Матрица ошибок классификации это

В машинном обучении различают оценки качества для задачи классификации и регрессии. Причем оценка задачи классификации часто значительно сложнее, чем оценка регрессии.

Оценки качества классификации

Матрица ошибок (англ. Сonfusion matrix)

Перед переходом к самим метрикам необходимо ввести важную концепцию для описания этих метрик в терминах ошибок классификации — confusion matrix (матрица ошибок).
Допустим, что у нас есть два класса и алгоритм, предсказывающий принадлежность каждого объекта одному из классов.
Рассмотрим пример. Пусть банк использует систему классификации заёмщиков на кредитоспособных и некредитоспособных. При этом первым кредит выдаётся, а вторые получат отказ. Таким образом, обнаружение некредитоспособного заёмщика () можно рассматривать как «сигнал тревоги», сообщающий о возможных рисках.

Любой реальный классификатор совершает ошибки. В нашем случае таких ошибок может быть две:

• Кредитоспособный заёмщик распознается моделью как некредитоспособный и ему отказывается в кредите. Данный случай можно трактовать как «ложную тревогу».
• Некредитоспособный заёмщик распознаётся как кредитоспособный и ему ошибочно выдаётся кредит. Данный случай можно рассматривать как «пропуск цели».

Несложно увидеть, что эти ошибки неравноценны по связанным с ними проблемам. В случае «ложной тревоги» потери банка составят только проценты по невыданному кредиту (только упущенная выгода). В случае «пропуска цели» можно потерять всю сумму выданного кредита. Поэтому системе важнее не допустить «пропуск цели», чем «ложную тревогу».

Поскольку с точки зрения логики задачи нам важнее правильно распознать некредитоспособного заёмщика с меткой , чем ошибиться в распознавании кредитоспособного, будем называть соответствующий исход классификации положительным (заёмщик некредитоспособен), а противоположный — отрицательным (заемщик кредитоспособен ). Тогда возможны следующие исходы классификации:

• Некредитоспособный заёмщик классифицирован как некредитоспособный, т.е. положительный класс распознан как положительный. Наблюдения, для которых это имеет место называются истинно-положительными (True Positive — TP).
• Кредитоспособный заёмщик классифицирован как кредитоспособный, т.е. отрицательный класс распознан как отрицательный. Наблюдения, которых это имеет место, называются истинно отрицательными (True Negative — TN).
• Кредитоспособный заёмщик классифицирован как некредитоспособный, т.е. имела место ошибка, в результате которой отрицательный класс был распознан как положительный. Наблюдения, для которых был получен такой исход классификации, называются ложно-положительными (False Positive — FP), а ошибка классификации называется ошибкой I рода.
• Некредитоспособный заёмщик распознан как кредитоспособный, т.е. имела место ошибка, в результате которой положительный класс был распознан как отрицательный. Наблюдения, для которых был получен такой исход классификации, называются ложно-отрицательными (False Negative — FN), а ошибка классификации называется ошибкой II рода.

Таким образом, ошибка I рода, или ложно-положительный исход классификации, имеет место, когда отрицательное наблюдение распознано моделью как положительное. Ошибкой II рода, или ложно-отрицательным исходом классификации, называют случай, когда положительное наблюдение распознано как отрицательное. Поясним это с помощью матрицы ошибок классификации:

	Истинно-положительный (True Positive — TP)	Ложно-положительный (False Positive — FP)
	Ложно-отрицательный (False Negative — FN)	Истинно-отрицательный (True Negative — TN)

Здесь — это ответ алгоритма на объекте, а — истинная метка класса на этом объекте.
Таким образом, ошибки классификации бывают двух видов: False Negative (FN) и False Positive (FP).
P означает что классификатор определяет класс объекта как положительный (N — отрицательный). T значит что класс предсказан правильно (соответственно F — неправильно). Каждая строка в матрице ошибок представляет спрогнозированный класс, а каждый столбец — фактический класс.

 # код для матрицы ошибок
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import confusion_matrix
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (англ. Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 # Для расчета матрицы ошибок сначала понадобится иметь набор прогнозов, чтобы их можно было сравнивать с фактическими целями
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687],
 #        [ 1891, 3530]])

Безупречный классификатор имел бы только истинно-поло­жительные и истинно отрицательные классификации, так что его матрица ошибок содержала бы ненулевые значения только на своей главной диа­гонали (от левого верхнего до правого нижнего угла):

 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.metrics import confusion_matrix
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 y_train_perfect_predictions = y_train_5 # притворись, что мы достигли совершенства
 print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_perfect_predictions))
 # array([[54579, 0],
 #        [ 0, 5421]])

Аккуратность (англ. Accuracy)

Интуитивно понятной, очевидной и почти неиспользуемой метрикой является accuracy — доля правильных ответов алгоритма:

Эта метрика бесполезна в задачах с неравными классами, что как вариант можно исправить с помощью алгоритмов сэмплирования и это легко показать на примере.

Допустим, мы хотим оценить работу спам-фильтра почты. У нас есть 100 не-спам писем, 90 из которых наш классификатор определил верно (True Negative = 90, False Positive = 10), и 10 спам-писем, 5 из которых классификатор также определил верно (True Positive = 5, False Negative = 5).
Тогда accuracy:

Однако если мы просто будем предсказывать все письма как не-спам, то получим более высокую аккуратность:

При этом, наша модель совершенно не обладает никакой предсказательной силой, так как изначально мы хотели определять письма со спамом. Преодолеть это нам поможет переход с общей для всех классов метрики к отдельным показателям качества классов.

 # код для для подсчета аккуратности:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import accuracy_score
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 # print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687]
 #        [ 1891, 3530]])
 print(accuracy_score(y_train_5, y_train_pred)) # == (53892 + 3530) / (53892 + 3530  + 1891 +687)
 
 # 0.9570333333333333

Точность (англ. Precision)

Точностью (precision) называется доля правильных ответов модели в пределах класса — это доля объектов действительно принадлежащих данному классу относительно всех объектов которые система отнесла к этому классу.

Именно введение precision не позволяет нам записывать все объекты в один класс, так как в этом случае мы получаем рост уровня False Positive.

Полнота (англ. Recall)

Полнота — это доля истинно положительных классификаций. Полнота показывает, какую долю объектов, реально относящихся к положительному классу, мы предсказали верно.

Полнота (recall) демонстрирует способность алгоритма обнаруживать данный класс вообще.

Имея матрицу ошибок, очень просто можно вычислить точность и полноту для каждого класса. Точность (precision) равняется отношению соответствующего диагонального элемента матрицы и суммы всей строки класса. Полнота (recall) — отношению диагонального элемента матрицы и суммы всего столбца класса. Формально:

Результирующая точность классификатора рассчитывается как арифметическое среднее его точности по всем классам. То же самое с полнотой. Технически этот подход называется macro-averaging.

