Матрица ошибок википедия

From Wikipedia, the free encyclopedia

Terminology and derivations
from a confusion matrix

condition positive (P) the number of real positive cases in the data condition negative (N) the number of real negative cases in the data true positive (TP) A test result that correctly indicates the presence of a condition or characteristic true negative (TN) A test result that correctly indicates the absence of a condition or characteristic false positive (FP), Type I error A test result which wrongly indicates that a particular condition or attribute is present false negative (FN), Type II error A test result which wrongly indicates that a particular condition or attribute is absent sensitivity, recall, hit rate, or true positive rate (TPR) specificity, selectivity or true negative rate (TNR) precision or positive predictive value (PPV) negative predictive value (NPV) miss rate or false negative rate (FNR) fall-out or false positive rate (FPR) false discovery rate (FDR) false omission rate (FOR) Positive likelihood ratio (LR+) Negative likelihood ratio (LR-) prevalence threshold (PT) threat score (TS) or critical success index (CSI) Prevalence accuracy (ACC) balanced accuracy (BA) F1 score is the harmonic mean of precision and sensitivity: phi coefficient (φ or rφ) or Matthews correlation coefficient (MCC) Fowlkes–Mallows index (FM) informedness or bookmaker informedness (BM) markedness (MK) or deltaP (Δp) Diagnostic odds ratio (DOR) Sources: Fawcett (2006),[1] Piryonesi and El-Diraby (2020),[2] Powers (2011),[3] Ting (2011),[4] CAWCR,[5] D. Chicco & G. Jurman (2020, 2021, 2023),[6][7][8] Tharwat (2018).[9] Balayla (2020)[10]

In the field of machine learning and specifically the problem of statistical classification, a confusion matrix, also known as error matrix,^[11] is a specific table layout that allows visualization of the performance of an algorithm, typically a supervised learning one; in unsupervised learning it is usually called a matching matrix.

Each row of the matrix represents the instances in an actual class while each column represents the instances in a predicted class, or vice versa – both variants are found in the literature.^[12] The name stems from the fact that it makes it easy to see whether the system is confusing two classes (i.e. commonly mislabeling one as another).

It is a special kind of contingency table, with two dimensions («actual» and «predicted»), and identical sets of «classes» in both dimensions (each combination of dimension and class is a variable in the contingency table).

Example[edit]

Given a sample of 12 individuals, 8 that have been diagnosed with cancer and 4 that are cancer-free, where individuals with cancer belong to class 1 (positive) and non-cancer individuals belong to class 0 (negative), we can display that data as follows:

Individual Number	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Actual Classification	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0

Assume that we have a classifier that distinguishes between individuals with and without cancer in some way, we can take the 12 individuals and run them through the classifier. The classifier then makes 9 accurate predictions and misses 3: 2 individuals with cancer wrongly predicted as being cancer-free (sample 1 and 2), and 1 person without cancer that is wrongly predicted to have cancer (sample 9).

Individual Number	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Actual Classification	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0
Predicted Classification	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0

Notice, that if we compare the actual classification set to the predicted classification set, there are 4 different outcomes that could result in any particular column. One, if the actual classification is positive and the predicted classification is positive (1,1), this is called a true positive result because the positive sample was correctly identified by the classifier. Two, if the actual classification is positive and the predicted classification is negative (1,0), this is called a false negative result because the positive sample is incorrectly identified by the classifier as being negative. Third, if the actual classification is negative and the predicted classification is positive (0,1), this is called a false positive result because the negative sample is incorrectly identified by the classifier as being positive. Fourth, if the actual classification is negative and the predicted classification is negative (0,0), this is called a true negative result because the negative sample gets correctly identified by the classifier.

We can then perform the comparison between actual and predicted classifications and add this information to the table, making correct results appear in green so they are more easily identifiable.

Individual Number	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Actual Classification	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0	0
Predicted Classification	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0	0	0
Result	FN	FN	TP	TP	TP	TP	TP	TP	FP	TN	TN	TN

The template for any binary confusion matrix uses the four kinds of results discussed above (true positives, false negatives, false positives, and true negatives) along with the positive and negative classifications. The four outcomes can be formulated in a 2×2 confusion matrix, as follows:

		Predicted condition
Total population = P + N	Positive (PP)	Negative (PN)
Actual condition	Positive (P)	True positive (TP)	False negative (FN)
Negative (N)	False positive (FP)	True negative (TN)
Sources: [13][14][15][16][17][18][19][20]

The color convention of the three data tables above were picked to match this confusion matrix, in order to easily differentiate the data.

