LDA&SVM编程实践

一、LDA&SVM概述

1.1、LDA概述

• 线性判别分析(linear discriminantanalysis，LDA)是对费舍尔的线性鉴别方法的归纳，这种方法使用统计学，模式识别和机器学习方法，试图找到两类物体或事件的特征的一个线性组合，以能够特征化或区分它们。所得的组合可用来作为一个线性分类器，或者，更常见的是，为后续的分类做降维处理。
  

1.2、SVM概述

• 在机器学习领域，分类的目标是指将具有相似特征的对象聚集。而一个线性分类器则透过特征的线性组合来做出分类决定，以达到此种目的。对象的特征通常被描述为特征值，而在向量中则描述为特征向量。
• 如果输入的特征向量是实数向量 ，则输出的分数为：
  

二、编程实践（python）

2.1、LDA

采用随机数据集实现

• 导入包

from sklearn.discriminant_analysis import LinearDiscriminantAnalysis as lda#导入LDA算法
from sklearn.datasets._samples_generator import make_classification #导入分类生成器
import matplotlib.pyplot as plt #导入画图用的工具
import numpy as np
import pandas as pd

• 获得数据集并进行训练，用上面导入的make_classification函数获得数据集

x,y=make_classification(n_samples=500,n_features=2,n_redundant=0,n_classes=2,n_informative=1,n_clusters_per_class=1,class_sep=0.5,random_state=100)
"""
n_features :特征个数= n_informative（） + n_redundant + n_repeated
n_informative：多信息特征的个数
n_redundant：冗余信息，informative特征的随机线性组合
n_repeated ：重复信息，随机提取n_informative和n_redundant 特征
n_classes：分类类别
n_clusters_per_class ：某一个类别是由几个cluster构成的

"""
plt.scatter(x[:,0],x[:,1], marker='o', c=y)
plt.show()
x_train=x[:60, :60]
y_train=y[:60]
x_test=x[40:, :]
y_test=y[40:]

• 结果如图

• 将数据集分为训练集和测试集，分类比为6：4，训练完之后利用测试集获得准确率

#分为训练集和测试集，进行模型训练并测试
x_train=x[:300, :300]
y_train=y[:300]
x_test=x[200:, :]
y_test=y[200:]
lda_test=lda()
lda_test.fit(x_train,y_train)
predict_y=lda_test.predict(x_test)#获取预测的结果
count=0
for i in range(len(predict_y)):
    if predict_y[i]==y_test[i]:
        count+=1
print("预测准确个数为"+str(count))
print("准确率为"+str(count/len(predict_y)))

• 结果：
  

2.2、SVM

2.2.1、月亮数据集

2.2.1.1、线性SVM

• 导入包

# 导入月亮数据集和svm方法
#这是线性svm
from sklearn import datasets #导入数据集
from sklearn.svm import LinearSVC #导入线性svm
from matplotlib.colors import ListedColormap
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

• 获取数据

data_x,data_y=datasets.make_moons(noise=0.15,random_state=777)#生成月亮数据集
# random_state是随机种子，nosie是方
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1])
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1])
data_x=data_x[data_y<2,:2]#只取data_y小于2的类别，并且只取前两个特征
plt.show()

• 数据可视化现实
  
• 对数据进行标准化训练

scaler=StandardScaler()# 标准化
scaler.fit(data_x)#计算训练数据的均值和方差
data_x=scaler.transform(data_x) #再用scaler中的均值和方差来转换X，使X标准化
liner_svc=LinearSVC(C=1e9,max_iter=100000)#线性svm分类器,iter是迭达次数，c值决定的是容错，c越大，容错越小
liner_svc.fit(data_x,data_y)

• 边界绘制函数

# 边界绘制函数
def plot_decision_boundary(model,axis):
    x0,x1=np.meshgrid(
        np.linspace(axis[0],axis[1],int((axis[1]-axis[0])*100)).reshape(-1,1),
        np.linspace(axis[2],axis[3],int((axis[3]-axis[2])*100)).reshape(-1,1))
    # meshgrid函数是从坐标向量中返回坐标矩阵
    x_new=np.c_[x0.ravel(),x1.ravel()]
    y_predict=model.predict(x_new)#获取预测值
    zz=y_predict.reshape(x0.shape)
    custom_cmap=ListedColormap(['#EF9A9A','#FFF59D','#90CAF9'])
    plt.contourf(x0,x1,zz,cmap=custom_cmap)

• 画图并显示参数和截距

#画图并显示参数和截距
plot_decision_boundary(liner_svc,axis=[-3,3,-3,3])
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1],color='red')
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1],color='blue')
plt.show()
print('参数权重')
print(liner_svc.coef_)
print('模型截距')
print(liner_svc.intercept_)

