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@ -0,0 +1,339 @@
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# Costruire un modello di regressione usando Scikit-learn: regressione in due modi
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> Infografica di [Dasani Madipalli](https://twitter.com/dasani_decoded)
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## [Quiz Pre-Lezione](https://jolly-sea-0a877260f.azurestaticapps.net/quiz/13/)
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### Introduzione
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Finora si è esplorato cos'è la regressione con dati di esempio raccolti dall'insieme di dati relativo ai prezzi della zucca, che verrà usato in questa lezione. Lo si è anche visualizzato usando Matplotlib.
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Ora si è pronti per approfondire la regressione per machine learning. In questa lezione si imparerà di più su due tipi di regressione: _regressione lineare di base_ e _regressione polinomiale_, insieme ad alcuni dei calcoli alla base di queste tecniche.
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> In questo programma di studi, si assume una conoscenza minima della matematica, e si cerca di renderla accessibile agli studenti provenienti da altri campi, quindi si faccia attenzione a note, 🧮 didascalie, diagrammi e altri strumenti di apprendimento che aiutano la comprensione.
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### Prerequisito
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Si dovrebbe ormai avere familiarità con la struttura dei dati della zucca che si sta esaminando. Lo si può trovare precaricato e prepulito nel file _notebook.ipynb_ di questa lezione. Nel file, il prezzo della zucca viene visualizzato per bushel (staio) in un nuovo dataframe. Assicurasi di poter eseguire questi notebook nei kernel in Visual Studio Code.
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### Preparazione
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Come promemoria, si stanno caricando questi dati in modo da porre domande su di essi.
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- Qual è il momento migliore per comprare le zucche?
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- Che prezzo ci si può aspettare da una cassa di zucche in miniatura?
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- Si devono acquistare in cestini da mezzo bushel o a scatola da 1 1/9 bushel? Si continua a scavare in questi dati.
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Nella lezione precedente, è stato creato un dataframe Pandas e si è popolato con parte dell'insieme di dati originale, standardizzando il prezzo per lo bushel. In questo modo, tuttavia, si sono potuti raccogliere solo circa 400 punti dati e solo per i mesi autunnali.
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Si dia un'occhiata ai dati precaricati nel notebook di accompagnamento di questa lezione. I dati sono precaricati e viene tracciato un grafico a dispersione iniziale per mostrare i dati mensili. Forse si può ottenere qualche dettaglio in più sulla natura dei dati pulendoli ulteriormente.
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## Una linea di regressione lineare
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Come si è appreso nella lezione 1, l'obiettivo di un esercizio di regressione lineare è essere in grado di tracciare una linea per:
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- **Mostrare le relazioni tra variabili**.
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- **Fare previsioni**. Fare previsioni accurate su dove cadrebbe un nuovo punto dati in relazione a quella linea.
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È tipico della **Regressione dei Minimi Quadrati** disegnare questo tipo di linea. Il termine "minimi quadrati" significa che tutti i punti dati che circondano la linea di regressione sono elevati al quadrato e quindi sommati. Idealmente, quella somma finale è la più piccola possibile, perché si vuole un basso numero di errori, o `minimi quadrati`.
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Lo si fa perché si vuole modellare una linea che abbia la distanza cumulativa minima da tutti i punti dati. Si esegue anche il quadrato dei termini prima di aggiungerli poiché interessa la grandezza piuttosto che la direzione.
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> **🧮 Mostrami la matematica**
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> Questa linea, chiamata _linea di miglior adattamento_ , può essere espressa da [un'equazione](https://en.wikipedia.org/wiki/Simple_linear_regression):
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> ```
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> Y = a + bX
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> ```
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> `X` è la "variabile esplicativa". `Y` è la "variabile dipendente". La pendenza della linea è `b` e `a` è l'intercetta di y, che si riferisce al valore di `Y` quando `X = 0`.