Now, we can simply total up each type of result, substitute into the template, and create a confusion matrix that will concisely summarize the results of testing the classifier:

		Predicted condition
Total 8 + 4 = 12	Cancer 7	Non-cancer 5
Actual condition	Cancer 8	6	2
Non-cancer 4	1	3

In this confusion matrix, of the 8 samples with cancer, the system judged that 2 were cancer-free, and of the 4 samples without cancer, it predicted that 1 did have cancer. All correct predictions are located in the diagonal of the table (highlighted in green), so it is easy to visually inspect the table for prediction errors, as values outside the diagonal will represent them. By summing up the 2 rows of the confusion matrix, one can also deduce the total number of positive (P) and negative (N) samples in the original dataset, i.e. and .

Table of confusion[edit]

In predictive analytics, a table of confusion (sometimes also called a confusion matrix) is a table with two rows and two columns that reports the number of true positives, false negatives, false positives, and true negatives. This allows more detailed analysis than simply observing the proportion of correct classifications (accuracy). Accuracy will yield misleading results if the data set is unbalanced; that is, when the numbers of observations in different classes vary greatly.

For example, if there were 95 cancer samples and only 5 non-cancer samples in the data, a particular classifier might classify all the observations as having cancer. The overall accuracy would be 95%, but in more detail the classifier would have a 100% recognition rate (sensitivity) for the cancer class but a 0% recognition rate for the non-cancer class. F1 score is even more unreliable in such cases, and here would yield over 97.4%, whereas informedness removes such bias and yields 0 as the probability of an informed decision for any form of guessing (here always guessing cancer).

According to Davide Chicco and Giuseppe Jurman, the most informative metric to evaluate a confusion matrix is the Matthews correlation coefficient (MCC).^[21]

Other metrics can be included in a confusion matrix, each of them having their significance and use.

		Predicted condition	Sources: [22][23][24][25][26][27][28][29][30] view talk edit
Total population = P + N	Positive (PP)	Negative (PN)	Informedness, bookmaker informedness (BM) = TPR + TNR − 1	Prevalence threshold (PT) =
Actual condition	Positive (P)	True positive (TP), hit	False negative (FN), type II error, miss, underestimation	True positive rate (TPR), recall, sensitivity (SEN), probability of detection, hit rate, power = TP/P = 1 − FNR	False negative rate (FNR), miss rate = FN/P = 1 − TPR
Negative (N)	False positive (FP), type I error, false alarm, overestimation	True negative (TN), correct rejection	False positive rate (FPR), probability of false alarm, fall-out = FP/N = 1 − TNR	True negative rate (TNR), specificity (SPC), selectivity = TN/N = 1 − FPR
	Prevalence = P/P + N	Positive predictive value (PPV), precision = TP/PP = 1 − FDR	False omission rate (FOR) = FN/PN = 1 − NPV	Positive likelihood ratio (LR+) = TPR/FPR	Negative likelihood ratio (LR−) = FNR/TNR
Accuracy (ACC) = TP + TN/P + N	False discovery rate (FDR) = FP/PP = 1 − PPV	Negative predictive value (NPV) = TN/PN = 1 − FOR	Markedness (MK), deltaP (Δp) = PPV + NPV − 1	Diagnostic odds ratio (DOR) = LR+/LR−
Balanced accuracy (BA) = TPR + TNR/2	F1 score = 2 PPV × TPR/PPV + TPR = 2 TP/2 TP + FP + FN	Fowlkes–Mallows index (FM) =	Matthews correlation coefficient (MCC) =	Threat score (TS), critical success index (CSI), Jaccard index = TP/TP + FN + FP

Confusion matrices with more than two categories[edit]

Confusion matrix is not limited to binary classification and can be used in multi-class classifiers as well.^[31] The confusion matrices discussed above have only two conditions: positive and negative. For example, the table below summarizes communication of a whistled language between two speakers, zero values omitted for clarity.^[32]

Perceived vowel Vowel produced	i	e	a	o	u
i	15		1
e	1		1
a			79	5
o			4	15	3
u				2	2

See also[edit]

• Positive and negative predictive values

References[edit]

Матрица ошибок – это метрика производительности классифицирующей модели Машинного обучения (ML).

