手把手教你吧Python应用到实际开发 不再空谈悟法☝☝☝

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想用python做机器学习吗，是不是在为从哪开始挠头？
这里我假定你是新手，这篇文章里咱们一起用Python完成第一个机器学习项目。
我会手把手教你以下内容：

1. 下载python，numpy，SciPy之类软件并安装，这些是python里机器学习方面最有用的软件包。
2. 加载一个数据集，通过统计摘要（statistical summaries）和数据可视化来了解数据集的结构。
3. 创建6个机器学习模型，选择这里边最好的，然后介绍通过何种方法来确定选出来的模型预测时有稳定的准确率。

如果你是机器学习的初学者，并且你下定决心用python作为开始机器学习的语言的话，这篇文章应该会比较适合你。

刚开始的时候，Python看起来有点吓人

Python是一种很流行，很强大的解释型语言。跟R不一样，对于研究，开发以及完成生产系统来说，python是一个完整的开发语言，一个完整的平台。

Python中也有许多可供选择的模块和库，对于上面说的研究，开发和完成生产系统提供了多种实现的路径。给人的感觉是python的前景势不可挡。

再次重申，用Python学习机器学习的最好方法是完成一个完整的项目。

1. 这样做强制你安装Python，并且启动python的解释器（最少会这样）。
2. 这样做能给你一个整体审视的机会，体验如何一步步完成一个小项目。
3. 这样做能给你自信，让你有信心启动自己的小项目。

初学者需要一个从头到尾完成的项目

相关的书和这方面的课程很多，但是往往会让人产生挫折感。它们会给你很多的问题解决方法和代码片段，但是你很难体会到它们是如何被整合到一起的。

当你把机器学习算法应用到自己的数据集的时候，你就是在进行一个完整的项目。
一个机器学习项目可能不是像下面介绍的那样一步步按顺序完成，但是机器学习项目确实有着一些众所周知的步骤：

1. 定义问题
2. 准备数据
3. 评估算法
4. 改进结果
5. 提交结果

熟悉一个新的平台或者一个新的工具最好的方式就是从头到尾踏实的完成一个机器学习项目，实践上述的所有关键步骤。也就是说，实际动手加载数据，统计数据，评估算法，然后做一些预测。

如果你这么做了，你就有了一个模板，这个模板是可以很容易应用到一个又一个数据集上的。一旦你建立了自信，你就可以进一步完善上述关键步骤，比如说进行进一步的数据准备和结果改善。

机器学习的Hello World
使用python开始机器学习最好的小项目是鸢尾花（yuan wei hua，英文iris，别跟虹膜弄混）的分类问题。（下载链接在此）

这个项目是个好项目，最好就在于它简单易懂。

1. 鸢尾花的属性都是数值类型，让我们很容易想到怎么来加载数据，处理数据。
2. 这是个分类问题，让我们能实践机器学习中一种相对简单的算法——监督学习算法。
3. 这是个多分类问题（不是只分成两类也就是不是二分类），要求有特殊的处理。
4. 这个数据集只有4个属性，150行数据，意味着数据集极小，用内存就能轻松搞定（也便于用屏幕显示或者直接用A4纸打印）
5. 所有的数值属性都是相同单位，相同尺度，不需要任何的缩放和转换就能直接着手开始。

python机器学习手把手教程（这回是真开始）

这一节中，我们开始介绍怎样从头到尾完成一个小项目。
说一下我们要完成的各个步骤：

1. 安装python和Scipy平台
2. 加载数据集
3. 计算数据集中的各种统计量。
4. 数据集可视化
5. 在数据集上应用一些算法并评估
6. 进行预测

