Regression – Data Science Blog

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Maschinelles Lernen: Klassifikation vs Regression

December 20, 2017/6 Comments/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category, Mathematics, Predictive Analytics /by Benjamin Aunkofer

Das ist Artikel 2 von 4 aus der Artikelserie – Was ist eigentlich Machine Learning? Die Unterscheidung zwischen Klassifikation und Regression ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis von Predictive Analytics. Nun möchte ich eine Erklärung liefern, die den Unterschied (hoffentlich) deutlich macht.

Regression – Die Vorhersage von stetigen Werten

Wir suchen bei der Regression demnach eine Funktion $y = \beta \cdot x + \alpha$ , die unsere Punktwolke – mit der wir uns zutrauen, Vorhersagen über die abhängige Variable vornehmen zu können – möglichst gut beschreibt. Dabei ist $y$ der Zielwert (abhängige Variable) und $x$ der Eingabewert. Wir arbeiten also in einer zwei-dimensionalen Welt. Variablen, die die Funktion mathematisch definieren, werden oft als griechische Buchstaben darsgestellt. Die Variable $\alpha$ (Alpha) ist der $y$ -Achsenschnitt bei $x = 0$ . Dieser wird als Bias, selten auch als Default-Wert, bezeichnet. Der Bias ist also der Wert, wenn die $x$ -Eingabe gleich Null ist. Eine weitere Variable $\beta$ (Beta) beschreibt die Steigung.

Ferner ist zu beachten, dass sich eine Punktwolke durch eine Gerade nie perfekt beschreiben lässt, und daher für jedes $x_{i}$ ein Fehler $\varepsilon_{i}$ existiert. Diesen Fehler wollen wir in diesem Artikel ignorieren.

In einem zwei-dimensionalen System (eine Eingabe und eine Ausgabe) sprechen wir von einer einfachen Regression. Generalisieren wir die Regressionsmethode auf ein multivariates System (mehr als eine Eingabe-Variable), werden die Variablen in der Regel nicht mehr als griechische Buchstaben (denn auch das griechische Alphabet ist endlich) dargestellt, sondern wir nehmen eines abstrahierende Darstellung über Gewichtungen (weights). Dies ist eine sehr treffende Symbolisierungen, denn sowohl der Bias ( $w_{0}$ statt $\alpha$ ) als auch die Steigungen ( $w_{1\ldots n}$ ) sind nichts anderes als Gewichtungen zwischen den Eingaben.

$y = w_{0} \cdot x_{0} + w_{1} \cdot x_{1} + \ldots + w_{n} \cdot x_{n}$

$y$ ist eine Summe aus den jeweiligen Produkten aus $x_{i}$ und $w_{i}$ . Verkürzt ausgedrückt:

$y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}$

Noch kürzer ausgedrückt:

$y = w^T \cdot x$

Anmerkung: Das hochgestellte T steht für Transponieren, eine Notation aus der linearen Algebra, die im Ergebnis nichts anderes bewirkt als $y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}$ .

Diese mathematische lineare Funktion kann wie folgt abgebildet werden:

Der Output ist gleich $y$ bzw. die Ausgabe der Nettoeingabe (Net Sum) $w^T \cdot x$ . Auf der linken Seite finden wir alle Eingabewerte, wobei der erste Wert statisch mit 1.0 belegt ist, nur für den Zweck, den Bias ( $w_{0}$ ) in der Nettoeingabe aufrecht zu erhalten. Im Falle einer einfachen linearen Regression hätten wir also eine Funktion mit zwei Gewichten: $y = 1 \cdot w_{0} + x \cdot w_{1}$

Das Modell beschreibt, wie aus einer Reihe von Eingabewerten (n = Anzahl an x-Dimensionen) und einer Reihe von Gewichtungen (n + 1) eine Funktion entsteht, die einen y-Wert berechnet. Diese Berechnung wird auch als Forward-Propagation bezeichnet.
Doch welche Werte brauchen wir für die Gewichtungen, damit bei gegebenen x-Werten ein (mehr oder weniger) korrekter y-Wert berechnet wird? Anders gefragt, wie schaffen wir es, dass die Forward-Propagation die richtigen Werte ausspuckt?

Mit einem Training via Backpropagation!

Einfache Erklärung der Backpropagation

Die Backpropagation ist ein Optimierungsverfahren, unter Einsatz der Gradientenmethode, den Fehler einer Forward-Propagation zu berechnen und die Gewichtungen in Gegenrichtung des Fehlers anzupassen. Optimiert wird in der Form, dass der Fehler minimiert wird. Es ist ein iteratives Verfahren, bei dem mit jedem Iterationsschritt wieder eine Forward-Propagation auf Basis von Trainingsdaten durchgeführt wird und die Prädiktionsergebnisse mit den vorgegebenen Ergebnissen (der gekennzeichneten Trainingsdaten) verglichen und damit die Fehler berechnet werden. Die resultierende Fehlerfunktion ist konvex, ableitbar und hat ein zentrales globales Minimum. Dieses Minimum finden wir durch diese iterative Vorgehensweise.

