыдущей и вы получаете сбалансированную F-меру (также ее называют ).

F-мера достигает максимума при максимальной полноте и точности, и близка к нулю, если один из аргументов близок к нулю.

F-мера является хорошим кандидатом на формальную метрику оценки качества классификатора. Она сводит к одному числу две других основополагающих метрики: точность и полноту. Имея «F-меру» гораздо проще ответить на вопрос: «поменялся алгоритм в лучшую сторону или нет?»

 # код для подсчета метрики F-mera:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 from sklearn.metrics import f1_score
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распознавать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 print(f1_score(y_train_5, y_train_pred))
 
 # 0.7325171197343846

ROC-кривая

Кривая рабочих характеристик (англ. Receiver Operating Characteristics curve).
Используется для анализа поведения классификаторов при различных пороговых значениях.
Позволяет рассмотреть все пороговые значения для данного классификатора.
Показывает долю ложно положительных примеров (англ. false positive rate, FPR) в сравнении с долей истинно положительных примеров (англ. true positive rate, TPR).

Доля FPR — это пропорция отрицательных образцов, которые были некорректно классифицированы как положительные.

,

где TNR — доля истинно отрицательных классификаций (англ. Тrие Negative Rate), пред­ставляющая собой пропорцию отрицательных образцов, которые были кор­ректно классифицированы как отрицательные.

Доля TNR также называется специфичностью (англ. specificity). Следовательно, ROC-кривая изображает чувствительность (англ. seпsitivity), т.е. полноту, в срав­нении с разностью 1 — specificity.

Прямая линия по диагонали представляет ROC-кривую чисто случайного классификатора. Хороший классификатор держится от указанной линии настолько далеко, насколько это
возможно (стремясь к левому верхнему углу).

Один из способов сравнения классификаторов предусматривает измере­ние площади под кривой (англ. Area Under the Curve — AUC). Безупречный клас­сификатор будет иметь площадь под ROC-кривой (ROC-AUC), равную 1, тогда как чисто случайный классификатор — площадь 0.5.

 # Код отрисовки ROC-кривой
 # На примере классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя классами
 # "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 from sklearn.metrics import roc_curve
 import matplotlib.pyplot as plt
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5)  # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 y_scores = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3, method="decision_function")
 fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_train_5, y_scores)
 def plot_roc_curve(fpr, tpr, label=None):
     plt.plot(fpr, tpr, linewidth=2, label=label)
     plt.plot([0, 1], [0, 1], 'k--') # dashed diagonal
     plt.xlabel('False Positive Rate, FPR (1 - specificity)')
     plt.ylabel('True Positive Rate, TPR (Recall)')
     plt.title('ROC curve')
     plt.savefig("ROC.png")
 plot_roc_curve(fpr, tpr)
 plt.show()

Precison-recall кривая

Чувствительность к соотношению классов.
Рассмотрим задачу выделения математических статей из множества научных статей. Допустим, что всего имеется 1.000.100 статей, из которых лишь 100 относятся к математике. Если нам удастся построить алгоритм , идеально решающий задачу, то его TPR будет равен единице, а FPR — нулю. Рассмотрим теперь плохой алгоритм, дающий положительный ответ на 95 математических и 50.000 нематематических статьях. Такой алгоритм совершенно бесполезен, но при этом имеет TPR = 0.95 и FPR = 0.05, что крайне близко к показателям идеального алгоритма.
Таким образом, если положительный класс существенно меньше по размеру, то AUC-ROC может давать неадекватную оценку качества работы алгоритма, поскольку измеряет долю неверно принятых объектов относительно общего числа отрицательных. Так, алгоритм , помещающий 100 релевантных документов на позиции с 50.001-й по 50.101-ю, будет иметь AUC-ROC 0.95.

Precison-recall (PR) кривая. Избавиться от указанной проблемы с несбалансированными классами можно, перейдя от ROC-кривой к PR-кривой. Она определяется аналогично ROC-кривой, только по осям откладываются не FPR и TPR, а полнота (по оси абсцисс) и точность (по оси ординат). Критерием качества семейства алгоритмов выступает площадь под PR-кривой (англ. Area Under the Curve — AUC-PR)

 # Код отрисовки Precison-recall кривой
 # На примере классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя классами
 # "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 from sklearn.metrics import precision_recall_curve
 import matplotlib.pyplot as plt
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 y_scores = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3, method="decision_function")
 precisions, recalls, thresholds = precision_recall_curve(y_train_5, y_scores)
 def plot_precision_recall_vs_threshold(precisions, recalls, thresholds):
     plt.plot(recalls, precisions, linewidth=2)
     plt.xlabel('Recall')
     plt.ylabel('Precision')
     plt.title('Precision-Recall curve')
     plt.savefig("Precision_Recall_curve.png")
 plot_precision_recall_vs_threshold(precisions, recalls, thresholds)
 plt.show()

Оценки качества регрессии

Наиболее типичными мерами качества в задачах регрессии являются

Средняя квадратичная ошибка (англ. Mean Squared Error, MSE)

MSE применяется в ситуациях, когда нам надо подчеркнуть большие ошибки и выбрать модель, которая дает меньше больших ошибок прогноза. Грубые ошибки становятся заметнее за счет того, что ошибку прогноза мы возводим в квадрат. И модель, которая дает нам меньшее значение среднеквадратической ошибки, можно сказать, что что у этой модели меньше грубых ошибок.

и

Cредняя абсолютная ошибка (англ. Mean Absolute Error, MAE)

Среднеквадратичный функционал сильнее штрафует за большие отклонения по сравнению со среднеабсолютным, и поэтому более чувствителен к выбросам. При использовании любого из этих двух функционалов может быть полезно проанализировать, какие объекты вносят наибольший вклад в общую ошибку — не исключено, что на этих объектах была допущена ошибка при вычислении признаков или целевой величины.

Среднеквадратичная ошибка подходит для сравнения двух моделей или для контроля качества во время обучения, но не позволяет сделать выводов о том, на сколько хорошо данная модель решает задачу. Например, MSE = 10 является очень плохим показателем, если целевая переменная принимает значения от 0 до 1, и очень хорошим, если целевая переменная лежит в интервале (10000, 100000). В таких ситуациях вместо среднеквадратичной ошибки полезно использовать коэффициент детерминации —

Коэффициент детерминации

Коэффициент детерминации измеряет долю дисперсии, объясненную моделью, в общей дисперсии целевой переменной. Фактически, данная мера качества — это нормированная среднеквадратичная ошибка. Если она близка к единице, то модель хорошо объясняет данные, если же она близка к нулю, то прогнозы сопоставимы по качеству с константным предсказанием.

Средняя абсолютная процентная ошибка (англ. Mean Absolute Percentage Error, MAPE)

Это коэффициент, не имеющий размерности, с очень простой интерпретацией. Его можно измерять в долях или процентах. Если у вас получилось, например, что MAPE=11.4%, то это говорит о том, что ошибка составила 11,4% от фактических значений.
Основная проблема данной ошибки — нестабильность.

Корень из средней квадратичной ошибки (англ. Root Mean Squared Error, RMSE)

Примерно такая же проблема, как и в MAPE: так как каждое отклонение возводится в квадрат, любое небольшое отклонение может значительно повлиять на показатель ошибки. Стоит отметить, что существует также ошибка MSE, из которой RMSE как раз и получается путем извлечения корня.

Cимметричная MAPE (англ. Symmetric MAPE, SMAPE)

Средняя абсолютная масштабированная ошибка (англ. Mean absolute scaled error, MASE)

MASE является очень хорошим вариантом для расчета точности, так как сама ошибка не зависит от масштабов данных и является симметричной: то есть положительные и отрицательные отклонения от факта рассматриваются в равной степени.
Обратите внимание, что в MASE мы имеем дело с двумя суммами: та, что в числителе, соответствует тестовой выборке, та, что в знаменателе — обучающей. Вторая фактически представляет собой среднюю абсолютную ошибку прогноза. Она же соответствует среднему абсолютному отклонению ряда в первых разностях. Эта величина, по сути, показывает, насколько обучающая выборка предсказуема. Она может быть равна нулю только в том случае, когда все значения в обучающей выборке равны друг другу, что соответствует отсутствию каких-либо изменений в ряде данных, ситуации на практике почти невозможной. Кроме того, если ряд имеет тенденцию к росту либо снижению, его первые разности будут колебаться около некоторого фиксированного уровня. В результате этого по разным рядам с разной структурой, знаменатели будут более-менее сопоставимыми. Всё это, конечно же, является очевидными плюсами MASE, так как позволяет складывать разные значения по разным рядам и получать несмещённые оценки.

Недостаток MASE в том, что её тяжело интерпретировать. Например, MASE=1.21 ни о чём, по сути, не говорит. Это просто означает, что ошибка прогноза оказалась в 1.21 раза выше среднего абсолютного отклонения ряда в первых разностях, и ничего более.

Кросс-валидация

Хороший способ оценки модели предусматривает применение кросс-валидации (cкользящего контроля или перекрестной проверки).

В этом случае фиксируется некоторое множество разбиений исходной выборки на две подвыборки: обучающую и контрольную. Для каждого разбиения выполняется настройка алгоритма по обучающей подвыборке, затем оценивается его средняя ошибка на объектах контрольной подвыборки. Оценкой скользящего контроля называется средняя по всем разбиениям величина ошибки на контрольных подвыборках.

Примечания

1. [1] Лекция «Оценивание качества» на www.coursera.org
2. [2] Лекция на www.stepik.org о кросвалидации
3. [3] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, Precison и Recall
4. [4] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, F-мера
5. [5] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, примеры

См. также

• Оценка качества в задаче кластеризации
• Кросс-валидация

Источники информации

1. [6] Соколов Е.А. Лекция линейная регрессия
2. [7] — Дьяконов А. Функции ошибки / функционалы качества
3. [8] — Оценка качества прогнозных моделей
4. [9] — HeinzBr Ошибка прогнозирования: виды, формулы, примеры
5. [10] — egor_labintcev Метрики в задачах машинного обучения
6. [11] — grossu Методы оценки качества прогноза
7. [12] — К.В.Воронцов, Классификация
8. [13] — К.В.Воронцов, Скользящий контроль

Есть 3 различных API для оценки качества прогнозов модели:

• Метод оценки оценщика : у оценщиков есть score метод, обеспечивающий критерий оценки по умолчанию для проблемы, для решения которой они предназначены. Это обсуждается не на этой странице, а в документации каждого оценщика.
• Параметр оценки: инструменты оценки модели с использованием перекрестной проверки (например, model_selection.cross_val_score и model_selection.GridSearchCV) полагаются на внутреннюю стратегию оценки . Это обсуждается в разделе Параметр оценки: определение правил оценки модели .
• Метрические функции : В sklearn.metrics модуле реализованы функции оценки ошибки прогноза для конкретных целей. Эти показатели подробно описаны в разделах по метрикам классификации , MultiLabel ранжирования показателей , показателей регрессии и показателей кластеризации .

Наконец, фиктивные оценки полезны для получения базового значения этих показателей для случайных прогнозов.

3.3.1. В scoring параметрах: определение правил оценки моделей

Выбор и оценка модели с использованием таких инструментов, как model_selection.GridSearchCV и model_selection.cross_val_score, принимают scoring параметр, который контролирует, какую метрику они применяют к оцениваемым оценщикам.

3.3.1.1. Общие случаи: предопределенные значения

Для наиболее распространенных случаев использования вы можете назначить объект подсчета с помощью scoring параметра; в таблице ниже показаны все возможные значения. Все объекты счетчика следуют соглашению о том, что более высокие возвращаемые значения лучше, чем более низкие возвращаемые значения . Таким образом, метрики, которые измеряют расстояние между моделью и данными, например metrics.mean_squared_error, доступны как neg_mean_squared_error, которые возвращают инвертированное значение метрики.

Примеры использования:

>>> from sklearn import svm, datasets
>>> from sklearn.model_selection import cross_val_score
>>> X, y = datasets.load_iris(return_X_y=True)
>>> clf = svm.SVC(random_state=0)
>>> cross_val_score(clf, X, y, cv=5, scoring='recall_macro')
array([0.96..., 0.96..., 0.96..., 0.93..., 1.        ])
>>> model = svm.SVC()
>>> cross_val_score(model, X, y, cv=5, scoring='wrong_choice')
Traceback (most recent call last):
ValueError: 'wrong_choice' is not a valid scoring value. Use sorted(sklearn.metrics.SCORERS.keys()) to get valid options.

3.3.1.2. Определение стратегии выигрыша от метрических функций

Модуль sklearn.metrics также предоставляет набор простых функций, измеряющих ошибку предсказания с учетом истинности и предсказания:

• функции, заканчивающиеся на, _score возвращают значение для максимизации, чем выше, тем лучше.
• функции, заканчивающиеся на _error или _loss возвращающие значение, которое нужно минимизировать, чем ниже, тем лучше. При преобразовании в объект счетчика с использованием make_scorer установите для greater_is_better параметра значение False ( True по умолчанию; см. Описание параметра ниже).

Метрики, доступные для различных задач машинного обучения, подробно описаны в разделах ниже.

