人工智能-机器学习-逻辑回归

数据集：https://www.123pan.com/s/RbfGjv-vOem3.html
提取码:rgzn

一、逻辑回归-预测考试通过

1、导入模块

# 导入模块
import pandas as pd
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import accuracy_score
``

## 2、读取数据

```python
# 读取数据（加载数据，加载后打印首几行确认数据加载成功。）
data = pd.read_csv('../data/examdata.csv')
data.head()     # 打印前几行

3、可视化数据

# 可视化数据
# 以Exam1为x轴，Exam2为y轴，绘制散点图
fig1 = plt.figure()
plt.scatter(data.loc[:, 'Exam1'], data.loc[:, 'Exam2'])
plt.title('Exam1-Exam2')
plt.xlabel('Exam1')
plt.ylabel('Exam2')
plt.show()

4、添加标签标记

标签标记的作用是，将通过考试的记录标记为True，未通过考试的记录标记为False。方便对通过和未通过的数据进行分离。

# 添加标签标记
mask = data.loc[:, 'Pass'] == 1
# 这个比较操作的结果是一个布尔向量（Boolean Series），其中的值为 True 当对应的 'Pass' 值等于1，否则为 False。
# 这个布尔向量被赋值给变量 mask，通常用于后续的条件过滤或标记。
print(~mask)
# ~是对布尔向量取反

5、将有标记的标签数据可视化

# 将有标记的标签数据可视化
fig2 = plt.figure()
passed = plt.scatter(data.loc[:, 'Exam1'][mask], data.loc[:, 'Exam2'][mask])
# 在新创建的图形上绘制一个散点图，其中x轴是data DataFrame中通过mask筛选出的'Exam1'列的值，y轴是其对应的'Exam2'列的值。
# 这些点代表的是'Pass'列值为1的行，即通过的考试记录。
# 使用passed变量来保存这个散点图对象，以便在图例中显示。
failed = plt.scatter(data.loc[:, 'Exam1'][~mask], data.loc[:, 'Exam2'][~mask])
# 同理failed为未通过考试的散点图
plt.title('Exam1-Exam2')
plt.xlabel('Exam1')
plt.ylabel('Exam2')
# 添加图例，passed和failed是之前散点图的对象，而('passed','failed')是对应图例中的文本标签。
plt.legend((passed, failed), ('passed', 'failed'))
plt.show()

6、定义X、y

# 定义 X,y
X = data.drop(['Pass'], axis=1)
# drop方法用于移除指定的列。['Pass']表示要移除的列名,axis=1表示移除列，默认是移除行。
# 所以X就是data DataFrame中除了'Pass'列的所有列。
y = data.loc[:, 'Pass']  # y为data DataFrame中'Pass'列
X1 = data.loc[:, 'Exam1']  # X1为data DataFrame中'Exam1'列
X2 = data.loc[:, 'Exam2']  # X2为data DataFrame中'Exam2'列
print(X1.head())    # 打印X1的前几行
print(X.shape, y.shape)  # 打印X和y的形状
# X和y的形状：(100, 2) (100,)

7、建立并训练模型

# 建立并训练模型
LR = LogisticRegression()  # 建立逻辑回归模型
LR.fit(X, y)  # 训练模型

8、预测结果并评估模型

预测结果

# 预测结果
y_predict = LR.predict(X)  # 预测结果
print(y_predict)

预测结果如下：

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

计算准确率

# 计算准确率
accuracy = accuracy_score(y, y_predict)  # 计算准确率
print(accuracy)		# 0.89

预测exam1=70,exam2=65是否通过

# 预测所给的数据是否通过    exam1=70,exam2=65
y_test = LR.predict([[70, 65]])
print('passed' if y_test == 1 else 'failed')	# passed

9、计算决策边界

回归模型其实就是一个函数。例如f(x)=theta0+theta1x1+theta2x2

对于这个函数来说，theta0就是它的截距，theta1和theta2就是系数，或者说权重。

边界函数：theta0+theta1x1+theta2x2=0

对函数变形得x2=-(theta0+theta1*x1)/theta2

回归模型建立好后，theta、theta1、theta2就已经确定了。
边界函数就是关于x1和x2的函数。每给定一个x1，就有一个x2与之对应；把X1作为应变量，就可以计算出X2_new。
X1中的一个值，对应的X2_new的一个值，确定一个点，将这些点连起来，就绘制出边界函数。

获取theta并计算决策边界

系数theta保存在coef_中

# LR2.coef_中存放的是模型的系数，或者说权重。
# print(LR.coef_)     # [[0.20535491 0.2005838 ]]

# 获取theta0,theta1,theta2
theta0 = LR.intercept_  # 截距项
theta1, theta2 = LR.coef_[0][0], LR.coef_[0][1]  # 'Exam1' 和 'Exam2' 的特征权重。
print(theta0, theta1, theta2)	# [-25.05219314] 0.205354912177904 0.2005838039546907