Die Backpropagation zu erklären, erfordert einen separaten Artikel. Merken wir uns einfach: Die Backpropagation nutzt eine Fehlerfunktion, um die Werte der Gewichtungen schrittweise entgegen des Fehlers (bei jeder Forward-Propagation) bis zu einem Punkt anzupassen, bis keine wesentliche Verbesserung (Reduzierung des Fehlers) mehr eintritt. Nach dem Vollzug der Backpropagation erhalten wir die “richtigen” Gewichtungen und haben eine Funktion zur Vorhersage von y-Werten bei Eingabe neuer x-Werte.

Klassifikation – Die Vorhersage von Gruppenzugehörigkeiten

Bei der Klassifikation möchten wir jedoch keine Gerade oder Kurve vorhersagen, die sich durch eine Punktwolke legt, sondern wie möchten Punktwolken voneinander als Klassen unterscheiden, um später hinzukommende Punkte ihren richtigen Klassen zuweisen zu können (Klassifikation). Wir können jedoch auf dem vorherigen Modell der Prädiktion von stetigen Werten aufbauen und auch die Backpropagation zum Training einsetzen, möchten das Training dann jedoch auf die Trennung der Punktwolken ausrichten.

Hinweis: Regressions- und Klassifikationsherausforderungen werden in den Dimensionen unterschiedlich dargestellt. Zur Veranschaulichung: Während wir bei der einfachen Regression eine x-Eingabe als unabhängige Variable und eine y-Ausgabe als abhängige Variable haben, haben wir bei einer zwei-dimensionalen Klassifikation zwei x-Dimensionen als Eingabe. Die Klassen sind die y-Ausgabe (hier als Farben visualisiert).

Ergänzen wir das Modell nun um eine Aktivierungsfunktion, dass die stetigen Werte der Nettosumme über eine Funktion in Klassen unterteilt, erhalten wir einen Klassifikator: Den Perceptron-Klassifikator. Das Perzeptron gilt als der einfachste Klassifikator und ist bereits die kleinste Form eines künstlichen neuronalen Netzes. Es funktioniert nur bei linearer Trennbarkeit der Klassen.

Was soll die Aktivierungsfunktion bewirken? Wir berechnen wieder eine Nettoeingabe $w^T \cdot x$ , die uns stetige Werte ausgiebt. Wir haben also immer noch unsere Gewichtungen, die wir trainieren können. Nun trainieren wir nur nicht auf eine “korrekte” stetige Ausgabe der Nettoeingabe hin, sondern auf eine korrekte Ausgabe der Aktivierungsfunktion $\phi$ (Phi), die uns die stetigen Werte der Nettoeingabe in einen binären Wert (z. B. 0 oder 1) umwandelt. Das Perzeptron ist die kleinste Form des künstlichen neuronalen Netzes und funktioniert wie der lineare Regressor, jedoch ergänzt um eine Aktivierungsfunktion die bewirken soll, dass ein Neuron (hier: der einzelne Output) “feuert” oder nicht “feuert”. Es ist ein binärer Klassifikator, der beispielsweise die Wertebereiche -1 oder +1 annehmen kann.

Das Perceptron verwendet die einfachste Form der Aktivierungsfunktion: Eine Sprungfunktion, die einer einfachen if… else… Anweisung gleich kommt.

$y = \phi(w^T \cdot x) = \left\{ \begin{array}{12} 1 & w^T \cdot x > 0\\ -1 & \text{otherwise} \end{array}$

Fazit – Unterschied zwischen Klassifikation und Regression

Mathematisch müssen sich Regression und Klassifikation gar nicht all zu sehr voneinander unterscheiden. Viele Verfahren der Klassifikation lassen sich mit nur wenig Anpassung auch zur Regression anwenden, oder umgekehrt. Künstliche neuronale Netze, k-nächste-Nachbarn und Entscheidungsbäume sind gute Beispiele, die in der Praxis sowohl für Klassifkation als auch für Regression eingesetzt werden, natürlich mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen.

Unterschiedlich ist jedoch der Zweck der Anwendung: Bei der Regression möchten wir stetige Werte vorhersagen (z. B. Temperatur der Maschine), bei der Klassifikation hingegen Klassen unterscheiden (z. B. Maschine überhitzt oder überhitzt nicht).

Unterschiede zwischen linearer und nicht-linearer Klassifikation und linearer und nicht-linearer Regression. Für Einsteiger in diese Thematik ist beachten, dass jede maschinell erlernte Klassifikation und Regression einen gewissen Fehler hat, der unter Betrachtung der Trainings- und Testdaten zu minimieren ist, jedoch nie ganz verschwindet.

Und Clustering?

Clustering ist eine Disziplin des unüberwachten Lernens, um Gruppen von Klassen bzw. Grenzen dieser Klassen innerhalb von unbekannten Daten zu finden. Es ist im Prinzip eine untrainierte Klassifikation zum Zwecke des Data Minings. Clustering gehört auch zum maschinellen Lernen, ist aber kein Predictive Analytics. Da keine – mit dem gewünschten Ergebnis vorliegende – Trainingsdaten vorliegen, kann auch kein Training über eine Backpropagation erfolgen. Clustering ist folglich eine schwache Klassifikation, die mit den trainingsbasierten Klassifikationsverfahren nicht funktioniert.

