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CO_OP_TRANSLATOR_METADATA:
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{
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"original_hash": "abf86d845c84330bce205a46b382ec88",
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"translation_date": "2025-09-05T09:17:03+00:00",
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"source_file": "2-Regression/4-Logistic/README.md",
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"language_code": "hk"
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}
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# 使用邏輯回歸預測分類
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## [課前測驗](https://ff-quizzes.netlify.app/en/ml/)
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> ### [本課程提供 R 版本！](../../../../2-Regression/4-Logistic/solution/R/lesson_4.html)
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## 簡介
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在這最後一課關於回歸的課程中，我們將探討邏輯回歸，這是基本的 _經典_ 機器學習技術之一。你可以使用這種技術來發現模式並預測二元分類。例如：這顆糖果是巧克力還是不是？這種疾病是否具有傳染性？這位顧客是否會選擇這個產品？
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在本課程中，你將學到：
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- 一個新的數據視覺化庫
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- 邏輯回歸的技術
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✅ 在這個 [學習模組](https://docs.microsoft.com/learn/modules/train-evaluate-classification-models?WT.mc_id=academic-77952-leestott) 中加深對這種回歸類型的理解
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## 前置條件
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在之前的南瓜數據中，我們已經足夠熟悉它，並意識到有一個二元分類可以使用：`Color`。
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讓我們建立一個邏輯回歸模型來預測，根據一些變數，_某個南瓜可能的顏色_（橙色 🎃 或白色 👻）。
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> 為什麼我們在回歸課程中討論二元分類？僅僅是語言上的方便，因為邏輯回歸實際上是[一種分類方法](https://scikit-learn.org/stable/modules/linear_model.html#logistic-regression)，儘管它是基於線性的。在下一組課程中了解其他分類數據的方法。
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## 定義問題
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對於我們的目的，我們將其表述為二元分類：'白色' 或 '非白色'。我們的數據集中還有一個 '條紋' 類別，但它的樣本數量很少，因此我們不會使用它。即使我們移除數據集中的空值，它也會消失。
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> 🎃 有趣的事實：我們有時會稱白色南瓜為 '鬼南瓜'。它們不太容易雕刻，因此不像橙色南瓜那麼受歡迎，但它們看起來很酷！所以我們也可以將問題重新表述為：'鬼南瓜' 或 '非鬼南瓜'。👻
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## 關於邏輯回歸
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邏輯回歸與之前學過的線性回歸在幾個重要方面有所不同。
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[](https://youtu.be/KpeCT6nEpBY "初學者的機器學習 - 理解邏輯回歸用於分類")
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> 🎥 點擊上方圖片觀看邏輯回歸的簡短視頻概述。
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### 二元分類
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邏輯回歸不提供與線性回歸相同的功能。前者提供關於二元分類（"白色或非白色"）的預測，而後者能夠預測連續值，例如根據南瓜的產地和收穫時間，_價格將上漲多少_。
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> 資訊圖表由 [Dasani Madipalli](https://twitter.com/dasani_decoded) 提供
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### 其他分類
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邏輯回歸還有其他類型，包括多項式和序數：
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- **多項式**：涉及多個類別，例如 "橙色、白色和條紋"。
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- **序數**：涉及有序的類別，適合我們希望按邏輯順序排列結果，例如南瓜按有限數量的大小排序（迷你、小、中、大、特大、超大）。
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### 變數不需要相關
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還記得線性回歸在變數相關性更高時效果更好嗎？邏輯回歸則相反——變數不需要相關性。這適用於我們的數據，因為它的相關性較弱。
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### 需要大量乾淨的數據
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如果使用更多數據，邏輯回歸將提供更準確的結果；我們的小型數據集並不適合這項任務，因此請記住這一點。
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[](https://youtu.be/B2X4H9vcXTs "初學者的機器學習 - 邏輯回歸的數據分析與準備")
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✅ 思考哪些類型的數據適合邏輯回歸
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## 練習 - 整理數據
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首先，稍微清理一下數據，刪除空值並選擇部分列：
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1. 添加以下代碼：
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```python
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columns_to_select = ['City Name','Package','Variety', 'Origin','Item Size', 'Color']
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pumpkins = full_pumpkins.loc[:, columns_to_select]
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pumpkins.dropna(inplace=True)
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```
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你可以隨時查看新的數據框：
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```python
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pumpkins.info
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```
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### 視覺化 - 類別圖
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到目前為止，你已經在 [起始筆記本](../../../../2-Regression/4-Logistic/notebook.ipynb) 中載入了南瓜數據，並清理了它以保留包含一些變數（包括 `Color`）的數據集。讓我們使用不同的庫 [Seaborn](https://seaborn.pydata.org/index.html) 在筆記本中視覺化數據框。Seaborn 是基於之前使用的 Matplotlib。
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Seaborn 提供了一些很棒的方式來視覺化數據。例如，你可以比較每個 `Variety` 和 `Color` 的數據分佈，使用類別圖。
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1. 使用 `catplot` 函數創建這樣的圖，使用南瓜數據 `pumpkins`，並為每個南瓜類別（橙色或白色）指定顏色映射：
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```python
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import seaborn as sns
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palette = {
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'ORANGE': 'orange',
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'WHITE': 'wheat',
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}
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sns.catplot(
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data=pumpkins, y="Variety", hue="Color", kind="count",
