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分類模型評估指標

本篇先考慮二分類問題,記錄常用到的評估指標。

假設在訓練之前和預測之後,壹個樣本的標記是確定的兩個類別,壹個是真實的1/0,壹個是預測的1/0,其中1表示正例、0表示負例。

其中:TP(實際為正預測也為正)、FP(實際為負但預測為正)、TN(實際為負預測也為負)、FN(實際為正但預測為負)

通過混淆矩陣,可以給出以下各指標的值:

查準率和查全率是壹對矛盾的度量,壹般來說,壹個高的時候,另壹個就低。

F1值 --- 查準率與查全率的加權調和平均數

(1)當認為查準率與查全率壹樣重要時,即權重相同時:

(2)當查準率和查全率的重要性不壹樣時,即權重不同時:

壹般對於不同的問題,查準率與查全率的側重不同。因此,F1值的壹般形式為:

其中β表示查全率與查準率的權重。下面對該這個壹般形式的公式進行推導:

兩個指標的設置及其關系如下,因為只考慮這兩個指標,故二者權重之和為1,即:

由上式可得到

因此,可得帶權重的調和平均數公式可變為

進壹步推導,可得

總結

在介紹ROC曲線前,先明確以下幾個概念,在混淆矩陣中

真陽性率 (True Positive Rate, TPR ),靈敏度( Sensitivity ),召回率( Recall ):

Sensitivity=Recall=TPR= TP/(TP+FN)

真陰性率 (True Negative Rate, TNR ),特異度( Specificity ):

Specificity=TNR=TN/(FP+TN)

假陰性率 (False Negative Rate, FNR ),漏診率(=1-靈敏度):

FNR=FN/(TP+FN)

假陽性率 (False Positive Rate, FPR ),誤診率(=1-特異度):

FPR=FP/(FP+TN)

ROC曲線 :接收者操作特征曲線(receiver operating characteristic curve),是反映敏感性和特異性連續變量的綜合指標,ROC曲線上每個點反映著對同壹信號刺激的感受性。

下圖是壹個ROC曲線示例:

在壹個二分類模型中,例如邏輯回歸學習器,針對其輸出的每個樣本為正例的概率,那麽通過設定壹個閾值如0.6,概率大於等於0.6的為正類,小於0.6的為負類,對應的就可以算出壹個組(FPR,TPR),在平面中就得到對應的坐標點。隨著閾值的逐漸減小,越來越多的樣本被歸為正類,但是這些正類中也會夾雜著真正的負例,即TPR和FPR會同時增大。閾值最大時為,對應的坐標為(0,0),閾值最小時,對應的坐標為(1,1)。

理想目標 :TPR=1,FPR=0,即圖中的(0,1)點,所以ROC曲線越靠攏(0,1)點,即越偏離45度的直線越好。

AUC值

AUC(Area Under Curve)被定義為ROC曲線下的面積。使用AUC值作為衡量模型準確性的評價標準是因為ROC曲線很多時候不能清晰的說明哪個分類模型的效果更好,而作為壹個數值,對應AUC更大的模型效果更好,AUC值越接近1模型的效果越好。

從AUC值判斷模型的好壞:

在評價模型時還會用到KS(Kolmogorov-Smirnov)值,KS=max(TPR-FPR),即為TPR與FPR的差的最大值,KS值可以反映出模型的最優區分效果,此時所取的閾值壹般作為定義好壞用戶的最優閾值。壹般KS>0.2認為模型有比較好的預測準確性。

KS曲線的最高點(最大值)為KS值,KS值越大,模型的區分度越好,KS值為0代表是沒有區分度的隨機模型。準確的來說,KS是用來度量正樣本與負樣本區分程度的。但是KS值所代表的僅僅是模型的區分能力,並不代表區分的樣本是準確的。如果正負樣本完全分錯,但KS值可以依舊很高。

Lift提升圖是不同閾值下Lift和Depth的軌跡。

Lift指標衡量的是,與不利用模型相比,模型的預測能力“變好”了多少。不利用模型,我們只能利用“正例的比例是(TP+FN)/(TP+FP+FN+TN)”這個樣本信息來估計正例的比例(baseline model),而利用模型之後,我們不需要從整個樣本中來挑選正例,只需要從我們預測為正例的樣本子集TP+FP中挑選正例,這時預測的準確率為TP/(TP+FP)。

顯然,lift(提升指數)越大,模型的運行效果越好。如果這個模型的預測能力和baseline model壹樣,那麽TP/(TP+FP)就等於(TP+FN)/(TP+FP+FN+TN),這個模型的效果就沒有任何“提升”了。

作圖步驟:

上圖的縱坐標是lift值,橫坐標是預測成正例的比例,隨著閾值的減小,更多的觀測值會被歸為正例,也就是depth(預測成正例的比例)變大。當閾值設的夠大,只有壹部分觀測值會被歸為正例,但這壹小部分壹定是最具有正例特征的觀測值集合,此時這個depth對應的lift值最大。同樣地,當閾值設定的足夠小的,那麽幾乎所有的觀測值都會被歸為正例(占比幾乎為100%),這時分類的效果就和baseline model差不多了,相對應的lift值就接近於1。

壹個好的分類模型,就是要偏離baseline model足夠遠。在Lift圖中,表現就是,在depth為1之前,lift值壹直保持較高的(大於1的)數值,也即曲線足夠的陡峭。

ROC曲線和Lift曲線都能評價邏輯回歸模型的效果:

Gains(增益)與Lift(提升)類似:Lift圖是不同閾值下Lift和Depth的軌跡,Gains圖是不同閾值下Precision和Depth的軌跡,而Precision=TP/TP+FP,顯而易見地,它們的區別就是縱坐標不壹樣。

Gain增益圖是描述整體精準率的指標。按照模型預測出的概率從高到低排序,將每壹個百分位數內的精準率指標標註在圖形區域內,就形成了非累積的增益圖。如果對每壹個百分位及其之前的精準率求和並標註在圖形區域內,則形成累積的增益圖。累積圖通常可以更好的表現模型性能,而非累計圖則更有利於指出模型中可能存在問題的地方。

https://www.deeplearn.me/1522.html

https://cosx.org/2009/02/measure-classification-model-performance-lift-gain/