Praxiseinstieg Machine Learning mit Scikit-Learn, Keras und TensorFlow. Aurélien Géron
1. Quartil), den Median und das 75. Perzentil (oder 3. Quartil).
Eine andere Möglichkeit, schnell einen Eindruck von den Daten, die wir sehen, zu erhalten, ist, für jedes numerische Merkmal ein Histogramm zu plotten. Ein Histogramm zeigt die Anzahl Datenpunkte (auf der vertikalen Achse), die in einem bestimmten Wertebereich (auf der horizontalen Achse) liegen. Sie können diese entweder für jedes Merkmal einzeln plotten oder die Methode hist() für den gesamten Datensatz aufrufen (wie im folgenden Codebeispiel) und für jedes numerische Merkmal ein Histogramm erhalten (siehe Abbildung 2-8):
%matplotlib inline # nur im Jupyter-Notebook
import matplotlib.pyplot as plt
housing.hist(bins=50, figsize=(20,15))
plt.show()
Abbildung 2-8: Ein Histogramm für jedes numerische Attribut
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Die Methode hist() verwendet Matplotlib, das wiederum ein nutzerabhängiges grafisches Backend zum Zeichnen auf den Bildschirm verwendet. Bevor Sie also etwas plotten können, müssen Sie Matplotlib darüber informieren, welches Backend es verwenden soll. Die einfachste Möglichkeit ist, in Jupyter das magische Kommando %matplotlib inline einzusetzen. Dieses weist Jupyter an, Matplotlib zu nutzen, sodass Jupyter als Backend verwendet wird. Die Diagramme werden dann im Notebook selbst dargestellt, wobei Jupyter sie automatisch generiert, sobald eine Zelle ausgeführt wird. |
In diesen Histogrammen gibt es einiges zu sehen:
1 Erstens sieht das mittlere Einkommen nicht nach Werten in US-Dollar aus (USD). Nachdem Sie sich mit dem Team, das die Daten erhoben hat, in Verbindung gesetzt haben, erfahren Sie, dass die Daten skaliert wurden und für höhere mittlere Einkommen nach oben bei 15 (genau 15,0001) und für geringere mittlere Einkommen nach unten bei 0,5 (genau 0,4999) abgeschnitten wurden. Die Zahlen stehen ungefähr für 10.000 USD (eine 3 bedeutet also etwa 30.000 USD). Es ist im Machine Learning durchaus üblich, mit solchen vorverarbeiteten Merkmalen zu arbeiten, was nicht notwendigerweise ein Problem darstellt. Sie sollten aber versuchen, nachzuvollziehen, wie die Daten berechnet wurden.
2 Das mittlere Alter und der mittlere Wert von Gebäuden wurden ebenfalls gekappt. Letzteres könnte sich als ernstes Problem herausstellen, da Ihre Zielgröße (Ihr Label) betroffen ist. Ihre Machine-Learning-Algorithmen könnten dann lernen, dass es keine Preise jenseits dieser Obergrenze gibt. Sie müssen mit Ihrem Team (dem Team, das die Ausgabe Ihres Systems nutzen möchte) klären, ob das ein Problem darstellt oder nicht. Wenn Ihnen erklärt wird, dass auch jenseits von 500.000 USD präzise Vorhersagen nötig sind, haben Sie zwei Alternativen:Für die nach oben begrenzten Bezirke korrekte Labels zu sammeln.Die entsprechenden Bezirke aus dem Trainingsdatensatz zu entfernen (auch aus dem Testdatensatz, da Ihr System nicht als schlechter eingestuft werden sollte, wenn es Werte jenseits von 50.000 USD vorhersagt).
3 Diese Attribute haben sehr unterschiedliche Wertebereiche. Wir werden das weiter unten in diesem Kapitel besprechen, wenn wir uns dem Skalieren von Merkmalen widmen.
4 Schließlich sind viele der Histogramme rechtsschief: Sie erstrecken sich viel weiter vom Median nach rechts als nach links. Dadurch wird das Erkennen von Mustern für einige Machine-Learning-Algorithmen schwieriger. Wir werden später versuchen, diese Merkmale zu einer annähernd glockenförmigen Verteilung zu transformieren.
