吳恩達(dá)機(jī)器學(xué)習(xí)練習(xí):SVM支持向量機(jī)
1 Support Vector Machines
1.1 Example Dataset 1
%matplotlib inline import numpy as np import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt import seaborn as sb from scipy.io import loadmat from sklearn import svm
大多數(shù)SVM的庫會(huì)自動(dòng)幫你添加額外的特征X₀已經(jīng)θ₀,所以無需手動(dòng)添加
mat = loadmat('./data/ex6data1.mat') print(mat.keys()) # dict_keys(['__header__', '__version__', '__globals__', 'X', 'y']) X = mat['X'] y = mat['y']
def plotData(X, y): plt.figure(figsize=(8,5)) plt.scatter(X[:,0], X[:,1], c=y.flatten(), cmap='rainbow') plt.xlabel('X1') plt.ylabel('X2') plt.legend() plotData(X, y)
def plotBoundary(clf, X): '''plot decision bondary''' x_min, x_max = X[:,0].min()*1.2, X[:,0].max()*1.1 y_min, y_max = X[:,1].min()*1.1,X[:,1].max()*1.1 xx, yy = np.meshgrid(np.linspace(x_min, x_max, 500), np.linspace(y_min, y_max, 500)) Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()]) Z = Z.reshape(xx.shape) plt.contour(xx, yy, Z)
models = [svm.SVC(C, kernel='linear') for C in [1, 100]] clfs = [model.fit(X, y.ravel()) for model in models]
title = ['SVM Decision Boundary with C = {} (Example Dataset 1'.format(C) for C in [1, 100]] for model,title in zip(clfs,title): plt.figure(figsize=(8,5)) plotData(X, y) plotBoundary(model, X) plt.title(title)
可以從上圖看到,當(dāng)C比較小時(shí)模型對(duì)誤分類的懲罰增大,比較嚴(yán)格,誤分類少,間隔比較狹窄。
當(dāng)C比較大時(shí)模型對(duì)誤分類的懲罰增大,比較寬松,允許一定的誤分類存在,間隔較大。
1.2 SVM with Gaussian Kernels
這部分,使用SVM做非線性分類。我們將使用高斯核函數(shù)。
為了用SVM找出一個(gè)非線性的決策邊界,我們首先要實(shí)現(xiàn)高斯核函數(shù)。我可以把高斯核函數(shù)想象成一個(gè)相似度函數(shù),用來測(cè)量一對(duì)樣本的距離,(x ⁽ ʲ ⁾,y ⁽ ⁱ ⁾)
這里我們用sklearn自帶的svm中的核函數(shù)即可。
1.2.1 Gaussian Kernel
def gaussKernel(x1, x2, sigma): return np.exp(- ((x1 - x2) ** 2).sum() / (2 * sigma ** 2)) gaussKernel(np.array([1, 2, 1]),np.array([0, 4, -1]), 2.) # 0.32465246735834974
1.2.2 Example Dataset 2
mat = loadmat('./data/ex6data2.mat') X2 = mat['X'] y2 = mat['y']
plotData(X2, y2)
sigma = 0.1 gamma = np.power(sigma,-2.)/2 clf = svm.SVC(C=1, kernel='rbf', gamma=gamma) modle = clf.fit(X2, y2.flatten()) plotData(X2, y2) plotBoundary(modle, X2)
1.2.3 Example Dataset 3
mat3 = loadmat('data/ex6data3.mat') X3, y3 = mat3['X'], mat3['y'] Xval, yval = mat3['Xval'], mat3['yval'] plotData(X3, y3)
Cvalues = (0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 1., 3., 10., 30.) sigmavalues = Cvalues best_pair, best_score = (0, 0), 0 for C in Cvalues: for sigma in sigmavalues: gamma = np.power(sigma,-2.)/2 model = svm.SVC(C=C,kernel='rbf',gamma=gamma) model.fit(X3, y3.flatten()) this_score = model.score(Xval, yval) if this_score > best_score: best_score = this_score best_pair = (C, sigma) print('best_pair={}, best_score={}'.format(best_pair, best_score)) # best_pair=(1.0, 0.1), best_score=0.965