Когда мы получаем данные, то после очистки и предварительной обработки, первым делом передаем их в модель и, конечно же, получаем результат в виде вероятностей. Но как мы можем измерить эффективность нашей модели? Именно здесь матрица ошибок и оказывается в центре внимания.

Матрица ошибок – это показатель успешности классификации, где классов два или более. Это таблица с 4 различными комбинациями сочетаний прогнозируемых и фактических значений.

Давайте рассмотрим значения ячеек (истинно позитивные, ошибочно позитивные, ошибочно негативные, истинно негативные) с помощью «беременной» аналогии.

Истинно позитивное предсказание (True Positive, сокр. TP)
Вы предсказали положительный результат, и женщина действительно беременна.

Истинно отрицательное предсказание (True Negative, TN)
Вы предсказали отрицательный результат, и мужчина действительно не беременен.

Ошибочно положительное предсказание (ошибка типа I, False Positive, FN)
Вы предсказали положительный результат (мужчина беременен), но на самом деле это не так.

Ошибочно отрицательное предсказание (ошибка типа II, False Negative, FN)
Вы предсказали, что женщина не беременна, но на самом деле она беременна.

Давайте разберемся в матрице ошибок с помощью арифметики.

Пример. Мы располагаем датасетом пациентов, у которых диагностируют рак. Зная верный диагноз (столбец целевой переменной «Y на самом деле»), хотим усовершенствовать диагностику с помощью модели Машинного обучения. Модель получила тренировочные данные, и на тестовой части, состоящей из 7 записей (в реальных задачах, конечно, больше) и изображенной ниже, мы оцениваем, насколько хорошо прошло обучение.

Модель сделала свои предсказания для каждого пациента и записала вероятности от 0 до 1 в столбец «Предсказанный Y». Мы округляем эти числа, приводя их к нулю или единице, с помощью порога, равного 0,6 (ниже этого значения – ноль, пациент здоров). Результаты округления попадают в столбец «Предсказанная вероятность»: например, для первой записи модель указала 0,5, что соответствует нулю. В последнем столбце мы анализируем, угадала ли модель.

Теперь, используя простейшие формулы, мы рассчитаем Отзыв (Recall), точность результата измерений (Precision), точность измерений (Accuracy), и наконец поймем разницу между этими метриками.

Отзыв

Из всех положительных значений, которые мы предсказали правильно, сколько на самом деле положительных? Подсчитаем, сколько единиц в столбце «Y на самом деле» (4), это и есть сумма TP + FN. Теперь определим с помощью «Предсказанной вероятности», сколько из них диагностировано верно (2), это и будет TP.

$$Отзыв = \frac{TP}{TP + FN} = \frac{2}{2 + 2} = \frac{1}{2}$$

Точность результата измерений (Precision)

В этом уравнении из неизвестных только FP. Ошибочно диагностированных как больных здесь только одна запись.

$$Точность\spaceрезультата\spaceизмерений = \frac{TP}{TP + FP} = \frac{2}{2 + 1} = \frac{2}{3}$$

Точность измерений (Accuracy)

Последнее значение, которое предстоит экстраполировать из таблицы – TN. Правильно диагностированных моделью здоровых людей здесь 2.

$$Точность\spaceизмерений = \frac{TP + TN}{Всего\spaceзначений} = \frac{2 + 2}{7} = \frac{4}{7}$$

F-мера точности теста

Эти метрики полезны, когда помогают вычислить F-меру – конечный показатель эффективности модели.

$$F-мера = \frac{2 * Отзыв * Точность\spaceизмерений}{Отзыв + Точность\spaceизмерений} = \frac{2 * \frac{1}{2} * \frac{2}{3}}{\frac{1}{2} + \frac{2}{3}} = 0,56$$

Наша скромная модель угадывает лишь 56% процентов диагнозов, и такой результат, как правило, считают промежуточным и работают над улучшением точности модели.

SkLearn

С помощью замечательной библиотеки Scikit-learn мы можем мгновенно определить множество метрик, и матрица ошибок – не исключение.

from sklearn.metrics import confusion_matrix
y_true = [2, 0, 2, 2, 0, 1]
y_pred = [0, 0, 2, 2, 0, 2]
confusion_matrix(y_true, y_pred)

Выводом будет ряд, состоящий из трех списков:

array([[2, 0, 0],
       [0, 0, 1],
       [1, 0, 2]])

Значения диагонали сверху вниз слева направо [2, 0, 2] – это число верно  предсказанных значений.