Многим метрикам не даются имена для использования в качестве scoring значений, иногда потому, что они требуют дополнительных параметров, например fbeta_score. В таких случаях вам необходимо создать соответствующий объект оценки. Самый простой способ создать вызываемый объект для оценки — использовать make_scorer. Эта функция преобразует метрики в вызываемые объекты, которые можно использовать для оценки модели.

Один из типичных вариантов использования — обернуть существующую метрическую функцию из библиотеки значениями, отличными от значений по умолчанию для ее параметров, такими как beta параметр для fbeta_score функции:

>>> from sklearn.metrics import fbeta_score, make_scorer
>>> ftwo_scorer = make_scorer(fbeta_score, beta=2)
>>> from sklearn.model_selection import GridSearchCV
>>> from sklearn.svm import LinearSVC
>>> grid = GridSearchCV(LinearSVC(), param_grid={'C': [1, 10]},
...                     scoring=ftwo_scorer, cv=5)

Второй вариант использования — создание полностью настраиваемого объекта скоринга из простой функции Python с использованием make_scorer, которая может принимать несколько параметров:

• функция Python, которую вы хотите использовать ( my_custom_loss_func в примере ниже)
• возвращает ли функция Python оценку ( greater_is_better=True, по умолчанию) или потерю ( greater_is_better=False). В случае потери результат функции python аннулируется объектом скоринга в соответствии с соглашением о перекрестной проверке, согласно которому скоринтеры возвращают более высокие значения для лучших моделей.
• только для показателей классификации: требуется ли для предоставленной вами функции Python постоянная уверенность в принятии решений ( needs_threshold=True). Значение по умолчанию неверно.
• любые дополнительные параметры, такие как betaили labels в f1_score.

Вот пример создания пользовательских счетчиков очков и использования greater_is_better параметра:

>>> import numpy as np
>>> def my_custom_loss_func(y_true, y_pred):
...     diff = np.abs(y_true - y_pred).max()
...     return np.log1p(diff)
...
>>> # score will negate the return value of my_custom_loss_func,
>>> # which will be np.log(2), 0.693, given the values for X
>>> # and y defined below.
>>> score = make_scorer(my_custom_loss_func, greater_is_better=False)
>>> X = [[1], [1]]
>>> y = [0, 1]
>>> from sklearn.dummy import DummyClassifier
>>> clf = DummyClassifier(strategy='most_frequent', random_state=0)
>>> clf = clf.fit(X, y)
>>> my_custom_loss_func(y, clf.predict(X))
0.69...
>>> score(clf, X, y)
-0.69...

3.3.1.3. Реализация собственного скорингового объекта

Вы можете сгенерировать еще более гибкие модели скоринга, создав свой собственный скоринговый объект с нуля, без использования make_scorer фабрики. Чтобы вызываемый может быть бомбардиром, он должен соответствовать протоколу, указанному в следующих двух правилах:

• Его можно вызвать с параметрами (estimator, X, y), где estimator это модель, которая должна быть оценена, X это данные проверки и y основная истинная цель для (в контролируемом случае) или None (в неконтролируемом случае).
• Он возвращает число с плавающей запятой, которое количественно определяет estimator качество прогнозирования X со ссылкой на y. Опять же, по соглашению более высокие числа лучше, поэтому, если ваш секретарь сообщает о проигрыше, это значение следует отменить.

>>> from custom_scorer_module import custom_scoring_function 
>>> cross_val_score(model,
...  X_train,
...  y_train,
...  scoring=make_scorer(custom_scoring_function, greater_is_better=False),
...  cv=5,
...  n_jobs=-1) 

3.3.1.4. Использование множественной метрической оценки

Scikit-learn также позволяет оценивать несколько показателей в GridSearchCV, RandomizedSearchCV и cross_validate.

Есть три способа указать несколько показателей оценки для scoring параметра:

• Как итерация строковых показателей:

>>> scoring = ['accuracy', 'precision']

• В качестве dictсопоставления имени секретаря с функцией подсчета очков:

>>> from sklearn.metrics import accuracy_score
>>> from sklearn.metrics import make_scorer
>>> scoring = {'accuracy': make_scorer(accuracy_score),
...            'prec': 'precision'}

Обратите внимание, что значения dict могут быть либо функциями счетчика, либо одной из предварительно определенных строк показателей.

• Как вызываемый объект, возвращающий словарь оценок:

>>> from sklearn.model_selection import cross_validate
>>> from sklearn.metrics import confusion_matrix
>>> # A sample toy binary classification dataset
>>> X, y = datasets.make_classification(n_classes=2, random_state=0)
>>> svm = LinearSVC(random_state=0)
>>> def confusion_matrix_scorer(clf, X, y):
...      y_pred = clf.predict(X)
...      cm = confusion_matrix(y, y_pred)
...      return {'tn': cm[0, 0], 'fp': cm[0, 1],
...              'fn': cm[1, 0], 'tp': cm[1, 1]}
>>> cv_results = cross_validate(svm, X, y, cv=5,
...                             scoring=confusion_matrix_scorer)
>>> # Getting the test set true positive scores
>>> print(cv_results['test_tp'])
[10  9  8  7  8]
>>> # Getting the test set false negative scores
>>> print(cv_results['test_fn'])
[0 1 2 3 2]

3.3.2. Метрики классификации

В sklearn.metrics модуле реализованы несколько функций потерь, оценки и полезности для измерения эффективности классификации. Некоторые метрики могут потребовать оценок вероятности положительного класса, значений достоверности или значений двоичных решений. Большинство реализаций позволяют каждой выборке вносить взвешенный вклад в общую оценку с помощью sample_weight параметра.

Некоторые из них ограничены случаем двоичной классификации:

Другие также работают в случае мультикласса:

Некоторые также работают в многоярусном регистре:

А некоторые работают с двоичными и многозначными (но не мультиклассовыми) проблемами:

В следующих подразделах мы опишем каждую из этих функций, которым будут предшествовать некоторые примечания по общему API и определению показателей.

3.3.2.1. От бинарного до мультиклассового и многозначного

Некоторые метрики по существу определены для задач двоичной классификации (например f1_score, roc_auc_score). В этих случаях по умолчанию оценивается только положительная метка, предполагая по умолчанию, что положительный класс помечен 1 (хотя это можно настроить с помощью pos_label параметра).

При расширении двоичной метрики на задачи с несколькими классами или метками данные обрабатываются как набор двоичных задач, по одной для каждого класса. Затем есть несколько способов усреднить вычисления двоичных показателей по набору классов, каждый из которых может быть полезен в некотором сценарии. Если возможно, вы должны выбрать одно из них с помощью average параметра.

• "macro" просто вычисляет среднее значение двоичных показателей, придавая каждому классу одинаковый вес. В задачах, где редкие занятия тем не менее важны, макро-усреднение может быть средством выделения их производительности. С другой стороны, предположение, что все классы одинаково важны, часто неверно, так что макро-усреднение будет чрезмерно подчеркивать обычно низкую производительность для нечастого класса.
• "weighted" учитывает дисбаланс классов, вычисляя среднее значение двоичных показателей, в которых оценка каждого класса взвешивается по его присутствию в истинной выборке данных.
• "micro" дает каждой паре выборка-класс равный вклад в общую метрику (за исключением результата взвешивания выборки). Вместо того, чтобы суммировать метрику для каждого класса, это суммирует дивиденды и делители, составляющие метрики для каждого класса, для расчета общего частного. Микро-усреднение может быть предпочтительным в настройках с несколькими ярлыками, включая многоклассовую классификацию, когда класс большинства следует игнорировать.
• "samples" применяется только к задачам с несколькими ярлыками. Он не вычисляет меру для каждого класса, вместо этого вычисляет метрику по истинным и прогнозируемым классам для каждой выборки в данных оценки и возвращает их ( sample_weight — взвешенное) среднее значение.
• Выбор average=None вернет массив с оценкой для каждого класса.

В то время как данные мультикласса предоставляются метрике, как двоичные цели, в виде массива меток классов, данные с несколькими метками указываются как индикаторная матрица, в которой ячейка [i, j] имеет значение 1, если у образца i есть метка j, и значение 0 в противном случае.

3.3.2.2. Оценка точности

Функция accuracy_score вычисляет точность , либо фракции ( по умолчанию) или количество (нормализует = False) правильных предсказаний.

В классификации с несколькими ярлыками функция возвращает точность подмножества. Если весь набор предсказанных меток для выборки строго соответствует истинному набору меток, то точность подмножества равна 1,0; в противном случае — 0, 0.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда доля правильных прогнозов по сравнению с $n_{samples}$ определяется как
$$texttt{accuracy}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} 1(hat{y}_i = y_i)$$

где $1(x)$- индикаторная функция .

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import accuracy_score
>>> y_pred = [0, 2, 1, 3]
>>> y_true = [0, 1, 2, 3]
>>> accuracy_score(y_true, y_pred)
0.5
>>> accuracy_score(y_true, y_pred, normalize=False)
2

В многопозиционном корпусе с бинарными индикаторами меток:

>>> accuracy_score(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.ones((2, 2)))
0.5

3.3.2.3. Рейтинг точности Top-k

Функция top_k_accuracy_score представляет собой обобщение accuracy_score. Разница в том, что прогноз считается правильным, если истинная метка связана с одним из kнаивысших прогнозируемых баллов. accuracy_score является частным случаем k = 1.

Функция охватывает случаи двоичной и многоклассовой классификации, но не случай многозначной классификации.

Если $hat{f}_{i,j}$ прогнозируемый класс для $i$-й образец, соответствующий $j$-й по величине прогнозируемый результат и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда доля правильных прогнозов по сравнению с $n_{samples}$ определяется как
$$texttt{top-k accuracy}(y, hat{f}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} sum_{j=1}^{k} 1(hat{f}_{i,j} = y_i)$$

где k допустимое количество предположений и 1(x)- индикаторная функция.

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import top_k_accuracy_score
>>> y_true = np.array([0, 1, 2, 2])
>>> y_score = np.array([[0.5, 0.2, 0.2],
...                     [0.3, 0.4, 0.2],
...                     [0.2, 0.4, 0.3],
...                     [0.7, 0.2, 0.1]])
>>> top_k_accuracy_score(y_true, y_score, k=2)
0.75
>>> # Not normalizing gives the number of "correctly" classified samples
>>> top_k_accuracy_score(y_true, y_score, k=2, normalize=False)
3

3.3.2.4. Сбалансированный показатель точности

Функция balanced_accuracy_score вычисляет взвешенную точность , что позволяет избежать завышенных оценок производительности на несбалансированных данных. Это макросреднее количество оценок отзыва по классу или, что то же самое, грубая точность, где каждая выборка взвешивается в соответствии с обратной распространенностью ее истинного класса. Таким образом, для сбалансированных наборов данных оценка равна точности.

В двоичном случае сбалансированная точность равна среднему арифметическому чувствительности (истинно положительный показатель) и специфичности (истинно отрицательный показатель) или площади под кривой ROC с двоичными прогнозами, а не баллами:
$$texttt{balanced-accuracy} = frac{1}{2}left( frac{TP}{TP + FN} + frac{TN}{TN + FP}right )$$

Если классификатор одинаково хорошо работает в любом классе, этот термин сокращается до обычной точности (т. е. Количества правильных прогнозов, деленного на общее количество прогнозов).

Напротив, если обычная точность выше вероятности только потому, что классификатор использует несбалансированный набор тестов, тогда сбалансированная точность, при необходимости, упадет до $frac{1}{n_classes}$.

Оценка варьируется от 0 до 1 или, когда adjusted=True используется, масштабируется до диапазона $frac{1}{1 — n_classes}$ до 1 включительно, с произвольной оценкой 0.

Если yi истинная ценность $i$-й образец, и $w_i$ — соответствующий вес образца, затем мы настраиваем вес образца на:
$$hat{w}_i = frac{w_i}{sum_j{1(y_j = y_i) w_j}}$$

где $1(x)$- индикаторная функция . Учитывая предсказанный $hat{y}_i$ для образца $i$, сбалансированная точность определяется как:
$$texttt{balanced-accuracy}(y, hat{y}, w) = frac{1}{sum{hat{w}_i}} sum_i 1(hat{y}_i = y_i) hat{w}_i$$

С adjusted=True сбалансированной точностью сообщает об относительном увеличении от $texttt{balanced-accuracy}(y, mathbf{0}, w) =frac{1}{n_classes}$. В двоичном случае это также известно как * статистика Юдена * , или информированность .

3.3.2.5. Каппа Коэна

Функция cohen_kappa_score вычисляет каппа-Коэна статистику. Эта мера предназначена для сравнения меток, сделанных разными людьми-аннотаторами, а не классификатором с достоверной информацией.

Показатель каппа (см. Строку документации) представляет собой число от -1 до 1. Баллы выше 0,8 обычно считаются хорошим совпадением; ноль или ниже означает отсутствие согласия (практически случайные метки).

Оценка Каппа может быть вычислена для двоичных или многоклассовых задач, но не для задач с несколькими метками (за исключением ручного вычисления оценки для каждой метки) и не более чем для двух аннотаторов.

>>> from sklearn.metrics import cohen_kappa_score
>>> y_true = [2, 0, 2, 2, 0, 1]
>>> y_pred = [0, 0, 2, 2, 0, 2]
>>> cohen_kappa_score(y_true, y_pred)
0.4285714285714286

3.3.2.6. Матрица неточностей ¶

Точность функции confusion_matrix вычисляет классификацию пути вычисления матрицы путаницы с каждой строкой , соответствующей истинный классом (Википедия и другие ссылки могут использовать различные конвенции для осей).