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palette=palette,
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)
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```
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通過觀察數據，你可以看到 `Color` 數據與 `Variety` 的關係。
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✅ 根據這個類別圖，你能想到哪些有趣的探索？
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### 數據預處理：特徵和標籤編碼
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我們的南瓜數據集包含所有列的字符串值。對人類來說，處理類別數據是直觀的，但對機器來說並非如此。機器學習算法更適合處理數字。因此，編碼是數據預處理階段中非常重要的一步，因為它使我們能夠將類別數據轉換為數字數據，而不丟失任何信息。良好的編碼有助於建立良好的模型。
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對於特徵編碼，有兩種主要的編碼器：
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1. 序數編碼器：適合序數變數，即類別變數，其數據遵循邏輯順序，例如數據集中的 `Item Size` 列。它創建一個映射，使每個類別由一個數字表示，該數字是列中類別的順序。
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```python
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from sklearn.preprocessing import OrdinalEncoder
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item_size_categories = [['sml', 'med', 'med-lge', 'lge', 'xlge', 'jbo', 'exjbo']]
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ordinal_features = ['Item Size']
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ordinal_encoder = OrdinalEncoder(categories=item_size_categories)
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```
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2. 類別編碼器：適合名義變數，即類別變數，其數據不遵循邏輯順序，例如數據集中除 `Item Size` 外的所有特徵。它是一種獨熱編碼，這意味著每個類別由一個二進制列表示：如果南瓜屬於該 `Variety`，則編碼變數等於 1，否則為 0。
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```python
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from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
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categorical_features = ['City Name', 'Package', 'Variety', 'Origin']
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categorical_encoder = OneHotEncoder(sparse_output=False)
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```
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接著，使用 `ColumnTransformer` 將多個編碼器合併到一個步驟中，並應用到適當的列。
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```python
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from sklearn.compose import ColumnTransformer
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ct = ColumnTransformer(transformers=[
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('ord', ordinal_encoder, ordinal_features),
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('cat', categorical_encoder, categorical_features)
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])
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ct.set_output(transform='pandas')
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encoded_features = ct.fit_transform(pumpkins)
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```
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另一方面，為了編碼標籤，我們使用 scikit-learn 的 `LabelEncoder` 類，這是一個工具類，用於將標籤標準化，使其僅包含 0 到 n_classes-1（此處為 0 和 1）之間的值。
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```python
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from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
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label_encoder = LabelEncoder()
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encoded_label = label_encoder.fit_transform(pumpkins['Color'])
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```
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一旦我們編碼了特徵和標籤，就可以將它們合併到新的數據框 `encoded_pumpkins` 中。
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```python
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encoded_pumpkins = encoded_features.assign(Color=encoded_label)
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```
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✅ 使用序數編碼器處理 `Item Size` 列有哪些優勢？
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### 分析變數之間的關係
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現在我們已經對數據進行了預處理，可以分析特徵和標籤之間的關係，以了解模型在給定特徵的情況下預測標籤的能力。
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分析這類關係的最佳方式是繪製數據。我們將再次使用 Seaborn 的 `catplot` 函數，視覺化 `Item Size`、`Variety` 和 `Color` 之間的關係。為了更好地繪製數據，我們將使用編碼後的 `Item Size` 列和未編碼的 `Variety` 列。
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```python
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palette = {
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'ORANGE': 'orange',
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'WHITE': 'wheat',
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}
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pumpkins['Item Size'] = encoded_pumpkins['ord__Item Size']
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g = sns.catplot(
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data=pumpkins,
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x="Item Size", y="Color", row='Variety',
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kind="box", orient="h",
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sharex=False, margin_titles=True,
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height=1.8, aspect=4, palette=palette,
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)
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g.set(xlabel="Item Size", ylabel="").set(xlim=(0,6))
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g.set_titles(row_template="{row_name}")
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```
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### 使用 swarm plot
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由於 `Color` 是二元分類（白色或非白色），它需要一種[專門的視覺化方法](https://seaborn.pydata.org/tutorial/categorical.html?highlight=bar)。還有其他方法可以視覺化此分類與其他變數的關係。
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你可以使用 Seaborn 圖表並排視覺化變數。