Фото: @opeleye

Матрица ошибок (англ. Сonfusion matrix)

Перед переходом к самим метрикам необходимо ввести важную концепцию для описания этих метрик в терминах ошибок классификации — confusion matrix (матрица ошибок).
Допустим, что у нас есть два класса и алгоритм, предсказывающий принадлежность каждого объекта одному из классов.
Рассмотрим пример. Пусть банк использует систему классификации заёмщиков на кредитоспособных и некредитоспособных. При этом первым кредит выдаётся, а вторые получат отказ. Таким образом, обнаружение некредитоспособного заёмщика () можно рассматривать как «сигнал тревоги», сообщающий о возможных рисках.

Любой реальный классификатор совершает ошибки. В нашем случае таких ошибок может быть две:

• Кредитоспособный заёмщик распознается моделью как некредитоспособный и ему отказывается в кредите. Данный случай можно трактовать как «ложную тревогу».
• Некредитоспособный заёмщик распознаётся как кредитоспособный и ему ошибочно выдаётся кредит. Данный случай можно рассматривать как «пропуск цели».

Несложно увидеть, что эти ошибки неравноценны по связанным с ними проблемам. В случае «ложной тревоги» потери банка составят только проценты по невыданному кредиту (только упущенная выгода). В случае «пропуска цели» можно потерять всю сумму выданного кредита. Поэтому системе важнее не допустить «пропуск цели», чем «ложную тревогу».

Поскольку с точки зрения логики задачи нам важнее правильно распознать некредитоспособного заёмщика с меткой , чем ошибиться в распознавании кредитоспособного, будем называть соответствующий исход классификации положительным (заёмщик некредитоспособен), а противоположный — отрицательным (заемщик кредитоспособен ). Тогда возможны следующие исходы классификации:

• Некредитоспособный заёмщик классифицирован как некредитоспособный, т.е. положительный класс распознан как положительный. Наблюдения, для которых это имеет место называются истинно-положительными (True Positive — TP).
• Кредитоспособный заёмщик классифицирован как кредитоспособный, т.е. отрицательный класс распознан как отрицательный. Наблюдения, которых это имеет место, называются истинно отрицательными (True Negative — TN).
• Кредитоспособный заёмщик классифицирован как некредитоспособный, т.е. имела место ошибка, в результате которой отрицательный класс был распознан как положительный. Наблюдения, для которых был получен такой исход классификации, называются ложно-положительными (False Positive — FP), а ошибка классификации называется ошибкой I рода.
• Некредитоспособный заёмщик распознан как кредитоспособный, т.е. имела место ошибка, в результате которой положительный класс был распознан как отрицательный. Наблюдения, для которых был получен такой исход классификации, называются ложно-отрицательными (False Negative — FN), а ошибка классификации называется ошибкой II рода.

Таким образом, ошибка I рода, или ложно-положительный исход классификации, имеет место, когда отрицательное наблюдение распознано моделью как положительное. Ошибкой II рода, или ложно-отрицательным исходом классификации, называют случай, когда положительное наблюдение распознано как отрицательное. Поясним это с помощью матрицы ошибок классификации:

	Истинно-положительный (True Positive — TP)	Ложно-положительный (False Positive — FP)
	Ложно-отрицательный (False Negative — FN)	Истинно-отрицательный (True Negative — TN)

Здесь — это ответ алгоритма на объекте, а — истинная метка класса на этом объекте.
Таким образом, ошибки классификации бывают двух видов: False Negative (FN) и False Positive (FP).
P означает что классификатор определяет класс объекта как положительный (N — отрицательный). T значит что класс предсказан правильно (соответственно F — неправильно). Каждая строка в матрице ошибок представляет спрогнозированный класс, а каждый столбец — фактический класс.