• 结果：

2.2.1.2、多项式核

• 导入包

# 导入月亮数据集和svm方法
#这是多项式核svm
from sklearn import datasets #导入数据集
from sklearn.svm import LinearSVC #导入线性svm
from sklearn.pipeline import Pipeline #导入python里的管道
from matplotlib.colors import ListedColormap
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import StandardScaler,PolynomialFeatures #导入多项式回归和标准化

• 获取数据集

data_x,data_y=datasets.make_moons(noise=0.15,random_state=777)#生成月亮数据集
# random_state是随机种子，nosie是方
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1])
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1])
data_x=data_x[data_y<2,:2]#只取data_y小于2的类别，并且只取前两个特征
plt.show()

• 利用pipeline进行一体化编程

 def PolynomialSVC(degree,c=10):#多项式svm
    return Pipeline([
            # 将源数据 映射到 3阶多项式
            ("poly_features", PolynomialFeatures(degree=degree)),
            # 标准化
            ("scaler", StandardScaler()),
            # SVC线性分类器
            ("svm_clf", LinearSVC(C=10, loss="hinge", random_state=42,max_iter=10000))
        ])

• 进行模型训练并画图

# 进行模型训练并画图
poly_svc=PolynomialSVC(degree=3)
poly_svc.fit(data_x,data_y)
plot_decision_boundary(poly_svc,axis=[-1.5,2.5,-1.0,1.5])#绘制边界
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1],color='red')#画点
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1],color='blue')
plt.show()
print('参数权重')
print(poly_svc.named_steps['svm_clf'].coef_)
print('模型截距')
print(poly_svc.named_steps['svm_clf'].intercept_)

• 结果：
  

2.2.1.3、高斯核

• 导入包

## 导入包
from sklearn import datasets #导入数据集
from sklearn.svm import SVC #导入svm
from sklearn.pipeline import Pipeline #导入python里的管道
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import StandardScaler#导入标准化

• 读取数据

def RBFKernelSVC(gamma=2.0):
    return Pipeline([
        ('std_scaler',StandardScaler()),
        ('svc',SVC(kernel='rbf',gamma=gamma))
    ])

• 进行模型训练画出图形

svc=RBFKernelSVC(gamma=100)#gamma参数很重要，gamma参数越大，支持向量越小
svc.fit(data_x,data_y)
plot_decision_boundary(svc,axis=[-1.5,2.5,-1.0,1.5])
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1],color='red')#画点
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1],color='blue')
plt.show()

• 结果：
  

2.2.2、鸢尾花数据集

因为前面已经导入过了需要的包，这里只需要读取鸢尾花数据集就好
2.2.2.1、多项式核

• 读取鸢尾花数据集

#读取鸢尾花数据集
data=datasets.load_iris()
data_x=data.data
data_y=data.target

• 读取并显示鸢尾花数据集

plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1])
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1])
data_x=data_x[data_y<2,:2]#只取data_y小于2的类别，并且只取前两个特征
data_y=data_y[data_y<2]
plt.show()

• 规范化数据集

 def PolynomialSVC(degree,c=10):#多项式svm
    return Pipeline([
            # 将源数据 映射到 3阶多项式
            ("poly_features", PolynomialFeatures(degree=degree)),
            # 标准化
            ("scaler", StandardScaler()),
            # SVC线性分类器
            ("svm_clf", LinearSVC(C=10, loss="hinge", random_state=42,max_iter=10000))
        ])
liner_svc.fit(data_x,data_y)

• 进行模型训练并画图

# 进行模型训练并画图
poly_svc=PolynomialSVC(degree=3)
poly_svc.fit(data_x,data_y)
plot_decision_boundary(poly_svc,axis=[-2.0,2.5,-2.5,3.0])#绘制边界
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1],color='red')#画点
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1],color='blue')
plt.show()
print('参数权重')
print(poly_svc.named_steps['svm_clf'].coef_)
print('模型截距')
print(poly_svc.named_steps['svm_clf'].intercept_)

• 结果：

2.2.2.2、高斯核

• 规范化数据集

def RBFKernelSVC(gamma=1.0):
    return Pipeline([
        ('std_scaler',StandardScaler()),
        ('svc',SVC(kernel='rbf',gamma=gamma))
    ])

• 进行模型训练并画图

svc=RBFKernelSVC(gamma=100)#gamma参数很重要，gamma参数越大，支持向量越小
svc.fit(data_x,data_y)
plot_decision_boundary(svc,axis=[-2.0,2.5,-2.5,3.0])
plt.scatter(data_x[data_y==0,0],data_x[data_y==0,1],color='red')#画点
plt.scatter(data_x[data_y==1,0],data_x[data_y==1,1],color='blue')
plt.show()

三、总结

本次学习并实践LAD与SVM，其中LAD是将所有点投影到直线上，然后找到合适的分界点划出分类直线；而SVM是求出分界线周围的支持向量来确定不规则的分界线。总体来说，理解原理不成问题，主要还是要学会算法。

四、参考资料

LDA与SVM实践（python实现）.
线性判别分析.
线性分类器.