 # код для для подсчета точности и полноты:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import precision_score, recall_score
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 # print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687]
 #        [ 1891, 3530]])
 print(precision_score(y_train_5, y_train_pred)) # == 3530 / (3530 + 687)
 print(recall_score(y_train_5, y_train_pred)) # == 3530 / (3530 + 1891)
   
 # 0.8370879772350012
 # 0.6511713705958311

F-мера (англ. F-score)

Precision и recall не зависят, в отличие от accuracy, от соотношения классов и потому применимы в условиях несбалансированных выборок.
Часто в реальной практике стоит задача найти оптимальный (для заказчика) баланс между этими двумя метриками. Понятно что чем выше точность и полнота, тем лучше. Но в реальной жизни максимальная точность и полнота не достижимы одновременно и приходится искать некий баланс. Поэтому, хотелось бы иметь некую метрику которая объединяла бы в себе информацию о точности и полноте нашего алгоритма. В этом случае нам будет проще принимать решение о том какую реализацию запускать в производство (у кого больше тот и круче). Именно такой метрикой является F-мера.

F-мера представляет собой гармоническое среднее между точностью и полнотой. Она стремится к нулю, если точность или полнота стремится к нулю.

Данная формула придает одинаковый вес точности и полноте, поэтому F-мера будет падать одинаково при уменьшении и точности и полноты. Возможно рассчитать F-меру придав различный вес точности и полноте, если вы осознанно отдаете приоритет одной из этих метрик при разработке алгоритма:

где принимает значения в диапазоне если вы хотите отдать приоритет точности, а при приоритет отдается полноте. При формула сводится к предыдущей и вы получаете сбалансированную F-меру (также ее называют ).

F-мера достигает максимума при максимальной полноте и точности, и близка к нулю, если один из аргументов близок к нулю.

F-мера является хорошим кандидатом на формальную метрику оценки качества классификатора. Она сводит к одному числу две других основополагающих метрики: точность и полноту. Имея «F-меру» гораздо проще ответить на вопрос: «поменялся алгоритм в лучшую сторону или нет?»

 # код для подсчета метрики F-mera:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 from sklearn.metrics import f1_score
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распознавать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 print(f1_score(y_train_5, y_train_pred))
 
 # 0.7325171197343846

ROC-кривая

Кривая рабочих характеристик (англ. Receiver Operating Characteristics curve).
Используется для анализа поведения классификаторов при различных пороговых значениях.
Позволяет рассмотреть все пороговые значения для данного классификатора.
Показывает долю ложно положительных примеров (англ. false positive rate, FPR) в сравнении с долей истинно положительных примеров (англ. true positive rate, TPR).

Доля FPR — это пропорция отрицательных образцов, которые были некорректно классифицированы как положительные.

,

где TNR — доля истинно отрицательных классификаций (англ. Тrие Negative Rate), пред­ставляющая собой пропорцию отрицательных образцов, которые были кор­ректно классифицированы как отрицательные.

Доля TNR также называется специфичностью (англ. specificity). Следовательно, ROC-кривая изображает чувствительность (англ. seпsitivity), т.е. полноту, в срав­нении с разностью 1 — specificity.

Прямая линия по диагонали представляет ROC-кривую чисто случайного классификатора. Хороший классификатор держится от указанной линии настолько далеко, насколько это
возможно (стремясь к левому верхнему углу).

Один из способов сравнения классификаторов предусматривает измере­ние площади под кривой (англ. Area Under the Curve — AUC). Безупречный клас­сификатор будет иметь площадь под ROC-кривой (ROC-AUC), равную 1, тогда как чисто случайный классификатор — площадь 0.5.

 # Код отрисовки ROC-кривой
 # На примере классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя классами
 # "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 from sklearn.metrics import roc_curve
 import matplotlib.pyplot as plt
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5)  # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 y_scores = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3, method="decision_function")
 fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_train_5, y_scores)
 def plot_roc_curve(fpr, tpr, label=None):
     plt.plot(fpr, tpr, linewidth=2, label=label)
     plt.plot([0, 1], [0, 1], 'k--') # dashed diagonal
     plt.xlabel('False Positive Rate, FPR (1 - specificity)')
     plt.ylabel('True Positive Rate, TPR (Recall)')
     plt.title('ROC curve')
     plt.savefig("ROC.png")
 plot_roc_curve(fpr, tpr)
 plt.show()

Precison-recall кривая

Чувствительность к соотношению классов.
Рассмотрим задачу выделения математических статей из множества научных статей. Допустим, что всего имеется 1.000.100 статей, из которых лишь 100 относятся к математике. Если нам удастся построить алгоритм , идеально решающий задачу, то его TPR будет равен единице, а FPR — нулю. Рассмотрим теперь плохой алгоритм, дающий положительный ответ на 95 математических и 50.000 нематематических статьях. Такой алгоритм совершенно бесполезен, но при этом имеет TPR = 0.95 и FPR = 0.05, что крайне близко к показателям идеального алгоритма.
Таким образом, если положительный класс существенно меньше по размеру, то AUC-ROC может давать неадекватную оценку качества работы алгоритма, поскольку измеряет долю неверно принятых объектов относительно общего числа отрицательных. Так, алгоритм , помещающий 100 релевантных документов на позиции с 50.001-й по 50.101-ю, будет иметь AUC-ROC 0.95.

Precison-recall (PR) кривая. Избавиться от указанной проблемы с несбалансированными классами можно, перейдя от ROC-кривой к PR-кривой. Она определяется аналогично ROC-кривой, только по осям откладываются не FPR и TPR, а полнота (по оси абсцисс) и точность (по оси ординат). Критерием качества семейства алгоритмов выступает площадь под PR-кривой (англ. Area Under the Curve — AUC-PR)

 # Код отрисовки Precison-recall кривой
 # На примере классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя классами
 # "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 from sklearn.metrics import precision_recall_curve
 import matplotlib.pyplot as plt
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 y_scores = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3, method="decision_function")
 precisions, recalls, thresholds = precision_recall_curve(y_train_5, y_scores)
 def plot_precision_recall_vs_threshold(precisions, recalls, thresholds):
     plt.plot(recalls, precisions, linewidth=2)
     plt.xlabel('Recall')
     plt.ylabel('Precision')
     plt.title('Precision-Recall curve')
     plt.savefig("Precision_Recall_curve.png")
 plot_precision_recall_vs_threshold(precisions, recalls, thresholds)
 plt.show()

Оценки качества регрессии

Наиболее типичными мерами качества в задачах регрессии являются

Средняя квадратичная ошибка (англ. Mean Squared Error, MSE)

MSE применяется в ситуациях, когда нам надо подчеркнуть большие ошибки и выбрать модель, которая дает меньше больших ошибок прогноза. Грубые ошибки становятся заметнее за счет того, что ошибку прогноза мы возводим в квадрат. И модель, которая дает нам меньшее значение среднеквадратической ошибки, можно сказать, что что у этой модели меньше грубых ошибок.

и

Cредняя абсолютная ошибка (англ. Mean Absolute Error, MAE)

Среднеквадратичный функционал сильнее штрафует за большие отклонения по сравнению со среднеабсолютным, и поэтому более чувствителен к выбросам. При использовании любого из этих двух функционалов может быть полезно проанализировать, какие объекты вносят наибольший вклад в общую ошибку — не исключено, что на этих объектах была допущена ошибка при вычислении признаков или целевой величины.