Lineare Regression in Python mit Scitkit-Learn

October 17, 2017/4 Comments/in Data Mining, Data Science, Data Science Hack, Python, Statistics, Visualization /by Benjamin Aunkofer

Die lineare Regressionsanalyse ist ein häufiger Einstieg ins maschinelle Lernen um stetige Werte vorherzusagen (Prediction bzw. Prädiktion). Hinter der Regression steht oftmals die Methode der kleinsten Fehlerquadrate und die hat mehr als eine mathematische Methode zur Lösungsfindung (Gradientenverfahren und Normalengleichung). Alternativ kann auch die Maximum Likelihood-Methode zur Regression verwendet werden. Wir wollen uns in diesem Artikel nicht auf die Mathematik konzentrieren, sondern uns direkt an die Anwendung mit Python Scikit-Learn machen:

Haupt-Lernziele:

Einführung in Machine Learning mit Scikit-Learn
Lineare Regression mit Scikit-Learn

Neben-Lernziele:

Datenvorbereitung (Data Preparation) mit Pandas und Scikit-Learn
Datenvisualisierung mit der Matplotlib direkt und indirekt (über Pandas)

Was wir inhaltlich tun:

Der Versuch einer Vorhersage eines Fahrzeugpreises auf Basis einer quantitativ-messbaren Eigenschaft eines Fahrzeuges.

Die Daten als Download

Für dieses Beispiel verwende ich die Datei “Automobil_data.txt” von Kaggle.com. Die Daten lassen sich über folgenden Link downloaden, nur leider wird ein (kostenloser) Account benötigt:
https://www.kaggle.com/toramky/automobile-dataset/downloads/automobile-dataset.zip
Sollte der Download-Link unerwartet mal nicht mehr funktionieren, freue ich mich über einen Hinweis als Kommentar 🙂

Die Entwicklungsumgebung

Ich verwende hier die Python-Distribution Anaconda 3 und als Entwicklungs-Umgebung Spyder (in Anaconda enthalten). Genauso gut funktionieren jedoch auch Jupyter Notebook, Eclipse mit PyDev oder direkt die IPython QT-Console.

Zuerst einmal müssen wir die Daten in unsere Python-Session laden und werden einige Transformationen durchführen müssen. Wir starten zunächst mit dem Importieren von drei Bibliotheken NumPy und Pandas, deren Bedeutung ich nicht weiter erläutern werde, somit voraussetze.

import matplotlib.pyplot as plt # Die Nr.1 der Bibliotheken zur Datenvisualisierung

import numpy as np # Bibliothek "Nummerisches Python"

import pandas as pd # Bibliothek "Panel Data"

Wir nutzen die Pandas-Bibliothek, um die “Automobile_data.txt” in ein pd.DataFrame zu laden.

dataSet = pd.read_csv("Automobile_data.txt", # Hier liegt die Datei im selben Verzeichnis wie das Python-Skript!

delimiter = ',',

thousands = None,

decimal = '.')

Schauen wir uns dann die ersten fünf Zeilen in IPython via dataSet.head().

In : dataSet.head()

Out:

symboling normalized-losses make fuel-type aspiration num-of-doors \

0 3 ? alfa-romero gas std two

1 3 ? alfa-romero gas std two

2 1 ? alfa-romero gas std two

3 2 164 audi gas std four

4 2 164 audi gas std four

body-style drive-wheels engine-location wheel-base ... engine-size \

0 convertible rwd front 88.6 ... 130

1 convertible rwd front 88.6 ... 130

2 hatchback rwd front 94.5 ... 152

3 sedan fwd front 99.8 ... 109

4 sedan 4wd front 99.4 ... 136

fuel-system bore stroke compression-ratio horsepower peak-rpm city-mpg \

0 mpfi 3.47 2.68 9.0 111 5000 21

1 mpfi 3.47 2.68 9.0 111 5000 21

2 mpfi 2.68 3.47 9.0 154 5000 19

3 mpfi 3.19 3.4 10.0 102 5500 24

4 mpfi 3.19 3.4 8.0 115 5500 18

highway-mpg price

0 27 13495

1 27 16500

2 26 16500

3 30 13950

4 22 17450

[5 rows x 26 columns]

Hinweis: Der Datensatz hat viele Spalten, so dass diese in der Darstellung mit einem Backslash \ umgebrochen werden.

Gleich noch eine weitere Ausgabe dataSet.info(), die uns etwas über die Beschaffenheit der importierten Daten verrät:

In : dataSet.info()

RangeIndex: 205 entries, 0 to 204

Data columns (total 26 columns):

symboling 205 non-null int64

normalized-losses 205 non-null object

make 205 non-null object

fuel-type 205 non-null object

aspiration 205 non-null object

num-of-doors 205 non-null object

body-style 205 non-null object

drive-wheels 205 non-null object

engine-location 205 non-null object

wheel-base 205 non-null float64

length 205 non-null float64

width 205 non-null float64

height 205 non-null float64

curb-weight 205 non-null int64

engine-type 205 non-null object

num-of-cylinders 205 non-null object

engine-size 205 non-null int64

fuel-system 205 non-null object

bore 205 non-null object

stroke 205 non-null object

compression-ratio 205 non-null float64

horsepower 205 non-null object

peak-rpm 205 non-null object

city-mpg 205 non-null int64

highway-mpg 205 non-null int64

price 205 non-null object

dtypes: float64(5), int64(5), object(16)

memory usage: 41.7+ KB

Einige Spalten entsprechen hinsichtlich des Datentypes nicht der Erwartung. Für die Spalten ‘horsepower’ und ‘peak-rpm’ würde ich eine Ganzzahl (Integer) erwarten, für ‘price’ hingegen eine Fließkommazahl (Float), allerdings sind die drei Spalten als Object deklariert. Mit Trick 17 im Data Science, der Anzeige der Minimum- und Maximum-Werte einer zu untersuchenden Datenreihe, kommen wir dem Übeltäter schnell auf die Schliche:

dataSet['horsepower'].min()

Out: '100'

dataSet['horsepower'].max()

Out: '?'