model = svm.SVC(C=1., kernel='rbf', gamma = np.power(.1, -2.)/2) model.fit(X3, y3.flatten()) plotData(X3, y3) plotBoundary(model, X3)
# 這我的一個(gè)練習(xí)畫圖的,和作業(yè)無關(guān),給個(gè)畫圖的參考。 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn import svm # we create 40 separable points np.random.seed(0) X = np.array([[3,3],[4,3],[1,1]]) Y = np.array([1,1,-1]) # fit the model clf = svm.SVC(kernel='linear') clf.fit(X, Y) # get the separating hyperplane w = clf.coef_[0] a = -w[0] / w[1] xx = np.linspace(-5, 5) yy = a * xx - (clf.intercept_[0]) / w[1] # plot the parallels to the separating hyperplane that pass through the # support vectors b = clf.support_vectors_[0] yy_down = a * xx + (b[1] - a * b[0]) b = clf.support_vectors_[-1] yy_up = a * xx + (b[1] - a * b[0]) # plot the line, the points, and the nearest vectors to the plane plt.figure(figsize=(8,5)) plt.plot(xx, yy, 'k-') plt.plot(xx, yy_down, 'k--') plt.plot(xx, yy_up, 'k--') # 圈出支持向量 plt.scatter(clf.support_vectors_[:, 0], clf.support_vectors_[:, 1], s=150, facecolors='none', edgecolors='k', linewidths=1.5) plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=Y, cmap=plt.cm.rainbow) plt.axis('tight') plt.show() print(clf.decision_function(X))
[ 1. 1.5 -1. ]
2 Spam Classification
2.1 Preprocessing Emails
這部分用SVM建立一個(gè)垃圾郵件分類器。你需要將每個(gè)email變成一個(gè)n維的特征向量,這個(gè)分類器將判斷給定一個(gè)郵件x是垃圾郵件(y=1)或不是垃圾郵件(y=0)。
take a look at examples from the dataset
with open('data/emailSample1.txt', 'r') as f: email = f.read() print(email)
> Anyone knows how much it costs to host a web portal ? > Well, it depends on how many visitors you're expecting. This can be anywhere from less than 10 bucks a month to a couple of $100. You should checkout http://www.rackspace.com/ or perhaps Amazon EC2 if youre running something big.. To unsubscribe yourself from this mailing list, send an email to: groupname-unsubscribe@egroups.com
可以看到,郵件內(nèi)容包含 a URL, an email address(at the end), numbers, and dollar amounts. 很多郵件都會(huì)包含這些元素,但是每封郵件的具體內(nèi)容可能會(huì)不一樣。因此,處理郵件經(jīng)常采用的方法是標(biāo)準(zhǔn)化這些數(shù)據(jù),把所有URL當(dāng)作一樣,所有數(shù)字看作一樣。
例如,我們用唯一的一個(gè)字符串‘httpaddr'來替換所有的URL,來表示郵件包含URL,而不要求具體的URL內(nèi)容。這通常會(huì)提高垃圾郵件分類器的性能,因?yàn)槔]件發(fā)送者通常會(huì)隨機(jī)化URL,因此在新的垃圾郵件中再次看到任何特定URL的幾率非常小。
我們可以做如下處理:
1. Lower-casing: 把整封郵件轉(zhuǎn)化為小寫。 2. Stripping HTML: 移除所有HTML標(biāo)簽,只保留內(nèi)容。 3. Normalizing URLs: 將所有的URL替換為字符串 “httpaddr”. 4. Normalizing Email Addresses: 所有的地址替換為 “emailaddr” 5. Normalizing Dollars: 所有dollar符號(hào)($)替換為“dollar”. 6. Normalizing Numbers: 所有數(shù)字替換為“number” 7. Word Stemming(詞干提取): 將所有單詞還原為詞源。例如,“discount”, “discounts”, “discounted” and “discounting”都替換為“discount”。 8. Removal of non-words: 移除所有非文字類型,所有的空格(tabs, newlines, spaces)調(diào)整為一個(gè)空格.