Среднеквадратичная ошибка подходит для сравнения двух моделей или для контроля качества во время обучения, но не позволяет сделать выводов о том, на сколько хорошо данная модель решает задачу. Например, MSE = 10 является очень плохим показателем, если целевая переменная принимает значения от 0 до 1, и очень хорошим, если целевая переменная лежит в интервале (10000, 100000). В таких ситуациях вместо среднеквадратичной ошибки полезно использовать коэффициент детерминации —

Коэффициент детерминации

Коэффициент детерминации измеряет долю дисперсии, объясненную моделью, в общей дисперсии целевой переменной. Фактически, данная мера качества — это нормированная среднеквадратичная ошибка. Если она близка к единице, то модель хорошо объясняет данные, если же она близка к нулю, то прогнозы сопоставимы по качеству с константным предсказанием.

Средняя абсолютная процентная ошибка (англ. Mean Absolute Percentage Error, MAPE)

Это коэффициент, не имеющий размерности, с очень простой интерпретацией. Его можно измерять в долях или процентах. Если у вас получилось, например, что MAPE=11.4%, то это говорит о том, что ошибка составила 11,4% от фактических значений.
Основная проблема данной ошибки — нестабильность.

Корень из средней квадратичной ошибки (англ. Root Mean Squared Error, RMSE)

Примерно такая же проблема, как и в MAPE: так как каждое отклонение возводится в квадрат, любое небольшое отклонение может значительно повлиять на показатель ошибки. Стоит отметить, что существует также ошибка MSE, из которой RMSE как раз и получается путем извлечения корня.

Cимметричная MAPE (англ. Symmetric MAPE, SMAPE)

Средняя абсолютная масштабированная ошибка (англ. Mean absolute scaled error, MASE)

MASE является очень хорошим вариантом для расчета точности, так как сама ошибка не зависит от масштабов данных и является симметричной: то есть положительные и отрицательные отклонения от факта рассматриваются в равной степени.
Обратите внимание, что в MASE мы имеем дело с двумя суммами: та, что в числителе, соответствует тестовой выборке, та, что в знаменателе — обучающей. Вторая фактически представляет собой среднюю абсолютную ошибку прогноза. Она же соответствует среднему абсолютному отклонению ряда в первых разностях. Эта величина, по сути, показывает, насколько обучающая выборка предсказуема. Она может быть равна нулю только в том случае, когда все значения в обучающей выборке равны друг другу, что соответствует отсутствию каких-либо изменений в ряде данных, ситуации на практике почти невозможной. Кроме того, если ряд имеет тенденцию к росту либо снижению, его первые разности будут колебаться около некоторого фиксированного уровня. В результате этого по разным рядам с разной структурой, знаменатели будут более-менее сопоставимыми. Всё это, конечно же, является очевидными плюсами MASE, так как позволяет складывать разные значения по разным рядам и получать несмещённые оценки.

Недостаток MASE в том, что её тяжело интерпретировать. Например, MASE=1.21 ни о чём, по сути, не говорит. Это просто означает, что ошибка прогноза оказалась в 1.21 раза выше среднего абсолютного отклонения ряда в первых разностях, и ничего более.

Кросс-валидация

Хороший способ оценки модели предусматривает применение кросс-валидации (cкользящего контроля или перекрестной проверки).

В этом случае фиксируется некоторое множество разбиений исходной выборки на две подвыборки: обучающую и контрольную. Для каждого разбиения выполняется настройка алгоритма по обучающей подвыборке, затем оценивается его средняя ошибка на объектах контрольной подвыборки. Оценкой скользящего контроля называется средняя по всем разбиениям величина ошибки на контрольных подвыборках.

Примечания

1. [1] Лекция «Оценивание качества» на www.coursera.org
2. [2] Лекция на www.stepik.org о кросвалидации
3. [3] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, Precison и Recall
4. [4] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, F-мера
5. [5] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, примеры

См. также

• Оценка качества в задаче кластеризации
• Кросс-валидация

Источники информации

1. [6] Соколов Е.А. Лекция линейная регрессия
2. [7] — Дьяконов А. Функции ошибки / функционалы качества
3. [8] — Оценка качества прогнозных моделей
4. [9] — HeinzBr Ошибка прогнозирования: виды, формулы, примеры
5. [10] — egor_labintcev Метрики в задачах машинного обучения
6. [11] — grossu Методы оценки качества прогноза
7. [12] — К.В.Воронцов, Классификация
8. [13] — К.В.Воронцов, Скользящий контроль

Перевод статьи – Understanding Confusion Matrix – Sarang Narkhede

Когда мы получаем данные после очистки, предварительной обработки и обработки данных, первым шагом, который мы делаем, является создание модели  и, конечно, получение результатов в вероятностях. Но держись! Как, черт возьми, мы можем измерить эффективность нашей модели? Лучшая эффективность, лучшая производительность и это именно то, что мы хотим. В данном случае мы начинаем использовать матрицу ошибок. Матрица ошибок (Confusion Matrix) – это измерение производительности для классификации машинного обучения.

Этот пост призван ответить на следующие вопросы:

• Что такое Матрица ошибок и зачем она нужна?
• Как вычислить матрицу ошибок для задач бинарной классификации?

Сегодня давайте разберемся с матрицей путаницы раз и навсегда.

Что такое матрица ошибок, и зачем она нужна?

Ну, это измерение производительности для задачи классификации машинного обучения, где выходной может быть два или более классов. Это таблица с 4 различными комбинациями прогнозируемых и фактических значений.

Это чрезвычайно полезно для вычисления Полноты, Точности, Специфичность, Точность и, что наиболее важно кривой ошибок AUC-ROC.

Давайте поймем термины TP, FP, FN, TN  на примере аналогии с  беременностью.

TP — истино-положительное решение:

Интерпретация: Вы предсказали положительное, и это правда.

Вы предсказали, что женщина беременна, и она на самом деле беременна.

TN — истино-отрицательное решение:

Интерпретация: Вы прогнозировали отрицательное значения, и это правда.

Вы предсказали, что мужчина не беременен, а он на самом деле не беременен.

FP — ложно-положительное решение (Ошибка типа 1):

Интерпретация: Вы предсказали положительное значение, и это неверно.

Вы предсказали, что мужчина беременен, но на самом деле это не так.

FN— ложно-отрицательное решение (Ошибка Типа 2):

Интерпретация: Вы предсказали отрицательное значение, и это неверно.

Вы предсказали, что женщина не беременна, но она на самом деле беременная.

Только помните, мы описываем прогнозируемые значения как положительные и отрицательные, а фактические значения как истинные и ложные.

How to Calculate Confusion Matrix for a 2-class classification problem?

Как вычислить матрицу ошибок  для задачи классификации с бинарными классами?

Давайте разберемся с матрицей ошибок посредством математик

Полнота Recall

Из всех положительных классов, сколько мы предсказали правильно. Это должно быть как можно выше.

Точность Precision

Из всех классов, сколько мы предсказали правильно. Это должно быть как можно выше.

F-мера

Трудно сравнить две модели с низкой точностью и высокой отзывчивостью или наоборот. Поэтому, чтобы сделать их сопоставимыми, мы используем F-меру. F-мера помогает измерять Полноту и Точность одновременно. Она использует гармоническое среднее вместо среднего арифметического, наказывая экстремальные значения больше.

https://towardsdatascience.com/understanding-confusion-matrix-a9ad42dcfd62

Для классификационных моделей, как и для моделей регрессии, актуальна задача оценки их качества для определения работоспособности моделей и их сравнения. Однако решение этой задачи для моделей классификации вообще, и бинарной классификации в частности, сложнее, чем для регрессии. Связано это с тем, что целевая переменная (метка класса) является категориальным (дискретным) значением, и, следовательно, ошибка классификации не может быть выражена числовым значением.

