[5장-3] 릿지 회귀, 라소 회귀, 엘라스틱넷 회귀, 선형 회귀모델, 로지스틱 회귀의 이해

릿지(Ridge) 회귀

• alpha 값을 이용하여 회귀 계수의 크기를 조절(alpha 값이 크면 회귀 계수 값이 작아지고, alpha 값이 작으면 회귀 계수 값이 커집니다)
• 사이킷런은 릿지 회귀를 위해 Ridge 클래스를 제공합니다.

 

 Regularized Linear Models – Ridge, Lasso

# 앞의 LinearRegression예제에서 분할한 feature 데이터 셋인 X_data과 Target 데이터 셋인 Y_target 데이터셋을 그대로 이용 
from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.model_selection import cross_val_score

# boston 데이타셋 로드
boston = load_boston()

# boston 데이타셋 DataFrame 변환 
bostonDF = pd.DataFrame(boston.data , columns = boston.feature_names)

# boston dataset의 target array는 주택 가격임. 이를 PRICE 컬럼으로 DataFrame에 추가함. 
bostonDF['PRICE'] = boston.target

y_target = bostonDF['PRICE']
X_data = bostonDF.drop(['PRICE'],axis=1,inplace=False)


ridge = Ridge(alpha = 10)
neg_mse_scores = cross_val_score(ridge, X_data, y_target, scoring="neg_mean_squared_error", cv = 5)
rmse_scores  = np.sqrt(-1 * neg_mse_scores)
avg_rmse = np.mean(rmse_scores)
print(' 5 folds 의 개별 Negative MSE scores: ', np.round(neg_mse_scores, 3))
print(' 5 folds 의 개별 RMSE scores : ', np.round(rmse_scores,3))
print(' 5 folds 의 평균 RMSE : {0:.3f} '.format(avg_rmse))

 5 folds 의 개별 Negative MSE scores:  [-11.422 -24.294 -28.144 -74.599 -28.517]
 5 folds 의 개별 RMSE scores :  [3.38  4.929 5.305 8.637 5.34 ]
 5 folds 의 평균 RMSE : 5.518 

alpha값을 0 , 0.1 , 1 , 10 , 100 으로 변경하면서 RMSE 측정

# Ridge에 사용될 alpha 파라미터의 값들을 정의
alphas = [0 , 0.1 , 1 , 10 , 100]

# alphas list 값을 iteration하면서 alpha에 따른 평균 rmse 구함.
for alpha in alphas :
    ridge = Ridge(alpha = alpha)
    
    #cross_val_score를 이용하여 5 fold의 평균 RMSE 계산
    neg_mse_scores = cross_val_score(ridge, X_data, y_target, scoring="neg_mean_squared_error", cv = 5)
    avg_rmse = np.mean(np.sqrt(-1 * neg_mse_scores))
    print('alpha {0} 일 때 5 folds 의 평균 RMSE : {1:.3f} '.format(alpha,avg_rmse))

alpha 0 일 때 5 folds 의 평균 RMSE : 5.829 
alpha 0.1 일 때 5 folds 의 평균 RMSE : 5.788 
alpha 1 일 때 5 folds 의 평균 RMSE : 5.653 
alpha 10 일 때 5 folds 의 평균 RMSE : 5.518 
alpha 100 일 때 5 folds 의 평균 RMSE : 5.330 

각 alpha에 따른 회귀 계수 값을 시각화. 각 alpha값 별로 plt.subplots로 맷플롯립 축 생성

# 각 alpha에 따른 회귀 계수 값을 시각화하기 위해 5개의 열로 된 맷플롯립 축 생성  
fig , axs = plt.subplots(figsize=(18,6) , nrows=1 , ncols=5)
# 각 alpha에 따른 회귀 계수 값을 데이터로 저장하기 위한 DataFrame 생성  
coeff_df = pd.DataFrame()