Datenbereinigung

Für eine Regressionsanalyse benötigen wir nummerische Werte (intervall- oder ratioskaliert), diese möchten wir auch durch richtige Datentypen-Deklaration herstellen. Nun wird eine Konvertierung in den gewünschten Datentyp jedoch an den (mit ‘?’ aufgefüllten) Datenlücken scheitern.

Schauen wir uns doch einmal die Datenreihen an, in denen in der Spalte ‘peak-rpm’ Fragezeichen stehen:

dataSet[dataSet['peak-rpm'] == '?'][['engine-type', 'num-of-cylinders']]

Out:

engine-type num-of-cylinders

130 ohc four

131 ohc four

Zwei Datenreihen sind vorhanden, bei denen ‘peak-rpm’ mit einem ‘?’ aufgefüllt wurde. Nun könnten wir diese Datenreihen einfach rauslöschen. Oder mit sinnvollen (im Sinne von wahrscheinlichen) Werten auffüllen. Vermutlichen haben beide Einträge – beide sind OHC-Motoren mit 4 Zylindern – eine ähnliche Drehzahl-Angabe wie vergleichbare Motoren. Mit folgendem Quellcode, gruppieren wir die Spalten ‘engine-type’ und ‘num-of-cylinders’ und bilden für diese Klassen den arithmetischen Mittelwert (.mean()) für die ‘peak-rpm’.

dataSet_rpm = dataSet[dataSet['peak-rpm'] != '?'][['engine-type', 'num-of-cylinders','peak-rpm']]

dataSet_rpm['peak-rpm'] = dataSet_rpm['peak-rpm'].astype(float)

dataSet_rpm_grouped = dataSet_rpm.groupby(['engine-type', 'num-of-cylinders'])

dataSet_rpm_grouped['peak-rpm'].mean()

Und schauen wir uns das Ergebnis an:

dataSet_rpm_grouped['peak-rpm'].mean()

Out:

engine-type num-of-cylinders

dohc four 5700.000000 --

six 5050.000000

dohcv eight 5750.000000

l four 4668.181818

three 5100.000000

ohc five 5081.818182

four 5155.468750

six 4821.428571

ohcf four 4775.000000

six 5900.000000

ohcv eight 4625.000000

six 5212.500000

twelve 5000.000000

rotor two 6000.000000

Name: peak-rpm, dtype: float64

Ein Vier-Zylinder-OHC-Motor hat demnach durchschnittlich einen Drehzahl-Peak von 5155 Umdrehungen pro Minute. Ohne nun (fahrlässigerweise) auf die Verteilung in dieser Klasse zu achten, nehmen wir einfach diesen Schätzwert, um die zwei fehlende Datenpunkte zu ersetzen.

Wir möchten jedoch die Original-Daten erhalten und legen ein neues DataSet (dataSet_c) an, in welches wir die Korrekturen vornehmen:

1 2	dataSet_c = dataSet.copy() # das "c"-Anhängsel steht für "corrected"

Nun können wir die fehlenden Peak-RPM-Einträge mit unserem Schätzwert ersetzen:

1 2	dataSet_c.loc[dataSet_c['peak-rpm'] == '?', 'peak-rpm'] = 5155

Was bei einer Drehzahl-Angabe noch funktionieren mag, ist für anderen Spalten bereits etwas schwieriger: Die beiden Spalten ‘price’ und ‘horsepower’ sind ebenfalls vom Typ Object, da sie ‘?’ enthalten. Verzichten wir einfach auf die betroffenen Zeilen:

dataSet_c = dataSet_c[dataSet_c['price'] != '?'] # entsprechende Zeilen herausfiltern

dataSet_c['price'] = dataSet_c['price'].astype(float) # Typ-Konvertierung zu Float

dataSet_c = dataSet_c[dataSet_c.horsepower != '?'] # entsprechende Zeilen herausfiltern

dataSet_c['horsepower'] = dataSet_c['horsepower'].astype(float) # Typ-Konvertierung in Int

Datenvisualisierung mit Pandas

Wir wollen uns nicht lange vom eigentlichen Ziel ablenken, dennoch nutzen wir die Visualisierungsfähigkeiten der Pandas-Library (welche die Matplotlib inkludiert), um uns dann die Anzahlen an Einträgen nach Hersteller der Fahrzeuge (Spalte ‘make’) anzeigen zu lassen:

dataSet_grouped_make = dataSet_c.groupby('make')

dataSet_grouped_make['make'].count().plot(kind = 'bar', figsize = (10, 10))

plt.show() # Besser jedes Plot abschließen! Auch wenn es in Pandas entstanden ist.