# 以X1作为应变量，计算X2_new。
X2_new = -(theta0 + theta1 * X1) / theta2
print(X2_new)

X2_new的结果：

0     89.449169
1     93.889277
2     88.196312
3     63.282281
4     43.983773
        ...    
95    39.421346
96    81.629448
97    23.219064
98    68.240049
99    48.341870
Name: Exam1, Length: 100, dtype: float64

10、绘制决策边界

# 可视化边界函数
fig3 = plt.figure()
passed = plt.scatter(data.loc[:, 'Exam1'][mask], data.loc[:, 'Exam2'][mask])  # 通过
failed = plt.scatter(data.loc[:, 'Exam1'][~mask], data.loc[:, 'Exam2'][~mask])  # 未通过
plt.plot(X1, X2_new)  # 绘制边界函数
plt.title('Exam1-Exam2')
plt.xlabel('Exam1')
plt.ylabel('Exam2')
plt.legend((passed, failed), ('passed', 'failed'))  # 添加图例
plt.show()

二、逻辑回归-芯片质量检测

1、导入模块

# 导入模块
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import accuracy_score
import numpy as np

2、加载数据集

#加载数据
import pandas as pd
data = pd.read_csv('../data/chip_test.csv')
print(data)

3、添加标记

#添加标记
mask = data.loc[:,'pass']==1
print(mask)

4、可视化有标记的数据

#可视化有标记的数据
import matplotlib.pyplot as plt
fig1 = plt.figure()
passed = plt.scatter(data.loc[:,'test1'][mask],data.loc[:,'test2'][mask])
failed = plt.scatter(data.loc[:,'test1'][~mask],data.loc[:,'test2'][~mask])
plt.title('test1-test2')
plt.xlabel('test1')
plt.ylabel('test2')
plt.legend((passed,failed),('passed','failed'))
plt.show()

5、定义X、y

#定义 X,y
X = data.drop(['pass'],axis=1)  # x为test1和test2两列
y = data.loc[:,'pass']      # y为pass列
X1 = data.loc[:,'test1']
X2 = data.loc[:,'test2']
X1.head()
#create new data
# 增加二次项特征
X1_2 = X1*X1
X2_2 = X2*X2
X1_X2 = X1*X2
X_new = {'X1':X1,'X2':X2,'X1_2':X1_2,'X2_2':X2_2,'X1_X2':X1_X2}
X_new = pd.DataFrame(X_new)
print(X_new)

6、建立并训练模型

#建立并训练模型
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
LR = LogisticRegression()
LR.fit(X_new,y)

7、评估模型

#评估模型表现
y_predict = LR.predict(X_new)   # 使用训练好的模型预测

# 计算准确率
from sklearn.metrics import accuracy_score
accuracy =  accuracy_score(y,y_predict)
print(accuracy)		# 0.8135593220338984

8、初步画决策边界

#初步画决策边界

# 对X1进行排序
X1_new = X1.sort_values()

# 获取theta
theta0 = LR.intercept_
theta1,theta2,theta3,theta4,theta5 = LR.coef_[0][0],LR.coef_[0][1],LR.coef_[0][2],LR.coef_[0][3],LR.coef_[0][4]
# 计算a、b、c
a = theta4
b = theta5*X1_new+theta2
c = theta0+theta1*X1_new+theta3*X1_new*X1_new
# 计算X2_new_boundary
X2_new_boundary = (-b+np.sqrt(b*b-4*a*c))/(2*a)

# 绘制决策边界
fig2 = plt.figure()
passed = plt.scatter(data.loc[:,'test1'][mask],data.loc[:,'test2'][mask])
failed = plt.scatter(data.loc[:,'test1'][~mask],data.loc[:,'test2'][~mask])
plt.plot(X1_new,X2_new_boundary)
plt.title('test1-test2')
plt.xlabel('test1')
plt.ylabel('test2')
plt.legend((passed,failed),('passed','failed'))
plt.show()

9、画完整的决策边界

plt.show()
#%%
#画完整的决策边界
import numpy as np
d = np.array(b*b-4*a*c)     # 判别式deta（拼音）
#d = (-b+np.sqrt(b*b-4*a*c))/(2*a)
X1_new
#print(np.array(d))

定义f(x)用于计算上边界和下边界

