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Einführung in die Klassifikation

In diesen vier Lektionen wirst du einen grundlegenden Schwerpunkt des klassischen maschinellen Lernens erkunden – Klassifikation. Wir werden verschiedene Klassifikationsalgorithmen anhand eines Datensatzes über die großartigen Küchen Asiens und Indiens durchgehen. Hoffentlich hast du Appetit!

Feiere pan-asiatische Küchen in diesen Lektionen! Bild von Jen Looper

Klassifikation ist eine Form des überwachten Lernens, die viele Gemeinsamkeiten mit Regressionsmethoden hat. Wenn maschinelles Lernen darum geht, Werte oder Namen für Dinge anhand von Datensätzen vorherzusagen, dann fällt die Klassifikation im Allgemeinen in zwei Gruppen: binäre Klassifikation und Mehrklassenklassifikation.

🎥 Klicke auf das Bild oben für ein Video: John Guttag vom MIT stellt die Klassifikation vor

Erinnere dich:

• Lineare Regression half dir, Beziehungen zwischen Variablen vorherzusagen und genaue Vorhersagen darüber zu treffen, wo ein neuer Datenpunkt in Bezug auf diese Linie liegen würde. So konntest du beispielsweise vorhersagen, wie viel ein Kürbis im September im Vergleich zu Dezember kosten würde.
• Logistische Regression half dir, "binäre Kategorien" zu entdecken: Bei diesem Preisniveau, ist dieser Kürbis orange oder nicht-orange?

Die Klassifikation verwendet verschiedene Algorithmen, um andere Möglichkeiten zu finden, das Label oder die Klasse eines Datenpunkts zu bestimmen. Lass uns mit diesen Küchendaten arbeiten, um zu sehen, ob wir anhand einer Gruppe von Zutaten die Herkunftsküche bestimmen können.

Quiz vor der Lektion

Diese Lektion ist auch in R verfügbar!

Einführung

Die Klassifikation ist eine der grundlegenden Tätigkeiten von Forschern und Datenwissenschaftlern im Bereich des maschinellen Lernens. Von der einfachen Klassifikation eines binären Wertes ("Ist diese E-Mail Spam oder nicht?") bis hin zur komplexen Bildklassifikation und -segmentierung mithilfe von Computer Vision ist es immer nützlich, Daten in Klassen einzuteilen und Fragen dazu zu stellen.

Wissenschaftlich ausgedrückt erstellt deine Klassifikationsmethode ein prädiktives Modell, das es dir ermöglicht, die Beziehung zwischen Eingabevariablen und Ausgabevariablen abzubilden.

Binäre vs. Mehrklassenprobleme, die Klassifikationsalgorithmen bewältigen müssen. Infografik von Jen Looper

Bevor wir mit der Bereinigung unserer Daten, ihrer Visualisierung und der Vorbereitung für unsere ML-Aufgaben beginnen, lass uns ein wenig über die verschiedenen Möglichkeiten lernen, wie maschinelles Lernen zur Klassifikation von Daten genutzt werden kann.

Abgeleitet aus der Statistik verwendet die Klassifikation im klassischen maschinellen Lernen Merkmale wie smoker, weight und age, um die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung von Krankheit X zu bestimmen. Als eine Technik des überwachten Lernens, ähnlich den Regressionsübungen, die du zuvor durchgeführt hast, sind deine Daten beschriftet, und die ML-Algorithmen verwenden diese Beschriftungen, um Klassen (oder 'Merkmale') eines Datensatzes zu klassifizieren und vorherzusagen und sie einer Gruppe oder einem Ergebnis zuzuordnen.

✅ Nimm dir einen Moment Zeit, um dir einen Datensatz über Küchen vorzustellen. Welche Fragen könnte ein Mehrklassenmodell beantworten? Welche Fragen könnte ein binäres Modell beantworten? Was wäre, wenn du herausfinden möchtest, ob eine bestimmte Küche wahrscheinlich Bockshornklee verwendet? Oder was wäre, wenn du sehen möchtest, ob du mit einer Tüte voller Sternanis, Artischocken, Blumenkohl und Meerrettich ein typisches indisches Gericht zubereiten könntest?

🎥 Klicke auf das Bild oben für ein Video. Die ganze Prämisse der Show 'Chopped' ist der 'Mystery-Korb', bei dem Köche aus einer zufälligen Auswahl an Zutaten ein Gericht zaubern müssen. Sicherlich hätte ein ML-Modell geholfen!

Hallo 'Classifier'

Die Frage, die wir an diesen Küchendatensatz stellen möchten, ist tatsächlich eine Mehrklassenfrage, da wir mit mehreren potenziellen Nationalküchen arbeiten. Angesichts einer Reihe von Zutaten, zu welcher dieser vielen Klassen passt die Daten?

Scikit-learn bietet mehrere verschiedene Algorithmen zur Klassifikation von Daten, je nachdem, welche Art von Problem du lösen möchtest. In den nächsten zwei Lektionen wirst du einige dieser Algorithmen kennenlernen.

