#21.01.28~02.02 Section2 - Sprint1(1,2,3,4)

이번 섹션에는 본격적으로 머신러닝을 배운다. 불과 한달 전까지만해도 머신러닝의 머자도 몰랐는데 신기하다. 지금까지 몰랐던 새로운 분야를 배운다는 것은 너무 즐겁고 행복하다. 너무 많은 것들이 머릿 속에 한번에 들어와 머리가 터질 것 같지만, 하루하루 아무 걱정없이 공부만 할 수 있다는게 너무 감사하다. 가끔 내게 주어진 시간이 많지만은 않다는 생각에 내 스스로를 조급하게 만들 때도 있지만, 그런 생각 할 시간에 하나라도 더 공부하고 알아가는게 나을 것이라고 스스로에게 채찍질한다. 정말 이건 나 자신과의 싸움이라고 생각한다.ㅋㅋㅋㅋㅋ
오늘도 오늘 하루를 감사하며 화이팅하자!

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TDL

NOTE1

• 선형회귀(Linear Regression)
• Tabular data 테이블 형태 데이터
• 예측하는 방법

1. 기존경험을 바탕으로 예측 2. 통계정보를 활용

• 확률밀도함수 그래프
  sns.displot(df['열이름'], kde=True) #커널밀도그래프
plt.axvline(df['열이름'].median(), color='red') #중간값으로 수직선그리기
• 기준모델(Baseline Model)
  분류문제 : 타겟의 최빈클래스, 회귀문제 : 평균값, 시계열회귀 : 이전 타임스탬프의 값
• MAE(Mean Absolute Error, 평균절대오차)
  예측 error의 절대값 평균
  

#주택판매가격예측
predict = df['SalePrice'].mean()
errors = predict - df['SalePrice']
mean_absolute_error = errors.abs().mean()

• RSS(Residual sum of squares) = SSE(Sum of Square Error)
  =비용함수, 비용함수를 최소화하는 모델을 찾는 과정을 학습이라고 함.
• 비용함수
• 회귀선
  잔차 제곱들의 합 RSS를 최소화 하는 직선
• 회귀식
  
• 회귀계수
  RSS를 최소화 하는 값으로 모델 학습을 통해 얻어지는 값
  최소제곱법으로 선형 회귀계수를 쉽게 구할 수 있음.
• 최소제곱회귀, 최소제곱법 (OLS, Ordinary least squares)
  잔차제곱합을 최소화하는 방법
• 보간(interploate)
• 외삽(Extrapolate)
• 단순 선형 회귀(Simple Linear Regression)
  1개의 특성을 사용하는 회귀알고리즘모델

from sklearn.linear_model import LinearRegression
model = LinearRegression()
feature = ['GrLivArea']
target = ['SalePrice']
X_train = df[feature]
y_train = df[target]
model.fit(X_train, y_train)
y_pred = model.predict(X_test)

#기준모델 Error
y_pred = model.predict(X_train)
mae = mean_absolute_error(y_train, y_pred)
print(f'훈련 에러: {mae:.2f}')

#MAE
y_pred = model.predict(X_test)
mae = mean_absolute_error(y_test, y_pred)
print(f'테스트 에러: {mae:.2f}')

• 계수(Coefficients)

## 계수(coefficient)
model.coef_

## 절편(intercept)
model.intercept_

• ipywidgets

from ipywidgets import interact

# 데코레이터 interact를 추가합니다.
@interact
def explain_prediction(sqft=(500,10000)):
    y_pred = model.predict([[sqft]])
    pred = f"{int(sqft)} sqft 주택 가격 예측: ${int(y_pred[0])} (1 sqft당 추가금: ${int(model.coef_[0])})"

    return pred

NOTE2

• 다중선형회귀(Multiple Linear Regression)
  2개 이상의 특성을 사용. 하나의 특성을 사용한 단순선형회귀모델보다 테스트 오류가 더 줄어듦.

# 다중모델 학습을 위한 특성
features = ['GrLivArea', 
            'OverallQual']
X_train = train[features]
X_test = test[features

# 모델 fit
model.fit(X_train, y_train)
y_pred = model.predict(X_train)
mae = mean_absolute_error(y_train, y_pred)
print(f'훈련 에러: {mae:.2f}')

# 테스트 데이터에 적용해 봅시다 
y_pred = model.predict(X_test)
mae = mean_absolute_error(y_test, y_pred)
print(f'테스트 에러: {mae:.2f}')

• train/test set split

1. 무작위 나누기

## train/test 데이터를 sample 메소드를 사용해 나누겠습니다.
train = df.sample(frac=0.75,random_state=1)
test = df.drop(train.index)

• 3d scatter plot

# 1. plt로 그리기
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib import style

style.use('seaborn-talk')
fig = plt.figure()