По определению запись i,j в матрице неточностей — количество наблюдений в группе i, но предполагается, что он будет в группе j. Вот пример:

>>> from sklearn.metrics import confusion_matrix
>>> y_true = [2, 0, 2, 2, 0, 1]
>>> y_pred = [0, 0, 2, 2, 0, 2]
>>> confusion_matrix(y_true, y_pred)
array([[2, 0, 0],
       [0, 0, 1],
       [1, 0, 2]])

plot_confusion_matrix может использоваться для визуального представления матрицы неточностей, как показано в примере матрицы неточностей, который создает следующий рисунок:

Параметр normalize позволяет сообщать коэффициенты вместо подсчетов. Матрица путаница может быть нормализована в 3 различными способами: 'pred', 'true'и 'all' которые будут делить счетчики на сумму каждого столбца, строки или всей матрицы, соответственно.

>>> y_true = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1]
>>> y_pred = [0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
>>> confusion_matrix(y_true, y_pred, normalize='all')
array([[0.25 , 0.125],
       [0.25 , 0.375]])

Для двоичных задач мы можем получить подсчет истинно отрицательных, ложноположительных, ложноотрицательных и истинно положительных результатов следующим образом:

>>> y_true = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1]
>>> y_pred = [0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
>>> tn, fp, fn, tp = confusion_matrix(y_true, y_pred).ravel()
>>> tn, fp, fn, tp
(2, 1, 2, 3)

3.3.2.7. Отчет о классификации

Функция classification_report создает текстовый отчет , показывающий основные показатели классификации. Вот небольшой пример с настраиваемыми target_names и предполагаемыми ярлыками:

>>> from sklearn.metrics import classification_report
>>> y_true = [0, 1, 2, 2, 0]
>>> y_pred = [0, 0, 2, 1, 0]
>>> target_names = ['class 0', 'class 1', 'class 2']
>>> print(classification_report(y_true, y_pred, target_names=target_names))
              precision    recall  f1-score   support

     class 0       0.67      1.00      0.80         2
     class 1       0.00      0.00      0.00         1
     class 2       1.00      0.50      0.67         2

    accuracy                           0.60         5
   macro avg       0.56      0.50      0.49         5
weighted avg       0.67      0.60      0.59         5

3.3.2.8. Потеря Хэмминга

hamming_loss вычисляет среднюю потерю Хэмминга или расстояние Хемминга между двумя наборами образцов.

Если $hat{y}_j$ прогнозируемое значение для $j$-я этикетка данного образца, $y_j$ — соответствующее истинное значение, а $n_{labels}$ — количество классов или меток, то потеря Хэмминга $L_{Hamming}$ между двумя образцами определяется как:
$$L_{Hamming}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{labels}} sum_{j=0}^{n_text{labels} — 1} 1(hat{y}_j not= y_j)$$

где $1(x)$- индикаторная функция .

>>> from sklearn.metrics import hamming_loss
>>> y_pred = [1, 2, 3, 4]
>>> y_true = [2, 2, 3, 4]
>>> hamming_loss(y_true, y_pred)
0.25

В многопозиционном корпусе с бинарными индикаторами меток:

>>> hamming_loss(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.zeros((2, 2)))
0.75

3.3.2.9. Точность, отзыв и F-меры

Интуитивно, точность — это способность классификатора не маркировать как положительный образец, который является отрицательным, а отзыв — это способность классификатора находить все положительные образцы.

F-мера ($F_beta$ а также $F_1$ меры) можно интерпретировать как взвешенное гармоническое среднее значение точности и полноты. А $F_beta$ мера достигает своего лучшего значения на уровне 1 и худшего результата на уровне 0. С $beta = 1$, $F_beta$ а также $F_1$ эквивалентны, а отзыв и точность одинаково важны.

precision_recall_curve вычисляет кривую точности-отзыва на основе наземной метки истинности и оценки, полученной классификатором путем изменения порога принятия решения.

Функция average_precision_score вычисляет среднюю точность (AP) от оценки прогнозирования. Значение от 0 до 1 и выше — лучше. AP определяется как
$$text{AP} = sum_n (R_n — R_{n-1}) P_n$$

где $P_n$ а также $R_n$- точность и отзыв на n-м пороге. При случайных прогнозах AP — это доля положительных образцов.

Ссылки [Manning2008] и [Everingham2010] представляют альтернативные варианты AP, которые интерполируют кривую точности-отзыва. В настоящее время average_precision_score не реализован какой-либо вариант с интерполяцией. Ссылки [Davis2006] и [Flach2015] описывают, почему линейная интерполяция точек на кривой точности-отзыва обеспечивает чрезмерно оптимистичный показатель эффективности классификатора. Эта линейная интерполяция используется при вычислении площади под кривой с помощью правила трапеции в auc.

Несколько функций позволяют анализировать точность, отзыв и оценку F-мер:

Обратите внимание, что функция precision_recall_curve ограничена двоичным регистром. Функция average_precision_score работает только в двоичном формате классификации и MultiLabel индикатора. В функции plot_precision_recall_curve графики точности вспомнить следующим образом .

3.3.2.9.1. Бинарная классификация

В задаче бинарной классификации термины «положительный» и «отрицательный» относятся к предсказанию классификатора, а термины «истинный» и «ложный» относятся к тому, соответствует ли этот прогноз внешнему суждению ( иногда известное как «наблюдение»). Учитывая эти определения, мы можем сформулировать следующую таблицу:

В этом контексте мы можем определить понятия точности, отзыва и F-меры:
$$text{precision} = frac{tp}{tp + fp},$$
$$text{recall} = frac{tp}{tp + fn},$$
$$F_beta = (1 + beta^2) frac{text{precision} times text{recall}}{beta^2 text{precision} + text{recall}}.$$

Вот несколько небольших примеров бинарной классификации:

>>> from sklearn import metrics
>>> y_pred = [0, 1, 0, 0]
>>> y_true = [0, 1, 0, 1]
>>> metrics.precision_score(y_true, y_pred)
1.0
>>> metrics.recall_score(y_true, y_pred)
0.5
>>> metrics.f1_score(y_true, y_pred)
0.66...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, beta=0.5)
0.83...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, beta=1)
0.66...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, beta=2)
0.55...
>>> metrics.precision_recall_fscore_support(y_true, y_pred, beta=0.5)
(array([0.66..., 1.        ]), array([1. , 0.5]), array([0.71..., 0.83...]), array([2, 2]))


>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import precision_recall_curve
>>> from sklearn.metrics import average_precision_score
>>> y_true = np.array([0, 0, 1, 1])
>>> y_scores = np.array([0.1, 0.4, 0.35, 0.8])
>>> precision, recall, threshold = precision_recall_curve(y_true, y_scores)
>>> precision
array([0.66..., 0.5       , 1.        , 1.        ])
>>> recall
array([1. , 0.5, 0.5, 0. ])
>>> threshold
array([0.35, 0.4 , 0.8 ])
>>> average_precision_score(y_true, y_scores)
0.83...

3.3.2.9.2. Мультиклассовая и многозначная классификация

В задаче классификации по нескольким классам и меткам понятия точности, отзыва и F-меры могут применяться к каждой метке независимо. Есть несколько способов , чтобы объединить результаты по этикеткам, указанных в average аргументе к average_precision_score (MultiLabel только) f1_score, fbeta_score, precision_recall_fscore_support, precision_score и recall_score функция, как описано выше . Обратите внимание, что если включены все метки, «микро» -усреднение в настройке мультикласса обеспечит точность, отзыв и $F$ все они идентичны по точности. Также обратите внимание, что «взвешенное» усреднение может дать оценку F, которая не находится между точностью и отзывом.

Чтобы сделать это более явным, рассмотрим следующие обозначения:

• $y$ набор предсказанных ($sample$, $label$) пары
• $hat{y}$ набор истинных ($sample$, $label$) пары
•  $L$ набор лейблов
• $S$ набор образцов
• $y_s$ подмножество $y$ с образцом $s$, т.е $y_s := left{(s’, l) in y | s’ = sright}$. 
• $y_l$ подмножество $y$ с этикеткой $l$
• по аналогии, $hat{y}_s$ а также $hat{y}_l$ являются подмножествами $hat{y}$
• $P(A, B) := frac{left| A cap B right|}{left|Aright|}$ для некоторых наборов $A$ и $B$
• $R(A, B) := frac{left| A cap B right|}{left|Bright|}$ (Условные обозначения различаются в зависимости от обращения $B = emptyset$; эта реализация использует $R(A, B):=0$, и аналогичные для $P$.)
• $$F_beta(A, B) := left(1 + beta^2right) frac{P(A, B) times R(A, B)}{beta^2 P(A, B) + R(A, B)}$$

Тогда показатели определяются как:

>>> from sklearn import metrics
>>> y_true = [0, 1, 2, 0, 1, 2]
>>> y_pred = [0, 2, 1, 0, 0, 1]
>>> metrics.precision_score(y_true, y_pred, average='macro')
0.22...
>>> metrics.recall_score(y_true, y_pred, average='micro')
0.33...
>>> metrics.f1_score(y_true, y_pred, average='weighted')
0.26...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, average='macro', beta=0.5)
0.23...
>>> metrics.precision_recall_fscore_support(y_true, y_pred, beta=0.5, average=None)
(array([0.66..., 0.        , 0.        ]), array([1., 0., 0.]), array([0.71..., 0.        , 0.        ]), array([2, 2, 2]...))

Для мультиклассовой классификации с «отрицательным классом» можно исключить некоторые метки:

>>> metrics.recall_score(y_true, y_pred, labels=[1, 2], average='micro')
... # excluding 0, no labels were correctly recalled
0.0

Точно так же метки, отсутствующие в выборке данных, могут учитываться при макро-усреднении.

>>> metrics.precision_score(y_true, y_pred, labels=[0, 1, 2, 3], average='macro')
0.166...

3.3.2.10. Оценка коэффициента сходства Жаккара

Функция jaccard_score вычисляет среднее значение коэффициентов сходства Jaccard , также называемый индексом Jaccard, между парами множеств меток.

Коэффициент подобия Жаккара i-ые образцы, с набором меток наземной достоверности yi и прогнозируемый набор меток y^i, определяется как
$$J(y_i, hat{y}_i) = frac{|y_i cap hat{y}_i|}{|y_i cup hat{y}_i|}.$$

jaccard_score работает как precision_recall_fscore_support наивно установленная мера, применяемая изначально к бинарным целям, и расширена для применения к множественным меткам и мультиклассам за счет использования average(см. выше ).

В двоичном случае:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import jaccard_score
>>> y_true = np.array([[0, 1, 1],
...                    [1, 1, 0]])
>>> y_pred = np.array([[1, 1, 1],
...                    [1, 0, 0]])
>>> jaccard_score(y_true[0], y_pred[0])
0.6666...

В многопозиционном корпусе с бинарными индикаторами меток:

>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='samples')
0.5833...
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='macro')
0.6666...
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average=None)
array([0.5, 0.5, 1. ])

Задачи с несколькими классами преобразуются в двоичную форму и обрабатываются как соответствующая задача с несколькими метками:

>>> y_pred = [0, 2, 1, 2]
>>> y_true = [0, 1, 2, 2]
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average=None)
array([1. , 0. , 0.33...])
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='macro')
0.44...
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='micro')
0.33...

3.3.2.11. Петля лосс

Функция hinge_loss вычисляет среднее расстояние между моделью и данными с использованием петля лосс, односторонний показателем , который учитывает только ошибки прогнозирования. (Потери на шарнирах используются в классификаторах максимальной маржи, таких как опорные векторные машины.)

Если метки закодированы с помощью +1 и -1, $y$: истинное значение, а $w$ — прогнозируемые решения на выходе decision_function, тогда потери на шарнирах определяются как:
$$L_text{Hinge}(y, w) = maxleft{1 — wy, 0right} = left|1 — wyright|_+$$

Если имеется более двух ярлыков, hinge_loss используется мультиклассовый вариант, разработанный Crammer & Singer. Вот статья, описывающая это.

Если $y_w$ прогнозируемое решение для истинного лейбла и $y_t$ — это максимум предсказанных решений для всех других меток, где предсказанные решения выводятся функцией принятия решений, тогда потеря шарнира в нескольких классах определяется следующим образом:
$$L_text{Hinge}(y_w, y_t) = maxleft{1 + y_t — y_w, 0right}$$

Вот небольшой пример, демонстрирующий использование hinge_loss функции с классификатором svm в задаче двоичного класса:

>>> from sklearn import svm
>>> from sklearn.metrics import hinge_loss
>>> X = [[0], [1]]
>>> y = [-1, 1]
>>> est = svm.LinearSVC(random_state=0)
>>> est.fit(X, y)
LinearSVC(random_state=0)
>>> pred_decision = est.decision_function([[-2], [3], [0.5]])
>>> pred_decision
array([-2.18...,  2.36...,  0.09...])
>>> hinge_loss([-1, 1, 1], pred_decision)
0.3...