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1. 嘗試使用 'swarm' 圖來顯示值的分佈：
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```python
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palette = {
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0: 'orange',
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1: 'wheat'
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}
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sns.swarmplot(x="Color", y="ord__Item Size", data=encoded_pumpkins, palette=palette)
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```
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**注意**：上述代碼可能會產生警告，因為 Seaborn 無法在 swarm 圖中表示如此多的數據點。一種可能的解決方案是減小標記的大小，使用 'size' 參數。然而，請注意這會影響圖表的可讀性。
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> **🧮 數學解析**
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>
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> 邏輯回歸依賴於 '最大似然' 的概念，使用 [S 型函數](https://wikipedia.org/wiki/Sigmoid_function)。在圖表上，S 型函數看起來像一個 'S' 形。它接受一個值並將其映射到 0 和 1 之間。其曲線也被稱為 '邏輯曲線'。公式如下：
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>
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> 
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>
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> 其中 S 型函數的中點位於 x 的 0 點，L 是曲線的最大值，k 是曲線的陡度。如果函數的結果大於 0.5，該標籤將被分配為二元選擇的 '1' 類別。如果不是，則分配為 '0' 類別。
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## 建立模型
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在 Scikit-learn 中建立二元分類模型非常簡單。
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[](https://youtu.be/MmZS2otPrQ8 "初學者的機器學習 - 使用邏輯回歸進行數據分類")
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> 🎥 點擊上方圖片觀看建立線性回歸模型的簡短視頻概述
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1. 選擇你想在分類模型中使用的變數，並使用 `train_test_split()` 分割訓練集和測試集：
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```python
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from sklearn.model_selection import train_test_split
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X = encoded_pumpkins[encoded_pumpkins.columns.difference(['Color'])]
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y = encoded_pumpkins['Color']
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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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```
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2. 現在你可以通過調用 `fit()` 使用訓練數據訓練模型，並打印出結果：
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```python
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from sklearn.metrics import f1_score, classification_report
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from sklearn.linear_model import LogisticRegression
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model = LogisticRegression()
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model.fit(X_train, y_train)
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predictions = model.predict(X_test)
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print(classification_report(y_test, predictions))
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print('Predicted labels: ', predictions)
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print('F1-score: ', f1_score(y_test, predictions))
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```
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查看模型的得分板。考慮到你只有大約 1000 行數據，結果還不錯：
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```output
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precision recall f1-score support
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0 0.94 0.98 0.96 166
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1 0.85 0.67 0.75 33
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accuracy 0.92 199
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macro avg 0.89 0.82 0.85 199
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weighted avg 0.92 0.92 0.92 199
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Predicted labels: [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
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0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0
|
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0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0
|
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0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
|
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0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1]
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F1-score: 0.7457627118644068
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```
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## 通過混淆矩陣更好地理解模型
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雖然你可以通過打印上述項目獲得得分板報告[術語](https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.metrics.classification_report.html?highlight=classification_report#sklearn.metrics.classification_report)，但使用[混淆矩陣](https://scikit-learn.org/stable/modules/model_evaluation.html#confusion-matrix)可能更容易理解模型的表現。
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> 🎓 '[混淆矩陣](https://wikipedia.org/wiki/Confusion_matrix)'（或 '錯誤矩陣'）是一個表格，用於表達模型的真陽性與假陽性以及真陰性與假陰性，從而衡量預測的準確性。
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1. 要使用混淆矩陣，調用 `confusion_matrix()`：
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```python
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from sklearn.metrics import confusion_matrix
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confusion_matrix(y_test, predictions)
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```
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查看模型的混淆矩陣：
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```output
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array([[162, 4],