Поэтому в основе оценки качества классификационных моделей лежит статистика результатов классификации обучающих примеров. С ее помощью вычисляются метрики качества — показатели, которые зависят от результатов классификации и не зависят от внутреннего состояния модели.

Среди наиболее популярных методов оценки качества классификаторов можно выделить следующие:

1. Матрица ошибок (Сonfusion matrix).
2. Меткость (Accuracy).
3. Точность (Precision).
4. Полнота (Recall).
5. Специфичность (Specificity).
6. F1-мера (F1-score).
7. Метрика P₄ .
8. Площадь под ROC-кривой (Area under ROC-curve, AUC-ROC).
9. Площадь под кривой полнота-точность (Area under precision-recall curve, AUC-PR).
10. Коэффициент корреляции Мэтьюса (Matthews correlation coefficient, MCC).
11. Функция потерь логистической регрессии (Logistic loss function, Log Loss).

Матрица ошибок

Прежде чем переходить к описанию собственно метрик качества бинарных классификаторов, рассмотрим методику описания этих метрик в терминах ошибок классификации. Пусть заданы два класса y=\left \{ 0,1 \right \} и алгоритм, предсказывающий принадлежность каждого объекта одному из классов. Эта задача анализа известна как бинарная классификация.

Приведем пример. Пусть в страховой компании используется аналитическая платформа для поддержки принятия решений о целесообразности страхования того или иного объекта. Если риск наступления страхового события выше определенного порога, то такие объекты страховать нецелесообразно. Именно выявление таких объектов и является целью анализа. Тогда для объектов, страхование которых целесообразно, система должна установить класс 0, а объектам, в страховании которых отказано, — класс 1.

Любой реальный классификатор совершает ошибки. В нашем случае таких ошибок может быть две:

• класс 0 распознается классификатором как класс 1, что можно интерпретировать как «ложную тревогу»;
• класс 1 распознается как класс 0, что можно трактовать как «пропуск цели».

Очевидно, что приведенные ошибки неравноценны по связанным с ними издержкам классификации. В случае «ложной тревоги» компания потеряет только потенциальную страховую премию, т.е. будет иметь место всего лишь упущенная выгода. В случае «пропуска цели» возможна потеря значительной суммы из-за наступления страхового случая. Поэтому важнее не допустить «пропуск цели», чем «ложную тревогу».

Иными словами, важнее правильно определить объект, нежелательный для страхования из-за высокого риска, чем ошибиться в распознавании желательного. Будем называть соответствующий исход классификации положительным (объект не подлежит страхованию y=1), а противоположный — отрицательным (объект подлежит страхованию y=0). Тогда возможны следующие исходы классификации:

1. Объект, нежелательный для страхования, классифицирован как нежелательный, т.е. «положительный» класс распознан как положительный. Такой исход классификации (а также пример, для которого он получен) называют истинноположительным.
2. Объект, желательный для страхования, распознан как желательный, т.е. «отрицательный» класс распознан как отрицательный. Такой исход классификации называют истинноотрицательными.
3. Объект, желаемый для страхования, классифицирован как не желаемый, т.е. имела место ошибка, в результате которой отрицательный класс был распознан как положительный. Данный исход классификации называют ложноположительным, а ошибка классификации называется ошибкой I рода.
4. Нежелательный объект распознан как желательный, т.е. имела место ошибка, в результате которой положительный класс был распознан как отрицательный. Такой исход классификации называется ложноотрицательным, а ошибка классификации — ошибкой II рода.

Таким образом, ошибка I рода, или ложноположительный исход классификации, имеет место, когда пример, с которым связано отрицательное событие распознан моделью как положительный. Ошибкой II рода, или ложноотрицательным исходом классификации, называют случай, когда пример, с которым связано положительное событие, распознан как отрицательный. Поясним это с помощью матрицы ошибок классификации, называемой также таблицей сопряженности:

Здесь \widehat{y} — отклик модели, а y — фактическое значение. Таким образом, ошибки классификации бывают двух видов: False Negative (FN) и False Positive (FP). В данном случае P означает, что классификатор определяет класс объекта как положительный, а N как — отрицательный. T значит, что класс предсказан правильно, соответственно, F — неправильно. Каждая строка в матрице ошибок представляет предсказанный класс, а каждый столбец — фактически наблюдаемый класс.

Идеальный классификатор, если бы он существовал, выдавал бы только истиннополо­жительные и истинноотрицательные классификации, и его матрица ошибок содержала бы значения, отличные от нуля, только на главной диа­гонали.

Меткость

Представляет собой долю правильных классификаций модели:

ACC=\frac{TP+TN}{TP+TN+FP+FN}.

Несложно увидеть, что сумма в знаменателе формулы представляет собой общее число классифицируемых примеров. Графически это можно интерпретировать следующим образом:

В английском языке этот термин обозначается как «accuracy», поэтому в интернете он часто упоминается как «аккуратность», хотя это слово и не передает смыслового значения данной величины.

Несмотря на то, что эта мера хорошо интерпретируется, на практике она используется достаточно редко, поскольку плохо работает в случае дисбаланса классов в обучающей выборке.

Поясним это на примере кредитного скоринга. Пусть требуется классифицировать заемщиков на добросовестных (не допустивших просрочку) и недобросовестных (допустивших просрочку). Целью является выявление недобросовестных заемщиков, поскольку связанные с ними издержки выше. Следовательно, классификация заемщика как недобросовестного является положительным событием, а как добросовестного — отрицательным.

Выборка содержит 1000 добросовестных заемщиков, 900 из которых классификатор предсказал правильно (TN=900, FP=100), и 100 недобросовестных, 50 из которых классификатор также определил верно (TP=50, FN=50).

Несложно вычислить, что:

ACC=\frac{50+900}{50+900+100+50}=0.866.

Однако, если построить «наивную» модель, которая просто будет классифицировать всех клиентов, как добросовестных (на основании того, что таковых большинство), то меткость такой модели окажется:

ACC=\frac{0+1000}{0+1000+0+100}=0.909.

Таким образом, оказалось, что меткость «бесполезной» модели, не имеющей предсказательной силы, выше, чем «рабочей» модели. Это противоречит здравому смыслу. Поэтому на практике стараются использовать альтернативные меры качества.

Точность

Точность равна доле истинноположительных классификаций к общему числу положительных классификаций. Данная величина часто упоминается как positive predictive value (PPV) или положительное прогностическое значение:

Pr=PPV=\frac{TP}{TP+FP}.

Поясним данное выражение с помощью рисунка:

Несложно увидеть, что попытка отнести все объекты к одному классу неизбежно приведет к росту FP и уменьшению значения точности.

Полнота

Полнота, известная еще как чувствительность или доля истинноположительных примеров (TPR — true positive rate), определяется как число истинноположительных классификаций относительно общего числа положительных наблюдений:

Re=TPR=\frac{TP}{TP+FN}.