Übung – Daten bereinigen und ausbalancieren

Die erste Aufgabe, bevor wir mit diesem Projekt beginnen, besteht darin, die Daten zu bereinigen und auszubalancieren, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Beginne mit der leeren Datei notebook.ipynb im Stammverzeichnis dieses Ordners.

Das erste, was du installieren musst, ist imblearn. Dies ist ein Scikit-learn-Paket, das dir hilft, die Daten besser auszubalancieren (du wirst gleich mehr über diese Aufgabe erfahren).

1. Um imblearn zu installieren, führe pip install aus, wie folgt:

   pip install imblearn
   

2. Importiere die Pakete, die du benötigst, um deine Daten zu importieren und zu visualisieren, und importiere auch SMOTE aus imblearn.

   import pandas as pd
   import matplotlib.pyplot as plt
   import matplotlib as mpl
   import numpy as np
   from imblearn.over_sampling import SMOTE
   

   Jetzt bist du bereit, die Daten zu importieren.

3. Die nächste Aufgabe besteht darin, die Daten zu importieren:

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

   Mit read_csv() liest du den Inhalt der CSV-Datei cusines.csv und speicherst ihn in der Variablen df.

4. Überprüfe die Form der Daten:

   df.head()
   

   Die ersten fünf Zeilen sehen so aus:

   |     | Unnamed: 0 | cuisine | almond | angelica | anise | anise_seed | apple | apple_brandy | apricot | armagnac | ... | whiskey | white_bread | white_wine | whole_grain_wheat_flour | wine | wood | yam | yeast | yogurt | zucchini |
   | --- | ---------- | ------- | ------ | -------- | ----- | ---------- | ----- | ------------ | ------- | -------- | --- | ------- | ----------- | ---------- | ----------------------- | ---- | ---- | --- | ----- | ------ | -------- |
   | 0   | 65         | indian  | 0      | 0        | 0     | 0          | 0     | 0            | 0       | 0        | ... | 0       | 0           | 0          | 0                       | 0    | 0    | 0   | 0     | 0      | 0        |
   | 1   | 66         | indian  | 1      | 0        | 0     | 0          | 0     | 0            | 0       | 0        | ... | 0       | 0           | 0          | 0                       | 0    | 0    | 0   | 0     | 0      | 0        |
   | 2   | 67         | indian  | 0      | 0        | 0     | 0          | 0     | 0            | 0       | 0        | ... | 0       | 0           | 0          | 0                       | 0    | 0    | 0   | 0     | 0      | 0        |
   | 3   | 68         | indian  | 0      | 0        | 0     | 0          | 0     | 0            | 0       | 0        | ... | 0       | 0           | 0          | 0                       | 0    | 0    | 0   | 0     | 0      | 0        |
   | 4   | 69         | indian  | 0      | 0        | 0     | 0          | 0     | 0            | 0       | 0        | ... | 0       | 0           | 0          | 0                       | 0    | 0    | 0   | 0     | 1      | 0        |
   

5. Hole dir Informationen über diese Daten, indem du info() aufrufst:

   df.info()
   

   Deine Ausgabe sieht so aus:

   <class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
   RangeIndex: 2448 entries, 0 to 2447
   Columns: 385 entries, Unnamed: 0 to zucchini
   dtypes: int64(384), object(1)
   memory usage: 7.2+ MB
   

Übung – Küchen entdecken

Jetzt wird die Arbeit interessanter. Lass uns die Verteilung der Daten pro Küche entdecken.

1. Stelle die Daten als Balken dar, indem du barh() aufrufst:

   df.cuisine.value_counts().plot.barh()
   

   

   Es gibt eine begrenzte Anzahl von Küchen, aber die Verteilung der Daten ist ungleichmäßig. Das kannst du beheben! Bevor du das tust, erkunde noch ein wenig mehr.

2. Finde heraus, wie viele Daten pro Küche verfügbar sind, und gib sie aus:

   thai_df = df[(df.cuisine == "thai")]
   japanese_df = df[(df.cuisine == "japanese")]
   chinese_df = df[(df.cuisine == "chinese")]
   indian_df = df[(df.cuisine == "indian")]
   korean_df = df[(df.cuisine == "korean")]
   
   print(f'thai df: {thai_df.shape}')
   print(f'japanese df: {japanese_df.shape}')
   print(f'chinese df: {chinese_df.shape}')
   print(f'indian df: {indian_df.shape}')
   print(f'korean df: {korean_df.shape}')
   

   Die Ausgabe sieht so aus:

   thai df: (289, 385)
   japanese df: (320, 385)
   chinese df: (442, 385)
   indian df: (598, 385)
   korean df: (799, 385)
   

Zutaten entdecken

Jetzt kannst du tiefer in die Daten eintauchen und herausfinden, welche typischen Zutaten pro Küche verwendet werden. Du solltest wiederkehrende Daten bereinigen, die Verwirrung zwischen den Küchen stiften. Lass uns mehr über dieses Problem erfahren.