Oder die durchschnittliche PS-Zahl nach Hersteller:

(dataSet_c.groupby('make'))['horsepower'].mean().plot(kind = 'barh',

title = 'Mean Horsepower',

figsize = (10, 10))

plt.show()

Vorbereitung der Regressionsanalyse

Nun kommen wir endlich zur Regressionsanalyse, die wir mit Scikit-Learn umsetzen möchten. Die Regressionsanalyse können wir nur mit intervall- oder ratioskalierten Datenspalten betreiben, daher beschränken wir uns auf diese. Die “price”-Spalte nehmen wir jedoch heraus und setzen sie als unsere Zielgröße fest.

""" ----- Vorbereitung für die Regressionsanalyse ----- """

cols_ratio = ['horsepower', 'wheel-base', 'length', 'width', 'height', 'curb-weight', 'engine-size', 'compression-ratio', 'city-mpg', 'highway-mpg']

cols_target = ['price']

dataSet_ratio = dataSet_c.loc[:, cols_ratio]

dataSet_target = dataSet_c[cols_target]

Interessant ist zudem die Betrachtung vorab, wie die einzelnen nummerischen Attribute untereinander korrelieren. Dafür nehmen wir auch die ‘price’-Spalte wieder in die Betrachtung hinein und hinterlegen auch eine Farbskala mit dem Preis (höhere Preise, hellere Farben).

grr = pd.plotting.scatter_matrix(dataSet_c[cols_target + cols_ratio]

,c = dataSet_target

,figsize=(15, 15)

,marker = 'o'

,hist_kwds={'bins' : 20}

,s = 60

,alpha = 0.8)

plt.show()

Die lineare Korrelation ist hier sehr interessant, da wir auch nur eine lineare Regression beabsichtigen.

Wie man in dieser Scatter-Matrix recht gut erkennen kann, scheinen einige Größen-Paare nahezu perfekt zu korrelieren, andere nicht.

Korrelation…

…nahezu perfekt linear: highway-mpg vs city-mpg (mpg = Miles per Gallon)
… eher nicht gegeben: highway-mpg vs height
… nicht linear, dafür aber nicht-linear: highway-mpg vs price

Nun, wir wollen den Preis eines Fahrzeuges vorhersagen, wenn wir eine andere quantitative Größe gegeben haben. Auf den Preis bezogen, erscheint mir die Motorleistung (Horsepower) einigermaßen linear zu korrelieren. Versuchen wir hier die lineare Regression und setzen somit die Spalte ‘horsepower’ als X und ‘price’ als y fest.

X = dataSet_ratio[['horsepower']] # doppelte [], da eine Liste von Spalten zu übergeben ist

y = dataSet_c[cols_target]

Die gängige Konvention ist übrigens, X groß zu schreiben, weil hier auch mehrere x-Dimensionen enthalten sein dürfen (multivariate Regression). y hingegen, ist stets nur eine Zielgröße (eine Dimension).

Die lineare Regression ist ein überwachtes Verfahren des maschinellen Lernens, somit müssen wir unsere Prädiktionsergebnisse mit Test-Daten testen, die nicht für das Training verwendet werden dürfen. Scitkit-Learn (oder kurz: sklearn) bietet hierfür eine Funktion an, die uns das Aufteilen der Daten abnimmt:

from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,

test_size = 0.3, # 70% der Daten für das Training

random_state = None) # bei Bedarf kann hier "dem Zufall auf die Sprünge geholfen" werden

Zu beachten ist dabei, dass die Daten vor dem Aufteilen in Trainings- und Testdaten gut zu durchmischen sind. Auch dies übernimmt die train_test_split-Funktion für uns, nur sollte man im Hinterkopf behalten, dass die Ergebnisse (auf Grund der Zufallsauswahl) nach jedem Durchlauf immer wieder etwas anders aussehen.

Lineare Regression mit Scikit-Learn

Nun kommen wir zur Durchführung der linearen Regression mit Scitkit-Learn, die sich in drei Zeilen trainieren lässt:

""" ----- Lineare Regressionsanalyse ------- """

from sklearn.linear_model import LinearRegression # importieren der Klasse

lr = LinearRegression() # instanziieren der Klasse

lr.fit(X_train, y_train) # trainieren

Aber Vorsicht! Bevor wir eine Prädiktion durchführen, wollen wir festlegen, wie wir die Güte der Prädiktion bewerten wollen. Die gängigsten Messungen für eine lineare Regression sind der MSE und R².

$MSE = \frac{\sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i})^2}{n}$

Ein großer MSE ist schlecht, ein kleiner gut.

$R^2 = 1 - \frac{MSE}{Var(y)}= \frac{\frac{1}{n} \cdot \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i})^2}{\frac{1}{n} \cdot \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{\mu_y})^2}$

Ein kleines R² ist schlecht, ein großes R² gut. Ein R² = 1.0 wäre theoretisch perfekt (da der Fehler = 0.00 wäre), jedoch in der Praxis unmöglich, da dieser nur bei absolut perfekter Korrelation auftreten würde. Die Klasse LinearRegression hat eine R²-Messmethode implementiert (score(x, y)).

print('------ Lineare Regression -----')

print('Funktion via sklearn: y = %.3f * x + %.3f' % (lr.coef_[0], lr.intercept_))

print("Alpha: {}".format(lr.intercept_))

print("Beta: {}".format(lr.coef_[0]))

print("Training Set R² Score: {:.2f}".format(lr.score(X_train, y_train)))

print("Test Set R² Score: {:.2f}".format(lr.score(X_test, y_test)))

print("\n")

Die Ausgabe (ein Beispiel!):