 # код для матрицы ошибок
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import confusion_matrix
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (англ. Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 # Для расчета матрицы ошибок сначала понадобится иметь набор прогнозов, чтобы их можно было сравнивать с фактическими целями
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687],
 #        [ 1891, 3530]])

Безупречный классификатор имел бы только истинно-поло­жительные и истинно отрицательные классификации, так что его матрица ошибок содержала бы ненулевые значения только на своей главной диа­гонали (от левого верхнего до правого нижнего угла):

 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.metrics import confusion_matrix
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 y_train_perfect_predictions = y_train_5 # притворись, что мы достигли совершенства
 print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_perfect_predictions))
 # array([[54579, 0],
 #        [ 0, 5421]])

Аккуратность (англ. Accuracy)

Интуитивно понятной, очевидной и почти неиспользуемой метрикой является accuracy — доля правильных ответов алгоритма:

Эта метрика бесполезна в задачах с неравными классами, что как вариант можно исправить с помощью алгоритмов сэмплирования и это легко показать на примере.

Допустим, мы хотим оценить работу спам-фильтра почты. У нас есть 100 не-спам писем, 90 из которых наш классификатор определил верно (True Negative = 90, False Positive = 10), и 10 спам-писем, 5 из которых классификатор также определил верно (True Positive = 5, False Negative = 5).
Тогда accuracy:

Однако если мы просто будем предсказывать все письма как не-спам, то получим более высокую аккуратность:

При этом, наша модель совершенно не обладает никакой предсказательной силой, так как изначально мы хотели определять письма со спамом. Преодолеть это нам поможет переход с общей для всех классов метрики к отдельным показателям качества классов.

 # код для для подсчета аккуратности:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import accuracy_score
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 # print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687]
 #        [ 1891, 3530]])
 print(accuracy_score(y_train_5, y_train_pred)) # == (53892 + 3530) / (53892 + 3530  + 1891 +687)
 
 # 0.9570333333333333

Точность (англ. Precision)

Точностью (precision) называется доля правильных ответов модели в пределах класса — это доля объектов действительно принадлежащих данному классу относительно всех объектов которые система отнесла к этому классу.

Именно введение precision не позволяет нам записывать все объекты в один класс, так как в этом случае мы получаем рост уровня False Positive.

Полнота (англ. Recall)

Полнота — это доля истинно положительных классификаций. Полнота показывает, какую долю объектов, реально относящихся к положительному классу, мы предсказали верно.

Полнота (recall) демонстрирует способность алгоритма обнаруживать данный класс вообще.

Имея матрицу ошибок, очень просто можно вычислить точность и полноту для каждого класса. Точность (precision) равняется отношению соответствующего диагонального элемента матрицы и суммы всей строки класса. Полнота (recall) — отношению диагонального элемента матрицы и суммы всего столбца класса. Формально:

Результирующая точность классификатора рассчитывается как арифметическое среднее его точности по всем классам. То же самое с полнотой. Технически этот подход называется macro-averaging.

 # код для для подсчета точности и полноты:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.metrics import precision_score, recall_score
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 # print(confusion_matrix(y_train_5, y_train_pred))
 # array([[53892, 687]
 #        [ 1891, 3530]])
 print(precision_score(y_train_5, y_train_pred)) # == 3530 / (3530 + 687)
 print(recall_score(y_train_5, y_train_pred)) # == 3530 / (3530 + 1891)
   
 # 0.8370879772350012
 # 0.6511713705958311

F-мера (англ. F-score)

Precision и recall не зависят, в отличие от accuracy, от соотношения классов и потому применимы в условиях несбалансированных выборок.
Часто в реальной практике стоит задача найти оптимальный (для заказчика) баланс между этими двумя метриками. Понятно что чем выше точность и полнота, тем лучше. Но в реальной жизни максимальная точность и полнота не достижимы одновременно и приходится искать некий баланс. Поэтому, хотелось бы иметь некую метрику которая объединяла бы в себе информацию о точности и полноте нашего алгоритма. В этом случае нам будет проще принимать решение о том какую реализацию запускать в производство (у кого больше тот и круче). Именно такой метрикой является F-мера.

F-мера представляет собой гармоническое среднее между точностью и полнотой. Она стремится к нулю, если точность или полнота стремится к нулю.

Данная формула придает одинаковый вес точности и полноте, поэтому F-мера будет падать одинаково при уменьшении и точности и полноты. Возможно рассчитать F-меру придав различный вес точности и полноте, если вы осознанно отдаете приоритет одной из этих метрик при разработке алгоритма:

где принимает значения в диапазоне если вы хотите отдать приоритет точности, а при приоритет отдается полноте. При формула сводится к предыдущей и вы получаете сбалансированную F-меру (также ее называют ).

