本文是 2014 年 12 月我在布拉格经济大学做的名为‘ Python 数据科学’讲座的笔记。欢迎提问和评论。
本次讲座的目的是展示一些关于机器学习的高级概念。该笔记中用具体的代码来做演示，大家可以在自己的电脑上运行（需要安装 IPython，如下所示）。
本次讲座的听众需要了解一些基础的编程（不一定是 Python），并拥有一点基本的数据挖掘背景。本次讲座不是机器学习专家的“高级演讲”。
这些代码实例创建了一个有效的、可执行的原型系统：一个使用“spam”（垃圾信息）或“ham”（非垃圾信息）对英文手机短信（”短信类型“的英文）进行分类的 app。
整套代码使用 Python 语言。 python 是一种在管线（pipeline）的所有环节（I/O、数据清洗重整和预处理、模型训练和评估）都好用的通用语言。尽管 python 不是唯一选择，但它灵活、易于开发，性能优越，这得益于它成熟的科学计算生态系统。Python 庞大的、开源生态系统同时避免了任何单一框架或库的限制（以及相关的信息丢失）。
IPython notebook，是 Python 的一个工具，它是一个以 HTML 形式呈现的交互环境，可以通过它立刻看到结果。我们也将重温其它广泛用于数据科学领域的实用工具。
想交互运行下面的例子（选读）？
安装免费的 Anaconda Python 发行版，其中已经包含 Python 本身。
安装“自然语言处理”库——TextBlob：安装包在这。
下载本文的源码（网址：http://radimrehurek.com/data_science_python/data_science_python.ipynb 并运行：$ ipython notebook data_science_python.ipynb
观看 IPython notebook 基本用法教程 IPython tutorial video 。
运行下面的第一个代码，如果执行过程没有报错，就可以了。
端到端的例子：自动过滤垃圾信息
In [1]:
%matplotlibinline
importmatplotlib.pyplot asplt
importcsv
fromtextblob importTextBlob
importpandas
importsklearn
importcPickle
importnumpy asnp
fromsklearn.feature_extraction.text importCountVectorizer,TfidfTransformer
fromsklearn.naive_bayes importMultinomialNB
fromsklearn.svm importSVC,LinearSVC
fromsklearn.metrics importclassification_report,f1_score,accuracy_score,confusion_matrix
fromsklearn.pipeline importPipeline
fromsklearn.grid_search importGridSearchCV
fromsklearn.cross_validation importStratifiedKFold,cross_val_score,train_test_split
fromsklearn.tree importDecisionTreeClassifier
fromsklearn.learning_curve importlearning_curve
第一步：加载数据，浏览一下
让我们跳过真正的第一步（完善资料，了解我们要做的是什么，这在实践过程中是非常重要的），直接到 https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/SMS+Spam+Collection 下载 demo 里需要用的 zip 文件，解压到 data 子目录下。你能看到一个大概 0.5MB 大小，名为 SMSSpamCollection 的文件：
$ <span class="kw">ls</span> -ldata
<span class="kw">total</span> 1352
<span class="kw">-rw-r--r--@</span> 1kofola staff477907Mar152011SMSSpamCollection
<span class="kw">-rw-r--r--@</span> 1kofola staff5868Apr182011readme
<span class="kw">-rw-r-----@</span> 1kofola staff203415Dec115:30smsspamcollection.zip
这份文件包含了 5000 多份 SMS 手机信息（查看 readme 文件以获得更多信息）：
In [2]:
messages = [line.rstrip()forline inopen('./data/SMSSpamCollection')]
print len(messages)
5574
文本集有时候也称为“语料库”，我们来打印 SMS 语料库中的前 10 条信息：
In [3]:
formessage_no,message inenumerate(messages[:10]):
printmessage_no,message
0ham Go until jurong point,crazy..Available only inbugisngreat world laebuffet...Cine there got amore wat...
1ham Ok lar...Joking wifuoni...
2spam Free entry in2awkly comp to win FA Cup final tkts21stMay2005.Text FA to87121to receive entry question(std txt rate)T&C's apply 08452810075over18's
3hamUdun say so early hor...Ucalready then say...
4ham NahIdon't think he goes to usf, he lives around here though
5 spam FreeMsg Hey there darling it'sbeen3week's now and no word back! I'dlike some fun you up forit still?Tb ok!XxX std chgs to send,￡1.50to rcv
6ham Even my brother isnotlike to speak withme.They treat me like aids patent.