要走完每一步，需要一些时间。

建议自己动手输入涉及到的一些命令，或者也可以用复制粘贴来加快速度，总之动手就比只看不做强。

1. 下载安装python和Scipy平台

如果你事先没有安装过标题中的工具，请安装。这里不想非常细致的介绍安装过程，这种介绍很多。如果你是开发人员，安装软件包之类对你而言都很简单。

1．1 安装SciPy库

这里预设的python版本是2.7和3.5。这两个版本以上的版本也应该完全没有问题。

需要安装的比较关键的库有5个。下面是本文中安装Python SciPy库时需要安装的内容：
 Scipy
 Numpy
 Matplotlib
 Pandas
 Sklearn

安装这些库有很多方法。我的建议是选择一种方法然后一直坚持这种方法来安装上述的所有软件包。

给安装上述库提供了非常好的指导。链接里说明了在不同平台（比如Linux，mac OS X和Windows）上如何安装。如果有任何问题，那么请参考链接中的做法，数千人这么有过相同经历。

在Mac OS X中，可以用macport来安装python2.7和这些库。Macport的信息，参见其主页。
Linux里可以用安装包管理器，比如Fedora的yum来安装RPMs。
如果你用Windows,或者你也不是太确定自己的系统，我推荐安装免费软件Anaconda。里边预装了你需要的东西。

 注意：这里要求你安装的scikit-learn的版本为0.18或者以上版本。

1.2 启动python，检查已安装版本

安装完成后最好确认一下你的python环境是不是能正常工作。
下面是检测环境用的脚本。其中import我们用到的每个库，并输出版本号。
打开命令行，启动python解释器
Python

我推荐直接在解释器里输入下面脚本，或者自己写好版本然后在命令行运行，而不是在一个大的编辑器或者IDE里运行。尽量让事情简单化，确保注意力关注在机器学习上而不是各种工具链上。

脚本如下：

# Checkthe versions of libraries

#Python versionimport sysprint('Python: {}'.format(sys.version))# scipyimport scipyprint('scipy: {}'.format(scipy.__version__))# numpyimport numpyprint('numpy: {}'.format(numpy.__version__))#matplotlibimport matplotlibprint('matplotlib: {}'.format(matplotlib.__version__))#pandasimport pandasprint('pandas: {}'.format(pandas.__version__))#scikit-learnimport sklearnprint('sklearn: {}'.format(sklearn.__version__))

下面为我本地的输出：
Python: 2.7.11 (default, Mar 1 2016, 18:40:10)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 7.0.2(clang-700.1.81)]
scipy: 0.17.0
numpy: 1.10.4
matplotlib: 1.5.1
pandas: 0.17.1
sklearn: 0.18.1

比较一下你的输出。理想情况下如果你的版本跟上面的相同或者更高，就没问题。这些库里的API不会频繁变更。如果你的版本比上面的略高，这个教程里的东西应该对你仍然适用。
如果出错，请想办法更正。

如果你不能够清晰的运行以上的脚本，那么你将无法完成本教程。
建议去Google搜索一下你的错误信息，或者在Stack Exchange上提问。

2. 加载数据
我们将用到鸢尾花数据集。这个数据集很著名，因为这就是我们机器学习界和统计学界的“Hello world”数据集。
数据集中包含对鸢尾花的150次观测。数据集中有4列，都是花的一些尺寸数据，单位是厘米。第5列是观测结果，也就是花的种类。所有观测到的花都属于3种鸢尾花中的一种。

下一步我们将从CSV文件的URL中加载鸢尾花数据。

2.1 Import库
首先import所有在本教程中将要用到的程序模块，函数和对象。

# Loadlibrariesimport pandasfrom pandas.tools.plottingimport scatter_matriximport matplotlib.pyplotas pltfrom sklearn import model_selectionfrom sklearn.metrics import classification_reportfrom sklearn.metrics import confusion_matrixfrom sklearn.metrics import accuracy_scorefrom sklearn.linear_modelimport LogisticRegressionfrom sklearn.tree import DecisionTreeClassifierfrom sklearn.neighborsimport KNeighborsClassifierfrom sklearn.discriminant_analysisimport LinearDiscriminantAnalysisfrom sklearn.naive_bayesimport GaussianNBfrom sklearn.svm import SVC