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> Prima, calcolare la pendenza `b`. Infografica di [Jen Looper](https://twitter.com/jenlooper)
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> In altre parole, facendo riferimento alla domanda originale per i dati sulle zucche: "prevedere il prezzo di una zucca per bushel per mese", `X` si riferisce al prezzo e `Y` si riferirisce al mese di vendita.
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> Si calcola il valore di Y. Se si sta pagando circa $4, deve essere aprile! Infografica di [Jen Looper](https://twitter.com/jenlooper)
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> La matematica che calcola la linea deve dimostrare la pendenza della linea, che dipende anche dall'intercetta, o dove `Y` si trova quando `X = 0`.
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> Si può osservare il metodo di calcolo per questi valori sul sito web [Math is Fun](https://www.mathsisfun.com/data/least-squares-regression.html) . Si visiti anche [questo calcolatore dei minimi quadrati](https://www.mathsisfun.com/data/least-squares-calculator.html) per vedere come i valori dei numeri influiscono sulla linea.
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## Correlazione
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Un altro termine da comprendere è il **Coefficiente di Correlazione** tra determinate variabili X e Y. Utilizzando un grafico a dispersione, è possibile visualizzare rapidamente questo coefficiente. Un grafico con punti dati sparsi in una linea ordinata ha un'alta correlazione, ma un grafico con punti dati sparsi ovunque tra X e Y ha una bassa correlazione.
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Un buon modello di regressione lineare sarà quello che ha un Coefficiente di Correlazione alto (più vicino a 1 rispetto a 0) utilizzando il Metodo di Regressione dei Minimi Quadrati con una linea di regressione.
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✅ Eseguire il notebook che accompagna questa lezione e guardare il grafico a dispersione City to Price. I dati che associano la città al prezzo per le vendite di zucca sembrano avere una correlazione alta o bassa, secondo la propria interpretazione visiva del grafico a dispersione?
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## Preparare i dati per la regressione
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Ora che si ha una comprensione della matematica alla base di questo esercizio, si crea un modello di regressione per vedere se si può prevedere quale pacchetto di zucche avrà i migliori prezzi per zucca. Qualcuno che acquista zucche per una festa con tema un campo di zucche potrebbe desiderare che queste informazioni siano in grado di ottimizzare i propri acquisti di pacchetti di zucca per il campo.
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Dal momento che si utilizzerà Scikit-learn, non c'è motivo di farlo a mano (anche se si potrebbe!). Nel blocco di elaborazione dati principale del notebook della lezione, aggiungere una libreria da Scikit-learn per convertire automaticamente tutti i dati di tipo stringa in numeri:
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```python
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from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
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new_pumpkins.iloc[:, 0:-1] = new_pumpkins.iloc[:, 0:-1].apply(LabelEncoder().fit_transform)
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```
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Se si guarda ora il dataframe new_pumpkins, si vede che tutte le stringhe ora sono numeriche. Questo rende più difficile la lettura per un umano ma molto più comprensibile per Scikit-learn!
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Ora si possono prendere decisioni più consapevoli (non solo basate sull'osservazione di un grafico a dispersione) sui dati più adatti alla regressione.
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Si provi a trovare una buona correlazione tra due punti nei propri dati per costruire potenzialmente un buon modello predittivo. A quanto pare, c'è solo una debole correlazione tra la città e il prezzo:
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```python
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print(new_pumpkins['City'].corr(new_pumpkins['Price']))
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0.32363971816089226
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```
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Tuttavia, c'è una correlazione leggermente migliore tra il pacchetto e il suo prezzo. Ha senso, vero? Normalmente, più grande è la scatola dei prodotti, maggiore è il prezzo.
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```python
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print(new_pumpkins['Package'].corr(new_pumpkins['Price']))
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0.6061712937226021
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```
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Una buona domanda da porre a questi dati sarà: "Che prezzo posso aspettarmi da un determinato pacchetto di zucca?"
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Si costruisce questo modello di regressione
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## Costruire un modello lineare
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Prima di costruire il modello, si esegue un altro riordino dei dati. Si eliminano tutti i dati nulli e si controlla ancora una volta che aspetto hanno i dati.
