机器学习分类模型性能比较柱状图分类模型的性能评估

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岁月如歌甚好 2023-11-06 19:24:09

文章标签 机器学习分类模型性能比较柱状图正例反例评价指标 文章分类 机器学习人工智能

一、模型评价的意义

在完成模型构建之后，必须对模型的效果进行评估，根据评估结果来继续调整模型的参数、特征或者算法，以达到满意的结果。

评价一个模型最简单也是最常用的指标就是准确率，但是在没有任何前提下使用准确率作为评价指标，准确率往往不能反映一个模型性能的好坏，例如在不平衡的数据集上，正类样本占总数的95%，负类样本占总数的5%；

那么有一个模型把所有样本全部判断为正类，该模型也能达到95%的准确率，但是这个模型没有任何的意义。

因此，对于一个模型，我们需要从不同的方面去判断它的性能。在对比不同模型的能力时，使用不同的性能度量往往会导致不同的评价结果；

这意味着模型的好坏是相对的，什么样的模型是好的，不仅取决于算法和数据，还决定于任务需求。例如医院中检测病人是否有心脏病的模型，那么这个模型的目标是将所有有病的人给检测出来，及时会有许多的误诊（将没病检测为有病）；

在警察追捕罪犯的模型上，该模型的目标是将罪犯准确的识别出来，而不希望有过多的误判（将正常人认为是罪犯）。所以不同的任务需求，模型的训练目标不同，因此评价模型性能的指标也会有所差异。

二、分类模型评价指标

下面以二分类为例，对分类模型中的常用指标进行说明与总结

2-1、混淆矩阵（Confusion Matrix）

混淆矩阵是能够比较全面的反映模型的性能，从混淆矩阵能够衍生出很多的指标来。

表2.1 二分类结果混淆矩阵

真实情况	预测结果
真实情况	正例	反例
正例	TP（真正例）	FN（假反例）
反例	FP（假正例）	TN（真反例）

其中：TP：真正例，实际为正预测为正；FP：假正例，实际为负但预测为正；FN：假反例，实际为正但预测为负；TN：真反例，实际为负预测为负

查准率（精准率）：Precision = TP / (TP+FP)；

查全率（召回率）：Recall = TP / (TP+FN)；

正确率（准确率）：Accuracy = (TP+TN) / (TP+FP+TN+FN)

F值（F1-scores）：Precision和Recall加权调和平均数，并假设两者一样重要。

　　F1-score = (2Recall*Precision) / (Recall + Precision)

查准率和查全率是一对矛盾的度量。一般来说，查准率高时，查全率往往偏低；而查全率高时，查准率往往偏低。通常只有在一些简单任务中，才可能使二者都很高。

2-2、PR曲线

P-R曲线的P就是查准率（Precision），R就是查全率（Recall）。以P作为横坐标，R作为纵坐标，就可以画出P-R曲线。

对于同一个模型，通过调整分类阈值，可以得到不同的P-R值，从而可以得到一条曲线（纵坐标为P，横坐标为R）。通常随着分类阈值从大到小变化（大于阈值认为P），Precision减小，Recall增加。比较两个分类器好坏时，显然是查得又准又全的比较好，也就是的PR曲线越往坐标（1，1）的位置靠近越好。若一个学习器的P-R曲线被另一个学习器完全”包住”，则后者的性能优于前者。当存在交叉时，可以计算曲线围住面积，不太容易判断，但是可以通过平衡点（查准率=查全率，Break-Even Point，BEP）来判断。

下图中，基于BEP的比较，可以认为模型A优于模型B。

机器学习分类模型性能比较柱状图分类模型的性能评估_反例

2-3、ROC曲线和AUC

AUC（Area Under the ROC Curve）指标是在二分类问题中，模型评估阶段常被用作最重要的评估指标来衡量模型的稳定性。

根据混淆矩阵，我们可以得到另外两个指标：

真正例率，True Positive Rate：TPR = TP/ (TP+FN)