# for 3d plot
ax = fig.gca(projection='3d')
ax.scatter(train['GrLivArea'], train['OverallQual'], train['SalePrice'])
ax.set_xlabel('GrLivArea', labelpad=12)
ax.set_ylabel('OverallQual', labelpad=10)
ax.set_zlabel('SalePrice', labelpad=20)

plt.suptitle('Housing Prices', fontsize=15)
plt.show()

# 2. plotly로 간단히 그리기
import plotly.express as px
px.scatter_3d(
     train,
     x='GrLivArea', 
     y='OverallQual', 
     z='SalePrice',  
     title='House Prices'
 )

• 다중선형회귀식
  
• 계수(Coefficients or parameters)
  
• 선형회귀의 단점
  선형회귀는 다른 ML 모델에 비해 상대적으로 학습이 빠르고 설명력이 강합니다. 하지만 선형 모델의 이므로 과소적합(underfitting)이 잘 일어난다는 단점이 있습니다.
• 회귀모델의 평가지표들(Evaluation metrics)
  

from sklearn.metrics import  mean_squared_error, mean_absolute_error, r2_score

• 일반화(Generalization)
• 과적합(Overfitting)
  모델이 훈련데이터에만 특수한 성질을 과하게 학습해 일반화를 못해 결국 테스트데이터에서 오차가 커지는 현상을 말합니다
• 과소적합(Underfitting)
  훈련데이터에 과적합도 못하고 일반화 성질도 학습하지 못해, 훈련/테스트 데이터 모두에서 오차가 크게 나오는 경우를 말합니다.
• Bias/Variance Trade-off
  high Variance : 과적합
  high Bias : 과소적합
  
  reducible Error : Bias, Variance
  Bias = 예측값-실제값
  Var = 예측값-평균값
  좋은 모델 (일반화가 된 모델) : 편향과 분산이 낮은 모델
• 다항회귀모델(Polynomial regression)
  독립변수와 타겟변수 사이에 비선형 관계를 학습할 수 있는 알고리즘 모델

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
poly = PolynomialFeatures(2) #degree =2
X_poly = poly.fit_transform(X1)

Python Data Science Handbook
다항특성을 방정식에 추가하는 것. 다항특성은 특성들의 상호작용을 보여줄 수 있기 때문에 상호작용특성(Interaction Features)라고도 부른다.

NOTE4

• Logistic Regression
• 훈련/검증/테스트 데이터 (train/validate/test)
• 분류(classification) vs 회귀(Regression)
• 두 데이터셋의 다른 컬럼 찾기
  df.shape[1]
  df.columns.difference(df1.columns)
• Model selection
• hyperparameter tuning
• K_fold cross-validation(교차검증)
• 훈련, 검증 데이터 나누기

sklearn.modle_selection.train_test_split
train, val = train_test_split(train, random_state=2)

• 분류 기준모델 : Majority class (가장 빈번하게 나타나는 범주)
  (시계열데이터의 기준모델 : 기준 시점의 이전 시간데이터)

• 분류하기 전 항상 target의 범주들의 비율을 확인

• 분류의 평가지표(evaluation metrics)
  : 정확도(Accurany) = 올바르게 예측한수를 전체예측수로 나눈 것

  from sklearn.metrics import accuracy_score
  accuracy_score(y_train, y_pred)```
  

• 결측치를 평균 값으로 채우기

from sklearn.impute import SimpleImputer
imputer = SimpleImputer() 
X_train_imputed = imputer.fit_transform(X_train)
X_val_imputed = imputer.transform(X_val)

• 로지스틱 회귀 모델

• 로지스틱 함수 : 관측치가 특정 클래스에 속할 확률값(1과 0)

• Logit(log-odds) transformation (로짓 변환) : 비선형 -> 선형
  Odds를 통해 변환가능
• Odds (오즈) : 실패확률에 대한 성공확률의 비
  ex) odds=4 성공확률이 실패확률의 4배
  (분류문제 = 클래스1확률에 대한 클래스0확률의 비)
  
• 로지스틱회귀 모델

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
logistic = LogisticRegression()
logistic.fit(X_train_imputed, y_train)
logistic.predict(X_val_imputed)

• 정확도 .score(메소드)

print('검증세트 정확도', logistic.score(X_val_imputed, y_val))

• 확률값

logistic.predict_proba(test_case)

• 로지스틱회귀 모델의 계수

logistic.coef_
coefficients.sort_values().plot.barh();

• 로지스틱회귀 모델 순서

1. 훈련/검증/테스트 나누기
2. 피쳐/타겟 선택
3. 원핫인코딩, 결측치변환, 특성값표준화하기

from category_encoders import OneHotEncoder
from sklearn.impute import SimpleImputer
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

4. 로지스틱회귀 모델 만들기
   5.검증데이터로 예측하고, 정확도 보기
   6.계수확인하기

• 절편(intercept)는 관측할 수 없는 예시로 해석이 유용하지 않음