7ham Asper your request'Melle Melle (Oru Minnaminunginte Nurungu Vettam)'has been setasyour callertune forallCallers.Press *9to copyyour friends Callertune
8spam WINNER!! Asavalued network customer you have been selected to receivea￡900prize reward! To claim call09061701461.Claim codeKL341.Valid12hours only.
9spam Had your mobile11months ormore?URentitled to Update to the latest colour mobiles withcamera forFree! Call The Mobile Update Co FREE on08002986030
我们看到一个 TSV 文件（用制表符 tab 分隔），它的第一列是标记正常信息（ham）或“垃圾文件”（spam）的标签，第二列是信息本身。
这个语料库将作为带标签的训练集。通过使用这些标记了 ham/spam 例子，我们将训练一个自动分辨 ham/spam 的机器学习模型。然后，我们可以用训练好的模型将任意未标记的信息标记为 ham 或 spam。
我们可以使用 Python 的 Pandas 库替我们处理 TSV 文件（或 CSV 文件，或 Excel 文件）：
In [4]:
messages = pandas.read_csv('./data/SMSSpamCollection',sep='t',quoting=csv.QUOTE_NONE,
names=["label","message"])
printmessages
我们也可以使用 pandas 轻松查看统计信息：
In [5]:
messages.groupby('label').describe()
out[5]:
这些信息的长度是多少：
In [6]:
messages['length'] = messages['message'].map(lambdatext: len(text))
printmessages.head()
In [7]:
messages.length.plot(bins=20, kind='hist')
Out[7]:
<matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot at 0x10dd7a990>
In [8]:
messages.length.describe()
Out[8]:
哪些是超长信息？
In [9]:
print list(messages.message[messages.length > 900])
spam 信息与 ham 信息在长度上有区别吗？
In [10]:
messages.hist(column='length', by='label', bins=50)
Out[10]:
array([<matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot object at 0x11270da50>,
<matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot object at 0x1126c7750>], dtype=object)
太棒了，但是我们怎么能让电脑自己识别文字信息？它可以理解这些胡言乱语吗？
第二步：数据预处理
这一节我们将原始信息（字符序列）转换为向量（数字序列）；
这里的映射并非一对一的，我们要用词袋模型（bag-of-words）把每个不重复的词用一个数字来表示。
与第一步的方法一样，让我们写一个将信息分割成单词的函数：
In [11]:
defsplit_into_tokens(message):
message = unicode(message,'utf8')# convert bytes into proper unicode
returnTextBlob(message).words
这还是原始文本的一部分:
In [12]:
messages.message.head()
Out[12]:
这是原始文本处理后的样子：
In [13]:
messages.message.head().apply(split_into_tokens)
Out[13]:
自然语言处理（NLP）的问题：
大写字母是否携带信息？
单词的不同形式（“goes”和“go”）是否携带信息？
叹词和限定词是否携带信息？
换句话说，我们想对文本进行更好的标准化。
我们使用 textblob 获取 part-of-speech (POS) 标签：
In [14]:
TextBlob("Hello world, how is it going?").tags # list of (word, POS) pairs
Out[14]:
并将单词标准化为基本形式 (lemmas)：
In [15]:
Out[15]:
这样就好多了。你也许还会想到更多的方法来改进预处理：解码 HTML 实体（我们上面看到的 & 和 <）；过滤掉停用词 (代词等)；添加更多特征，比如所有字母大写标识等等。
第三步：数据转换为向量
现在，我们将每条消息（词干列表）转换成机器学习模型可以理解的向量。
用词袋模型完成这项工作需要三个步骤：
1. 对每个词在每条信息中出现的次数进行计数（词频）；
2. 对计数进行加权，这样经常出现的单词将会获得较低的权重（逆向文件频率）；
3. 将向量由原始文本长度归一化到单位长度（L2 范式）。
每个向量的维度等于 SMS 语料库中包含的独立词的数量。
In [16]:
bow_transformer = CountVectorizer(analyzer=split_into_lemmas).fit(messages['message'])
printlen(bow_transformer.vocabulary_)
8874
这里我们使用强大的 python 机器学习训练库 scikit-learn (sklearn)，它包含大量的方法和选项。
我们取一个信息并使用新的 bow_tramsformer 获取向量形式的词袋模型计数:
In [17]:
message4 = messages['message'][3]
printmessage4
U dun say so early hor... U c already then say...