# alphas 리스트 값을 차례로 입력해 회귀 계수 값 시각화 및 데이터 저장. pos는 axis의 위치 지정
for pos , alpha in enumerate(alphas) :
    ridge = Ridge(alpha = alpha)
    ridge.fit(X_data , y_target)
    # alpha에 따른 피처별 회귀 계수를 Series로 변환하고 이를 DataFrame의 컬럼으로 추가.  
    coeff = pd.Series(data=ridge.coef_ , index=X_data.columns )
    colname='alpha:'+str(alpha)
    coeff_df[colname] = coeff
    # 막대 그래프로 각 alpha 값에서의 회귀 계수를 시각화. 회귀 계수값이 높은 순으로 표현
    coeff = coeff.sort_values(ascending=False)
    axs[pos].set_title(colname)
    axs[pos].set_xlim(-3,6)
    sns.barplot(x=coeff.values , y=coeff.index, ax=axs[pos])

# for 문 바깥에서 맷플롯립의 show 호출 및 alpha에 따른 피처별 회귀 계수를 DataFrame으로 표시
plt.show()

alpha 값에 따른 컬럼별 회귀계수 출력

ridge_alphas = [0 , 0.1 , 1 , 10 , 100]
sort_column = 'alpha:'+str(ridge_alphas[0])
coeff_df.sort_values(by=sort_column, ascending=False)

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라쏘 회귀

• W의 절댓값에 페널티를 부여하는 L1 규제를 선형 회귀에 적용한 것
• L1규제는 불필요한 회귀 계수를 급격하게 감소시켜 0으로 만들고 제거한다.

 

엘라스틱넷 회귀

 ㅇElasticNet 클래스의 주요 생성 파라미터는 alpha와 I1_ratio 입니다. ElasticNet 클래스의 alpha는 ridge와 lasso 클래스의 alpha 값과는 다릅니다. 

from sklearn.linear_model import Lasso, ElasticNet

# alpha값에 따른 회귀 모델의 폴드 평균 RMSE를 출력하고 회귀 계수값들을 DataFrame으로 반환 
def get_linear_reg_eval(model_name, params=None, X_data_n=None, y_target_n=None, 
                        verbose=True, return_coeff=True):
    coeff_df = pd.DataFrame()
    if verbose : print('####### ', model_name , '#######')
    for param in params:
        if model_name =='Ridge': model = Ridge(alpha=param)
        elif model_name =='Lasso': model = Lasso(alpha=param)
        elif model_name =='ElasticNet': model = ElasticNet(alpha=param, l1_ratio=0.7)
        neg_mse_scores = cross_val_score(model, X_data_n, 
                                             y_target_n, scoring="neg_mean_squared_error", cv = 5)
        avg_rmse = np.mean(np.sqrt(-1 * neg_mse_scores))
        print('alpha {0}일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: {1:.3f} '.format(param, avg_rmse))
        # cross_val_score는 evaluation metric만 반환하므로 모델을 다시 학습하여 회귀 계수 추출
        
        model.fit(X_data_n , y_target_n)
        if return_coeff:
            # alpha에 따른 피처별 회귀 계수를 Series로 변환하고 이를 DataFrame의 컬럼으로 추가. 
            coeff = pd.Series(data=model.coef_ , index=X_data_n.columns )
            colname='alpha:'+str(param)
            coeff_df[colname] = coeff
    
    return coeff_df
# end of get_linear_regre_eval

# 라쏘에 사용될 alpha 파라미터의 값들을 정의하고 get_linear_reg_eval() 함수 호출
lasso_alphas = [ 0.07, 0.1, 0.5, 1, 3]
coeff_lasso_df =get_linear_reg_eval('Lasso', params=lasso_alphas, X_data_n=X_data, y_target_n=y_target)

#######  Lasso #######
alpha 0.07일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.612 
alpha 0.1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.615 
alpha 0.5일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.669 
alpha 1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.776 
alpha 3일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 6.189 

# 반환된 coeff_lasso_df를 첫번째 컬럼순으로 내림차순 정렬하여 회귀계수 DataFrame출력
sort_column = 'alpha:'+str(lasso_alphas[0])
coeff_lasso_df.sort_values(by=sort_column, ascending=False)

엘라스틱넷 회귀 

# 엘라스틱넷에 사용될 alpha 파라미터의 값들을 정의하고 get_linear_reg_eval() 함수 호출
# l1_ratio는 0.7로 고정
elastic_alphas = [ 0.07, 0.1, 0.5, 1, 3]
coeff_elastic_df =get_linear_reg_eval('ElasticNet', params=elastic_alphas,
                                      X_data_n=X_data, y_target_n=y_target)