------ Lineare Regression -----

Funktion via sklearn: y = 170.919 * x + -4254.701 # Die Funktion ist als y = 171 * x - 4254.7

Alpha: [-4254.70114803] # y-Achsenschnitt bei x = 0

Beta: [ 170.91919086] # Steigung der Gerade

Training Set R² Score: 0.62

Test Set R² Score: 0.73

Nach jedem Durchlauf ändert sich mit der Datenaufteilung (train_test_split()) das Modell etwas und auch R² schwankt um eine gewisse Bandbreite. Berauschend sind die Ergebnisse dabei nicht, und wenn wir uns die Regressionsgerade einmal ansehen, wird auch klar, warum:

plt.figure(figsize=(10,10))

plt.scatter(X_train, y_train, color = 'blue') # Blaue Punkte sind Trainingsdaten

plt.scatter(X_test, y_test, color = 'green') # Grüne Punkte sind Testdaten

plt.plot(X_train, lr.predict(X_train), color = 'red') # Hier ensteht die Gerade (x, y) = (x, lr.predict(x)

plt.xlabel(X_train.columns[0])

plt.ylabel(cols_target[0])

plt.show()

Bei kleineren Leistungsbereichen, etwa bis 100 PS, ist die Preis-Varianz noch annehmbar gering, doch bei höheren Leistungsbereichen ist die Spannweite deutlich größer. (Nachträgliche Anmerkung vom 06.05.2018: relativ betrachtet, bleibt der Fehler über alle Wertebereiche ungefähr gleich [relativer Fehler]. Die absoluten Fehlerwerte haben jedoch bei größeren x-Werten so eine Varianz der möglichen y-Werte, dass keine befriedigenden Prädiktionen zu erwarten sind.)

Egal wie wir eine Gerade in diese Punktwolke legen, wir werden keine befriedigende Fehlergröße erhalten.

Nehmen wir einmal eine andere Spalte für X, bei der wir vor allem eine nicht-lineare Korrelation erkannt haben: “highway-mpg”

X = dataSet_ratio[['highway-mpg']]

y = dataSet_c[cols_target]

Wenn wir dann das Training wiederholen:

------ Lineare Regression -----

Funktion via sklearn: y = -868.787 * x + 40575.036

Alpha: [ 40575.03556055]

Beta: [-868.7869183]

Training Set R² Score: 0.49

Test Set R² Score: 0.40

Die R²-Werte sind nicht gerade berauschend, und das erklärt sich auch leicht, wenn wir die Trainings- und Testdaten sowie die gelernte Funktionsgerade visualisieren:

Die Gerade lässt sich nicht wirklich gut durch diese Punktwolke legen, da letztere eher eine Kurve als eine Gerade bildet. Im Grunde könnte eine Gerade noch einigermaßen gut in den Bereich von 22 bis 43 mpg passen und vermutlich annehmbare Ergebnisse liefern. Die Wertebereiche darunter und darüber jedoch verzerren zu sehr und sorgen zudem dafür, dass die Gerade auch innerhalb des mittleren Bereiches zu weit nach oben verschoben ist (ggf. könnte hier eine Ridge-/Lasso-Regression helfen).

Richtig gute Vorhersagen über nicht-lineare Verhältnisse können jedoch nur mit einer nicht-linearen Regression erreicht werden.

Nicht-lineare Regression mit Scikit-Learn

Nicht-lineare Regressionsanalysen erlauben es uns, nicht-lineare korrelierende Werte-Paare als Funktion zu erlernen. Im folgenden Scatter-Plot sehen wir zum einen die gewohnte lineare Regressionsgerade (y = a * x + b) in rot, eine polinominale Regressionskurve dritten Grades (y = a * x³ + b * x² + c * x + d) in violet sowie einen Entscheidungsweg einer Entscheidungsbaum-Regression in gelb.

Nicht-lineare Regressionsanalysen passen sich dem Verlauf der Punktwolke sehr viel besser an und können somit in der Regel auch sehr gute Vorhersageergebnisse liefern. Ich ziehe hier nun jedoch einen Gedankenstrich, liefere aber den Quellcode für die lineare Regression als auch für die beiden nicht-linearen Regressionen mit:

Python Script Regression via Scikit-Learn

Weitere Anmerkungen

Bibliotheken wie Scitkit-Learn erlauben es, machinelle Lernverfahren schnell und unkompliziert anwenden zu können. Allerdings sollte man auch verstehen, wei diese Verfahren im Hintergrund mathematisch arbeiten. Diese Bibliotheken befreien uns also nicht gänzlich von der grauen Theorie.
Statt der “reinen” lineare Regression (LinearRegression()) können auch eine Ridge-Regression (Ridge()), Lasso-Regression (Lasso()) oder eine Kombination aus beiden als sogenannte ElasticNet-Regression (ElasticNet()). Bei diesen kann über Parametern gesteuert werden, wie stark Ausreißer in den Daten berücksichtigt werden sollen.
Vor einer Regression sollten die Werte skaliert werden, idealerweise durch Standardisierung der Werte (sklearn.preprocessing.StandardScaler()) oder durch Normierung (sklearn.preprocessing.Normalizer()).
Wir haben hier nur zwei-dimensional betrachtet. In der Praxis ist das jedoch selten ausreichend, auch der Fahrzeug-Preis ist weder von der Motor-Leistung, noch von dem Kraftstoffverbrauch alleine abhängig – Es nehmen viele Größen auf den Preis Einfluss, somit benötigen wir multivariate Regressionsanalysen.