Hoffentlich haben Sie nun einen besseren Eindruck von den Daten, mit denen Sie sich beschäftigen.
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Warten Sie! Bevor Sie sich die Daten weiter ansehen, sollten Sie einen Testdatensatz erstellen, beiseitelegen und nicht hineinschauen. |
Erstelle einen Testdatensatz
Es mag sich seltsam anhören, an dieser Stelle einen Teil der Daten freiwillig beiseitezulegen. Schließlich haben wir gerade erst einen kurzen Blick auf die Daten geworfen, und Sie sollten bestimmt noch weiter analysieren, bevor Sie sich für einen Algorithmus entscheiden, oder? Das ist zwar richtig, aber Ihr Gehirn ist ein faszinierendes System zur Mustererkennung. Es ist daher äußerst anfällig für Overfitting: Wenn Sie sich die Testdaten ansehen, könnten Sie auf ein interessantes Muster im Datensatz stoßen, das Sie zur Auswahl eines bestimmten Machine-Learning-Modells veranlasst. Wenn Sie den Fehler der Verallgemeinerung anhand des Testdatensatzes schätzen, wird Ihr Schätzwert zu optimistisch ausfallen, und Sie würden in der Folge ein System starten, das die erwartete Vorhersageleistung nicht erfüllt. Dies nennt man auch das Data- Snooping-Bias.
Einen Testdatensatz zu erstellen, ist theoretisch einfach: Wählen Sie zufällig einige Datenpunkte aus, meist 20% des Datensatzes (oder weniger, wenn Ihr Datensatz sehr groß ist), und legen Sie diese beiseite:
import numpy as np
def split_train_test(data, test_ratio):
shuffled_indices = np.random.permutation(len(data))
test_set_size = int(len(data) * test_ratio)
test_indices = shuffled_indices[:test_set_size]
train_indices = shuffled_indices[test_set_size:]
return data.iloc[train_indices], data.iloc[test_indices]
Sie können diese Funktion anschließend folgendermaßen verwenden:13
>>> train_set, test_set = split_train_test(housing, 0.2)
>>> len(train_set)
16512
>>> len(test_set)
4128
Das funktioniert, ist aber noch nicht perfekt: Wenn Sie dieses Programm erneut ausführen, erzeugt es einen anderen Testdatensatz! Sie (oder Ihre Machine-Learning-Algorithmen) werden mit der Zeit den kompletten Datensatz als Gesamtes sehen, was Sie ja genau vermeiden möchten.
Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, den Testdatensatz beim ersten Durchlauf zu speichern und in späteren Durchläufen zu laden. Eine andere Möglichkeit ist, den Seed-Wert des Zufallsgenerators festzulegen (z.B. mit np.random.seed(42))14, bevor Sie np.random.permutation() aufrufen, sodass jedes Mal die gleichen durchmischten Indizes generiert werden.
Allerdings scheitern beide Lösungsansätze, sobald Sie einen aktualisierten Datensatz erhalten. Um auch danach über eine stabile Trennung zwischen Trainings- und Testdatensatz zu verfügen, können Sie als Alternative einen eindeutigen Identifikator verwenden, um zu entscheiden, ob ein Datenpunkt in den Testdatensatz aufgenommen werden soll oder nicht (vorausgesetzt, die Datenpunkte haben eindeutige unveränderliche Identifikatoren). Sie könnten beispielsweise aus dem Identifikator eines Datenpunkts einen Hash berechnen und den Datenpunkt in den Testdatensatz aufzunehmen, falls der Hash kleiner oder gleich 20% des maximalen Hashwerts ist. Damit stellen Sie sicher, dass der Testdatensatz über mehrere Durchläufe konsistent ist, selbst wenn Sie ihn aktualisieren. Ein neuer Datensatz enthält auf diese Weise 20% der neuen Datenpunkte, aber keinen der Datenpunkte, die zuvor im Trainingsdatensatz waren.
Hier folgt eine mögliche Implementierung:
from zlib import crc32
def test_set_check(identifier, test_ratio):
return crc32(np.int64(identifier)) & 0xffffffff < test_ratio * 2**32
def split_train_test_by_id(data, test_ratio,