#######  ElasticNet #######
alpha 0.07일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.542 
alpha 0.1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.526 
alpha 0.5일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.467 
alpha 1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.597 
alpha 3일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 6.068 

# 반환된 coeff_elastic_df를 첫번째 컬럼순으로 내림차순 정렬하여 회귀계수 DataFrame출력
sort_column = 'alpha:'+str(elastic_alphas[0])
coeff_elastic_df.sort_values(by=sort_column, ascending=False)

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선형 회귀 모델을 위한 데이터 변환

• 선형 회귀 모델은 일반적으로 피처와 타겟값 간에 선형의 관계가 있다고 가정하고 최적의 선형 함수를 찾아내 결과를 에측한다.
• 선형 회귀 모델은 피처값과 타겟값의 분포가 정규 분포 형태를 선호한다.

from sklearn.linear_model import Ridge
from sklearn.model_selection import cross_val_score

# boston 데이타셋 로드
boston = load_boston()

# boston 데이타셋 DataFrame 변환 
bostonDF = pd.DataFrame(boston.data , columns = boston.feature_names)

# boston dataset의 target array는 주택 가격임. 이를 PRICE 컬럼으로 DataFrame에 추가함. 
bostonDF['PRICE'] = boston.target

y_target = bostonDF['PRICE']
X_data = bostonDF.drop(['PRICE'],axis=1,inplace=False)

from sklearn.preprocessing import StandardScaler, MinMaxScaler, PolynomialFeatures

# method는 표준 정규 분포 변환(Standard), 최대값/최소값 정규화(MinMax), 로그변환(Log) 결정
# p_degree는 다향식 특성을 추가할 때 적용. p_degree는 2이상 부여하지 않음. 
def get_scaled_data(method='None', p_degree=None, input_data=None):
    if method == 'Standard':
        scaled_data = StandardScaler().fit_transform(input_data)
    elif method == 'MinMax':
        scaled_data = MinMaxScaler().fit_transform(input_data)
    elif method == 'Log':
        scaled_data = np.log1p(input_data)
    else:
        scaled_data = input_data

    if p_degree != None:
        scaled_data = PolynomialFeatures(degree=p_degree, 
                                         include_bias=False).fit_transform(scaled_data)
    
    return scaled_data

# Ridge의 alpha값을 다르게 적용하고 다양한 데이터 변환방법에 따른 RMSE 추출. 
alphas = [0.1, 1, 10, 100]
#변환 방법은 모두 6개, 원본 그대로, 표준정규분포, 표준정규분포+다항식 특성
# 최대/최소 정규화, 최대/최소 정규화+다항식 특성, 로그변환 
scale_methods=[(None, None), ('Standard', None), ('Standard', 2), 
               ('MinMax', None), ('MinMax', 2), ('Log', None)]
for scale_method in scale_methods:
    X_data_scaled = get_scaled_data(method=scale_method[0], p_degree=scale_method[1], 
                                    input_data=X_data)
    print('\n## 변환 유형:{0}, Polynomial Degree:{1}'.format(scale_method[0], scale_method[1]))
    get_linear_reg_eval('Ridge', params=alphas, X_data_n=X_data_scaled, 
                        y_target_n=y_target, verbose=False, return_coeff=False)

 

## 변환 유형:None, Polynomial Degree:None
alpha 0.1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.788 
alpha 1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.653 
alpha 10일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.518 
alpha 100일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.330 

## 변환 유형:Standard, Polynomial Degree:None
alpha 0.1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.826 
alpha 1일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.803 
alpha 10일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.637 
alpha 100일 때 5 폴드 세트의 평균 RMSE: 5.421 

 

로지스틱 회귀(Logistic Regression) 

• 선형 회귀 방식을 분류에 적용한 알고리즘으로, 시그모이드 함수의 최적선을 찾고 시그모이드 함수의 반환 값을 확률로 간주해 확률에 따라 분류를 결정 
• 주로 이진 분류(0과 1)에 사용됨
• 특징: 가볍고 빠르며 이진 분류 예측 성능이 뛰어남. 특히 희소한 데이터 세트 분류에서 성능이 좋아서 텍스트 분류에 자주 사용됨 