%matplotlib inline import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from scipy.io import loadmat from sklearn import svm import re #regular expression for e-mail processing # 這是一個(gè)可用的英文分詞算法(Porter stemmer) from stemming.porter2 import stem # 這個(gè)英文算法似乎更符合作業(yè)里面所用的代碼,與上面效果差不多 import nltk, nltk.stem.porter
def processEmail(email): """做除了Word Stemming和Removal of non-words的所有處理""" email = email.lower() email = re.sub('<[^<>]>', ' ', email) # 匹配<開頭,然后所有不是< ,> 的內(nèi)容,知道>結(jié)尾,相當(dāng)于匹配<...> email = re.sub('(http|https)://[^\s]*', 'httpaddr', email ) # 匹配//后面不是空白字符的內(nèi)容,遇到空白字符則停止 email = re.sub('[^\s]+@[^\s]+', 'emailaddr', email) email = re.sub('[\$]+', 'dollar', email) email = re.sub('[\d]+', 'number', email) return email
接下來就是提取詞干,以及去除非字符內(nèi)容。
def email2TokenList(email): """預(yù)處理數(shù)據(jù),返回一個(gè)干凈的單詞列表""" # I'll use the NLTK stemmer because it more accurately duplicates the # performance of the OCTAVE implementation in the assignment stemmer = nltk.stem.porter.PorterStemmer() email = preProcess(email) # 將郵件分割為單個(gè)單詞,re.split() 可以設(shè)置多種分隔符 tokens = re.split('[ \@\$\/\#\.\-\:\&\*\+\=\[\]\?\!\(\)\{\}\,\'\"\>\_\<\;\%]', email) # 遍歷每個(gè)分割出來的內(nèi)容 tokenlist = [] for token in tokens: # 刪除任何非字母數(shù)字的字符 token = re.sub('[^a-zA-Z0-9]', '', token); # Use the Porter stemmer to 提取詞根 stemmed = stemmer.stem(token) # 去除空字符串‘',里面不含任何字符 if not len(token): continue tokenlist.append(stemmed) return tokenlist
2.1.1 Vocabulary List(詞匯表)
在對(duì)郵件進(jìn)行預(yù)處理之后,我們有一個(gè)處理后的單詞列表。下一步是選擇我們想在分類器中使用哪些詞,我們需要去除哪些詞。
我們有一個(gè)詞匯表vocab.txt,里面存儲(chǔ)了在實(shí)際中經(jīng)常使用的單詞,共1899個(gè)。
我們要算出處理后的email中含有多少vocab.txt中的單詞,并返回在vocab.txt中的index,這就我們想要的訓(xùn)練單詞的索引。
def email2VocabIndices(email, vocab): """提取存在單詞的索引""" token = email2TokenList(email) index = [i for i in range(len(vocab)) if vocab[i] in token ] return index
2.2 Extracting Features from Emails
def email2FeatureVector(email): """ 將email轉(zhuǎn)化為詞向量,n是vocab的長(zhǎng)度。存在單詞的相應(yīng)位置的值置為1,其余為0 """ df = pd.read_table('data/vocab.txt',names=['words']) vocab = df.as_matrix() # return array vector = np.zeros(len(vocab)) # init vector vocab_indices = email2VocabIndices(email, vocab) # 返回含有單詞的索引 # 將有單詞的索引置為1 for i in vocab_indices: vector[i] = 1 return vector
vector = email2FeatureVector(email) print('length of vector = {}\nnum of non-zero = {}'.format(len(vector), int(vector.sum())))
length of vector = 1899 num of non-zero = 45
2.3 Training SVM for Spam Classification
讀取已經(jīng)訓(xùn)提取好的特征向量以及相應(yīng)的標(biāo)簽。分訓(xùn)練集和測(cè)試集。
# Training set mat1 = loadmat('data/spamTrain.mat') X, y = mat1['X'], mat1['y'] # Test set mat2 = scipy.io.loadmat('data/spamTest.mat') Xtest, ytest = mat2['Xtest'], mat2['ytest']
clf = svm.SVC(C=0.1, kernel='linear') clf.fit(X, y)
2.4 Top Predictors for Spam
predTrain = clf.score(X, y) predTest = clf.score(Xtest, ytest) predTrain, predTest
(0.99825, 0.989)
到此這篇關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)SVM支持向量機(jī)的練習(xí)文章就介紹到這了,更多相關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章,希望大家以后多多支持腳本之家!
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