#define f(x)
def f(x):
    """
    用于计算上下边界。
    函数返回两个值，分别是基于输入x计算出的两个可能的X2边界值。
    """
    a = theta4
    b = theta5*x+theta2
    c = theta0+theta1*x+theta3*x*x
    # 方程a*x**2+b*x+c=0的两个根
    X2_new_boundary1 = (-b+np.sqrt(b*b-4*a*c))/(2*a)    # 上边界
    X2_new_boundary2 = (-b-np.sqrt(b*b-4*a*c))/(2*a)    # 下边界
    return X2_new_boundary1,X2_new_boundary2

计算上下边界

# 计算上下边界
# 列表用于存储上下边界的值
X2_new_boundary1 = []
X2_new_boundary2 = []
# 取出x中的每个值，计算出对应的上、下边界
for x in X1_new:
    X2_new_boundary1.append(f(x)[0])    # X2_new_boundary1
    X2_new_boundary2.append(f(x)[1])    # X2_new_boundary2
print(X2_new_boundary1,X2_new_boundary2)

可视化决策边界

# 可视化决策边界
fig3 = plt.figure()
passed=plt.scatter(data.loc[:,'test1'][mask],data.loc[:,'test2'][mask])
failed=plt.scatter(data.loc[:,'test1'][~mask],data.loc[:,'test2'][~mask])
plt.plot(X1_new,X2_new_boundary1)   # 上边界
plt.plot(X1_new,X2_new_boundary2)   # 下边界
plt.title('test1-test2')
plt.xlabel('test1')
plt.ylabel('test2')
plt.legend((passed,failed),('passed','failed'))
plt.show()

10、在更密集的坐标中画决策边界

#在更密集的坐标中
X1_range = [-0.9 + x/10000 for x in range(0,19000)]
X1_range = np.array(X1_range)   # 转换为NumPy数组，计算更高效
X2_new_boundary1 = []
X2_new_boundary2 = []
for x in X1_range:
    X2_new_boundary1.append(f(x)[0])
    X2_new_boundary2.append(f(x)[1])

可视化

# coding:utf-8
import matplotlib as mlp

mlp.rcParams['font.family'] = 'SimHei'  # 设置字体为简体黑体
mlp.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 警用负号
fig4 = plt.figure()
passed=plt.scatter(data.loc[:,'test1'][mask],data.loc[:,'test2'][mask])
failed=plt.scatter(data.loc[:,'test1'][~mask],data.loc[:,'test2'][~mask])
# 上下决策边界，红色
plt.plot(X1_range,X2_new_boundary1,'r')
plt.plot(X1_range,X2_new_boundary2,'r')
plt.title('test1-test2')
plt.xlabel('测试1')
plt.ylabel('测试2')
plt.title('芯片质量预测')
plt.legend((passed,failed),('passed','failed'))
plt.show()

三、逻辑回归-鸢尾花

1、读取鸢尾花数据集

sklearn模块中就有鸢尾花数据集。

# 读取鸢尾花数据集
from sklearn.datasets import load_iris

iris = load_iris()
X = iris.data[iris.target < 2][:, :2]  # 只取前两个特征、前两标签的数据
y = iris.target[iris.target < 2]  # 只取0和1标签（前两类）
print(X, y)
X1 = X[:, 0]
X2 = X[:, 1]
print(X1)
print(X2)

2、可视化数据集

# 可视化
from matplotlib import pyplot as plt

fig1 = plt.figure()
plt.scatter(X1, X2, c=y)
plt.show()

3、建立回归模型并训练

# 建立逻辑回归模型，并训练
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
LR = LogisticRegression()
LR.fit(X,y)

4、预测和评估模型

# 预测和评估
y_predict = LR.predict(X)
print(y_predict)

from sklearn.metrics import accuracy_score
accuracy =  accuracy_score(y,y_predict)     # 计算准确率
print(accuracy)		# 精确率=1，拟合效果很好

5、计算决策边界

# 计算决策边界
theta0 = LR.intercept_
theta1, theta2 = LR.coef_[0][0], LR.coef_[0][1]
X2_new = (-theta0 - theta1 * X1) / theta2
print(X2_new)

6、可视化决策边界

# 画出决策边界
fig2 = plt.figure()
plt.scatter(X1, X2, c=y)
plt.plot(X1,X2_new)
plt.show()

四、逻辑回归知识点

边界函数