▷ 로지스틱 회귀를 이용한 위스콘신 암 예측 

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from sklearn.linear_model import LogisticRegression

cancer = load_breast_cancer()

from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split

# StandardScaler( )로 평균이 0, 분산 1로 데이터 분포도 변환
scaler = StandardScaler()
data_scaled = scaler.fit_transform(cancer.data)

X_train , X_test, y_train , y_test = train_test_split(data_scaled, cancer.target, test_size=0.3, random_state=0)

from sklearn.metrics import accuracy_score, roc_auc_score

# 로지스틱 회귀를 이용하여 학습 및 예측 수행. 
# solver인자값을 생성자로 입력하지 않으면 solver='lbfgs'  
lr_clf = LogisticRegression() # solver='lbfgs'
lr_clf.fit(X_train, y_train)
lr_preds = lr_clf.predict(X_test)

# accuracy와 roc_auc 측정
print('accuracy: {0:.3f}, roc_auc:{1:.3f}'.format(accuracy_score(y_test, lr_preds),
                                                 roc_auc_score(y_test , lr_preds)))

solvers = ['lbfgs', 'liblinear', 'newton-cg', 'sag', 'saga']
# 여러개의 solver값 별로 LogisticRegression 학습 후 성능 평가
for solver in solvers:
    lr_clf = LogisticRegression(solver=solver, max_iter=600)
    lr_clf.fit(X_train, y_train)
    lr_preds = lr_clf.predict(X_test)

    # accuracy와 roc_auc 측정
    print('solver:{0}, accuracy: {1:.3f}, roc_auc:{2:.3f}'.format(solver, 
                                                                  accuracy_score(y_test, lr_preds),
                                                                  roc_auc_score(y_test , lr_preds)))

from sklearn.model_selection import GridSearchCV

params={'solver':['liblinear', 'lbfgs'],
        'penalty':['l2', 'l1'],
        'C':[0.01, 0.1, 1, 1, 5, 10]}

lr_clf = LogisticRegression()

grid_clf = GridSearchCV(lr_clf, param_grid=params, scoring='accuracy', cv=3 )
grid_clf.fit(data_scaled, cancer.target)
print('최적 하이퍼 파라미터:{0}, 최적 평균 정확도:{1:.3f}'.format(grid_clf.best_params_, 
                                                  grid_clf.best_score_))

 

회귀 트리 

• 트리가 CART 기반으로 만들어졌기 때문입니다. CART는 분류 뿐만 아니라 회귀도 가능한 트리 분할 알고리즘
• CART 회귀 트리는 분류와 유사하게 분할을 하며, 최종 분할이 완료된 후에 각 분할 영역에 있는 데이터 결정값들의 평균 값으로 학습/예측을 한다.
• 오버피팅 개선법: 트리의 크기, 노드 개수의 제한 방법을 통해 오버피팅 개선 

▷ 회귀 트리를 이용한 보스톤 주택 가격 예측

from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
import pandas as pd
import numpy as np
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')  #사이킷런 1.2 부터는 보스턴 주택가격 데이터가 없어진다는 warning 메시지 출력 제거

# 보스턴 데이터 세트 로드
boston = load_boston()
bostonDF = pd.DataFrame(boston.data, columns = boston.feature_names)

bostonDF['PRICE'] = boston.target
y_target = bostonDF['PRICE']
X_data = bostonDF.drop(['PRICE'], axis=1,inplace=False)

rf = RandomForestRegressor(random_state=0, n_estimators=1000)
neg_mse_scores = cross_val_score(rf, X_data, y_target, scoring="neg_mean_squared_error", cv = 5)
rmse_scores  = np.sqrt(-1 * neg_mse_scores)
avg_rmse = np.mean(rmse_scores)

print(' 5 교차 검증의 개별 Negative MSE scores: ', np.round(neg_mse_scores, 2))
print(' 5 교차 검증의 개별 RMSE scores : ', np.round(rmse_scores, 2))
print(' 5 교차 검증의 평균 RMSE : {0:.3f} '.format(avg_rmse))

def get_model_cv_prediction(model, X_data, y_target):
    neg_mse_scores = cross_val_score(model, X_data, y_target, scoring="neg_mean_squared_error", cv = 5)
    rmse_scores  = np.sqrt(-1 * neg_mse_scores)
    avg_rmse = np.mean(rmse_scores)
    print('##### ',model.__class__.__name__ , ' #####')
    print(' 5 교차 검증의 평균 RMSE : {0:.3f} '.format(avg_rmse))