Вот пример, демонстрирующий использование hinge_loss функции с классификатором svm в мультиклассовой задаче:

>>> X = np.array([[0], [1], [2], [3]])
>>> Y = np.array([0, 1, 2, 3])
>>> labels = np.array([0, 1, 2, 3])
>>> est = svm.LinearSVC()
>>> est.fit(X, Y)
LinearSVC()
>>> pred_decision = est.decision_function([[-1], [2], [3]])
>>> y_true = [0, 2, 3]
>>> hinge_loss(y_true, pred_decision, labels)
0.56...

3.3.2.12. Лог лосс

Лог лосс, также называемые потерями логистической регрессии или кросс-энтропийными потерями, определяются на основе оценок вероятности. Он обычно используется в (полиномиальной) логистической регрессии и нейронных сетях, а также в некоторых вариантах максимизации ожидания и может использоваться для оценки выходов вероятности ( predict_proba) классификатора вместо его дискретных прогнозов.

Для двоичной классификации с истинной меткой $y in {0,1}$ и оценка вероятности $p = operatorname{Pr}(y = 1)$, логарифмическая потеря на выборку представляет собой отрицательную логарифмическую вероятность классификатора с истинной меткой:
$$L_{log}(y, p) = -log operatorname{Pr}(y|p) = -(y log (p) + (1 — y) log (1 — p))$$

Это распространяется на случай мультикласса следующим образом. Пусть истинные метки для набора выборок будут закодированы размером 1 из K как двоичная индикаторная матрица $Y$, т.е. $y_{i,k}=1$ если образец $i$ есть ярлык $k$ взят из набора $K$ этикетки. Пусть $P$ — матрица оценок вероятностей, с $p_{i,k} = operatorname{Pr}(y_{i,k} = 1)$. Тогда потеря журнала всего набора равна
$$L_{log}(Y, P) = -log operatorname{Pr}(Y|P) = — frac{1}{N} sum_{i=0}^{N-1} sum_{k=0}^{K-1} y_{i,k} log p_{i,k}$$

Чтобы увидеть, как это обобщает приведенную выше потерю двоичного журнала, обратите внимание, что в двоичном случае $p_{i,0} = 1 — p_{i,1}$ и $y_{i,0} = 1 — y_{i,1}$, поэтому разложив внутреннюю сумму на $y_{i,k} in {0,1}$ дает двоичную потерю журнала.

В log_loss функции вычисляет журнал потеря дана список меток приземной истины и матриц вероятностей, возвращенный оценщик predict_proba методом.

>>> from sklearn.metrics import log_loss
>>> y_true = [0, 0, 1, 1]
>>> y_pred = [[.9, .1], [.8, .2], [.3, .7], [.01, .99]]
>>> log_loss(y_true, y_pred)
0.1738...

Первое [.9, .1] в y_pred означает 90% вероятность того, что первая выборка будет иметь метку 0. Лог лос неотрицательны.

3.3.2.13. Коэффициент корреляции Мэтьюза

Функция matthews_corrcoef вычисляет коэффициент корреляции Матфея (MCC) для двоичных классов. Цитата из Википедии:

«Коэффициент корреляции Мэтьюза используется в машинном обучении как мера качества двоичных (двухклассных) классификаций. Он учитывает истинные и ложные положительные и отрицательные результаты и обычно рассматривается как сбалансированная мера, которую можно использовать, даже если классы очень разных размеров. MCC — это, по сути, значение коэффициента корреляции между -1 и +1. Коэффициент +1 представляет собой идеальное предсказание, 0 — среднее случайное предсказание и -1 — обратное предсказание. Статистика также известна как коэффициент фи ».

В бинарном (двухклассовом) случае $tp$, $tn$, $fp$ а также $fn$ являются соответственно количеством истинно положительных, истинно отрицательных, ложноположительных и ложноотрицательных результатов, MCC определяется как
$$MCC = frac{tp times tn — fp times fn}{sqrt{(tp + fp)(tp + fn)(tn + fp)(tn + fn)}}.$$

В случае мультикласса коэффициент корреляции Мэтьюза может быть определен в терминах confusion_matrix C для Kклассы. Чтобы упростить определение, рассмотрим следующие промежуточные переменные:

• $t_k=sum_{i}^{K} C_{ik}$ количество занятий k действительно произошло,
• $p_k=sum_{i}^{K} C_{ki}$ количество занятий k был предсказан,
• $c=sum_{k}^{K} C_{kk}$ общее количество правильно спрогнозированных образцов,
• $s=sum_{i}^{K} sum_{j}^{K} C_{ij}$ общее количество образцов.

Тогда мультиклассовый MCC определяется как:
$$MCC = frac{ c times s — sum_{k}^{K} p_k times t_k }{sqrt{ (s^2 — sum_{k}^{K} p_k^2) times (s^2 — sum_{k}^{K} t_k^2) }}$$

Когда имеется более двух меток, значение MCC больше не будет находиться в диапазоне от -1 до +1. Вместо этого минимальное значение будет где-то между -1 и 0 в зависимости от количества и распределения наземных истинных меток. Максимальное значение всегда +1.

Вот небольшой пример, иллюстрирующий использование matthews_corrcoef функции:

>>> from sklearn.metrics import matthews_corrcoef
>>> y_true = [+1, +1, +1, -1]
>>> y_pred = [+1, -1, +1, +1]
>>> matthews_corrcoef(y_true, y_pred)
-0.33...

3.3.2.14. Матрица путаницы с несколькими метками

Функция multilabel_confusion_matrix вычисляет класс-накрест ( по умолчанию) или samplewise (samplewise = True) MultiLabel матрицы спутанности для оценки точности классификации. Multilabel_confusion_matrix также обрабатывает данные мультикласса, как если бы они были многоклассовыми, поскольку это преобразование, обычно применяемое для оценки проблем мультикласса с метриками двоичной классификации (такими как точность, отзыв и т. д.).

При вычислении классовой матрицы путаницы с несколькими метками $C$, количество истинных негативов для класса i является $C_{i,0,0}$, ложноотрицательные $C_{i,1,0}$, истинные положительные стороны $C_{i,1,1}$ а ложные срабатывания $C_{i,0,1}$.

Вот пример, демонстрирующий использование multilabel_confusion_matrix функции с вводом многозначной индикаторной матрицы:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import multilabel_confusion_matrix
>>> y_true = np.array([[1, 0, 1],
...                    [0, 1, 0]])
>>> y_pred = np.array([[1, 0, 0],
...                    [0, 1, 1]])
>>> multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred)
array([[[1, 0],
        [0, 1]],

       [[1, 0],
        [0, 1]],

       [[0, 1],
        [1, 0]]])

Или можно построить матрицу неточностей для каждой метки образца:

>>> multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred, samplewise=True)
array([[[1, 0],
        [1, 1]],

       [[1, 1],
        [0, 1]]])

Вот пример, демонстрирующий использование multilabel_confusion_matrix функции с многоклассовым вводом:

>>> y_true = ["cat", "ant", "cat", "cat", "ant", "bird"]
>>> y_pred = ["ant", "ant", "cat", "cat", "ant", "cat"]
>>> multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred,
...                             labels=["ant", "bird", "cat"])
array([[[3, 1],
        [0, 2]],

       [[5, 0],
        [1, 0]],

       [[2, 1],
        [1, 2]]])

Вот несколько примеров, демонстрирующих использование multilabel_confusion_matrix функции для расчета отзыва (или чувствительности), специфичности, количества выпадений и пропусков для каждого класса в задаче с вводом многозначной индикаторной матрицы.

Расчет отзыва (также называемого истинно положительным коэффициентом или чувствительностью) для каждого класса:

>>> y_true = np.array([[0, 0, 1],
...                    [0, 1, 0],
...                    [1, 1, 0]])
>>> y_pred = np.array([[0, 1, 0],
...                    [0, 0, 1],
...                    [1, 1, 0]])
>>> mcm = multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred)
>>> tn = mcm[:, 0, 0]
>>> tp = mcm[:, 1, 1]
>>> fn = mcm[:, 1, 0]
>>> fp = mcm[:, 0, 1]
>>> tp / (tp + fn)
array([1. , 0.5, 0. ])

Расчет специфичности (также называемой истинно отрицательной ставкой) для каждого класса:

>>> tn / (tn + fp)
array([1. , 0. , 0.5])

Расчет количества выпадений (также называемый частотой ложных срабатываний) для каждого класса:

>>> fp / (fp + tn)
array([0. , 1. , 0.5])

Расчет процента промахов (также называемого ложноотрицательным показателем) для каждого класса:

>>> fn / (fn + tp)
array([0. , 0.5, 1. ])

3.3.2.15. Рабочая характеристика приемника (ROC)

Функция roc_curve вычисляет рабочую характеристическую кривую приемника или кривую ROC . Цитата из Википедии:

«Рабочая характеристика приемника (ROC), или просто кривая ROC, представляет собой графический график, который иллюстрирует работу системы двоичного классификатора при изменении ее порога дискриминации. Он создается путем построения графика доли истинных положительных результатов из положительных (TPR = частота истинных положительных результатов) по сравнению с долей ложных положительных результатов из отрицательных (FPR = частота ложных положительных результатов) при различных настройках пороговых значений. TPR также известен как чувствительность, а FPR — это единица минус специфичность или истинно отрицательный показатель ».

Для этой функции требуется истинное двоичное значение и целевые баллы, которые могут быть либо оценками вероятности положительного класса, либо значениями достоверности, либо двоичными решениями. Вот небольшой пример использования roc_curve функции:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import roc_curve
>>> y = np.array([1, 1, 2, 2])
>>> scores = np.array([0.1, 0.4, 0.35, 0.8])
>>> fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y, scores, pos_label=2)
>>> fpr
array([0. , 0. , 0.5, 0.5, 1. ])
>>> tpr
array([0. , 0.5, 0.5, 1. , 1. ])
>>> thresholds
array([1.8 , 0.8 , 0.4 , 0.35, 0.1 ])

На этом рисунке показан пример такой кривой ROC:

Функция roc_auc_score вычисляет площадь под операционной приемника характеристика (ROC) кривой, которая также обозначается через ППК или AUROC. При вычислении площади под кривой roc информация о кривой суммируется в одном номере. Для получения дополнительной информации см. Статью в Википедии о AUC.

По сравнению с такими показателями, как точность подмножества, потеря Хэмминга или оценка F1, ROC не требует оптимизации порога для каждой метки.

3.3.2.15.1. Двоичный регистр

В двоичном случае вы можете либо предоставить оценки вероятности, используя classifier.predict_proba() метод, либо значения решения без пороговых значений, заданные classifier.decision_function() методом. В случае предоставления оценок вероятности следует указать вероятность класса с «большей меткой». «Большая метка» соответствует classifier.classes_[1] и, следовательно classifier.predict_proba(X) [:, 1]. Следовательно, параметр y_score имеет размер (n_samples,).

>>> from sklearn.datasets import load_breast_cancer
>>> from sklearn.linear_model import LogisticRegression
>>> from sklearn.metrics import roc_auc_score
>>> X, y = load_breast_cancer(return_X_y=True)
>>> clf = LogisticRegression(solver="liblinear").fit(X, y)
>>> clf.classes_
array([0, 1])

Мы можем использовать оценки вероятностей, соответствующие clf.classes_[1].

>>> y_score = clf.predict_proba(X)[:, 1]
>>> roc_auc_score(y, y_score)
0.99...

В противном случае мы можем использовать значения решения без порога.

>>> roc_auc_score(y, clf.decision_function(X))
0.99...

3.3.2.15.2. Мультиклассовый кейс

Функция roc_auc_score также может быть использована в нескольких классах классификации . В настоящее время поддерживаются две стратегии усреднения: алгоритм «один против одного» вычисляет среднее попарных оценок AUC ROC, а алгоритм «один против остальных» вычисляет среднее значение оценок ROC AUC для каждого класса по сравнению со всеми другими классами. В обоих случаях предсказанные метки предоставляются в виде массива со значениями от 0 до n_classes, а оценки соответствуют оценкам вероятности того, что выборка принадлежит определенному классу. Алгоритмы OvO и OvR поддерживают равномерное взвешивание ( average='macro') и по распространенности ( average='weighted').

Алгоритм «один против одного» : вычисляет средний AUC всех возможных попарных комбинаций классов. [HT2001] определяет метрику AUC мультикласса, взвешенную равномерно:
$$frac{1}{c(c-1)}sum_{j=1}^{c}sum_{k > j}^c (text{AUC}(j | k) + text{AUC}(k | j))$$

где $c$ количество классов и $text{AUC}(j | k)$ AUC с классом $j$ как положительный класс и класс $k$ как отрицательный класс. В общем, $text{AUC}(j | k) neq text{AUC}(k | j))$ в случае мультикласса. Этот алгоритм используется, установив аргумент ключевого слова , multiclass чтобы 'ovo' и average в 'macro'.

[HT2001] мультиклассируют AUC метрика может быть расширена , чтобы быть взвешены по распространенности:
$$frac{1}{c(c-1)}sum_{j=1}^{c}sum_{k > j}^c p(j cup k)( text{AUC}(j | k) + text{AUC}(k | j))$$

где cколичество классов. Этот алгоритм используется, установив аргумент ключевого слова , multiclass чтобы 'ovo' и average в 'weighted'. В 'weighted' опции возвращает распространенность усредненные , как описано в [FC2009] .