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[ 11, 22]])
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```
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在 Scikit-learn 中，混淆矩陣的行（軸 0）是實際標籤，列（軸 1）是預測標籤。
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| | 0 | 1 |
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| :---: | :---: | :---: |
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| 0 | TN | FP |
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| 1 | FN | TP |
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這裡發生了什麼？假設我們的模型被要求在兩個二元分類中對南瓜進行分類，分類為 '白色' 和 '非白色'。
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- 如果模型預測南瓜為非白色，且實際屬於 '非白色' 類別，我們稱之為真陰性，顯示在左上角。
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- 如果模型預測南瓜為白色，且實際屬於 '非白色' 類別，我們稱之為假陰性，顯示在左下角。
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- 如果模型預測南瓜為非白色，且實際屬於 '白色' 類別，我們稱之為假陽性，顯示在右上角。
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|
- 如果模型預測南瓜為白色，且實際屬於 '白色' 類別，我們稱之為真陽性，顯示在右下角。
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如你所料，真陽性和真陰性的數量越多，假陽性和假陰性的數量越少，模型的表現就越好。
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混淆矩陣如何與精確度和召回率相關？記住，上面列出的分類報告顯示了精確度（0.85）和召回率（0.67）。
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精確度 = tp / (tp + fp) = 22 / (22 + 4) = 0.8461538461538461
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召回率 = tp / (tp + fn) = 22 / (22 + 11) = 0.6666666666666666
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✅ 問：根據混淆矩陣，模型表現如何？ 答：不錯；有相當多的真陰性，但也有一些假陰性。
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讓我們再次回顧之前看到的術語，並結合混淆矩陣中 TP/TN 和 FP/FN 的映射來理解：
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🎓 精確度：TP/(TP + FP) 從檢索的實例中，相關實例的比例（例如，哪些標籤被正確標記）
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🎓 召回率：TP/(TP + FN) 從所有相關實例中，檢索到的比例，不論是否正確標記
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🎓 f1-score：(2 * 精確度 * 召回率)/(精確度 + 召回率) 精確度和召回率的加權平均值，最佳為 1，最差為 0
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🎓 支援：每個標籤被檢索到的次數
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🎓 準確率： (TP + TN)/(TP + TN + FP + FN) 標籤正確預測的百分比
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🎓 宏平均：每個標籤的未加權平均值計算，不考慮標籤的不平衡
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🎓 加權平均：每個標籤的平均值計算，考慮標籤的不平衡，並根據其支援（每個標籤的真實實例數量）進行加權
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✅ 你能想到如果想減少假陰性，應該關注哪個指標嗎？
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## 可視化此模型的 ROC 曲線
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[](https://youtu.be/GApO575jTA0 "初學者的機器學習 - 使用 ROC 曲線分析邏輯回歸性能")
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> 🎥 點擊上方圖片觀看關於 ROC 曲線的簡短視頻概述
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讓我們進行另一個可視化，來查看所謂的 "ROC" 曲線：
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```python
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from sklearn.metrics import roc_curve, roc_auc_score
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import matplotlib
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import matplotlib.pyplot as plt
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%matplotlib inline
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y_scores = model.predict_proba(X_test)
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fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_test, y_scores[:,1])
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fig = plt.figure(figsize=(6, 6))
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plt.plot([0, 1], [0, 1], 'k--')
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plt.plot(fpr, tpr)
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plt.xlabel('False Positive Rate')
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plt.ylabel('True Positive Rate')
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plt.title('ROC Curve')
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plt.show()
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```
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使用 Matplotlib 繪製模型的 [接收者操作特徵曲線](https://scikit-learn.org/stable/auto_examples/model_selection/plot_roc.html?highlight=roc) 或 ROC。ROC 曲線通常用於查看分類器的輸出，從真陽性與假陽性的角度分析。"ROC 曲線通常在 Y 軸上顯示真陽性率，在 X 軸上顯示假陽性率。" 因此，曲線的陡峭程度以及曲線與中線之間的空間很重要：你希望曲線快速向上並超越中線。在我們的例子中，起初有一些假陽性，然後曲線正確地向上並超越中線：
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最後，使用 Scikit-learn 的 [`roc_auc_score` API](https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.metrics.roc_auc_score.html?highlight=roc_auc#sklearn.metrics.roc_auc_score) 計算實際的 "曲線下面積" (AUC)：
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```python
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auc = roc_auc_score(y_test,y_scores[:,1])
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print(auc)
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```
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結果是 `0.9749908725812341`。由於 AUC 的範圍是 0 到 1，你希望分數越高越好，因為一個模型如果能 100% 正確地進行預測，其 AUC 將為 1；在這個例子中，模型表現 _相當不錯_。
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在未來的分類課程中，你將學習如何迭代以改進模型的分數。但目前，恭喜你！你已完成這些回歸課程！
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## 🚀挑戰
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關於邏輯回歸還有很多值得探索的內容！但最好的學習方式是進行實驗。找一個適合此類分析的數據集並用它建立模型。你學到了什麼？提示：試試 [Kaggle](https://www.kaggle.com/search?q=logistic+regression+datasets) 找一些有趣的數據集。
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## [課後測驗](https://ff-quizzes.netlify.app/en/ml/)
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## 回顧與自學
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閱讀 [這篇來自 Stanford 的論文](https://web.stanford.edu/~jurafsky/slp3/5.pdf) 的前幾頁，了解邏輯回歸的一些實際用途。思考哪些任務更適合我們到目前為止所學的回歸類型。哪種方法效果最好？
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## 作業
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[重試此回歸](assignment.md)
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