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```python
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new_pumpkins.dropna(inplace=True)
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new_pumpkins.info()
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```
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Quindi, si crea un nuovo dataframe da questo set minimo e lo si stampa:
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```python
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new_columns = ['Package', 'Price']
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lin_pumpkins = new_pumpkins.drop([c for c in new_pumpkins.columns if c not in new_columns], axis='columns')
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lin_pumpkins
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```
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```output
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Package Price
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70 0 13.636364
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71 0 16.363636
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72 0 16.363636
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73 0 15.454545
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74 0 13.636364
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... ... ...
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1738 2 30.000000
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1739 2 28.750000
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1740 2 25.750000
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1741 2 24.000000
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1742 2 24.000000
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415 rows × 2 columns
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```
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1. Ora si possono assegnare i dati delle coordinate X e y:
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```python
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X = lin_pumpkins.values[:, :1]
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y = lin_pumpkins.values[:, 1:2]
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```
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Cosa sta succedendo qui? Si sta usando [la notazione slice Python](https://stackoverflow.com/questions/509211/understanding-slice-notation/509295#509295) per creare array per popolare `X` e `y`.
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2. Successivamente, si avvia le routine di creazione del modello di regressione:
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```python
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from sklearn.linear_model import LinearRegression
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from sklearn.metrics import r2_score, mean_squared_error, mean_absolute_error
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from sklearn.model_selection import train_test_split
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X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=0)
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lin_reg = LinearRegression()
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lin_reg.fit(X_train,y_train)
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pred = lin_reg.predict(X_test)
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accuracy_score = lin_reg.score(X_train,y_train)
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print('Model Accuracy: ', accuracy_score)
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```
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Poiché la correlazione non è particolarmente buona, il modello prodotto non è molto accurato.
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```output
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Model Accuracy: 0.3315342327998987
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```
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3. Si può visualizzare la linea tracciata nel processo:
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```python
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plt.scatter(X_test, y_test, color='black')
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plt.plot(X_test, pred, color='blue', linewidth=3)
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plt.xlabel('Package')
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plt.ylabel('Price')
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plt.show()
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```
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4. Si testa il modello contro una varietà ipotetica:
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```python
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lin_reg.predict( np.array([ [2.75] ]) )
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```
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Il prezzo restituito per questa varietà mitologica è:
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```output
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array([[33.15655975]])
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```
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Quel numero ha senso, se la logica della linea di regressione è vera.
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🎃 Congratulazioni, si è appena creato un modello che può aiutare a prevedere il prezzo di alcune varietà di zucche. La zucca per le festività sarà bellissima. Ma probabilmente si può creare un modello migliore!
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## Regressione polinomiale
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Un altro tipo di regressione lineare è la regressione polinomiale. Mentre a volte c'è una relazione lineare tra le variabili - più grande è il volume della zucca, più alto è il prezzo - a volte queste relazioni non possono essere tracciate come un piano o una linea retta.
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✅ Ecco [alcuni altri esempi](https://online.stat.psu.edu/stat501/lesson/9/9.8) di dati che potrebbero utilizzare la regressione polinomiale
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Si dia un'altra occhiata alla relazione tra Varietà e Prezzo nel tracciato precedente. Questo grafico a dispersione deve essere necessariamente analizzato da una linea retta? Forse no. In questo caso, si può provare la regressione polinomiale.
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✅ I polinomi sono espressioni matematiche che possono essere costituite da una o più variabili e coefficienti
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La regressione polinomiale crea una linea curva per adattare meglio i dati non lineari.