KNN: Rückwärtspass

April 12, 2016/0 Comments/in Artificial Intelligence, Big Data, Data Mining, Data Science, Data Science Hack, Machine Learning, Mathematics, Octave, Tutorial /by Nico Hezel

Im letzten Artikel der Serie haben wir gesehen wie bereits trainierte Netzwerke verwendet werden können. Als Training wird der Prozess bezeichnet der die Gewichte in einen Netzwerk so anpasst, dass bei einem Vorwärtspass durch ein Netzwerk zu einen festgelegten Eingangsdatensatz ein bestimmtes Ergebnis in der Ausgangsschicht ausgegeben wird. Im Umkehrschluss heißt das auch, dass wenn etwas anderes ausgeliefert wurde als erwartet, das Netzwerk entweder noch nicht gut genug oder aber auf ein anderes Problem hin trainiert wurde.

Training

Das Training selbst findet in drei Schritten statt. Zunächst werden die Gewichte initialisiert. Üblicherweise geschieht das mit zufälligen Werten, die aus einer Normalverteilung gezogen werden. Je nachdem wie viele Gewichte eine Schicht hat, ist es sinnvoll die Verteilung über den Sigma Term zu skalieren. Als Daumenregeln kann dabei eins durch die Anzahl der Gewichte in einer Schicht verwendet werden.

Im zweiten Schritt wird der Vorwärtspass für die Trainingsdaten errechnet. Das Ergebnis wird beim ersten Durchlauf alles andere als zufrieden stellend sein, es dient aber dem Rückwärtspass als Basis für dessen Berechnungen und Gewichtsänderungen. Außerdem kann der Fehler zwischen der aktuellen Vorhersage und dem gewünschten Ergebnis ermittelt werden, um zu entscheiden, ob weiter trainiert werden soll.

Der eigentliche Rückwärtspass errechnet aus der Differenz der Vorwärtspassdaten und der Zieldaten die Steigung für jedes Gewicht aus, in dessen Richtung dieses geändert werden muss, damit das Netzwerk bessere Vorhersagen trifft. Das klingt zunächst recht abstrakt, die genauere Mathematik dahinter werde ich in einem eigenen Artikel erläutern. Zur besseren Vorstellung betrachten wir die folgende Abbildung.

visuelle Darstellung aller Gewichtskombinationen und deren Vorhersagefehler

Das Diagramm zeigt in blau zu allen möglichen Gewichtskombinationen eines bestimmten, uns unbekannten, Netzwerks und Problems den entsprechenden Vorhersagefehler. Die Anzahl der Kombinationen hängt von der Anzahl der Gewichte und der Auflösung des Wertebereiches für diese ab. Theoretisch ist die Menge also unendlich, weshalb die blaue Kurve eine von mir ausgedachte Darstellung aller Kombinationen ist. Der erste Vorwärtspass liefert uns eine Vorhersage die eine normalisierte Differenz von 0.6 zu unserem eigentlichen Wunschergebnis aufweist. Visualisiert ist das Ganze mit einer schwarzen Raute. Der Rückwärtspass berechnet aus der Differenz und den Daten vom Vorwärtspass einen Änderungswunsch für jedes Gewicht aus. Da die Änderungen unabhängig von den anderen Gewichten ermittelt wurden, ist nicht bekannt was passieren würde wenn alle Gewichte sich auf einmal ändern würden. Aus diesem Grund werden die Änderungswünsche mit einer Lernrate abgeschwächt. Im Endeffekt ändert sich jedes Gewicht ein wenig in die Richtung, die es für richtig erachtet. In der Hoffnung einer Steigerung entlang zu einem lokalen Minimum zu folgen, werden die letzten beiden Schritte (Vor- und Rückwärtspass) mehrfach wiederholt. In dem obigen Diagramm würde die schwarze Raute der roten Steigung folgen und sich bei jeder Iteration langsam auf das linke lokale Minimum hinzubewegen.

Anwendungsbeispiel und Programmcode

Um den ganzen Trainingsprozess im Einsatz zu sehen, verwenden wir das Beispiel aus dem Artikel “KNN: Vorwärtspass”. Die verwendeten Daten kommen aus der Wahrheitstabelle eines X-OR Logikgatters und werden in ein 2-schichtiges Feedforward Netzwerk gespeist.

XOR Wahrheitstabelle

X1	X2	Y = X1 ⊻ X2
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Der Programmcode ist in Octave geschrieben und kann zu Testzwecken auf der Webseite von Tutorialpoint ausgeführt werden. Die erste Hälfte von dem Algorithmus kennen wir bereits, der Vollständigkeit halber poste ich ihn noch einmal, zusammen mit den Rückwärtspass. Hinzugekommen sind außerdem ein paar Konsolenausgaben, eine Lernrate- und eine Iterations-Variable die angibt wie viele Trainingswiederholungen durchlaufen werden sollen.