Алгоритм «один против остальных» : вычисляет AUC каждого класса относительно остальных [PD2000] . Алгоритм функционально такой же, как и в случае с несколькими этикетками. Чтобы включить этот алгоритм, установите для аргумента ключевого слова multiclass значение 'ovr'. Как и OvO, OvR поддерживает два типа усреднения: 'macro' [F2006] и 'weighted' [F2001] .

В приложениях , где высокий процент ложных срабатываний не терпимый параметр max_fpr из roc_auc_score может быть использовано , чтобы суммировать кривую ROC до заданного предела.

3.3.2.15.3. Кейс с несколькими метками

В классификации несколько меток, функция roc_auc_score распространяются путем усреднения меток , как выше . В этом случае вы должны указать y_score форму . Таким образом, при использовании оценок вероятности необходимо выбрать вероятность класса с большей меткой для каждого выхода.(n_samples, n_classes)

>>> from sklearn.datasets import make_multilabel_classification
>>> from sklearn.multioutput import MultiOutputClassifier
>>> X, y = make_multilabel_classification(random_state=0)
>>> inner_clf = LogisticRegression(solver="liblinear", random_state=0)
>>> clf = MultiOutputClassifier(inner_clf).fit(X, y)
>>> y_score = np.transpose([y_pred[:, 1] for y_pred in clf.predict_proba(X)])
>>> roc_auc_score(y, y_score, average=None)
array([0.82..., 0.86..., 0.94..., 0.85... , 0.94...])

И значения решений не требуют такой обработки.

>>> from sklearn.linear_model import RidgeClassifierCV
>>> clf = RidgeClassifierCV().fit(X, y)
>>> y_score = clf.decision_function(X)
>>> roc_auc_score(y, y_score, average=None)
array([0.81..., 0.84... , 0.93..., 0.87..., 0.94...])

3.3.2.16. Компромисс при обнаружении ошибок (DET)

Функция det_curve вычисляет кривую компенсации ошибок обнаружения (DET) [WikipediaDET2017] . Цитата из Википедии:

«График компромисса ошибок обнаружения (DET) — это графическая диаграмма частоты ошибок для систем двоичной классификации, отображающая частоту ложных отклонений по сравнению с частотой ложных приемов. Оси x и y масштабируются нелинейно по их стандартным нормальным отклонениям (или просто с помощью логарифмического преобразования), в результате получаются более линейные кривые компромисса, чем кривые ROC, и большая часть области изображения используется для выделения важных различий в критический рабочий регион ».

Кривые DET представляют собой вариацию кривых рабочих характеристик приемника (ROC), где ложная отрицательная скорость нанесена на ось y вместо истинной положительной скорости. Кривые DET обычно строятся в масштабе нормального отклонения путем преобразования $phi^{-1}$ (с участием $phi$ — кумулятивная функция распределения). Полученные кривые производительности явно визуализируют компромисс типов ошибок для заданных алгоритмов классификации. См. [Martin1997], где приведены примеры и мотивация.

На этом рисунке сравниваются кривые ROC и DET двух примеров классификаторов для одной и той же задачи классификации:

Характеристики:

• Кривые DET образуют линейную кривую по шкале нормального отклонения, если оценки обнаружения нормально (или близки к нормальному) распределены. В [Navratil2007] было показано, что обратное не обязательно верно, и даже более общие распределения могут давать линейные кривые DET.
• При обычном преобразовании масштаба с отклонением точки распределяются таким образом, что занимает сравнительно большее пространство графика. Следовательно, кривые с аналогичными характеристиками классификации легче различить на графике DET.
• С ложноотрицательной скоростью, «обратной» истинной положительной скорости, точкой совершенства для кривых DET является начало координат (в отличие от верхнего левого угла для кривых ROC).

Приложения и ограничения:

Кривые DET интуитивно понятны для чтения и, следовательно, позволяют быстро визуально оценить работу классификатора. Кроме того, кривые DET можно использовать для анализа пороговых значений и выбора рабочей точки. Это особенно полезно, если требуется сравнение типов ошибок.

С другой стороны, кривые DET не представляют свою метрику в виде единого числа. Поэтому для автоматической оценки или сравнения с другими задачами классификации лучше подходят такие показатели, как производная площадь под кривой ROC.

3.3.2.17. Нулевой проигрыш

Функция zero_one_loss вычисляет сумму или среднее значение потери 0-1 классификации ($L_{0−1}$) над $n_{samples}$. По умолчанию функция нормализуется по выборке. Чтобы получить сумму $L_{0−1}$, установите normalize значение False.

В классификации по zero_one_loss нескольким меткам подмножество оценивается как единое целое, если его метки строго соответствуют прогнозам, и как ноль, если есть какие-либо ошибки. По умолчанию функция возвращает процент неправильно спрогнозированных подмножеств. Чтобы вместо этого получить количество таких подмножеств, установите normalize значение False

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда потеря 0-1 $L_{0−1}$ определяется как:
$$L_{0-1}(y_i, hat{y}_i) = 1(hat{y}_i not= y_i)$$

где $1(x)$- индикаторная функция.

>>> from sklearn.metrics import zero_one_loss
>>> y_pred = [1, 2, 3, 4]
>>> y_true = [2, 2, 3, 4]
>>> zero_one_loss(y_true, y_pred)
0.25
>>> zero_one_loss(y_true, y_pred, normalize=False)
1

В случае с несколькими метками с двоичными индикаторами меток, где первый набор меток [0,1] содержит ошибку:

>>> zero_one_loss(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.ones((2, 2)))
0.5

>>> zero_one_loss(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.ones((2, 2)),  normalize=False)
1

3.3.2.18. Потеря очков по Брайеру

Функция brier_score_loss вычисляет оценку Шиповник для бинарных классов [Brier1950] . Цитата из Википедии:

«Оценка Бриера — это правильная функция оценки, которая измеряет точность вероятностных прогнозов. Это применимо к задачам, в которых прогнозы должны назначать вероятности набору взаимоисключающих дискретных результатов ».

Эта функция возвращает среднеквадратичную ошибку фактического результата. y∈{0,1} и прогнозируемая оценка вероятности $p=Pr⁡(y=1)$ ( pred_proba ) как выведено :
$$BS = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1}(y_i — p_i)^2$$

Потеря по шкале Бриера также составляет от 0 до 1, и чем ниже значение (средняя квадратичная разница меньше), тем точнее прогноз.

Вот небольшой пример использования этой функции:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import brier_score_loss
>>> y_true = np.array([0, 1, 1, 0])
>>> y_true_categorical = np.array(["spam", "ham", "ham", "spam"])
>>> y_prob = np.array([0.1, 0.9, 0.8, 0.4])
>>> y_pred = np.array([0, 1, 1, 0])
>>> brier_score_loss(y_true, y_prob)
0.055
>>> brier_score_loss(y_true, 1 - y_prob, pos_label=0)
0.055
>>> brier_score_loss(y_true_categorical, y_prob, pos_label="ham")
0.055
>>> brier_score_loss(y_true, y_prob > 0.5)
0.0

Балл Бриера можно использовать для оценки того, насколько хорошо откалиброван классификатор. Однако меньшая потеря по шкале Бриера не всегда означает лучшую калибровку. Это связано с тем, что по аналогии с разложением среднеквадратичной ошибки на дисперсию смещения потеря оценки по Бриеру может быть разложена как сумма потерь калибровки и потерь при уточнении [Bella2012]. Потеря калибровки определяется как среднеквадратическое отклонение от эмпирических вероятностей, полученных из наклона ROC-сегментов. Потери при переработке можно определить как ожидаемые оптимальные потери, измеренные по площади под кривой оптимальных затрат. Потери при уточнении могут изменяться независимо от потерь при калибровке, таким образом, более низкие потери по шкале Бриера не обязательно означают более качественную калибровку модели. «Только когда потеря точности остается неизменной, более низкая потеря по шкале Бриера всегда означает лучшую калибровку» [Bella2012] , [Flach2008] .

3.3.3. Метрики ранжирования с несколькими ярлыками

В многоэлементном обучении с каждой выборкой может быть связано любое количество меток истинности. Цель состоит в том, чтобы дать высокие оценки и более высокий рейтинг наземным лейблам.

3.3.3.1. Ошибка покрытия

Функция coverage_error вычисляет среднее число меток , которые должны быть включены в окончательном предсказании таким образом, что все истинные метки предсказанные. Это полезно, если вы хотите знать, сколько меток с наивысшими баллами вам нужно предсказать в среднем, не пропуская ни одной истинной. Таким образом, наилучшее значение этого показателя — среднее количество истинных ярлыков.

Формально, учитывая двоичную индикаторную матрицу наземных меток истинности $y in left{0, 1right}^{n_text{samples} times n_text{labels}}$ и оценка, связанная с каждой меткой $hat{f} in mathbb{R}^{n_text{samples} times n_text{labels}}$ покрытие определяется как
$$coverage(y, hat{f}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1} max_{j:y_{ij} = 1} text{rank}_{ij}$$

с участием $text{rank}{ij} = left|left{k: hat{f}{ik} geq hat{f}_{ij} right}right|$. Учитывая определение ранга, связи y_scores разрываются путем присвоения максимального ранга, который был бы присвоен всем связанным значениям.

Вот небольшой пример использования этой функции:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import coverage_error
>>> y_true = np.array([[1, 0, 0], [0, 0, 1]])
>>> y_score = np.array([[0.75, 0.5, 1], [1, 0.2, 0.1]])
>>> coverage_error(y_true, y_score)
2.5

3.3.3.2. Средняя точность ранжирования метки

В label_ranking_average_precision_score функции реализует маркировать ранжирование средней точности (LRAP). Этот показатель связан с average_precision_score функцией, но основан на понятии ранжирования меток, а не на точности и отзыве.

Средняя точность ранжирования меток (LRAP) усредняет по выборкам ответ на следующий вопрос: для каждой основной метки истинности какая доля меток с более высоким рейтингом была истинной? Этот показатель эффективности будет выше, если вы сможете лучше ранжировать метки, связанные с каждым образцом. Полученная оценка всегда строго больше 0, а наилучшее значение равно 1. Если имеется ровно одна релевантная метка для каждой выборки, средняя точность ранжирования меток эквивалентна среднему обратному рангу .

Формально, учитывая двоичную индикаторную матрицу наземных меток истинности $y in left{0, 1right}^{n_text{samples} times n_text{labels}}$ и оценка, связанная с каждой меткой $hat{f} in mathbb{R}^{n_text{samples} times n_text{labels}}$, средняя точность определяется как
$$LRAP(y, hat{f}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1} frac{1}{||y_i||0} sum{j:y_{ij} = 1} frac{|mathcal{L}{ij}|}{text{rank}{ij}}$$

где $mathcal{L}{ij} = left{k: y{ik} = 1, hat{f}{ik} geq hat{f}{ij} right}$, $text{rank}{ij} = left|left{k: hat{f}{ik} geq hat{f}_{ij} right}right|$, |cdot| вычисляет мощность набора (т. е. количество элементов в наборе), и $||cdot||_0$ это $ell_0$ «Norm» (который вычисляет количество ненулевых элементов в векторе).

Вот небольшой пример использования этой функции:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import label_ranking_average_precision_score
>>> y_true = np.array([[1, 0, 0], [0, 0, 1]])
>>> y_score = np.array([[0.75, 0.5, 1], [1, 0.2, 0.1]])
>>> label_ranking_average_precision_score(y_true, y_score)
0.416...

3.3.3.3. Потеря рейтинга

Функция label_ranking_loss вычисляет ранжирование потери , которые в среднем более образцы числа пар меток, которые неправильно упорядочены, т.е. истинные метки имеют более низкую оценку , чем ложные метки, взвешенную по обратной величине числа упорядоченных пар ложных и истинных меток. Наименьшая возможная потеря рейтинга равна нулю.

Формально, учитывая двоичную индикаторную матрицу наземных меток истинности $y in left{0, 1right}^{n_text{samples} times n_text{labels}}$ и оценка, связанная с каждой меткой $hat{f} in mathbb{R}^{n_text{samples} times n_text{labels}}$ потеря ранжирования определяется как
$$ranking_loss(y, hat{f}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1} frac{1}{||y_i||0(ntext{labels} — ||y_i||0)} left|left{(k, l): hat{f}{ik} leq hat{f}{il}, y{ik} = 1, y_{il} = 0 right}right|$$

где $|cdot|$ вычисляет мощность набора (т. е. количество элементов в наборе) и $||cdot||_0$ это $ell_0$ «Norm» (который вычисляет количество ненулевых элементов в векторе).

Вот небольшой пример использования этой функции:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import label_ranking_loss
>>> y_true = np.array([[1, 0, 0], [0, 0, 1]])
>>> y_score = np.array([[0.75, 0.5, 1], [1, 0.2, 0.1]])
>>> label_ranking_loss(y_true, y_score)
0.75...
>>> # With the following prediction, we have perfect and minimal loss
>>> y_score = np.array([[1.0, 0.1, 0.2], [0.1, 0.2, 0.9]])
>>> label_ranking_loss(y_true, y_score)
0.0

3.3.3.4. Нормализованная дисконтированная совокупная прибыль

Дисконтированный совокупный выигрыш (DCG) и Нормализованный дисконтированный совокупный выигрыш (NDCG) — это показатели ранжирования, реализованные в dcg_score и ndcg_score; они сравнивают предсказанный порядок с оценками достоверности, такими как релевантность ответов на запрос.

