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Lineare Regression in Python mit Scitkit-Learn

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.

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

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

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:

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:

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:

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’.

Und schauen wir uns das Ergebnis an:

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:

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

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:

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:

Oder die durchschnittliche PS-Zahl nach Hersteller:

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.

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).

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.

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:

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:

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)).

Die Ausgabe (ein Beispiel!):

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:

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”

Wenn wir dann das Training wiederholen:

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.

Der Blick für das Wesentliche: Die Merkmalsselektion

In vielen Wissensbasen werden Datensätze durch sehr große Merkmalsräume beschrieben. Während der Generierung einer Wissensbasis wird versucht jedes mögliche Merkmal zu erfassen, um einen Datensatz möglichst genau zu beschreiben. Dabei muss aber nicht jedes Merkmal einen nachhaltigen Wert für das Predictive Modelling darstellen. Ein Klassifikator arbeitet mit reduziertem Merkmalsraum nicht nur schneller, sondern in der Regel auch weitaus effizienter. Oftmals erweist sich ein automatischer Ansatz der Merkmalsselektion besser, als ein manueller, da durchaus Zusammenhänge existieren können, die wir selbst so nicht identifizieren können.

Die Theorie: Merkmalsselektion

Automatische Merkmalsselektionsverfahren unterscheiden 3 verschiedene Arten: Filter, Wrapper und Embedded Methods. Einen guten Überblick über Filter- und Wrapper-Verfahren bieten Kumari et al. in ihrer Arbeit “Filter versus wrapper feature subset selection in large dimensionality micro array: A review” (Download als PDF).

Der Filter-Ansatz bewertet die Merkmale unabhängig des Klassifikators. Dabei werden univariate und multivariate Methoden unterschieden. Univariate Methoden bewerten die Merkmale separat, während der multivariate Ansatz mehrere Merkmale kombiniert. Für jedes Merkmal bzw. jedes Merkmalspaar wird ein statistischer Wert berechnet, der die Eignung der Merkmale für die Klassifikation angibt. Mithilfe eines Schwellwertes werden dann geeignete Merkmale herausgefiltert. Der Filter-Ansatz bietet eine schnelle und, aufgrund der geringen Komplexität, leicht skalierbare Lösung für die Merkmalsselektion. Der Nachteil von Filter-Selektoren besteht in der Missachtung der Abhängigkeiten zwischen den Merkmalen. So werden redundante Merkmale ähnlich bewertet und verzerren später die Erfolgsrate des Klassifikators. Bekannte Beispiele für Filter-Selektoren sind unter anderem die Euklidische Distanz und der Chi-2-Test.

Der Wrapper-Ansatz verbindet die Merkmalsbewertung mit einem Klassifikator. Innerhalb des Merkmalsraumes werden verschiedene Teilmengen von Merkmalen generiert und mithilfe eines trainierten Klassifikators getestet. Um alle möglichen Teilmengen des Merkmalsraumes zu identifizieren, wird der Klassifikator mit einem Suchalgorithmus kombiniert. Da der Merkmalsraum mit Zunahme der Anzahl der Merkmale exponentiell steigt, werden heuristische Suchmethoden für die Suche nach optimalen Teilmengen genutzt. Im Gegensatz zu den Filtern können hier redundante Merkmale abgefangen werden. Die Nutzung eines Klassifikators zur Bewertung der Teilmengen ist zugleich Vor- und Nachteil. Da die generierte Teilmenge auf einen speziellen Klassifikator zugeschnitten wird, ist nicht gewährleistet, dass die Menge auch für andere Klassifikatoren optimal ist. Somit ist dieser Ansatz zumeist abhängig vom gewählten Klassifikator. Zudem benötigt der Wrapper-Ansatz eine viel höhere Rechenzeit. Wrapper-Selektoren werden beispielsweise durch Genetische Algorithmen und Sequentielle Forward/Backward-Selektoren vertreten.

Embedded-Ansätze stellen eine Sonderform der Wrapper-Methode da. Allerdings werden Merkmalssuche und Klassifikatoren-Training nicht getrennt. Die Suche der optimalen Teilmenge ist hier im Modelltraining eingebettet. Dadurch liefern Embedded-Ansätze die gleichen Vorteile wie die Wrapper-Methoden, während die Rechenzeit dabei erheblich gesenkt werden kann. Der reduzierte Merkmalsraum ist aber auch hier vom jeweiligen Klassifikator abhängig. Klassifikatoren, die den Embedded-Ansatz ermöglichen sind beispielsweise der Random-Forest oder die Support-Vector-Maschine.

