机器学习sklearn（51）： 特征工程（十八） 特征降维（九）降维算法PCA和SVD（四）PCA对手写数字数据集的降维
时间：2021-06-28 18:03:47
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PCA对手写数字数据集的降维
还记得我们上一周在讲特征工程时，使用的手写数字的数据集吗？数据集结构为(42000, 784)，用KNN跑一次半小时，得到准确率在96.6%上下，用随机森林跑一次12秒，准确率在93.8%，虽然KNN效果好，但由于数据量太大，KNN计算太缓慢，所以我们不得不选用随机森林。我们使用了各种技术对手写数据集进行特征选择，最后使用嵌入法SelectFromModel选出了324个特征，将随机森林的效果也调到了96%以上。但是，因为数据量依然巨大，还是有300多个特征。今天，我们就来试着用PCA处理一下这个数据，看看效果如何。
1. 导入需要的模块和库
from sklearn.decomposition import PCA from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier as RFC from sklearn.model_selection import cross_val_score import matplotlib.pyplot as plt import pandas as pd import numpy as np
2. 导入数据，探索数据
data = pd.read_csv(r"C:\work\learnbetter\micro-class\week 3 Preprocessing\digit recognizor.csv") X = data.iloc[:,1:] y = data.iloc[:,0] X.shape
3. 画累计方差贡献率曲线，找最佳降维后维度的范围
pca_line = PCA().fit(X) plt.figure(figsize=[20,5]) plt.plot(np.cumsum(pca_line.explained_variance_ratio_)) plt.xlabel("number of components after dimension reduction") plt.ylabel("cumulative explained variance ratio") plt.show()
4. 降维后维度的学习曲线，继续缩小最佳维度的范围
#======【TIME WARNING：2mins 30s】======# score = [] for i in range(1,101,10): X_dr = PCA(i).fit_transform(X) once = cross_val_score(RFC(n_estimators=10,random_state=0) ,X_dr,y,cv=5).mean() score.append(once) plt.figure(figsize=[20,5]) plt.plot(range(1,101,10),score) plt.show()
5. 细化学习曲线，找出降维后的最佳维度
#======【TIME WARNING：2mins 30s】======# score = [] for i in range(10,25): X_dr = PCA(i).fit_transform(X) once = cross_val_score(RFC(n_estimators=10,random_state=0),X_dr,y,cv=5).mean() score.append(once) plt.figure(figsize=[20,5]) plt.plot(range(10,25),score) plt.show()
6. 导入找出的最佳维度进行降维，查看模型效果
X_dr = PCA(23).fit_transform(X) #======【TIME WARNING:1mins 30s】======# cross_val_score(RFC(n_estimators=100,random_state=0),X_dr,y,cv=5).mean()
模型效果还好，跑出了94.49%的水平，但还是没有我们使用嵌入法特征选择过后的96%高，有没有什么办法能够提高模型的表现呢？
7. 突发奇想，特征数量已经不足原来的3%，换模型怎么样？
在之前的建模过程中，因为计算量太大，所以我们一直使用随机森林，但事实上，我们知道KNN的效果比随机森林更好，KNN在未调参的状况下已经达到96%的准确率，而随机森林在未调参前只能达到93%，这是模型本身的限制带来的，这个数据使用KNN效果就是会更好。现在我们的特征数量已经降到不足原来的3%，可以使用KNN了吗？
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier as KNN cross_val_score(KNN(),X_dr,y,cv=5).mean()
8. KNN的k值学习曲线
#======【TIME WARNING: 】======# score = [] for i in range(10): X_dr = PCA(23).fit_transform(X) once = cross_val_score(KNN(i+1),X_dr,y,cv=5).mean() score.append(once) plt.figure(figsize=[20,5]) plt.plot(range(10),score) plt.show()
9. 定下超参数后，模型效果如何，模型运行时间如何？
cross_val_score(KNN(4),X_dr,y,cv=5).mean() #=======【TIME WARNING: 3mins】======# %%timeit cross_val_score(KNN(4),X_dr,y,cv=5).mean()
可以发现，原本785列的特征被我们缩减到23列之后，用KNN跑出了目前位置这个数据集上最好的结果。再进行更细致的调整，我们也许可以将KNN的效果调整到98%以上。PCA为我们提供了无限的可能，终于不用再因为数据量太庞大而被迫选择更加复杂的模型了！
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