Таким образом, полноту можно рассматривать как способность классификатора обнаруживать определенный класс. Графически полноту можно проиллюстрировать с помощью рисунка:

Точность и полноту для каждого класса легко определять с помощью матрицы ошибок. Точность равна отношению соответствующего диагонального элемента матрицы и суммы элементов всей строки класса, а полнота — отношению диагонального элемента матрицы и суммы элементов всего столбца класса.

PPV_{c}=\frac{A_{cc}}{\sum\limits_{i=1}^{n}A_{ci}},

TPR_{c}=\frac{A_{cc}}{\sum\limits_{i=1}^{n}A_{ic}},

где c — класс, n — число элементов столбца (равно числу классов), i — номер элемента в столбце, A — элемент матрицы ошибок.

Специфичность

Специфичность классификатора — это доля истинноотрицательных (True Negative Rate — TNR) классификаций в общем числе отрицательных классификаций:

Sp=TNR=\frac{TN}{TN+FP}.

TNR показывает, насколько хорошо модель классифицирует отрицательные примеры. Поясним это с помощью рисунка.

Очевидно, что если все отрицательные примеры классифицированы правильно (т.е. число ложноположительных случаев равно 0), то TPR=1.

F1-мера

Точность и полнота, в отличие от меткости, не зависят от соотношения классов и, следовательно, могут применяться в условиях несбалансированных выборок. На практике часто встречается задача поиска оптимального баланса между точностью и полнотой. Действительно, улучшая настройку модели на один класс, например, путем изменения дискриминационного порога, мы тем самым ухудшаем настройку на другой.

Чем выше точность и полнота, тем лучше модель. Но на практике их максимальные значения одновременно недостижимы, поэтому приходится искать баланс между ними. Для этого используется метрика, объединяющая в себе информацию о точности и полноте. Она называется F1-мера и вычисляется следующим образом:

F1=\frac{2\cdot PPV\cdot TPR}{PPV+TPR}=\frac{2\cdot TP}{2\cdot TP+FP+FN}.

В данном выражении точность PPV и полнота TPR имеют одинаковый вес, поэтому при их уменьшении F1-мера сокращается пропорционально.

Однако на практике чаще используется сбалансированная F1-мера, в которой точности и полноте присваиваются разные веса с целью найти оптимальный баланс между данными метриками. Для этого в формулу для F1-меры вводится дополнительный балансировочный параметр, обозначаемый β. Сбалансированная F1-мера вычисляется следующим образом:

F1=\frac{(1-\beta ^{2})\cdot PPV\cdot TPR}{\beta ^{2}\cdot PPV+TPR}.

Если параметр принимает значения из диапазона 0< \beta < 1, то приоритет имеет точность, а если \beta> 1, то полнота.

Еще одним источником критики F1-меры является отсутствие симметрии. Это означает, что она может изменить свое значение при инверсии положительного и отрицательного классов.

Метрика P₄

Метрика P_{4} была разработана как расширение F1-меры, обладающее симметрией относительно инверсии классов. Вычисляется по формуле:

P_{4}=\frac{4\cdot TP\cdot TN}{4\cdot TP\cdot TN+(TP+TN)\cdot (FP+FN)}.

Метрика P_{4} изменяется в диапазоне от 0 до 1. Чем ближе значение метрики к 1, тем лучше работает модель. Очевидно, что значение меры стремится к 0, если хотя бы один из множителей в числителе становится равным нулю, т.е. когда модель теряет способность правильно распознавать положительные или отрицательные примеры.

AUC-ROC

ROC-кривая, или кривая рабочих характеристик приемника (Receiver Operating Characteristics curve), позволяет не только оценить качество работы классификатора, но и исследовать его поведение при различных значениях дискриминационного порога. Технология оценки качества моделей бинарной классификации с помощью ROC-кривых известна как ROC-анализ.

Рассмотрим совместно TPR и TNR классификатора. TPR показывает, насколько хорошо модель классифицирует положительные примеры. Очевидно, что если все положительные примеры классифицированы правильно (т.е. число ложноотрицательных случаев равно 0), то TPR=1. TNR показывает, насколько хорошо модель классифицирует отрицательные примеры. Очевидно, что если все отрицательные примеры классифицированы правильно (т.е. число ложноположительных случаев равно 0), то TPR=1.

Таким образом, по отдельности TPR и TNR характеризуют способность модели распознавать только один из классов. Но их совместное использование помогает создать метрику, которая позволяет выбирать значение дискриминационного порога, который оптимально балансирует модель между способностью распознавать положительные и отрицательные примеры. Именно эта задача и решается с помощью ROC-кривой.

Действительно, если изменять дискриминационный порог от 0 до 1 и наносить по оси абсцисс точки 1−TNR, а по оси ординат TPR, то полученный график и будет ROC-кривой. Величину 1−TNR называют долей ложноположительных классификаций (false positive rate) или показателем ложной тревоги. Она вычисляется следующим образом:

1-TNR=FPR=\frac{FP}{FP+TN}.

При пороге, равном 1, все примеры будут классифицированы как отрицательные (FPR=1, TPR=1), а при пороге, равном 0, — как положительные (FPR=0, TPR=0). Поэтому ROC-кривая всегда идет от точки (0,0) до точки (1,1).

Несложно увидеть, что для идеальной модели ROC-кривая превращается в ломаную, проходящую через точки (0,0), (0,1) и (1,1). При этом площадь под ROC-кривой (AUC — Area Under Curve) окажется равной 1. Площадь под кривой выделена на рисунке светло-серым цветом.

Точка (0,1) соответствует идеальному состоянию модели, в котором и TPR, и TNR одновременно равны 1. Т.е. модель одинаково хорошо «научилась» работать как с положительными, так и с отрицательными примерами при существующем в обучающей выборке балансе классов.

Идеальная модель является скорее гипотетической и на практике, как правило, недостижима. Поэтому обычно приходится иметь дело с ROC-кривыми, которые не проходят через точку (0,1), а приближаются к ней на определенное расстояние. Соответственно и AUC−ROC оказывается меньше 1.

Таким образом показатель AUC−ROC является удобной мерой качества классификатора относительно идеального. Принята следующая шкала оценки качества.

Если AUC-ROC=0.5, то ROC-кривая превращается в линию, проходящую через точки (0,0) и (1,1), которая соответствует бесполезному классификатору, работающему как случайный предсказатель. Если AUC-ROC< 0.5, то получается модель, которая работает хуже случайного предсказателя и от ее использования следует отказаться.

AUC-PR

PR-кривые определяются аналогично ROC-кривым, но только по оси абсцисс у них откладываются значения полноты, а по оси ординат — точности.

Точность и полнота — две наиболее важные метрики, на которые следует обращать внимание при оценке качества модели бинарной классификации в условиях несбалансированности классов. Они помогают увидеть, какая часть фактически положительных наблюдений была классифицирована правильно, и какие среди классифицированных как положительные, были истинноположительными.

Если точность равна 1, то ложноположительные классификации отсутствуют. Но это ничего не говорит о том, были ли распознаны все положительные примеры. Если полнота равна 1, то все положительные объекты были распознаны правильно, а ложноотрицательные классификации отсутствуют. При этом ничего не говорится о том, сколько было допущено ложноположительных классификаций.