from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
from sklearn.ensemble import GradientBoostingRegressor
from xgboost import XGBRegressor
from lightgbm import LGBMRegressor

dt_reg = DecisionTreeRegressor(random_state=0, max_depth=4)
rf_reg = RandomForestRegressor(random_state=0, n_estimators=1000)
gb_reg = GradientBoostingRegressor(random_state=0, n_estimators=1000)
xgb_reg = XGBRegressor(n_estimators=1000)
lgb_reg = LGBMRegressor(n_estimators=1000)

# 트리 기반의 회귀 모델을 반복하면서 평가 수행 
models = [dt_reg, rf_reg, gb_reg, xgb_reg, lgb_reg]
for model in models:  
    get_model_cv_prediction(model, X_data, y_target)

import seaborn as sns
%matplotlib inline

rf_reg = RandomForestRegressor(n_estimators=1000)

# 앞 예제에서 만들어진 X_data, y_target 데이터 셋을 적용하여 학습합니다.   
rf_reg.fit(X_data, y_target)

feature_series = pd.Series(data=rf_reg.feature_importances_, index=X_data.columns)
feature_series = feature_series.sort_values(ascending=False)
sns.barplot(x= feature_series, y=feature_series.index)

import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

bostonDF_sample = bostonDF[['RM','PRICE']]
bostonDF_sample = bostonDF_sample.sample(n=100,random_state=0)
print(bostonDF_sample.shape)
plt.figure()
plt.scatter(bostonDF_sample.RM , bostonDF_sample.PRICE,c="darkorange")

import numpy as np
from sklearn.linear_model import LinearRegression

# 선형 회귀와 결정 트리 기반의 Regressor 생성. DecisionTreeRegressor의 max_depth는 각각 2, 7
lr_reg = LinearRegression()
rf_reg2 = DecisionTreeRegressor(max_depth=2)
rf_reg7 = DecisionTreeRegressor(max_depth=7)

# 실제 예측을 적용할 테스트용 데이터 셋을 4.5 ~ 8.5 까지 100개 데이터 셋 생성. 
X_test = np.arange(4.5, 8.5, 0.04).reshape(-1, 1)

# 보스턴 주택가격 데이터에서 시각화를 위해 피처는 RM만, 그리고 결정 데이터인 PRICE 추출
X_feature = bostonDF_sample['RM'].values.reshape(-1,1)
y_target = bostonDF_sample['PRICE'].values.reshape(-1,1)

# 학습과 예측 수행. 
lr_reg.fit(X_feature, y_target)
rf_reg2.fit(X_feature, y_target)
rf_reg7.fit(X_feature, y_target)

pred_lr = lr_reg.predict(X_test)
pred_rf2 = rf_reg2.predict(X_test)
pred_rf7 = rf_reg7.predict(X_test)

# sub plot 3개 설정: ncols=3

fig , (ax1, ax2, ax3) = plt.subplots(figsize=(14,4), ncols=3)

# X축값을 4.5 ~ 8.5로 변환하며 입력했을 때, 선형 회귀와 결정 트리 회귀 예측 선 시각화
# 선형 회귀로 학습된 모델 회귀 예측선 
ax1.set_title('Linear Regression')
ax1.scatter(bostonDF_sample.RM, bostonDF_sample.PRICE, c="darkorange")
ax1.plot(X_test, pred_lr,label="linear", linewidth=2 )

# DecisionTreeRegressor의 max_depth를 2로 했을 때 회귀 예측선 
ax2.set_title('Decision Tree Regression: \n max_depth=2')
ax2.scatter(bostonDF_sample.RM, bostonDF_sample.PRICE, c="darkorange")
ax2.plot(X_test, pred_rf2, label="max_depth:2", linewidth=2 )

# DecisionTreeRegressor의 max_depth를 7로 했을 때 회귀 예측선 
ax3.set_title('Decision Tree Regression: \n max_depth=7')
ax3.scatter(bostonDF_sample.RM, bostonDF_sample.PRICE, c="darkorange")
ax3.plot(X_test, pred_rf7, label="max_depth:7", linewidth=2)