Со страницы Википедии о дисконтированной совокупной прибыли:

«Дисконтированная совокупная прибыль (DCG) — это показатель качества ранжирования. При поиске информации он часто используется для измерения эффективности алгоритмов поисковой системы или связанных приложений. Используя шкалу градуированной релевантности документов в наборе результатов поисковой системы, DCG измеряет полезность или выгоду документа на основе его позиции в списке результатов. Прирост накапливается сверху вниз в списке результатов, причем прирост каждого результата дисконтируется на более низких уровнях »

DCG упорядочивает истинные цели (например, релевантность ответов на запросы) в предсказанном порядке, затем умножает их на логарифмическое убывание и суммирует результат. Сумма может быть усечена после первогоKрезультатов, и в этом случае мы называем это DCG @ K. NDCG или NDCG @ $K$ — это DCG, деленная на DCG, полученную с помощью точного прогноза, так что оно всегда находится между 0 и 1. Обычно NDCG предпочтительнее DCG.

По сравнению с потерей ранжирования, NDCG может принимать во внимание оценки релевантности, а не ранжирование на основе фактов. Таким образом, если основополагающая информация состоит только из упорядочивания, предпочтение следует отдавать потере ранжирования; если основополагающая информация состоит из фактических оценок полезности (например, 0 для нерелевантного, 1 для релевантного, 2 для очень актуального), можно использовать NDCG.

Для одного образца, учитывая вектор непрерывных значений истинности для каждой цели $y in R^M$, где $M$ это количество выходов, а прогноз $hat{y}$, что индуцирует функцию ранжирования $f$, оценка DCG составляет
$$sum_{r=1}^{min(K, M)}frac{y_{f(r)}}{log(1 + r)}$$

а оценка NDCG — это оценка DCG, деленная на оценку DCG, полученную для $y$.

3.3.4. Метрики регрессии

В sklearn.metrics модуле реализованы несколько функций потерь, оценки и полезности для измерения эффективности регрессии. Некоторые из них были расширены , чтобы обработать случай multioutput: mean_squared_error, mean_absolute_error, explained_variance_score и r2_score. 

У этих функций есть multioutput аргумент ключевого слова, который определяет способ усреднения результатов или проигрышей для каждой отдельной цели. По умолчанию используется значение 'uniform_average', которое определяет равномерно взвешенное среднее значение по выходным данным. Если передается ndarrayформа shape (n_outputs,), то ее записи интерпретируются как веса, и возвращается соответствующее средневзвешенное значение. Если multioutputесть 'raw_values'указан, то все неизменные индивидуальные баллы или потери будут возвращены в массиве формы (n_outputs,).

r2_score и  explained_variance_score принять дополнительное значение 'variance_weighted' для multioutput параметра. Эта опция приводит к взвешиванию каждой индивидуальной оценки по дисперсии соответствующей целевой переменной. Этот параметр определяет количественно зафиксированную немасштабированную дисперсию на глобальном уровне. Если целевые переменные имеют разную шкалу, то этот балл придает большее значение хорошему объяснению переменных с более высокой дисперсией. multioutput='variance_weighted' — значение по умолчанию r2_score для обратной совместимости. В будущем это будет изменено на uniform_average.

3.3.4.1. Оценка объясненной дисперсии

explained_variance_score вычисляет объясненной дисперсии регрессии балл.

Если $hat{y}$ — расчетный целевой объем производства, y соответствующий (правильный) целевой результат, и $Var$- Дисперсия , квадрат стандартного отклонения, то объясненная дисперсия оценивается следующим образом:
$$explained_{}variance(y, hat{y}) = 1 — frac{Var{ y — hat{y}}}{Var{y}}$$

Наилучшая возможная оценка — 1.0, более низкие значения — хуже.

Вот небольшой пример использования explained_variance_score функции:

>>> from sklearn.metrics import explained_variance_score
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred)
0.957...
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred, multioutput='raw_values')
array([0.967..., 1.        ])
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred, multioutput=[0.3, 0.7])
0.990...

3.3.4.2. Максимальная ошибка

Функция max_error вычисляет максимальную остаточную ошибку , показатель , который фиксирует худшую ошибку случае между предсказанным значением и истинным значением. В идеально подобранной модели регрессии с одним выходом он max_error будет находиться 0 в обучающем наборе, и хотя это маловероятно в реальном мире, этот показатель показывает степень ошибки, которую имела модель при подборе.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец, и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда максимальная ошибка определяется как
$$text{Max Error}(y, hat{y}) = max(| y_i — hat{y}_i |)$$

Вот небольшой пример использования функции max_error:

>>> from sklearn.metrics import max_error
>>> y_true = [3, 2, 7, 1]
>>> y_pred = [9, 2, 7, 1]
>>> max_error(y_true, y_pred)
6

max_error не поддерживает multioutput.

3.3.4.3. Средняя абсолютная ошибка

Функция mean_absolute_error вычисляет среднюю абсолютную погрешность , риск метрики , соответствующей ожидаемого значение абсолютной потери или ошибок $l1$-нормальная потеря.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец, и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда средняя абсолютная ошибка (MAE), оцененная за $n_{samples}$ определяется как
$$text{MAE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}}-1} left| y_i — hat{y}_i right|.$$

Вот небольшой пример использования функции mean_absolute_error:

>>> from sklearn.metrics import mean_absolute_error
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred)
0.5
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred)
0.75
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred, multioutput='raw_values')
array([0.5, 1. ])
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred, multioutput=[0.3, 0.7])
0.85...

3.3.4.4. Среднеквадратичная ошибка

Функция mean_squared_error вычисляет среднюю квадратическую ошибку , риск метрики , соответствующую ожидаемое значение квадрата (квадратичной) ошибки или потерю.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец, и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда среднеквадратичная ошибка (MSE), оцененная на $n_{samples}$ определяется как
$$text{MSE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples} — 1} (y_i — hat{y}_i)^2.$$

Вот небольшой пример использования функции mean_squared_error:

>>> from sklearn.metrics import mean_squared_error
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> mean_squared_error(y_true, y_pred)
0.375
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> mean_squared_error(y_true, y_pred)
0.7083...

3.3.4.5. Среднеквадратичная логарифмическая ошибка

Функция mean_squared_log_error вычисляет риск метрики , соответствующий ожидаемому значению квадрата логарифмической (квадратичной) ошибки или потери.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец, и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда среднеквадратичная логарифмическая ошибка (MSLE), оцененная на $n_{samples}$ определяется как
$$text{MSLE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples} — 1} (log_e (1 + y_i) — log_e (1 + hat{y}_i) )^2.$$

Где $log_e (x)$ означает натуральный логарифм $x$. Эту метрику лучше всего использовать, когда цели имеют экспоненциальный рост, например, численность населения, средние продажи товара в течение нескольких лет и т. Д. Обратите внимание, что эта метрика штрафует за заниженную оценку больше, чем за завышенную оценку.

Вот небольшой пример использования функции mean_squared_log_error:

>>> from sklearn.metrics import mean_squared_log_error
>>> y_true = [3, 5, 2.5, 7]
>>> y_pred = [2.5, 5, 4, 8]
>>> mean_squared_log_error(y_true, y_pred)
0.039...
>>> y_true = [[0.5, 1], [1, 2], [7, 6]]
>>> y_pred = [[0.5, 2], [1, 2.5], [8, 8]]
>>> mean_squared_log_error(y_true, y_pred)
0.044...

3.3.4.6. Средняя абсолютная ошибка в процентах

mean_absolute_percentage_error (MAPE), также известный как среднее абсолютное отклонение в процентах (МАПД), является метрикой для оценки проблем регрессии. Идея этой метрики — быть чувствительной к относительным ошибкам. Например, он не изменяется глобальным масштабированием целевой переменной.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда средняя абсолютная процентная ошибка (MAPE), оцененная за $n_{samples}$ определяется как
$$text{MAPE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}}-1} frac{{}left| y_i — hat{y}_i right|}{max(epsilon, left| y_i right|)}$$

где $epsilon$ — произвольное маленькое, но строго положительное число, чтобы избежать неопределенных результатов, когда y равно нулю.

В функции mean_absolute_percentage_error опоры multioutput.

Вот небольшой пример использования функции mean_absolute_percentage_error:

>>> from sklearn.metrics import mean_absolute_percentage_error
>>> y_true = [1, 10, 1e6]
>>> y_pred = [0.9, 15, 1.2e6]
>>> mean_absolute_percentage_error(y_true, y_pred)
0.2666...

В приведенном выше примере, если бы мы использовали mean_absolute_error, он бы проигнорировал небольшие значения магнитуды и только отразил бы ошибку в предсказании максимального значения магнитуды. Но эта проблема решена в случае MAPE, потому что он вычисляет относительную процентную ошибку по отношению к фактическому выходу.

3.3.4.7. Средняя абсолютная ошибка

Это median_absolute_error особенно интересно, потому что оно устойчиво к выбросам. Убыток рассчитывается путем взятия медианы всех абсолютных различий между целью и прогнозом.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда средняя абсолютная ошибка (MedAE), оцененная на $n_{samples}$ определяется как
$$text{MedAE}(y, hat{y}) = text{median}(mid y_1 — hat{y}_1 mid, ldots, mid y_n — hat{y}_n mid).$$

median_absolute_error Не поддерживает multioutput.

Вот небольшой пример использования функции median_absolute_error:

>>> from sklearn.metrics import median_absolute_error
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> median_absolute_error(y_true, y_pred)
0.5

3.3.4.8. R² балл, коэффициент детерминации

Функция r2_score вычисляет коэффициент детерминации , как правило , обозначенный как R².

Он представляет собой долю дисперсии (y), которая была объяснена независимыми переменными в модели. Он обеспечивает показатель степени соответствия и, следовательно, меру того, насколько хорошо невидимые выборки могут быть предсказаны моделью через долю объясненной дисперсии.

Поскольку такая дисперсия зависит от набора данных, R² не может быть значимо сопоставимым для разных наборов данных. Наилучшая возможная оценка — 1,0, и она может быть отрицательной (потому что модель может быть произвольно хуже). Постоянная модель, которая всегда предсказывает ожидаемое значение y, игнорируя входные характеристики, получит оценку R² 0,0.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец и $y_i$ соответствующее истинное значение для общего n образцов, расчетный R² определяется как:
$$R^2(y, hat{y}) = 1 — frac{sum_{i=1}^{n} (y_i — hat{y}i)^2}{sum{i=1}^{n} (y_i — bar{y})^2}$$

где $bar{y} = frac{1}{n} sum_{i=1}^{n} y_i$ и $sum_{i=1}^{n} (y_i — hat{y}i)^2 = sum{i=1}^{n} epsilon_i^2$.

Обратите внимание, что r2_score вычисляется нескорректированное R² без поправки на смещение выборочной дисперсии y.

Вот небольшой пример использования функции r2_score:

>>> from sklearn.metrics import r2_score
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> r2_score(y_true, y_pred)
0.948...
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput='variance_weighted')
0.938...
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput='uniform_average')
0.936...
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput='raw_values')
array([0.965..., 0.908...])
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput=[0.3, 0.7])
0.925...

3.3.4.9. Средние отклонения Пуассона, Гаммы и Твиди

Функция mean_tweedie_deviance вычисляет среднюю ошибку Deviance Tweedie с powerпараметром ($p$). Это показатель, который выявляет прогнозируемые ожидаемые значения целей регрессии.

Существуют следующие особые случаи:

• когда power=0 это эквивалентно mean_squared_error.
• когда power=1 это эквивалентно mean_poisson_deviance.
• когда power=2 это эквивалентно mean_gamma_deviance.

Если $hat{y}_i$ прогнозируемое значение $i$-й образец и $y_i$ — соответствующее истинное значение, тогда средняя ошибка отклонения Твиди (D) для мощности $p$, оценивается более $n_{samples}$ определяется как

Отклонение от твиди — однородная функция степени 2-power. Таким образом, гамма-распределение power=2 означает, что одновременно масштабируется y_true и y_pred не влияет на отклонение. Для распределения Пуассона power=1 отклонение масштабируется линейно, а для нормального распределения ( power=0) — квадратично. В общем, чем выше, powerтем меньше веса придается крайним отклонениям между истинными и прогнозируемыми целевыми значениями.

Например, давайте сравним два прогноза 1.0 и 100, которые оба составляют 50% от их соответствующего истинного значения.

Среднеквадратичная ошибка ( power=0) очень чувствительна к разнице прогнозов второй точки:

>>> from sklearn.metrics import mean_tweedie_deviance
>>> mean_tweedie_deviance([1.0], [1.5], power=0)
0.25
>>> mean_tweedie_deviance([100.], [150.], power=0)
2500.0

Если увеличить powerдо 1:

>>> mean_tweedie_deviance([1.0], [1.5], power=1)
0.18...
>>> mean_tweedie_deviance([100.], [150.], power=1)
18.9...

разница в ошибках уменьшается. Наконец, установив power=2:

>>> mean_tweedie_deviance([1.0], [1.5], power=2)
0.14...
>>> mean_tweedie_deviance([100.], [150.], power=2)
0.14...

мы получим идентичные ошибки. Таким образом, отклонение when power=2чувствительно только к относительным ошибкам.