每个程序都应该正常import。如果出错，你需要重新安装python+Scipy环境。
（看一下上面关于环境安装方面的一些建议）

2.2 加载数据
我们可以直接从UCI机器学习资源库（repository）加载数据。
我们用pandas来加载数据。我们之后也会用pandas来探究描述数据的各种统计值，以及进行数据可视化。

注意我们加载数据的时候给定了每列的名称。这一点有助于我们之后探究发掘数据的特点。

# Loaddataset

url ="https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/iris/iris.data"

names =['sepal-length', 'sepal-width','petal-length', 'petal-width','class']

dataset =pandas.read_csv(url, names=names)

数据集应该毫无意外的被加载。
如果你的网络有问题，你可以先下载鸢尾花数据集，然后把它放在工作路径中。加载方法跟上面的一样，只不过需要把URL换成本地文件名。

3. 数据集总结
现在是时候看一下我们的数据集了。
当前步骤中我们从不同的角度观察数据。
 1.数据维度
 2.窥视数据本身
 3.所有属性的统计概要
 4.按分类变量细分数据
上边的几种方法貌似深奥，其实不必担心，每次观察数据只需要一个命令。在未来的项目中这些命令可能会被再三的使用。

3.1数据维度
我们通过查看数据集的模型特征，就能迅速知道数据集中包含了多少数据实例（也就是行）和多少属性（也就是列）。

# shape

print(dataset.shape)

看到有150个实例，5个属性：
(150, 5)

3.2 管窥数据
实际地仔细观察数据向来都是好办法。

# head

print(dataset.head(20))

可以看到数据的先头20行：
sepal-length sepal-width petal-length petal-width class
0 5.1 3.5 1.4 0.2 Iris-setosa
1 4.9 3.0 1.4 0.2 Iris-setosa
2 4.7 3.2 1.3 0.2 Iris-setosa
3 4.6 3.1 1.5 0.2 Iris-setosa
4 5.0 3.6 1.4 0.2 Iris-setosa
5 5.4 3.9 1.7 0.4 Iris-setosa
6 4.6 3.4 1.4 0.3 Iris-setosa
7 5.0 3.4 1.5 0.2 Iris-setosa
8 4.4 2.9 1.4 0.2 Iris-setosa
9 4.9 3.1 1.5 0.1 Iris-setosa
10 5.4 3.7 1.5 0.2 Iris-setosa
11 4.8 3.4 1.6 0.2 Iris-setosa
12 4.8 3.0 1.4 0.1 Iris-setosa
13 4.3 3.0 1.1 0.1 Iris-setosa
14 5.8 4.0 1.2 0.2 Iris-setosa
15 5.7 4.4 1.5 0.4 Iris-setosa
16 5.4 3.9 1.3 0.4 Iris-setosa
17 5.1 3.5 1.4 0.3 Iris-setosa
18 5.7 3.8 1.7 0.3 Iris-setosa
19 5.1 3.8 1.5 0.3 Iris-setosa

3.3 所有属性的统计概要
现在我们可以看一下每个属性的统计概要。
这里包括总数，均值，最小值，最大值以及一些百分比。

# descriptions

print(dataset.describe())

我们能看到所有的数值量都有相同的尺度（厘米），相似的区间，也就是0～8厘米之间。
sepal-length sepal-width petal-length petal-width
count 150.000000 150.000000 150.000000 150.000000
mean 5.843333 3.054000 3.758667 1.198667
std 0.828066 0.433594 1.764420 0.763161
min 4.300000 2.000000 1.000000 0.100000
25% 5.100000 2.800000 1.600000 0.300000
50% 5.800000 3.000000 4.350000 1.300000
75% 6.400000 3.300000 5.100000 1.800000
max 7.900000 4.400000 6.900000 2.500000