假正例率， False Postive Rate：FPR = FP/(TN+FP)

另外，真正率是正确预测到的正例数与实际正例数的比值，所以又称为灵敏度（敏感性，sensitive）；

对应于灵敏度有一个特异度（特效性，specificity）是正确预测到的负例数与实际负例数的比值（NPV = TN / (TN+FN)）。

我们以真正例率（TPR）作为纵轴，以假正例率（FPR）作为横轴作图，便得到了ROC曲线，而AUC则是ROC曲线下的面积。AUC的取值为[0.5-1]，0.5对应于对角线的“随机猜测模型”。

机器学习分类模型性能比较柱状图分类模型的性能评估_正例_02

AUC值是一个概率值，当你随机挑选一个正样本以及负样本，当前的分类算法根据计算得到的Score值将这个正样本排在负样本前面的概率就是AUC值，AUC值越大，当前分类算法越有可能将正样本排在负样本前面，从而能够更好地分类。例如一个模型的AUC是0.7，其含义可以理解为：给定一个正样本和一个负样本，在70%的情况下，模型对正样本的打分（概率）高于对负样本的打分。

那么为什么要用AUC作为二分类模型的评价指标呢？为什么不直接通过计算准确率来对模型进行评价呢？

因为机器学习中的很多模型对于分类问题的预测结果大多是概率，即属于某个类别的概率，如果计算准确率的话，就要把概率转化为类别，这就需要设定一个阈值，概率大于某个阈值的属于一类，概率小于某个阈值的属于另一类，而阈值的设定直接影响了准确率的计算。也就是说AUC越高说明阈值分割所能达到的准确率越高。

2-4、PR曲线与ROC曲线对比

与PR曲线相比，相对来讲ROC曲线会更稳定，在正负样本量都足够的情况下，ROC曲线足够反映模型的判断能力。而在正负样本分布得极不均匀(highly skewed datasets)的情况下（正样本极少），PRC比ROC能更有效地反映分类器对于整体分类情况的好坏。

总之，只画一个曲线时，如果没有data imbalance,倾向于用ROC（更简洁，更好理解）。如果数据样本不均衡,分两种情况：

情况1：如正样本远小于负样本，PRC更敏感，因为用到了precision=(TP/(TP+FP))。

情况2：正样本远大于负样本，PRC和ROC差别不大，都不敏感。

对于同一模型，PRC和ROC曲线都可以说明一定的问题，而且二者有一定的相关性，如果想评测模型效果，也可以把两条曲线都画出来综合评价。

2-5、KS曲线

KS曲线又叫洛伦兹曲线。以TPR和FPR分别作为纵轴，以阈值作为横轴，画出两条曲线。KS曲线则是两条曲线的在每一个阈值下的差值。

KS（Kolmogorov-Smirnov）值，KS=max(TPR-FPR)，即为TPR与FPR的差的最大值；

KS值可以反映模型的最优区分效果，此时所取的阈值一般作为定义好坏用户的最优阈值。KS值越大，模型的预测准确性越好。KS值的取值范围是[0，1] ，一般，KS>0.2即可认为模型有比较好的预测准确性。

KS<0.2：模型无鉴别能力；

0.2-0.4之间，模型勉强接受；

0.41-0.5之间，模型具有区别能力；

0.51-0.6之间，模型有很好的区别能力；

0.61-0.75之间，模型有非常好的区别能力；

KS>0.75，模型异常，很有可能有问题。

机器学习分类模型性能比较柱状图分类模型的性能评估_评价指标_03

由于KS值能找出模型中差异最大的一个分段，因此适合用于找阈值（cut_off），像评分卡这种就很适合用KS值来评估。但是KS值只能反映出哪个分段是区分最大的，而不能总体反映出所有分段的效果，因果AUC值更能胜任。一般如果是如果任务更关注负样本，那么区分度肯定就很重要，此时K-S比AUC更合适用作模型评估，如果没什么特别的影响，那么就用AUC。