F-мера достигает максимума при максимальной полноте и точности, и близка к нулю, если один из аргументов близок к нулю.

F-мера является хорошим кандидатом на формальную метрику оценки качества классификатора. Она сводит к одному числу две других основополагающих метрики: точность и полноту. Имея «F-меру» гораздо проще ответить на вопрос: «поменялся алгоритм в лучшую сторону или нет?»

 # код для подсчета метрики F-mera:
 # Пример классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя
 # классами, "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 from sklearn.metrics import f1_score
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распознавать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 print(f1_score(y_train_5, y_train_pred))
 
 # 0.7325171197343846

ROC-кривая

Кривая рабочих характеристик (англ. Receiver Operating Characteristics curve).
Используется для анализа поведения классификаторов при различных пороговых значениях.
Позволяет рассмотреть все пороговые значения для данного классификатора.
Показывает долю ложно положительных примеров (англ. false positive rate, FPR) в сравнении с долей истинно положительных примеров (англ. true positive rate, TPR).

Доля FPR — это пропорция отрицательных образцов, которые были некорректно классифицированы как положительные.

,

где TNR — доля истинно отрицательных классификаций (англ. Тrие Negative Rate), пред­ставляющая собой пропорцию отрицательных образцов, которые были кор­ректно классифицированы как отрицательные.

Доля TNR также называется специфичностью (англ. specificity). Следовательно, ROC-кривая изображает чувствительность (англ. seпsitivity), т.е. полноту, в срав­нении с разностью 1 — specificity.

Прямая линия по диагонали представляет ROC-кривую чисто случайного классификатора. Хороший классификатор держится от указанной линии настолько далеко, насколько это
возможно (стремясь к левому верхнему углу).

Один из способов сравнения классификаторов предусматривает измере­ние площади под кривой (англ. Area Under the Curve — AUC). Безупречный клас­сификатор будет иметь площадь под ROC-кривой (ROC-AUC), равную 1, тогда как чисто случайный классификатор — площадь 0.5.

 # Код отрисовки ROC-кривой
 # На примере классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя классами
 # "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 from sklearn.metrics import roc_curve
 import matplotlib.pyplot as plt
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5)  # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 y_scores = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3, method="decision_function")
 fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_train_5, y_scores)
 def plot_roc_curve(fpr, tpr, label=None):
     plt.plot(fpr, tpr, linewidth=2, label=label)
     plt.plot([0, 1], [0, 1], 'k--') # dashed diagonal
     plt.xlabel('False Positive Rate, FPR (1 - specificity)')
     plt.ylabel('True Positive Rate, TPR (Recall)')
     plt.title('ROC curve')
     plt.savefig("ROC.png")
 plot_roc_curve(fpr, tpr)
 plt.show()

Precison-recall кривая

Чувствительность к соотношению классов.
Рассмотрим задачу выделения математических статей из множества научных статей. Допустим, что всего имеется 1.000.100 статей, из которых лишь 100 относятся к математике. Если нам удастся построить алгоритм , идеально решающий задачу, то его TPR будет равен единице, а FPR — нулю. Рассмотрим теперь плохой алгоритм, дающий положительный ответ на 95 математических и 50.000 нематематических статьях. Такой алгоритм совершенно бесполезен, но при этом имеет TPR = 0.95 и FPR = 0.05, что крайне близко к показателям идеального алгоритма.
Таким образом, если положительный класс существенно меньше по размеру, то AUC-ROC может давать неадекватную оценку качества работы алгоритма, поскольку измеряет долю неверно принятых объектов относительно общего числа отрицательных. Так, алгоритм , помещающий 100 релевантных документов на позиции с 50.001-й по 50.101-ю, будет иметь AUC-ROC 0.95.