In [18]:
bow4 = bow_transformer.transform([message4])
printbow4
printbow4.shape
message 4 中有 9 个独立词，它们中的两个出现了两次，其余的只出现了一次。可用性检测，哪些词出现了两次？
In [19]:
printbow_transformer.get_feature_names()[6736]
printbow_transformer.get_feature_names()[8013]
say
u
整个 SMS 语料库的词袋计数是一个庞大的稀疏矩阵：
In [20]:
messages_bow = bow_transformer.transform(messages['message'])
print'sparse matrix shape:',messages_bow.shape
print'number of non-zeros:',messages_bow.nnz
print'sparsity: %.2f%%' % (100.0 * messages_bow.nnz / (messages_bow.shape[0] * messages_bow.shape[1]))
最终，计数后，使用 scikit-learn 的 TFidfTransformer 实现的 TF-IDF 完成词语加权和归一化。
In [21]:
单词 “u” 的 IDF（逆向文件频率）是什么？单词“university”的 IDF 又是什么？
In [22]:
将整个 bag-of-words 语料库转化为 TF-IDF 语料库。
In [23]:
有许多方法可以对数据进行预处理和向量化。这两个步骤也可以称为“特征工程”，它们通常是预测过程中最耗时间和最无趣的部分，但是它们非常重要并且需要经验。诀窍在于反复评估：分析模型误差，改进数据清洗和预处理方法，进行头脑风暴讨论新功能，评估等等。
第四步：训练模型,检测垃圾信息
我们使用向量形式的信息来训练 spam/ham 分类器。这部分很简单，有很多实现训练算法的库文件。
这里我们使用 scikit-learn，首先选择 Naive Bayes 分类器：
In [24]:
我们来试着分类一个随机信息：
In [25]:
太棒了！你也可以用自己的文本试试。
有一个很自然的问题是：我们可以正确分辨多少信息？
In [26]:
In [27]:
print'accuracy',accuracy_score(messages['label'],all_predictions)
print'confusion matrixn',confusion_matrix(messages['label'],all_predictions)
print'(row=expected, col=predicted)'
In [28]:
plt.matshow(confusion_matrix(messages['label'],all_predictions),cmap=plt.cm.binary,interpolation='nearest')
plt.title('confusion matrix')
plt.colorbar()
plt.ylabel('expected label')
plt.xlabel('predicted label')
Out[28]:
<matplotlib.text.Text at 0x11643f6d0>
我们可以通过这个混淆矩阵计算精度（precision）和召回率（recall），或者它们的组合（调和平均值）F1：
In [29]:
有相当多的指标都可以用来评估模型性能，至于哪个最合适是由任务决定的。比如，将“spam”错误预测为“ham”的成本远低于将“ham”错误预测为“spam”的成本。
第五步：如何进行实验？
在上述“评价”中，我们犯了个大忌。为了简单的演示，我们使用训练数据进行了准确性评估。永远不要评估你的训练数据。这是错误的。
这样的评估方法不能告诉我们模型的实际预测能力，如果我们记住训练期间的每个例子，训练的准确率将非常接近 100%，但是我们不能用它来分类任何新信息。
一个正确的做法是将数据分为训练集和测试集，在模型拟合和调参时只能使用训练数据，不能以任何方式使用测试数据，通过这个方法确保模型没有“作弊”，最终使用测试数据评价模型可以代表模型真正的预测性能。
In [30]:
按照要求，测试数据占整个数据集的 20%（总共 5574 条记录中的 1115 条），其余的是训练数据（5574 条中的 4459 条）。
让我们回顾整个流程，将所有步骤放入 scikit-learn 的 Pipeline 中:
In [31]:
实际当中一个常见的做法是将训练集再次分割成更小的集合，例如，5 个大小相等的子集。然后我们用 4 个子集训练数据，用最后 1 个子集计算精度（称之为“验证集”）。重复5次（每次使用不同的子集进行验证），这样可以得到模型的“稳定性“。如果模型使用不同子集的得分差异非常大，那么很可能哪里出错了（坏数据或者不良的模型方差）。返回，分析错误，重新检查输入数据有效性，重新检查数据清洗。
在这个例子里，一切进展顺利：
In [32]:
得分确实比训练全部数据时差一点点（ 5574 个训练例子中，准确性 0.97），但是它们相当稳定：
In [33]:
我们自然会问，如何改进这个模型？这个得分已经很高了，但是我们通常如何改进模型呢？
Naive Bayes 是一个高偏差-低方差的分类器（简单且稳定，不易过度拟合）。与其相反的例子是低偏差-高方差（容易过度拟合）的 k 最临近（kNN）分类器和决策树。Bagging（随机森林）是一种通过训练许多（高方差）模型和求均值来降低方差的方法。
换句话说：
高偏差 = 分类器比较固执。它有自己的想法，数据能够改变的空间有限。另一方面，也没有多少过度拟合的空间（左图）。
低偏差 = 分类器更听话，但也更神经质。大家都知道，让它做什么就做什么可能造成麻烦（右图）。
In [34]:
In [35]:
%time plot_learning_curve(pipeline, "accuracy vs. training set size", msg_train, label_train, cv=5)
CPU times: user382ms,sys: 83.1ms,total: 465ms
Wall time: 28.5s
Out[35]:
<module 'matplotlib.pyplot' from '/Volumes/work/workspace/vew/sklearn_intro/lib/python2.7/site-packages/matplotlib/pyplot.pyc'>
（我们对数据的 64% 进行了有效训练：保留 20% 的数据作为测试集，保留剩余的 20% 做 5 折交叉验证 = > 0.8*0.8*5574 = 3567个训练数据。）
随着性能的提升，训练和交叉验证都表现良好，我们发现由于数据量较少，这个模型难以足够复杂/灵活地捕获所有的细微差别。在这种特殊案例中，不管怎样做精度都很高，这个问题看起来不是很明显。
关于这一点，我们有两个选择：
使用更多的训练数据，增加模型的复杂性；
使用更复杂（更低偏差）的模型，从现有数据中获取更多信息。
在过去的几年里，随着收集大规模训练数据越来越容易，机器越来越快。方法 1 变得越来越流行（更简单的算法，更多的数据）。简单的算法（如 Naive Bayes）也有更容易解释的额外优势（相对一些更复杂的黑箱模型，如神经网络）。
了解了如何正确地评估模型，我们现在可以开始研究参数对性能有哪些影响。
第六步：如何调整参数？
到目前为止，我们看到的只是冰山一角，还有许多其它参数需要调整。比如使用什么算法进行训练。
上面我们已经使用了 Navie Bayes，但是 scikit-learn 支持许多分类器：支持向量机、最邻近算法、决策树、Ensamble 方法等…
我们会问：IDF 加权对准确性有什么影响？消耗额外成本进行词形还原（与只用纯文字相比）真的会有效果吗？
让我们来看看：
In [37]:
In [38]:
%timenb_detector = grid.fit(msg_train,label_train)
printnb_detector.grid_scores_
CPU times: user4.09s,sys: 291ms,total: 4.38s
Wall time: 20.2s
[mean: 0.94752,std: 0.00357,params: {'tfidf__use_idf': True,'bow__analyzer': <function split_into_lemmas at0x1131e8668>},mean: 0.92958,std: 0.00390,params: {'tfidf__use_idf': False,'bow__analyzer': <function split_into_lemmas at0x1131e8668>},mean: 0.94528,std: 0.00259,params: {'tfidf__use_idf': True,'bow__analyzer': <function split_into_tokens at0x11270b7d0>},mean: 0.92868,std: 0.00240,params: {'tfidf__use_idf': False,'bow__analyzer': <function split_into_tokens at0x11270b7d0>}]
（首先显示最佳参数组合：在这个案例中是使用 idf=True 和 analyzer=split_into_lemmas 的参数组合）
快速合理性检查
In [39]:
predict_proba 返回每类（ham，spam）的预测概率。在第一个例子中，消息被预测为 ham 的概率 >99%，被预测为 spam 的概率 <1%。如果进行选择模型会认为信息是 ”ham“：
In [40]:
在训练期间没有用到的测试集的整体得分：
In [41]:
这是我们使用词形还原、TF-IDF 和 Navie Bayes 分类器的 ham 检测 pipeline 获得的实际预测性能。
让我们尝试另一个分类器：支持向量机（SVM）。SVM 可以非常迅速的得到结果，它所需要的参数调整也很少（虽然比 Navie Bayes 稍多一点），在处理文本数据方面它是个好的起点。
In [42]:
pipeline_svm = Pipeline([
('bow',CountVectorizer(analyzer=split_into_lemmas)),
('tfidf',TfidfTransformer()),
('classifier',SVC()),# <== change here
])
# pipeline parameters to automatically explore and tune
param_svm = [
{'classifier__C': [1,10,100,1000],'classifier__kernel': ['linear']},
{'classifier__C': [1,10,100,1000],'classifier__gamma': [0.001,0.0001],'classifier__kernel': ['rbf']},
]
grid_svm = GridSearchCV(
pipeline_svm,# pipeline from above
param_grid=param_svm,# parameters to tune via cross validation
refit=True,# fit using all data, on the best detected classifier
n_jobs=-1,# number of cores to use for parallelization; -1 for "all cores"
scoring='accuracy',# what score are we optimizing?