3.4 类别分布
让我们观察一下属于每一类的实例（行）的个数。我们把这个个数看成一个绝对数。

# classdistribution

print(dataset.groupby('class').size())

我们能看到每个种类包含相同数目的实例（50个，或者说每个占总数的33%）
class
Iris-setosa 50
Iris-versicolor 50
Iris-virginica 50

4. 数据可视化
现在我们对数据有了一个基本认识。我们需要在此基础上用可视化的方法，进一步加深我们的认识。

我们将介绍两种绘图方法：
1.单变量绘图，用来更好的理解每个属性。
2.多变量绘图，用来更好的理解属性之间的关系。

4.1 单变量绘图
我们先了解一下单变量的绘图，也就是用每个单独变量来绘图。
如果输入变量是数值型的，我们可以绘制每一个输入变量的箱线图（box and whisker plots）。

# boxand whisker plots

dataset.plot(kind='box',subplots=True,layout=(2,2), sharex=False, sharey=False)

plt.show()

这能让我们更清晰的了解输入属性的分布情况。

image.png

我们也可以为每个输入变量创建柱状图来了解它的分布。

#histograms

dataset.hist()

plt.show()

看起来输入变量中有两个可能符合高斯分布。这个现象值得注意，我们可以使用基于这个假设的算法。

4.2 多变量绘图
现在我们看一下变量之间的相互关系。
首先，我们看一下所有属性两两一组互相对比的散点图。这种图有助于我们定位输入变量间的结构性关系。

#scatter plot matrix

scatter_matrix(dataset)

plt.show()

注意下图中某些属性两两比对时延对角线出现的分组现象。这其实表明高度的相关性和可预测关系。

5. 算法评估
现在是时候为数据建模，然后评估这些模型在未见数据的准确率了。未见数据指模型从来没有见过的数据(译者注：将来的数据,例如不在训练数据，也不在测试数据中的数据)。
这个步骤里边我们介绍的内容如下：
 1．分割验证数据集
 2．设置测试工具，使用十折交叉验证（10-fold cross validation）。
 3．建立6（5）个不同模型，用花的各种尺寸来预测花的种类。
 4．选择最好的模型。

5.1 创建验证数据集
我们需要知道我们创建的模型好还是不好，好在哪里。

之后我们会通过统计学方法来估计我们的模型在未见数据上的准确率。我们也想，通过衡量最佳模型在实际未见数据上的准确率，得到最佳模型在未见数据上的更加具体的准确率估计。

这样的话，我们需要预先保留一些数据，这些数据对算法是不可见的。我们会用这些保留数据来帮助我们了解最佳模型在实际做预测时有多精准。

我们把加载的数据集分成两部分，其中的80%分为一部分，我们用它来训练我们的模型。其中的20%我们保留，作为验证数据集。

#Split-out validation datasetarray =dataset.valuesX =array[:,0:4]Y =array[:,4]

validation_size = 0.20

seed =7

X_train, X_validation, Y_train,Y_validation = model_selection.train_test_split(X, Y, test_size=validation_size, random_state=seed)

现在有了训练数据集：X_train，Y_train
也有了之后要用的验证数据集：X_validation，Y_validation

5.2 测试工具集
我们用十折交叉验证来估计准确率。
我们的具体做法是将数据集分成10份，9份用于训练，1份用于测试。交叉验证过程涵盖训练部分测试部分分割的所有组合（也就是每一份都要做一次测试集）。

# Testoptions and evaluation metric

seed =7

scoring= 'accuracy'

我们用了标准“准确率”来衡量我们的模型。准确率＝预测正确实例数/数据集中实例总数100（例如95%的准确率）。当我们运行和评估每个模型时，我们会用到上述代码中的scoring变量。