Precison-recall (PR) кривая. Избавиться от указанной проблемы с несбалансированными классами можно, перейдя от ROC-кривой к PR-кривой. Она определяется аналогично ROC-кривой, только по осям откладываются не FPR и TPR, а полнота (по оси абсцисс) и точность (по оси ординат). Критерием качества семейства алгоритмов выступает площадь под PR-кривой (англ. Area Under the Curve — AUC-PR)

 # Код отрисовки Precison-recall кривой
 # На примере классификатора, способного проводить различие между всего лишь двумя классами
 # "пятерка" и "не пятерка" из набора рукописных цифр MNIST
 from sklearn.metrics import precision_recall_curve
 import matplotlib.pyplot as plt
 import numpy as np
 from sklearn.datasets import fetch_openml
 from sklearn.model_selection import cross_val_predict
 from sklearn.linear_model import SGDClassifier
 mnist = fetch_openml('mnist_784', version=1)
 X, y = mnist["data"], mnist["target"]
 y = y.astype(np.uint8)
 X_train, X_test, y_train, y_test = X[:60000], X[60000:], y[:60000], y[60000:]
 y_train_5 = (y_train == 5) # True для всех пятерок, False для в сех остальных цифр. Задача опознать пятерки
 y_test_5 = (y_test == 5)
 sgd_clf = SGDClassifier(random_state=42) # классификатор на основе метода стохастического градиентного спуска (Stochastic Gradient Descent SGD)
 sgd_clf.fit(X_train, y_train_5) # обучаем классификатор распозновать пятерки на целом обучающем наборе
 y_train_pred = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3)
 y_scores = cross_val_predict(sgd_clf, X_train, y_train_5, cv=3, method="decision_function")
 precisions, recalls, thresholds = precision_recall_curve(y_train_5, y_scores)
 def plot_precision_recall_vs_threshold(precisions, recalls, thresholds):
     plt.plot(recalls, precisions, linewidth=2)
     plt.xlabel('Recall')
     plt.ylabel('Precision')
     plt.title('Precision-Recall curve')
     plt.savefig("Precision_Recall_curve.png")
 plot_precision_recall_vs_threshold(precisions, recalls, thresholds)
 plt.show()

Наиболее типичными мерами качества в задачах регрессии являются

Средняя квадратичная ошибка (англ. Mean Squared Error, MSE)

MSE применяется в ситуациях, когда нам надо подчеркнуть большие ошибки и выбрать модель, которая дает меньше больших ошибок прогноза. Грубые ошибки становятся заметнее за счет того, что ошибку прогноза мы возводим в квадрат. И модель, которая дает нам меньшее значение среднеквадратической ошибки, можно сказать, что что у этой модели меньше грубых ошибок.

и

Cредняя абсолютная ошибка (англ. Mean Absolute Error, MAE)

Среднеквадратичный функционал сильнее штрафует за большие отклонения по сравнению со среднеабсолютным, и поэтому более чувствителен к выбросам. При использовании любого из этих двух функционалов может быть полезно проанализировать, какие объекты вносят наибольший вклад в общую ошибку — не исключено, что на этих объектах была допущена ошибка при вычислении признаков или целевой величины.

Среднеквадратичная ошибка подходит для сравнения двух моделей или для контроля качества во время обучения, но не позволяет сделать выводов о том, на сколько хорошо данная модель решает задачу. Например, MSE = 10 является очень плохим показателем, если целевая переменная принимает значения от 0 до 1, и очень хорошим, если целевая переменная лежит в интервале (10000, 100000). В таких ситуациях вместо среднеквадратичной ошибки полезно использовать коэффициент детерминации —

Коэффициент детерминации

Коэффициент детерминации измеряет долю дисперсии, объясненную моделью, в общей дисперсии целевой переменной. Фактически, данная мера качества — это нормированная среднеквадратичная ошибка. Если она близка к единице, то модель хорошо объясняет данные, если же она близка к нулю, то прогнозы сопоставимы по качеству с константным предсказанием.

Средняя абсолютная процентная ошибка (англ. Mean Absolute Percentage Error, MAPE)

Это коэффициент, не имеющий размерности, с очень простой интерпретацией. Его можно измерять в долях или процентах. Если у вас получилось, например, что MAPE=11.4%, то это говорит о том, что ошибка составила 11,4% от фактических значений.
Основная проблема данной ошибки — нестабильность.

Корень из средней квадратичной ошибки (англ. Root Mean Squared Error, RMSE)

Примерно такая же проблема, как и в MAPE: так как каждое отклонение возводится в квадрат, любое небольшое отклонение может значительно повлиять на показатель ошибки. Стоит отметить, что существует также ошибка MSE, из которой RMSE как раз и получается путем извлечения корня.