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1. Viene ricreato un dataframe popolato con un segmento dei dati della zucca originale:
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```python
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new_columns = ['Variety', 'Package', 'City', 'Month', 'Price']
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poly_pumpkins = new_pumpkins.drop([c for c in new_pumpkins.columns if c not in new_columns], axis='columns')
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poly_pumpkins
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```
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Un buon modo per visualizzare le correlazioni tra i dati nei dataframe è visualizzarli in un grafico "coolwarm":
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2. Si usa il metodo `Background_gradient()` con `coolwarm` come valore dell'argomento:
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```python
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corr = poly_pumpkins.corr()
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corr.style.background_gradient(cmap='coolwarm')
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```
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Questo codice crea una mappa di calore:
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Guardando questo grafico, si può visualizzare la buona correlazione tra Pacchetto e Prezzo. Quindi si dovrebbe essere in grado di creare un modello un po' migliore dell'ultimo.
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### Creare una pipeline
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Scikit-learn include un'API utile per la creazione di modelli di regressione polinomiale: l'[API](https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.pipeline.make_pipeline.html?highlight=pipeline#sklearn.pipeline.make_pipeline) `make_pipeline`. Viene creata una 'pipeline' che è una catena di stimatori. In questo caso, la pipeline include caratteristiche polinomiali o previsioni che formano un percorso non lineare.
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1. Si costruiscono le colonne X e y:
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```python
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X=poly_pumpkins.iloc[:,3:4].values
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y=poly_pumpkins.iloc[:,4:5].values
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```
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2. Si crea la pipeline chiamando il metodo `make_pipeline()` :
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```python
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from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
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from sklearn.pipeline import make_pipeline
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pipeline = make_pipeline(PolynomialFeatures(4), LinearRegression())
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X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=0)
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pipeline.fit(np.array(X_train), y_train)
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y_pred=pipeline.predict(X_test)
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### Creare una sequenza
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A questo punto, è necessario creare un nuovo dataframe con dati _ordinati_ in modo che la pipeline possa creare una sequenza.
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Si aggiunge il seguente codice:
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```python
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df = pd.DataFrame({'x': X_test[:,0], 'y': y_pred[:,0]})
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df.sort_values(by='x',inplace = True)
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points = pd.DataFrame(df).to_numpy()
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plt.plot(points[:, 0], points[:, 1],color="blue", linewidth=3)
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plt.xlabel('Package')
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plt.ylabel('Price')
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plt.scatter(X,y, color="black")
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plt.show()
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```
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Si è creato un nuovo dataframe chiamato `pd.DataFrame`. Quindi si sono ordinati i valori chiamando `sort_values()`. Alla fine si è creato un grafico polinomiale:
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Si può vedere una linea curva che si adatta meglio ai dati.
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Si verifica la precisione del modello:
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```python
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accuracy_score = pipeline.score(X_train,y_train)
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print('Model Accuracy: ', accuracy_score)
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```
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E voilà!
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```output
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Model Accuracy: 0.8537946517073784
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```
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Ecco, meglio! Si prova a prevedere un prezzo:
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### Fare una previsione
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E possibile inserire un nuovo valore e ottenere una previsione?
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Si chiami `predict()` per fare una previsione:
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```python
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pipeline.predict( np.array([ [2.75] ]) )
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```
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Viene data questa previsione:
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```output
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array([[46.34509342]])
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Ha senso, visto il tracciato! Se questo è un modello migliore del precedente, guardando gli stessi dati, si deve preventivare queste zucche più costose!
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Ben fatto! Sono stati creati due modelli di regressione in una lezione. Nella sezione finale sulla regressione, si imparerà a conoscere la regressione logistica per determinare le categorie.
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## 🚀 Sfida
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Testare diverse variabili in questo notebook per vedere come la correlazione corrisponde all'accuratezza del modello.
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## [Quiz post-lezione](https://jolly-sea-0a877260f.azurestaticapps.net/quiz/14/)
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## Revisione e Auto Apprendimento
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In questa lezione si è appreso della regressione lineare. Esistono altri tipi importanti di regressione. Leggere le tecniche Stepwise, Ridge, Lazo ed Elasticnet. Un buon corso per studiare per saperne di più è il [corso Stanford Statistical Learning](https://online.stanford.edu/courses/sohs-ystatslearning-statistical-learning)
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## Compito
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[Costruire un modello](assignment.it.md)
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Roberto Pauletto
4 years ago