5.3 建立模型
我们不知道对于我们的问题来说哪种算法比较好，或者要用哪种配置。我们从绘图中感觉有些分类在某些维度上线性可分（看我说得多么不确定），我们期待我们的观察具有普遍性。
下面我们评估6种不同算法：
 逻辑回归（LR）
 线性判别分析（LDA）
 K近邻法（KNN）
 分类回归树（CART）
 高斯朴素贝叶斯分类器（NB）
 支持向量机（SVM）
上面混合了简单线性算法（LR和LDA），和非线性算法（KNN，CART，NB和SVM）。我们每次运行之前重设随机数种子，保证每个算法的评估是针对相同数据分割来进行。从而确保结果可以直接比较。

让我们先建立上述6种模型，然后评估：

# SpotCheck Algorithms

models =[]

models.append(('LR', LogisticRegression()))

models.append(('LDA', LinearDiscriminantAnalysis()))

models.append(('KNN', KNeighborsClassifier()))

models.append(('CART', DecisionTreeClassifier()))

models.append(('NB', GaussianNB()))

models.append(('SVM', SVC()))

#evaluate each model in turn

results =[]

names =[]for name, model inmodels:

kfold= model_selection.KFold(n_splits=10, random_state=seed)

cv_results= model_selection.cross_val_score(model,X_train, Y_train, cv=kfold, scoring=scoring)

results.append(cv_results)

names.append(name)

msg= "%s: %f (%f)" % (name, cv_results.mean(),cv_results.std())

print(msg)

5.4 选择最佳模型
我们现在有了6个模型和每个模型的准确率评估。我们需要对这些模型相互之间进行比较，选择一个最精确的模型。

运行上述的示例代码，我们得到下面的原始结果：
LR: 0.966667(0.040825)
LDA: 0.975000(0.038188)
KNN: 0.983333(0.033333)
CART: 0.975000(0.038188)
NB: 0.975000(0.053359)
SVM: 0.981667 (0.025000)
我们可以看到看起来KNN估计准确率的分值最高。

我们也能绘出模型评估结果的图形，可以比较每种模型的对于分类数据的覆盖率和平均准确度。每个算法准确度度量的结果都有多个，因为我们每种算法都评估了10次（十折交叉验证）。

#Compare Algorithms

fig =plt.figure()

fig.suptitle('Algorithm Comparison')

ax =fig.add_subplot(111)

plt.boxplot(results)

ax.set_xticklabels(names)

plt.show()

下图中可以看到箱线图都被挤压在范围的顶部，很多样本达到100%的准确率。

image.png

6. 预测
经过测试，KNN准确率最好。现在我们要看一下模型在我们的验证集上的精度。验证集上的准确率是独立检测最佳模型的准确率的最终手段。保留一个验证集的价值在于防止你在训练的时候掉到坑里，比如训练集上出现过拟合或者数据遗漏。两者都会造成过度乐观的结果。

我们在验证集上直接运行KNN模型，汇总结果作为最终准确率的评分，得到一个混淆矩阵和分类报告。

# Makepredictions on validation dataset

knn =KNeighborsClassifier()

knn.fit(X_train,Y_train)

predictions = knn.predict(X_validation)

print(accuracy_score(Y_validation, predictions))

print(confusion_matrix(Y_validation, predictions))

print(classification_report(Y_validation, predictions))

我们可以看到准确率是0.9或者90%。混淆矩阵显示有3个预测错误。最终，分类报告按精度，召回率，F1分值（f1-score），支撑集件数（support）等指标给出了每种分类的明细（前提是验证集比较小）。

0.9

[[ 7 0 0]
[ 0 11 1]
[ 0 2 9]]

     precision recall f1-score support
Iris-setosa 1.00 1.00 1.00 7
Iris-versicolor 0.85 0.92 0.88 12
Iris-virginica 0.90 0.82 0.86 11

avg / total 0.90 0.90 0.90 30

总结
在本文中介绍了怎样在python中一步一步完成一个完整的机器学习项目。从头到尾完成一个小项目，包括加载数据到进行预测，是熟悉新平台最好的方式