Таким образом, точность и полнота не особенно полезны для оценки качества классификатора, если их использовать по отдельности. В задаче классификации оценка точности, равная 1 для класса C, означает, что каждый элемент, помеченный как принадлежащий классу C, действительно принадлежит к классу C, но ничего не говорит о количестве элементов из класса
C, которые не были правильно классифицированы. Тогда как полнота, равная 1, означает, что каждый элемент из класса C был помечен как принадлежащий к классу C, но ничего не говорит о том, сколько элементов из других классов были также неправильно классифицированы как принадлежащие к классу C.

Обычно показатели точности и полноты не используются по отдельности. Вместо этого либо значения одной меры сравниваются с фиксированным уровнем другой (например, точность на уровне полноты 0.75), либо обе меры объединяются в один показатель. Примерами такой комбинации и является F1-мера — взвешенное гармоническое среднее точности и полноты.

Еще одним способом комбинирования точности и полноты в задаче оценки качества классификации являются так называемые кривые полнота-точность, которые строятся в системе координат, где по оси абсцисс откладывается полнота, а по оси ординат — точность. Кривая точность-полнота показывает, как выбор порога влияет на точность классификатора, а также помогает выбрать лучшее значение дискриминационного порога для определенного баланса классов.

Каждая точка PR-кривой представляет определенное значение дискриминационного порога, а ее расположение соответствует результирующей точности и полноте, когда этот порог выбран. Точка 1 на рисунке соответствует значению дискриминационного порога, равному 1, а точка 3 — значению порога 0. Точка 2 соответствует идеальному классификатору и совпадает с координатами (1,1), а точка 4 — оптимальному значению порога (точка кривой, наиболее близкая к идеальной точке (1,1)).

Преимущества PR-кривой по сравнению с ROC:

1. ROC-кривая, как правило, дает чрезмерно оптимистичную картину в условиях несбалансированности классов.
2. При изменении распределения классов ROC-кривая не меняется, а PR-кривая отражает изменение.

Аналогично ROC-кривой, площадь под PR-кривой (для отличия от ROC ее часто называют PR−AUC) отражает качество классификатора и позволяет сравнивать кривые, соответствующие различным балансам классов и значениям порога. Чем выше площадь, тем лучше работает модель.

Пунктирная линия внизу графика соответствует бесполезному классификатору (no-skill model — модель без навыков, или базовая модель), уровень которой изменяется при изменении баланса классов. Такая модель будет присваивать рейтинг 0.5 для любого примера.

На рисунке ниже представлена линия, соответствующая балансу классов, когда положительные примеры составляют 10% от обучающей выборки.

На рисунке точка 1 соответствует порогу 0.5, точка 2 соответствует порогу [0, 0.5). Для порогов (0.5, 1] точность не определена из-за деления на ноль. Можно увидеть, что точность здесь является константой, то есть PPV=0.1 (соответствует доле положительного класса), PR−AUC=0.1.

Таким образом, полнота базовой модели лежит в диапазоне (0.5, 1] независимо от дисбаланса классов, а точность равна доле положительного класса в обучающей выборке.

На следующем рисунке представлена PR-кривая для идеальной модели. На ней точка 1 соответствует порогу (0, 1], точка 2 соответствует порогу 0. Очевидно, что PR−AUC=1.

И, наконец, на рисунке ниже отображена PR-кривая (красная линия) для модели, которая работает хуже, чем базовая модель «без навыков» (синяя пунктирная линия). Она расположена ниже линии базовой модели.

Очевидный способ повысить качество «плохой» модели без каких-либо настроек — просто инвертировать классы (класс 0 изменить на класс 1). Это автоматически приведет к повышению точности по сравнению с базовой моделью.

Обычно «плохая» PR-кривая классификатора указывает на то, что в обучающих данных присутствуют проблемы: они содержат шум или классы в них плохо выражены (модель не может выявить закономерность, в соответствии с которой один класс отличается от другого). В этом случае PR−AUC не превышает доли положительных примеров обучающей выборке.

Возможен гибридный случай, когда «плохая» модель работает лучше, чем модель «без навыков», но для определенных пороговых значений.

Коэффициент корреляции Мэтьюса

Коэффициент используется в качестве показателя качества бинарных классификаторов. Он учитывает истинные и ложные классификации и обычно рассматривается как сбалансированная мера, которую можно использовать даже в условиях сильного дисбаланса классов.

MCC, по сути, коэффициент корреляции между фактическими и предсказанными моделью бинарными классификациями. Он изменяется в диапазоне от -1 до 1. MCC=1 указывает на идеальную классификацию, когда фактические и предсказанные классы совпадают для всех обучающих примеров (т.е. ложноположительные и ложноотрицательные классификации отсутствуют). Модель, для которой MCC=0, соответствует случайному предсказателю. MCC=−1 указывает на полное расхождение между фактом и предсказанием (т.е. вместо положительного класса модель всегда предсказывает отрицательный, и наоборот), следовательно, истинноположительные и истинноотрицательные классификации отсутствуют.

Формула для расчета MCC имеет вид:

MCC=\frac{TP\cdot TN-FP\cdot FN}{\sqrt{(TP+FP)(TP+FN)(TN+FP)(TN+FN)}}.

Несложно увидеть, что если в этой формуле обнулить все ложные классификации, то MCC=1, что соответствует ранее сделанным заключениям. Если число истинных и ложных классификаций равны, то числитель формулы становится равным 0 и MCC=0. И, наконец, если число истинных классификаций равно нулю, то числитель становится отрицательным, и делает таковым результат формулы.

Если какая-либо из четырех сумм в знаменателе равна нулю, знаменатель можно произвольно установить равным единице, это приводит к нулевому коэффициенту корреляции Мэтьюса.

Функция потерь логистической регрессии (Logistic loss function, Log Loss).

Функция потерь в задачах классификации показывает, какую «цену» придется заплатить за неточность предсказаний классификационной модели. Для логистической регрессии, решающей задачу бинарной классификации, она может быть вычислена следующим образом:

Log Loss=-\frac{1}{l}\sum\limits_{i=1}^{l}(y_{i}\cdot log(\widehat{y_{i}})+(1-y_{i})\cdot log(1-\widehat{y_{i}})),

где l — размер выборки, y_{i}=\left \{ 0,1 \right \} — бинарная метка класса, заданная в примере, \widehat{y_{i}} — предсказание модели.

Несложно увидеть, что функция потерь получается путем суммирования логарифма потерь на каждом примере. Потери на каждом примере определяются следующим образом: если предсказанный класс совпадает с фактическим, то потери равны 0, в противном случае потери равны 1. Очевидно, чем больше будет неправильных классификаций, тем больше будет значение LogLoss и тем хуже будет модель. Таким образом, чтобы получить лучшую модель, нужно минимизировать функцию потерь.

Преимуществом метрики LogLoss является устойчивость к выбросам и аномальным значениям в данных и простота вычисления. Недостатком — сложность интерпретации из-за нелинейного характера.

Сравнение метрик

Подведем итоги, кратко резюмируя преимущества и недостатки рассмотренных мер качества классификационных моделей.

В статье рассмотрены наиболее общие меры оценки качества моделей бинарной классификации, отмечены их преимущества и недостатки. Однако в литературе авторы предлагают и другие подходы, которые показали хорошие результаты при решении конкретных задач и не претендующие на универсальность.