3.3.5. Метрики кластеризации

В модуле sklearn.metrics реализованы несколько функций потерь, оценки и полезности. Для получения дополнительной информации см. Раздел « Оценка производительности кластеризации » для кластеризации экземпляров и « Оценка бикластеризации» для бикластеризации.

3.3.6. Фиктивные оценки

При обучении с учителем простая проверка работоспособности состоит из сравнения своей оценки с простыми практическими правилами. DummyClassifier реализует несколько таких простых стратегий классификации:

• stratified генерирует случайные прогнозы, соблюдая распределение классов обучающего набора.
• most_frequent всегда предсказывает наиболее частую метку в обучающем наборе.
• prior всегда предсказывает класс, который максимизирует предыдущий класс (как most_frequent) и predict_proba возвращает предыдущий класс.
• uniform генерирует предсказания равномерно в случайном порядке.
• constant всегда предсказывает постоянную метку, предоставленную пользователем. Основная мотивация этого метода — оценка F1, когда положительный класс находится в меньшинстве.

Обратите внимание, что со всеми этими стратегиями predict метод полностью игнорирует входные данные!

Для иллюстрации DummyClassifier сначала создадим несбалансированный набор данных:

>>> from sklearn.datasets import load_iris
>>> from sklearn.model_selection import train_test_split
>>> X, y = load_iris(return_X_y=True)
>>> y[y != 1] = -1
>>> X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)

Далее сравним точность SVC и most_frequent:

>>> from sklearn.dummy import DummyClassifier
>>> from sklearn.svm import SVC
>>> clf = SVC(kernel='linear', C=1).fit(X_train, y_train)
>>> clf.score(X_test, y_test)
0.63...
>>> clf = DummyClassifier(strategy='most_frequent', random_state=0)
>>> clf.fit(X_train, y_train)
DummyClassifier(random_state=0, strategy='most_frequent')
>>> clf.score(X_test, y_test)
0.57...

Мы видим, что SVC это не намного лучше, чем фиктивный классификатор. Теперь давайте изменим ядро:

>>> clf = SVC(kernel='rbf', C=1).fit(X_train, y_train)
>>> clf.score(X_test, y_test)
0.94...

Мы видим, что точность увеличена почти до 100%. Для лучшей оценки точности рекомендуется стратегия перекрестной проверки, если она не требует слишком больших затрат на ЦП. Для получения дополнительной информации см. Раздел « Перекрестная проверка: оценка производительности оценщика ». Более того, если вы хотите оптимизировать пространство параметров, настоятельно рекомендуется использовать соответствующую методологию; подробности см. в разделе « Настройка гиперпараметров оценщика ».

В более общем плане, когда точность классификатора слишком близка к случайной, это, вероятно, означает, что что-то пошло не так: функции бесполезны, гиперпараметр настроен неправильно, классификатор страдает от дисбаланса классов и т. Д.

DummyRegressor также реализует четыре простых правила регрессии:

• mean всегда предсказывает среднее значение тренировочных целей.
• median всегда предсказывает медианное значение тренировочных целей.
• quantile всегда предсказывает предоставленный пользователем квантиль учебных целей.
• constant всегда предсказывает постоянное значение, предоставляемое пользователем.

Во всех этих стратегиях predict метод полностью игнорирует входные данные.

В компьютерном зрении обнаружение объекта — это проблема определения местоположения одного или нескольких объектов на изображении. Помимо традиционных методов обнаружения, продвинутые модели глубокого обучения, такие как R-CNN и YOLO, могут обеспечить впечатляющие результаты при различных типах объектов. Эти модели принимают изображение в качестве входных данных и возвращают координаты прямоугольника, ограничивающего пространство вокруг каждого найденного объекта.

В этом руководстве обсуждается матрица ошибок и то, как рассчитываются precision, recall и accuracy метрики.

Здесь мы рассмотрим:

• Матрицу ошибок для двоичной классификации.
• Матрицу ошибок для мультиклассовой классификации.
• Расчет матрицы ошибок с помощью Scikit-learn.
• Accuracy, Precision и Recall.
• Precision или Recall?

Матрица ошибок для бинарной классификации

В бинарной классификации каждая выборка относится к одному из двух классов. Обычно им присваиваются такие метки, как 1 и 0, или положительный и отрицательный (Positive и Negative). Также могут использоваться более конкретные обозначения для классов: злокачественный или доброкачественный (например, если проблема связана с классификацией рака), успех или неудача (если речь идет о классификации результатов тестов учащихся).

Предположим, что существует проблема бинарной классификации с классами positive и negative. Вот пример достоверных или эталонных меток для семи выборок, используемых для обучения модели.

positive, negative, negative, positive, positive, positive, negative

Такие наименования нужны в первую очередь для того, чтобы нам, людям, было проще различать классы. Для модели более важна числовая оценка. Обычно при передаче очередного набора данных на выходе вы получите не метку класса, а числовой результат. Например, когда эти семь семплов вводятся в модель, каждому классу будут назначены следующие значения:

0.6, 0.2, 0.55, 0.9, 0.4, 0.8, 0.5

На основании полученных оценок каждой выборке присваивается соответствующий класс. Такое преобразование числовых результатов в метки происходит с помощью порогового значения. Данное граничное условие является гиперпараметром модели и может быть определено пользователем. Например, если порог равен 0.5, тогда любая оценка, которая больше или равна 0.5, получает положительную метку. В противном случае — отрицательную. Вот предсказанные алгоритмом классы:

positive (0.6), negative (0.2), positive (0.55), positive (0.9), negative (0.4), positive (0.8), positive (0.5)

Сравните достоверные и полученные метки — мы имеем 4 верных и 3 неверных предсказания. Стоит добавить, что изменение граничного условия отражается на результатах. Например, установка порога, равного 0.6, оставляет только два неверных прогноза.

Реальность: positive, negative, negative, positive, positive, positive, negative 
Предсказания: positive, negative, positive, positive, negative, positive, positive

Для получения дополнительной информации о характеристиках модели используется матрица ошибок (confusion matrix). Матрица ошибок помогает нам визуализировать, «ошиблась» ли модель при различении двух классов. Как видно на следующем рисунке, это матрица 2х2. Названия строк представляют собой эталонные метки, а названия столбцов — предсказанные.

Четыре элемента матрицы (клетки красного и зеленого цвета) представляют собой четыре метрики, которые подсчитывают количество правильных и неправильных прогнозов, сделанных моделью. Каждому элементу дается метка, состоящая из двух слов:

1. True или False.
2. Positive или Negative.

True, если получено верное предсказание, то есть эталонные и предсказанные метки классов совпадают, и False, когда они не совпадают. Positive или Negative — названия предсказанных меток.

Таким образом, всякий раз, когда прогноз неверен, первое слово в ячейке False, когда верен — True. Наша цель состоит в том, чтобы максимизировать показатели со словом «True» (True Positive и True Negative) и минимизировать два других (False Positive и False Negative). Четыре метрики в матрице ошибок представляют собой следующее:

1. Верхний левый элемент (True Positive): сколько раз модель правильно классифицировала Positive как Positive?
2. Верхний правый (False Negative): сколько раз модель неправильно классифицировала Positive как Negative?
3. Нижний левый (False Positive): сколько раз модель неправильно классифицировала Negative как Positive?
4. Нижний правый (True Negative): сколько раз модель правильно классифицировала Negative как Negative?

Мы можем рассчитать эти четыре показателя для семи предсказаний, использованных нами ранее. Полученная матрица ошибок представлена на следующем рисунке.

Вот так вычисляется матрица ошибок для задачи двоичной классификации. Теперь посмотрим, как решить данную проблему для большего числа классов.

Матрица ошибок для мультиклассовой классификации

Что, если у нас более двух классов? Как вычислить эти четыре метрики в матрице ошибок для задачи мультиклассовой классификации? Очень просто!

Предположим, имеется 9 семплов, каждый из которых относится к одному из трех классов: White, Black или Red. Вот достоверные метки для 9 выборок:

Red, Black, Red, White, White, Red, Black, Red, White

После загрузки данных модель делает следующее предсказание:

Red, White, Black, White, Red, Red, Black, White, Red

Для удобства сравнения здесь они расположены рядом.

Реальность: Red, Black, Red, White, White, Red, Black, Red, White Предсказания: Red, White, Black, White, Red, Red, Black, White, Red

Перед вычислением матрицы ошибок необходимо выбрать целевой класс. Давайте назначим на эту роль класс Red. Он будет отмечен как Positive, а все остальные отмечены как Negative.

Positive, Negative, Positive, Negative, Negative, Positive, Negative, Positive, Negative Positive, Negative, Negative, Negative, Positive, Positive, Negative, Negative, Positive

11111111111111111111111После замены остались только два класса (Positive и Negative), что позволяет нам рассчитать матрицу ошибок, как было показано в предыдущем разделе. Стоит заметить, что полученная матрица предназначена только для класса Red.

Далее для класса White заменим каждое его вхождение на Positive, а метки всех остальных классов на Negative. Мы получим такие достоверные и предсказанные метки:

Negative, Negative, Negative, Positive, Positive, Negative, Negative, Negative, Positive Negative, Positive, Negative, Positive, Negative, Negative, Negative, Positive, Negative

На следующей схеме показана матрица ошибок для класса White.

Точно так же может быть получена матрица ошибок для Black.

В популярной Python-библиотеке Scikit-learn есть модуль metrics, который можно использовать для вычисления метрик в матрице ошибок.

Для задач с двумя классами используется функция confusion_matrix(). Мы передадим в функцию следующие параметры:

1. y_true: эталонные метки.
2. y_pred: предсказанные метки.

Следующий код вычисляет матрицу ошибок для примера двоичной классификации, который мы обсуждали ранее.

import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "negative", "negative", "positive", "positive", "positive", "negative"]
y_pred = ["positive", "negative", "positive", "positive", "negative", "positive", "positive"]

r = sklearn.metrics.confusion_matrix(y_true, y_pred)
print(r)

array([[1, 2],
       [1, 3]], dtype=int64)

Обратите внимание, что порядок метрик отличается от описанного выше. Например, показатель True Positive находится в правом нижнем углу, а True Negative — в верхнем левом углу. Чтобы исправить это, мы можем перевернуть матрицу.

import numpy

r = numpy.flip(r)
print(r)

array([[3, 1],
       [2, 1]], dtype=int64)

Чтобы вычислить матрицу ошибок для задачи с большим числом классов, используется функция multilabel_confusion_matrix(), как показано ниже. В дополнение к параметрам y_true и y_pred третий параметр labels принимает список классовых меток.

import sklearn.metrics
import numpy

y_true = ["Red", "Black", "Red",   "White", "White", "Red", "Black", "Red",   "White"]
y_pred = ["Red", "White", "Black", "White", "Red",   "Red", "Black", "White", "Red"]

r = sklearn.metrics.multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred, labels=["White", "Black", "Red"])
print(r)

array([
    [[4 2]
     [2 1]]

    [[6 1]
     [1 1]]
    
    [[3 2]
     [2 2]]], dtype=int64)

Функция вычисляет матрицу ошибок для каждого класса и возвращает все матрицы. Их порядок соответствует порядку меток в параметре labels. Чтобы изменить последовательность метрик в матрицах, мы будем снова использовать функцию numpy.flip().

print(numpy.flip(r[0]))  # матрица ошибок для класса White
print(numpy.flip(r[1]))  # матрица ошибок для класса Black
print(numpy.flip(r[2]))  # матрица ошибок для класса Red

# матрица ошибок для класса White
[[1 2]
 [2 4]]

# матрица ошибок для класса Black
[[1 1]
 [1 6]]

# матрица ошибок для класса Red
[[2 2]
 [2 3]]

В оставшейся части этого текста мы сосредоточимся только на двух классах. В следующем разделе обсуждаются три ключевых показателя, которые рассчитываются на основе матрицы ошибок.

Как мы уже видели, матрица ошибок предлагает четыре индивидуальных показателя. На их основе можно рассчитать другие метрики, которые предоставляют дополнительную информацию о поведении модели:

1. Accuracy
2. Precision
3. Recall

В следующих подразделах обсуждается каждый из этих трех показателей.

Метрика Accuracy

Accuracy — это показатель, который описывает общую точность предсказания модели по всем классам. Это особенно полезно, когда каждый класс одинаково важен. Он рассчитывается как отношение количества правильных прогнозов к их общему количеству.

Рассчитаем accuracy с помощью Scikit-learn на основе ранее полученной матрицы ошибок. Переменная acc содержит результат деления суммы True Positive и True Negative метрик на сумму всех значений матрицы. Таким образом, accuracy, равная 0.5714, означает, что модель с точностью 57,14% делает верный прогноз.

import numpy
import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "negative", "negative", "positive", "positive", "positive", "negative"]
y_pred = ["positive", "negative", "positive", "positive", "negative", "positive", "positive"]

r = sklearn.metrics.confusion_matrix(y_true, y_pred)
r = numpy.flip(r)

acc = (r[0][0] + r[-1][-1]) / numpy.sum(r)
print(acc)
# вывод будет 0.571

В модуле sklearn.metrics есть функция precision_score(), которая также может вычислять accuracy. Она принимает в качестве аргументов достоверные и предсказанные метки.

acc = sklearn.metrics.accuracy_score(y_true, y_pred)

Стоит учесть, что метрика accuracy может быть обманчивой. Один из таких случаев — это несбалансированные данные. Предположим, у нас есть всего 600 единиц данных, из которых 550 относятся к классу Positive и только 50 — к Negative. Поскольку большинство семплов принадлежит к одному классу, accuracy для этого класса будет выше, чем для другого.