%--------------------- Daten -----------------------

X = [0 0; % Eingangsdaten

0 1;

1 0;

1 1]

Y = [0;1;1;0] % erwartete XOR Ausgangsdaten

theta1 = normrnd(0, 1/(3*2), 3, 2); % 3x2 Gewichtsmatrix

theta2 = normrnd(0, 1/(3*1), 3, 1); % 3x1 Gewichtsmatrix

m = length(X) % Anzahl der Eingangsdaten

iteration = 10000 % Anzahl der Trainingsiterationen

alpha = 0.8 % lernrate

printf("\n\nStarte Training ... ")

for(i = 1:iteration)

%--------------------- Vorwärtspass -----------------------

V = X; % anlegen der Eingangsdaten an die Eingangsschicht

% 1. berechne die Aktivierungen der verborgenen Schicht

Vb = [ones(m,1) V]; % hinzufügen der Bias Units (sind immer 1)

Zv = Vb * theta1; % Summe aus den Eingangswerten multipliziert mit deren Gewichten

H = 1 ./ (1 .+ e.^-Zv); % anwenden der Sigmoid Funktion auf die Aktivierungsstärke Zv

% 2. berechne die Aktivierungen der Ausgangsschicht

Hb = [ones(m,1) H]; % hinzufügen der Bias Units an die verborgene Schicht

Zh = Hb * theta2; % Produkt aus den Aktivierungen der Neuronen in H und Theta2

O = 1 ./ (1 .+ e.^-Zh); % Vorhersage von dem Netzwerk

% 3. berechne die Vorhersageungenauigkeit

loss = (O .- Y) .^ 2; % quadratischer Fehler von der Vorhersage und der Zielvorgabe Y

mse = sum(loss) / m; % durchschnittlicher quadratischer Fehler aller Vorhersagen

%--------------------- Rückwärtspass -----------------------

% 1. Ableitung der Fehlerfunktion

d = O .- Y; % Differenzmatrix zwischen der Vorhersage und der Zielvorgabe Y

% 2. berechne die Änderungen für Theta2 und die Ableitung der Ausgangsschicht

OMO = ones(size(O)) .- O; % Zwischenvariable: 1-Minus-Vorhersage

Zhd = d .* O .* OMO; % Ableitung der Sigmoid Funktion

theta2c = Hb' * Zhd; % Änderunswunsch für Theta2

Hd = Zhd * theta2'; % Ableitung von der Ausgangsschicht

Hd(:,[1]) = []; % Ableitung von der Bias Unit

% 3. berechne die Änderungen für Theta1 und die Ableitung der verborgenen Schicht

HMO = ones(size(H)) .- H; % Zweischenvariable: 1 Minus Aktivierung der verborgenen Schicht

Zvd = Hd .* H .* HMO; % Ableitung der Sigmoid Funktion von der Aktivierungsstärke Zv

theta1c = Vb' * Zvd; % Änderunswunsch für Theta1

% weitere Ableitungen sind nicht notwendig

theta1 -= theta1c .* alpha; % ändere die Gewichte von Theta1 und Theta2

theta2 -= theta2c .* alpha; % der Änderungswunsch wird von der Lernrate abgeschwächt

endfor

% Ausgabe von der letzten Vorhersage und den Gewichten

printf("abgeschlossen. \n")

printf("Letzte Vorhersage und trainierte Gewichte\n")

theta1

theta2

Zu jeder Zeile bzw. Funktion die wir im Vorwärtspass geschrieben haben, gibt es im Rückwärtspass eine abgeleitete Variante. Dank den Ableitungen können wir die Änderungswünsche der Gewichte in jeder Schicht ausrechnen und am Ende einer Trainingsiteration anwenden. Wir trainieren 10.000 Iterationen lang und verwenden eine Lernrate von 0,8. In komplexeren Fragestellungen, mit mehr Daten, würden diese Werte niedriger ausfallen.

Es ist außerdem möglich den ganzen Programmcode viel modularer aufzubauen. Dazu werde ich im nächsten Artikel auf eine mehr objekt-orientiertere Sprache wechseln. Nichts desto trotz liefert der obige Algorithmus gute Ergebnisse. Hier ist mal ein Ausgabebeispiel:

X =

0 0

0 1

1 0

1 1

Y =

theta1 =

0.114950 0.046125

0.064683 0.139159

-0.164288 -0.094688

theta2 =

0.33607

-0.31128

0.13993

m = 4

iteration = 10000

alpha = 0.80000

Starte Training ... abgeschlossen.

Letzte Vorhersage und trainierte Gewichte

O =

0.014644

0.983308

0.986137

0.013060

theta1 =

3.2162 -3.0431

6.4365 5.6498

-6.3383 -5.8602

theta2 =

4.4759

-9.5057

9.9795

Wie lernen Maschinen?

January 20, 2016/0 Comments/in Artificial Intelligence, Big Data, Data Science, Data Science Hack, Machine Learning, Mathematics, R Statistics, Statistics /by Dr. Stefan Kühn

Im dritten Teil meiner Reihe Wie lernen Maschinen? wollen wir die bisher kennengelernten Methoden anhand eines der bekanntesten Verfahren des Maschinellen Lernens – der Linearen Regression – einmal gegenüberstellen. Die Lineare Regression dient uns hier als Prototyp eines Verfahrens aus dem Gebiet der Regression, in weiteren Artikeln werden die Logistische Regression als Prototyp eines Verfahrens aus dem Gebiet der Klassifikation und eine Collaborative-Filtering- bzw. Matrix-Faktorisierungs-Methode als Prototyp eines Recommender-Systems behandelt.