cv=StratifiedKFold(label_train,n_folds=5),# what type of cross validation to use
)
In [43]:
%timesvm_detector = grid_svm.fit(msg_train,label_train)# find the best combination from param_svm
printsvm_detector.grid_scores_
CPU times: user5.24s,sys: 170ms,total: 5.41s
Wall time: 1min8s
[mean: 0.98677,std: 0.00259,params: {'classifier__kernel': 'linear','classifier__C': 1},mean: 0.98654,std: 0.00100,params: {'classifier__kernel': 'linear','classifier__C': 10},mean: 0.98654,std: 0.00100,params: {'classifier__kernel': 'linear','classifier__C': 100},mean: 0.98654,std: 0.00100,params: {'classifier__kernel': 'linear','classifier__C': 1000},mean:0.86432,std: 0.00006,params: {'classifier__gamma': 0.001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 1},mean: 0.86432,std:0.00006,params: {'classifier__gamma': 0.0001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 1},mean: 0.86432,std: 0.00006,params: {'classifier__gamma': 0.001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 10},mean: 0.86432,std: 0.00006,params:{'classifier__gamma': 0.0001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 10},mean: 0.97040,std: 0.00587,params:{'classifier__gamma': 0.001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 100},mean: 0.86432,std: 0.00006,params:{'classifier__gamma': 0.0001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 100},mean: 0.98722,std: 0.00280,params:{'classifier__gamma': 0.001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 1000},mean: 0.97040,std: 0.00587,params:{'classifier__gamma': 0.0001,'classifier__kernel': 'rbf','classifier__C': 1000}]
因此，很明显的，具有 C=1 的线性核函数是最好的参数组合。
再一次合理性检查：
In [44]:
In [45]:
这是我们使用 SVM 时可以从 spam 邮件检测流程中获得的实际预测性能。
第七步：生成预测器
经过基本分析和调优，真正的工作（工程）开始了。
生成预测器的最后一步是再次对整个数据集合进行训练，以充分利用所有可用数据。当然，我们将使用上面交叉验证找到的最好的参数。这与我们开始做的非常相似，但这次深入了解它的行为和稳定性。在不同的训练/测试子集进行评价。
最终的预测器可以序列化到磁盘，以便我们下次想使用它时，可以跳过所有训练直接使用训练好的模型：
In [46]:
加载的结果是一个与原始对象表现相同的对象：
In [47]:
生产执行的另一个重要部分是性能。经过快速、迭代模型调整和参数搜索之后，性能良好的模型可以被翻译成不同的语言并优化。可以牺牲几个点的准确性换取一个更小、更快的模型吗？是否值得优化内存使用情况，或者使用 mmap 跨进程共享内存？
请注意，优化并不总是必要的，要从实际情况出发。
还有一些需要考虑的问题，比如，生产流水线还需要考虑鲁棒性（服务故障转移、冗余、负载平衡）、监测（包括异常自动报警）、HR 可替代性（避免关于工作如何完成的“知识孤岛”、晦涩/锁定的技术、调整结果的黑艺术）。现在，开源世界都可以为所有这些领域提供可行的解决方法，由于 OSI 批准的开源许可证，今天展示的所有工具都可以免费用于商业用途。
其他实用概念
数据稀疏性
在线学习，数据流
用于内存共享的 mmap，系统“冷启动”负载时间
可扩展性、分布式（集群）处理
无监督学习
大多数数据没有结构化。了解这些数据，其中没有自带的标签（不然就成了监督学习！）。
我们如何训练没有标签的内容？这是什么魔法？
分布假设“在类似语境中出现的词倾向于具有相似的含义”。上下文=句子，文档，滑动窗口……
查看 google 关于无监督学习的 word2vec 在线演示。简单的模型、大量数据（Google 新闻，1000 亿词，没有标签）。
下一步做什么？
这个 notebook 的静态版本（非交互版本）的 HTML，地址： http://radimrehurek.com/data_science_python （你可能已经在看了，但以防万一）
交互式 notebook 源文件在 GitHub 上，
http://radimrehurek.com/data_science_python/data_science_python.ipynb（见上面的安装说明）。
End.
运行人员：中国统计网小编（微信号：itongjilove）
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http://www.itongji.cn