Если модель сделала 530 правильных прогнозов из 550 для класса Positive, по сравнению с 5 из 50 для Negative, то общая accuracy равна (530 + 5) / 600 = 0.8917. Это означает, что точность модели составляет 89.17%. Полагаясь на это значение, вы можете подумать, что для любой выборки (независимо от ее класса) модель сделает правильный прогноз в 89.17% случаев. Это неверно, так как для класса Negative модель работает очень плохо.

Precision

Precision представляет собой отношение числа семплов, верно классифицированных как Positive, к общему числу выборок с меткой Positive (распознанных правильно и неправильно). Precision измеряет точность модели при определении класса Positive.

Когда модель делает много неверных Positive классификаций, это увеличивает знаменатель и снижает precision. С другой стороны, precision высока, когда:

1. Модель делает много корректных предсказаний класса Positive (максимизирует True Positive метрику).
2. Модель делает меньше неверных Positive классификаций (минимизирует False Positive).

Представьте себе человека, который пользуется всеобщим доверием; когда он что-то предсказывает, окружающие ему верят. Метрика precision похожа на такого персонажа. Если она высока, вы можете доверять решению модели по определению очередной выборки как Positive. Таким образом, precision помогает узнать, насколько точна модель, когда она говорит, что семпл имеет класс Positive.

Основываясь на предыдущем обсуждении, вот определение precision:

Precision отражает, насколько надежна модель при классификации Positive-меток.

На следующем изображении зеленая метка означает, что зеленый семпл классифицирован как Positive, а красный крест – как Negative. Модель корректно распознала две Positive выборки, но неверно классифицировала один Negative семпл как Positive. Из этого следует, что метрика True Positive равна 2, когда False Positive имеет значение 1, а precision составляет 2 / (2 + 1) = 0.667. Другими словами, процент доверия к решению модели, что выборка относится к классу Positive, составляет 66.7%.

Цель precision – классифицировать все Positive семплы как Positive, не допуская ложных определений Negative как Positive. Согласно следующему рисунку, если все три Positive выборки предсказаны правильно, но один Negative семпл классифицирован неверно, precision составляет 3 / (3 + 1) = 0.75. Таким образом, утверждения модели о том, что выборка относится к классу Positive, корректны с точностью 75%.

Единственный способ получить 100% precision — это классифицировать все Positive выборки как Positive без классификации Negative как Positive.

В Scikit-learn модуль sklearn.metrics имеет функцию precision_score(), которая получает в качестве аргументов эталонные и предсказанные метки и возвращает precision. Параметр pos_label принимает метку класса Positive (по умолчанию 1).

import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "positive", "positive", "negative", "negative", "negative"]
y_pred = ["positive", "positive", "negative", "positive", "negative", "negative"]

precision = sklearn.metrics.precision_score(y_true, y_pred, pos_label="positive")
print(precision)

Вывод: 0.6666666666666666.

Recall

Recall рассчитывается как отношение числа Positive выборок, корректно классифицированных как Positive, к общему количеству Positive семплов. Recall измеряет способность модели обнаруживать выборки, относящиеся к классу Positive. Чем выше recall, тем больше Positive семплов было найдено.

Recall заботится только о том, как классифицируются Positive выборки. Эта метрика не зависит от того, как предсказываются Negative семплы, в отличие от precision. Когда модель верно классифицирует все Positive выборки, recall будет 100%, даже если все представители класса Negative были ошибочно определены как Positive. Давайте посмотрим на несколько примеров.

На следующем изображении представлены 4 разных случая (от A до D), и все они имеют одинаковый recall, равный 0.667. Представленные примеры отличаются только тем, как классифицируются Negative семплы. Например, в случае A все Negative выборки корректно определены, а в случае D – наоборот. Независимо от того, как модель предсказывает класс Negative, recall касается только семплов относящихся к Positive.

Из 4 случаев, показанных выше, только 2 Positive выборки определены верно. Таким образом, метрика True Positive равна 2. False Negative имеет значение 1, потому что только один Positive семпл классифицируется как Negative. В результате recall будет равен 2 / (2 + 1) = 2/3 = 0.667.
Поскольку не имеет значения, как предсказываются объекты класса Negative, лучше их просто игнорировать, как показано на следующей схеме. При расчете recall необходимо учитывать только Positive выборки.

Что означает, когда recall высокий или низкий? Если recall имеет большое значение, все Positive семплы классифицируются верно. Следовательно, модели можно доверять в ее способности обнаруживать представителей класса Positive.

На следующем изображении recall равен 1.0, потому что все Positive семплы были правильно классифицированы. Показатель True Positive равен 3, а False Negative – 0. Таким образом, recall вычисляется как 3 / (3 + 0) = 1. Это означает, что модель обнаружила все Positive выборки. Поскольку recall не учитывает, как предсказываются представители класса Negative, могут присутствовать множество неверно определенных Negative семплов (высокая False Positive метрика).

С другой стороны, recall равен 0.0, если не удается обнаружить ни одной Positive выборки. Это означает, что модель обнаружила 0% представителей класса Positive. Показатель True Positive равен 0, а False Negative имеет значение 3. Recall будет равен 0 / (0 + 3) = 0.

Когда recall имеет значение от 0.0 до 1.0, это число отражает процент Positive семплов, которые модель верно классифицировала. Например, если имеется 10 экземпляров Positive и recall равен 0.6, получается, что модель корректно определила 60% объектов класса Positive (т.е. 0.6 * 10 = 6).

Подобно precision_score(), функция repl_score() из модуля sklearn.metrics вычисляет recall. В следующем блоке кода показан пример ее использования.

import sklearn.metrics

y_true = ["positive", "positive", "positive", "negative", "negative", "negative"]
y_pred = ["positive", "positive", "negative", "positive", "negative", "negative"]

recall = sklearn.metrics.recall_score(y_true, y_pred, pos_label="positive")
print(recall)

Вывод: 0.6666666666666666.

После определения precision и recall давайте кратко подведем итоги:

• Precision измеряет надежность модели при классификации Positive семплов, а recall определяет, сколько Positive выборок было корректно предсказано моделью.
• Precision учитывает классификацию как Positive, так и Negative семплов. Recall же использует при расчете только представителей класса Positive. Другими словами, precision зависит как от Negative, так и от Positive-выборок, но recall — только от Positive.
• Precision принимает во внимание, когда семпл определяется как Positive, но не заботится о верной классификации всех объектов класса Positive. Recall в свою очередь учитывает корректность предсказания всех Positive выборок, но не заботится об ошибочной классификации представителей Negative как Positive.
• Когда модель имеет высокий уровень recall метрики, но низкую precision, такая модель правильно определяет большинство Positive семплов, но имеет много ложных срабатываний (классификаций Negative выборок как Positive). Если модель имеет большую precision, но низкий recall, то она делает высокоточные предсказания, определяя класс Positive, но производит всего несколько таких прогнозов.

Некоторые вопросы для проверки понимания:

• Если recall равен 1.0, а в датасете имеются 5 объектов класса Positive, сколько Positive семплов было правильно классифицировано моделью?
• Учитывая, что recall составляет 0.3, когда в наборе данных 30 Positive семплов, сколько представителей класса Positive будет предсказано верно?
• Если recall равен 0.0 и в датасете14 Positive-семплов, сколько корректных предсказаний класса Positive было сделано моделью?

Precision или Recall?

Решение о том, следует ли использовать precision или recall, зависит от типа вашей проблемы. Если цель состоит в том, чтобы обнаружить все positive выборки (не заботясь о том, будут ли negative семплы классифицированы как positive), используйте recall. Используйте precision, если ваша задача связана с комплексным предсказанием класса Positive, то есть учитывая Negative семплы, которые были ошибочно классифицированы как Positive.

Представьте, что вам дали изображение и попросили определить все автомобили внутри него. Какой показатель вы используете? Поскольку цель состоит в том, чтобы обнаружить все автомобили, используйте recall. Такой подход может ошибочно классифицировать некоторые объекты как целевые, но в конечном итоге сработает для предсказания всех автомобилей.

Теперь предположим, что вам дали снимок с результатами маммографии, и вас попросили определить наличие рака. Какой показатель вы используете? Поскольку он обязан быть чувствителен к неверной идентификации изображения как злокачественного, мы должны быть уверены, когда классифицируем снимок как Positive (то есть с раком). Таким образом, предпочтительным показателем в данном случае является precision.

Вывод

В этом руководстве обсуждалась матрица ошибок, вычисление ее 4 метрик (true/false positive/negative) для задач бинарной и мультиклассовой классификации. Используя модуль metrics библиотеки Scikit-learn, мы увидели, как получить матрицу ошибок в Python.

Основываясь на этих 4 показателях, мы перешли к обсуждению accuracy, precision и recall метрик. Каждая из них была определена и использована в нескольких примерах. Модуль sklearn.metrics применяется для расчета каждого вышеперечисленного показателя.

В области машинного обучения и, в частности, проблемы статистической классификации, матрица неточностей, также известная как матрица ошибок, представляет собой конкретный макет таблицы, который позволяет визуализировать производительность алгоритма, обычно контролируемого обучения (при неконтролируемом обучении это обычно называется матрицей соответствия ). Каждая строка матрицы представляет экземпляры в реальном классе, в то время как каждый столбец представляет экземпляры в прогнозируемом классе, или наоборот — оба варианта можно найти в литературе. Название проистекает из того факта, что оно позволяет легко увидеть, не путает ли система два класса (т.е. часто ошибочно маркируют один как другой).

Это особый вид таблицы непредвиденных обстоятельств с двумя измерениями («фактическое» и «прогнозируемое») и идентичными наборами «классов» в обоих измерениях (каждая комбинация измерения и класса является переменной в таблице непредвиденных обстоятельств).

Пример

Для выборки из 12 изображений, 8 кошек и 4 собак, где кошки относятся к классу 1, а собаки относятся к классу 0,

фактическое = [1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0],

Предположим, что классификатор, который различает кошек и собак, обучен, и мы берем 12 изображений и пропускаем их через классификатор. Классификатор делает 9 точных прогнозов и пропускает 3: 2 кошки, ошибочно предсказанные как собаки (первые 2 прогноза), и 1 собака, ошибочно предсказанная как кошка (последний прогноз).

прогноз = [0,0,1,1,1,1,1,1,0,0,0,1]

С помощью этих двух помеченных наборов (фактический и прогнозный) мы можем создать матрицу путаницы, которая суммирует результаты тестирования классификатора:

В этой матрице путаницы из 8 изображений кошек система определила, что 2 были собаками, а из 4 изображений собак она предсказала, что 1 был кошкой. Все правильные прогнозы расположены по диагонали таблицы (выделены жирным шрифтом), поэтому можно легко визуально проверить таблицу на предмет ошибок прогнозирования, поскольку значения за пределами диагонали будут представлять их.

С точки зрения чувствительности и специфичности матрица неточностей выглядит следующим образом:

Таблица путаницы

В прогностического анализа, А таблица путаницы (иногда также называют спутанность матрица ) представляет собой таблицу с двумя строками и двумя столбцами, что сообщает число ложных срабатываний, ложных негативов, истинно положительных и истинно отрицательных . Это позволяет проводить более подробный анализ, чем простая пропорция правильных классификаций (точности). Точность приведет к ошибочным результатам, если набор данных несбалансирован; то есть когда количество наблюдений в разных классах сильно различается. Например, если в данных было 95 кошек и только 5 собак, конкретный классификатор мог бы классифицировать все наблюдения как кошек. Общая точность будет 95%, но более подробно классификатор будет иметь 100% степень распознавания ( чувствительность ) для класса кошек, но 0% степень распознавания для класса собак. В таких случаях оценка F1 еще более ненадежна, и здесь она дает более 97,4%, тогда как информированность устраняет такую ​​предвзятость и дает 0 как вероятность осознанного решения для любой формы предположения (здесь всегда угадывающая кошка). Матрица неточностей не ограничивается двоичной классификацией и может также использоваться в мультиклассовых классификаторах.

Согласно Давиде Чикко и Джузеппе Юрману, наиболее информативным показателем для оценки матрицы неточностей является коэффициент корреляции Мэтьюза (MCC) .

Предполагая приведенную выше матрицу путаницы, соответствующая ей таблица ошибок для класса cat будет:

Окончательная таблица путаницы будет содержать средние значения для всех классов вместе взятых.

Определим эксперимент из P положительных примеров и N отрицательных случаев для некоторого условия. Четыре результата могут быть сформулированы в матрице путаницы 2 × 2 следующим образом:

Матрицы путаницы с более чем двумя категориями

У рассмотренных выше матриц неточностей есть только два условия: положительное и отрицательное. В некоторых полях матрицы неточностей могут иметь больше категорий. Например, в приведенной ниже таблице приводится краткое описание общения на свистком языке между двумя говорящими, нулевые значения для ясности опущены.

Смотрите также

• Положительные и отрицательные прогнозные значения

Рекомендации