1. Erstelle eine Funktion create_ingredient() in Python, um ein Zutaten-Datenframe zu erstellen. Diese Funktion beginnt damit, eine nicht hilfreiche Spalte zu entfernen, und sortiert die Zutaten nach ihrer Häufigkeit:

   def create_ingredient_df(df):
       ingredient_df = df.T.drop(['cuisine','Unnamed: 0']).sum(axis=1).to_frame('value')
       ingredient_df = ingredient_df[(ingredient_df.T != 0).any()]
       ingredient_df = ingredient_df.sort_values(by='value', ascending=False,
       inplace=False)
       return ingredient_df
   

   Jetzt kannst du diese Funktion verwenden, um eine Vorstellung von den zehn beliebtesten Zutaten pro Küche zu bekommen.

2. Rufe create_ingredient() auf und stelle die Daten mit barh() dar:

   thai_ingredient_df = create_ingredient_df(thai_df)
   thai_ingredient_df.head(10).plot.barh()
   

   

3. Mache dasselbe für die japanischen Daten:

   japanese_ingredient_df = create_ingredient_df(japanese_df)
   japanese_ingredient_df.head(10).plot.barh()
   

   

4. Nun für die chinesischen Zutaten:

   chinese_ingredient_df = create_ingredient_df(chinese_df)
   chinese_ingredient_df.head(10).plot.barh()
   

   

5. Stelle die indischen Zutaten dar:

   indian_ingredient_df = create_ingredient_df(indian_df)
   indian_ingredient_df.head(10).plot.barh()
   

   

6. Schließlich stelle die koreanischen Zutaten dar:

   korean_ingredient_df = create_ingredient_df(korean_df)
   korean_ingredient_df.head(10).plot.barh()
   

   

7. Entferne nun die häufigsten Zutaten, die Verwirrung zwischen verschiedenen Küchen stiften, indem du drop() aufrufst:

   Jeder liebt Reis, Knoblauch und Ingwer!

   feature_df= df.drop(['cuisine','Unnamed: 0','rice','garlic','ginger'], axis=1)
   labels_df = df.cuisine #.unique()
   feature_df.head()
   

Den Datensatz ausbalancieren

Nachdem du die Daten bereinigt hast, verwende SMOTE – "Synthetic Minority Over-sampling Technique" – um sie auszugleichen.

1. Rufe fit_resample() auf. Diese Strategie generiert neue Stichproben durch Interpolation.

   oversample = SMOTE()
   transformed_feature_df, transformed_label_df = oversample.fit_resample(feature_df, labels_df)
   

   Durch das Ausbalancieren deiner Daten erzielst du bessere Ergebnisse bei der Klassifikation. Denke an eine binäre Klassifikation. Wenn die meisten deiner Daten einer Klasse angehören, wird ein ML-Modell diese Klasse häufiger vorhersagen, einfach weil es mehr Daten dafür gibt. Das Ausbalancieren der Daten nimmt verzerrte Daten und hilft, dieses Ungleichgewicht zu beseitigen.

2. Jetzt kannst du die Anzahl der Labels pro Zutat überprüfen:

   print(f'new label count: {transformed_label_df.value_counts()}')
   print(f'old label count: {df.cuisine.value_counts()}')
   

   Deine Ausgabe sieht so aus:

   new label count: korean      799
   chinese     799
   indian      799
   japanese    799
   thai        799
   Name: cuisine, dtype: int64
   old label count: korean      799
   indian      598
   chinese     442
   japanese    320
   thai        289
   Name: cuisine, dtype: int64
   

   Die Daten sind schön sauber, ausgeglichen und sehr lecker!

3. Der letzte Schritt besteht darin, deine ausgeglichenen Daten, einschließlich Labels und Features, in ein neues Datenframe zu speichern, das in eine Datei exportiert werden kann:

   transformed_df = pd.concat([transformed_label_df,transformed_feature_df],axis=1, join='outer')
   

4. Du kannst einen letzten Blick auf die Daten werfen, indem du transformed_df.head() und transformed_df.info() aufrufst. Speichere eine Kopie dieser Daten für die Verwendung in zukünftigen Lektionen:

   transformed_df.head()
   transformed_df.info()
   transformed_df.to_csv("../data/cleaned_cuisines.csv")
   

   Diese frische CSV-Datei befindet sich nun im Stamm-Datenordner.

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🚀 Herausforderung

Dieses Curriculum enthält mehrere interessante Datensätze. Durchsuche die data-Ordner und sieh nach, ob einer Datensätze enthält, die sich für binäre oder Mehrklassenklassifikation eignen. Welche Fragen würdest du an diesen Datensatz stellen?

Quiz nach der Lektion

Rückblick & Selbststudium

Erkunde die API von SMOTE. Für welche Anwendungsfälle ist sie am besten geeignet? Welche Probleme löst sie?

Aufgabe

Erkunde Klassifikationsmethoden

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Haftungsausschluss:
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