Другие материалы по теме:

Метрики качества линейных регрессионных моделей

Отбор переменных в моделях линейной регрессии

Репрезентативность выборочных данных

Метрики в задачах машинного обучения

Привет, Хабр!

В задачах машинного обучения для оценки качества моделей и сравнения различных алгоритмов используются метрики, а их выбор и анализ — непременная часть работы датасатаниста.

В этой статье мы рассмотрим некоторые критерии качества в задачах классификации, обсудим, что является важным при выборе метрики и что может пойти не так.

Метрики в задачах классификации

Для демонстрации полезных функций sklearn и наглядного представления метрик мы будем использовать датасет по оттоку клиентов телеком-оператора.

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.pylab import rc, plot
import seaborn as sns
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder, OneHotEncoder
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, GradientBoostingClassifier
from sklearn.metrics import precision_recall_curve, classification_report
from sklearn.model_selection import train_test_split

df = pd.read_csv('../../data/telecom_churn.csv')

df.head(5)

# Сделаем маппинг бинарных колонок 
# и закодируем dummy-кодированием штат (для простоты, лучше не делать так для деревянных моделей)

d = {'Yes' : 1, 'No' : 0}

df['International plan'] = df['International plan'].map(d)
df['Voice mail plan'] = df['Voice mail plan'].map(d)
df['Churn'] = df['Churn'].astype('int64')

le = LabelEncoder()
df['State'] = le.fit_transform(df['State'])

ohe = OneHotEncoder(sparse=False)

encoded_state = ohe.fit_transform(df['State'].values.reshape(-1, 1))
tmp = pd.DataFrame(encoded_state,  
                   columns=['state ' + str(i) for i in range(encoded_state.shape[1])])
df = pd.concat([df, tmp], axis=1)

Accuracy, precision и recall

Перед переходом к самим метрикам необходимо ввести важную концепцию для описания этих метрик в терминах ошибок классификации — confusion matrix (матрица ошибок).
Допустим, что у нас есть два класса и алгоритм, предсказывающий принадлежность каждого объекта одному из классов, тогда матрица ошибок классификации будет выглядеть следующим образом:

	True Positive (TP)	False Positive (FP)
	False Negative (FN)	True Negative (TN)

Здесь — это ответ алгоритма на объекте, а — истинная метка класса на этом объекте.
Таким образом, ошибки классификации бывают двух видов: False Negative (FN) и False Positive (FP).

X = df.drop('Churn', axis=1)
y = df['Churn']

# Делим выборку на train и test, все метрики будем оценивать на тестовом датасете

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y,  test_size=0.33, random_state=42)

# Обучаем ставшую родной логистическую регрессию

lr = LogisticRegression(random_state=42)
lr.fit(X_train, y_train)

# Воспользуемся функцией построения матрицы ошибок из документации sklearn

def plot_confusion_matrix(cm, classes,
                          normalize=False,
                          title='Confusion matrix',
                          cmap=plt.cm.Blues):
    """
    This function prints and plots the confusion matrix.
    Normalization can be applied by setting `normalize=True`.
    """
    plt.imshow(cm, interpolation='nearest', cmap=cmap)
    plt.title(title)
    plt.colorbar()
    tick_marks = np.arange(len(classes))
    plt.xticks(tick_marks, classes, rotation=45)
    plt.yticks(tick_marks, classes)

    if normalize:
        cm = cm.astype('float') / cm.sum(axis=1)[:, np.newaxis]
        print("Normalized confusion matrix")
    else:
        print('Confusion matrix, without normalization')

    print(cm)

    thresh = cm.max() / 2.
    for i, j in itertools.product(range(cm.shape[0]), range(cm.shape[1])):
        plt.text(j, i, cm[i, j],
                 horizontalalignment="center",
                 color="white" if cm[i, j] > thresh else "black")

    plt.tight_layout()
    plt.ylabel('True label')
    plt.xlabel('Predicted label')

font = {'size' : 15}

plt.rc('font', **font)

cnf_matrix = confusion_matrix(y_test, lr.predict(X_test))
plt.figure(figsize=(10, 8))
plot_confusion_matrix(cnf_matrix, classes=['Non-churned', 'Churned'],
                      title='Confusion matrix')
plt.savefig("conf_matrix.png")
plt.show()

Accuracy

Интуитивно понятной, очевидной и почти неиспользуемой метрикой является accuracy — доля правильных ответов алгоритма:

Эта метрика бесполезна в задачах с неравными классами, и это легко показать на примере.

Допустим, мы хотим оценить работу спам-фильтра почты. У нас есть 100 не-спам писем, 90 из которых наш классификатор определил верно (True Negative = 90, False Positive = 10), и 10 спам-писем, 5 из которых классификатор также определил верно (True Positive = 5, False Negative = 5).
Тогда accuracy:

Однако если мы просто будем предсказывать все письма как не-спам, то получим более высокую accuracy:

При этом, наша модель совершенно не обладает никакой предсказательной силой, так как изначально мы хотели определять письма со спамом. Преодолеть это нам поможет переход с общей для всех классов метрики к отдельным показателям качества классов.

Precision, recall и F-мера

Для оценки качества работы алгоритма на каждом из классов по отдельности введем метрики precision (точность) и recall (полнота).

Precision можно интерпретировать как долю объектов, названных классификатором положительными и при этом действительно являющимися положительными, а recall показывает, какую долю объектов положительного класса из всех объектов положительного класса нашел алгоритм.

Именно введение precision не позволяет нам записывать все объекты в один класс, так как в этом случае мы получаем рост уровня False Positive. Recall демонстрирует способность алгоритма обнаруживать данный класс вообще, а precision — способность отличать этот класс от других классов.

Как мы отмечали ранее, ошибки классификации бывают двух видов: False Positive и False Negative. В статистике первый вид ошибок называют ошибкой I-го рода, а второй — ошибкой II-го рода. В нашей задаче по определению оттока абонентов, ошибкой первого рода будет принятие лояльного абонента за уходящего, так как наша нулевая гипотеза состоит в том, что никто из абонентов не уходит, а мы эту гипотезу отвергаем. Соответственно, ошибкой второго рода будет являться «пропуск» уходящего абонента и ошибочное принятие нулевой гипотезы.

Precision и recall не зависят, в отличие от accuracy, от соотношения классов и потому применимы в условиях несбалансированных выборок.
Часто в реальной практике стоит задача найти оптимальный (для заказчика) баланс между этими двумя метриками. Классическим примером является задача определения оттока клиентов.
Очевидно, что мы не можем находить всех уходящих в отток клиентов и только их. Но, определив стратегию и ресурс для удержания клиентов, мы можем подобрать нужные пороги по precision и recall. Например, можно сосредоточиться на удержании только высокодоходных клиентов или тех, кто уйдет с большей вероятностью, так как мы ограничены в ресурсах колл-центра.