Entwicklungsgrundlage

Analog zum letzten Tutorial wird hier Python(x,y) und die Datenbasis „Human Activity Recognition Using Smartphones“ genutzt. Die Datenbasis beruht auf erfassten Sensordaten eines Smartphones während speziellen menschlichen Aktivitäten: Laufen, Treppen hinaufsteigen, Treppen herabsteigen, Sitzen, Stehen und Liegen. Auf den Aufzeichnungen von Gyroskop und Accelerometer wurden mehrere Merkmale erhoben. Die Datenmenge, alle zugehörigen Daten und die Beschreibung der Daten sind frei verfügbar.

(https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Human+Activity+Recognition+Using+Smartphones)

Alle Daten liegen im Textformat vor. Für ein effizienteres Arbeiten mit der Datenbasis wurden diese im Vorfeld in das csv-Dateiformat überführt.

Python-Bibliotheken

Alle für das Data Mining relevanten Bibliotheken sind in Python(x,y) bereits enthalten. Für die Umsetzung werden folgende Bibliotheken genutzt:

Die Bibliotheken NumPy und Pandas unterstützen die Arbeit mit verschiedenen Datenstrukturen und scikit-learn umfasst alle Funktionen des maschinellen Lernens.

Daten vorbereiten

Vor der Anwendung der einzelnen Verfahren werden die Daten vorbereitet. Das Data Frame wird eingelesen, die Klassen in numerische Labels überführt und das Datenfeld in Merkmale (X) und Klassenspalte (y) separiert. Weiterhin wird die informationslose Spalte subject entfernt.

1. Verfahren: RFECV

Der RFECV (Recursive Feature Elimination with Cross Validation) ist ein Vertreter des Wrapper-Ansatzes. In diesem Beispiel wird die Merkmalsselektion mit einem Support Vector Klassifikator kombiniert. Der RFECV berechnet ein Ranking über die einzelnen Merkmale. Dabei bestimmt der Selektor selbst die optimale Menge der Merkmale. Alle Merkmale mit Platz 1 im Ranking bilden den optimalen Merkmalsraum.

2. Verfahren: Random Forest-Klassifikator

Der Random-Forest-Klassifikator gehört zu den Modellen, die einen Embedded-Ansatz ermöglichen. Während des Klassifikatoren-Trainings wird jedem Merkmal ein Wert zugeordnet. Je höher der Wert, desto bedeutsamer das Merkmal. Allerdings ist hier eine manuelle Filterung notwendig, da anders als beim RFECV kein internes Optimum ermittelt wird. Mithilfe eines geeigneten Schwellwertes können die zu wählenden Merkmale bestimmt werden. In diesem Beispiel werden alle Merkmale selektiert, die eine Wichtung größer dem Mittelwert erhalten.

3. Verfahren: Select K Best

Das Select K Best-Verfahren gehört den Filter-Ansätzen an. Daher kommt hier anders als bei den anderen beiden Verfahren kein Klassifikator zum Einsatz. Auch in diesem Verfahren wird für jedes Merkmal ein Wert berechnet, der die Wichtigkeit des Merkmals beziffert. Für die Berechnung der Werte können verschiedene Methoden verwendet werden. In diesem Beispiel wird eine Varianzanalyse genutzt (Parameter f_classif). Auch hier wird mithilfe eines manuellen Schwellwertes der reduzierte Merkmalsraum bestimmt.

Ergebnisse

Für die Bewertung der einzelnen Selektionsverfahren werden die einzelnen Verfahren in den Data-Mining-Prozess (siehe vorheriges Tutorial: Einstieg in das maschinelle Lernen mit Python(x,y)) integriert. Die nachfolgende Tabelle veranschaulicht die Ergebnisse der Klassifikation der einzelnen Verfahren.

 

Selektionsverfahren

Anzahl der Merkmale

Erfolgsrate Klassifikation

Ohne

561

93,96%

RFECV

314

94,03%

Random Forest

118

90,43%

Select K Best

186

92,30%

 

Durch den RFECV konnte das Ergebnis der Klassifikation leicht verbessert werden. Die anderen Selektionsverfahren, die auch deutlich weniger Merkmale nutzen, verschlechtern das Ergebnis sogar. Dies liegt vor allem an der manuellen Regulierung des Schwellwertes.

Einstieg in das Maschinelle Lernen mit Python(x,y)

Python(x,y) ist eine Python-Distribution, die speziell für wissenschaftliche Arbeiten entwickelt wurde. Es umfasst neben der Programmiersprache auch die Entwicklungsumgebung Spyder und eine Reihe integrierter Python-Bibliotheken. Mithilfe von Python(x,y) kann eine Vielzahl von Interessensbereichen bearbeitet werden. Dazu zählen unter anderem Bildverarbeitung oder auch das maschinelle Lernen. Das All-in-One-Setup für Python(x,y) ist für alle gängigen Betriebssysteme online erhältlich. Read more