Обычно при оптимизации гиперпараметров алгоритма (например, в случае перебора по сетке GridSearchCV ) используется одна метрика, улучшение которой мы и ожидаем увидеть на тестовой выборке.
Существует несколько различных способов объединить precision и recall в агрегированный критерий качества. F-мера (в общем случае ) — среднее гармоническое precision и recall :

в данном случае определяет вес точности в метрике, и при это среднее гармоническое (с множителем 2, чтобы в случае precision = 1 и recall = 1 иметь )
F-мера достигает максимума при полноте и точности, равными единице, и близка к нулю, если один из аргументов близок к нулю.
В sklearn есть удобная функция _metrics.classificationreport, возвращающая recall, precision и F-меру для каждого из классов, а также количество экземпляров каждого класса.

report = classification_report(y_test, lr.predict(X_test), target_names=['Non-churned', 'Churned'])
print(report)

Здесь необходимо отметить, что в случае задач с несбалансированными классами, которые превалируют в реальной практике, часто приходится прибегать к техникам искусственной модификации датасета для выравнивания соотношения классов. Их существует много, и мы не будем их касаться, здесь можно посмотреть некоторые методы и выбрать подходящий для вашей задачи.

AUC-ROC и AUC-PR

При конвертации вещественного ответа алгоритма (как правило, вероятности принадлежности к классу, отдельно см. SVM) в бинарную метку, мы должны выбрать какой-либо порог, при котором 0 становится 1. Естественным и близким кажется порог, равный 0.5, но он не всегда оказывается оптимальным, например, при вышеупомянутом отсутствии баланса классов.

Одним из способов оценить модель в целом, не привязываясь к конкретному порогу, является AUC-ROC (или ROC AUC) — площадь (Area Under Curve) под кривой ошибок (Receiver Operating Characteristic curve ). Данная кривая представляет из себя линию от (0,0) до (1,1) в координатах True Positive Rate (TPR) и False Positive Rate (FPR):

TPR нам уже известна, это полнота, а FPR показывает, какую долю из объектов negative класса алгоритм предсказал неверно. В идеальном случае, когда классификатор не делает ошибок (FPR = 0, TPR = 1) мы получим площадь под кривой, равную единице; в противном случае, когда классификатор случайно выдает вероятности классов, AUC-ROC будет стремиться к 0.5, так как классификатор будет выдавать одинаковое количество TP и FP.
Каждая точка на графике соответствует выбору некоторого порога. Площадь под кривой в данном случае показывает качество алгоритма (больше — лучше), кроме этого, важной является крутизна самой кривой — мы хотим максимизировать TPR, минимизируя FPR, а значит, наша кривая в идеале должна стремиться к точке (0,1).

sns.set(font_scale=1.5)
sns.set_color_codes("muted")

plt.figure(figsize=(10, 8))
fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_test, lr.predict_proba(X_test)[:,1], pos_label=1)
lw = 2
plt.plot(fpr, tpr, lw=lw, label='ROC curve ')
plt.plot([0, 1], [0, 1])
plt.xlim([0.0, 1.0])
plt.ylim([0.0, 1.05])
plt.xlabel('False Positive Rate')
plt.ylabel('True Positive Rate')
plt.title('ROC curve')
plt.savefig("ROC.png")
plt.show()

Критерий AUC-ROC устойчив к несбалансированным классам (спойлер: увы, не всё так однозначно) и может быть интерпретирован как вероятность того, что случайно выбранный positive объект будет проранжирован классификатором выше (будет иметь более высокую вероятность быть positive), чем случайно выбранный negative объект.

Рассмотрим следующую задачу: нам необходимо выбрать 100 релевантных документов из 1 миллиона документов. Мы намашинлернили два алгоритма:

• Алгоритм 1 возвращает 100 документов, 90 из которых релевантны. Таким образом,

• Алгоритм 2 возвращает 2000 документов, 90 из которых релевантны. Таким образом,

Скорее всего, мы бы выбрали первый алгоритм, который выдает очень мало False Positive на фоне своего конкурента. Но разница в False Positive Rate между этими двумя алгоритмами крайне мала — всего 0.0019. Это является следствием того, что AUC-ROC измеряет долю False Positive относительно True Negative и в задачах, где нам не так важен второй (больший) класс, может давать не совсем адекватную картину при сравнении алгоритмов.

Для того чтобы поправить положение, вернемся к полноте и точности :

• Алгоритм 1

• Алгоритм 2

Здесь уже заметна существенная разница между двумя алгоритмами — 0.855 в точности!

Precision и recall также используют для построения кривой и, аналогично AUC-ROC, находят площадь под ней.

Здесь можно отметить, что на маленьких датасетах площадь под PR-кривой может быть чересчур оптимистична, потому как вычисляется по методу трапеций, но обычно в таких задачах данных достаточно. За подробностями о взаимоотношениях AUC-ROC и AUC-PR можно обратиться сюда.

Logistic Loss

Особняком стоит логистическая функция потерь, определяемая как:

здесь — это ответ алгоритма на -ом объекте, — истинная метка класса на -ом объекте, а размер выборки.

Подробно про математическую интерпретацию логистической функции потерь уже написано в рамках поста про линейные модели.
Данная метрика нечасто выступает в бизнес-требованиях, но часто — в задачах на kaggle.
Интуитивно можно представить минимизацию logloss как задачу максимизации accuracy путем штрафа за неверные предсказания. Однако необходимо отметить, что logloss крайне сильно штрафует за уверенность классификатора в неверном ответе.

Рассмотрим пример:

def logloss_crutch(y_true, y_pred, eps=1e-15):

    return - (y_true * np.log(y_pred) + (1 - y_true) * np.log(1 - y_pred))

print('Logloss при неуверенной классификации %f' % logloss_crutch(1, 0.5))
>> Logloss при неуверенной классификации 0.693147

print('Logloss при уверенной классификации и верном ответе %f' % logloss_crutch(1, 0.9))
>> Logloss при уверенной классификации и верном ответе 0.105361

print('Logloss при уверенной классификации и НЕверном ответе %f' % logloss_crutch(1, 0.1))
>> Logloss при уверенной классификации и НЕверном ответе 2.302585

Отметим, как драматически выросла logloss при неверном ответе и уверенной классификации!
Следовательно, ошибка на одном объекте может дать существенное ухудшение общей ошибки на выборке. Такие объекты часто бывают выбросами, которые нужно не забывать фильтровать или рассматривать отдельно.
Всё становится на свои места, если нарисовать график logloss:

Видно, что чем ближе к нулю ответ алгоритма при ground truth = 1, тем выше значение ошибки и круче растёт кривая.

Подытожим:

• В случае многоклассовой классификации нужно внимательно следить за метриками каждого из классов и следовать логике решения задачи, а не оптимизации метрики
• В случае неравных классов нужно подбирать баланс классов для обучения и метрику, которая будет корректно отражать качество классификации
• Выбор метрики нужно делать с фокусом на предметную область, предварительно обрабатывая данные и, возможно, сегментируя (как в случае с делением на богатых и бедных клиентов)

Полезные ссылки

1. Курс Евгения Соколова: Семинар по выбору моделей (там есть информация по метрикам задач регрессии)
2. Задачки на AUC-ROC от А.Г. Дьяконова
3. Дополнительно о других метриках можно почитать на kaggle. К описанию каждой метрики добавлена ссылка на соревнования, где она использовалась
4. Презентация Богдана Мельника aka ld86 про обучение на несбалансированных выборках

Благодарности

Спасибо mephistopheies и madrugado за помощь в подготовке статьи.