Cимметричная MAPE (англ. Symmetric MAPE, SMAPE)

Средняя абсолютная масштабированная ошибка (англ. Mean absolute scaled error, MASE)

MASE является очень хорошим вариантом для расчета точности, так как сама ошибка не зависит от масштабов данных и является симметричной: то есть положительные и отрицательные отклонения от факта рассматриваются в равной степени.
Обратите внимание, что в MASE мы имеем дело с двумя суммами: та, что в числителе, соответствует тестовой выборке, та, что в знаменателе — обучающей. Вторая фактически представляет собой среднюю абсолютную ошибку прогноза. Она же соответствует среднему абсолютному отклонению ряда в первых разностях. Эта величина, по сути, показывает, насколько обучающая выборка предсказуема. Она может быть равна нулю только в том случае, когда все значения в обучающей выборке равны друг другу, что соответствует отсутствию каких-либо изменений в ряде данных, ситуации на практике почти невозможной. Кроме того, если ряд имеет тенденцию к росту либо снижению, его первые разности будут колебаться около некоторого фиксированного уровня. В результате этого по разным рядам с разной структурой, знаменатели будут более-менее сопоставимыми. Всё это, конечно же, является очевидными плюсами MASE, так как позволяет складывать разные значения по разным рядам и получать несмещённые оценки.

Недостаток MASE в том, что её тяжело интерпретировать. Например, MASE=1.21 ни о чём, по сути, не говорит. Это просто означает, что ошибка прогноза оказалась в 1.21 раза выше среднего абсолютного отклонения ряда в первых разностях, и ничего более.

Были ли вы в ситуации, когда вы ожидали, что ваша модель машинного обучения должна работать очень хорошо, но у нее была низкая точность? Вы проделали всю тяжелую работу — так где же модель классификации сработала не так? Как это исправить?

Существует множество способов оценить эффективность вашей модели классификации, но ни один из них не выдержал испытания временем, кроме матрицы ошибок. Она помогает нам оценить, как наша модель работала, где она пошла не туда, и предлагает нам рекомендации по исправлению нашего пути.

В этой статье мы рассмотрим, как матрица ошибок дает целостное представление об эффективности вашей модели. И, в отличие от названия, вы поймете, что матрица ошибок — довольно простая, но мощная концепция. Итак, давайте раскроем тайну матрицы ошибок!

Что такое матрица ошибок?

Вопрос на миллион долларов — что такое, в конце концов, матрица ошибок?

Матрица ошибок — это матрица размером N x N, используемая для оценки эффективности модели классификации, где N — количество целевых классов. Матрица сравнивает фактические целевые значения с предсказанными моделью машинного обучения. Это дает нам целостное представление о том, насколько хорошо работает наша классификационная модель и какие ошибки она допускает.

Для задачи двоичной классификации у нас будет матрица 2 x 2, как показано ниже, с 4 значениями:

Расшифруем матрицу:

Но подождите — что здесь TP, FP, FN и TN? Это важнейшая часть матрицы ошибок. Давайте разберемся с каждым термином ниже.

Понимание True Positive, True Negative, False Positive и False Negative в матрице ошибок

True Positive (TP)

True Negative (TN)

False Positive (FP) — ошибка 1-го типа

False Negative (FN) — ошибка 2-го типа

Позвольте мне привести пример, чтобы лучше это понять. Предположим, у нас есть набор данных классификации с 1000 точками данных. Мы подгоняем на нем классификатор и получаем следующую матрицу ошибок:

Различные значения матрицы ошибок будут следующими:

Это оказался довольно приличный классификатор для нашего набора данных, учитывая относительно большее количество истинно положительных и истинно отрицательных значений.

Помните об ошибках 1-го и 2-го типа. Интервьюеры любят спрашивать, в чем разница между ними!

Зачем нам нужна матрица ошибок?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте подумаем о проблеме гипотетической классификации.

Допустим, вы хотите предсказать, сколько людей инфицировано заразным вирусом, до того, как у них проявятся симптомы, и изолировать их от здорового населения. Двумя значениями для нашей целевой переменной будут: Sick и Not Sick.

Теперь вы, должно быть, задаетесь вопросом — зачем нам матрица ошибок, когда у нас есть наш вечный друг — Точность? Что ж, посмотрим, где точность не работает.

Наш набор данных является примером несбалансированного набора данных. Имеется 947 точек данных для отрицательного класса и 3 точки данных для положительного класса. Вот как мы рассчитаем точность:

Посмотрим, как работает наша модель:

Общие значения результатов:

TP = 30, TN = 930, FP = 30, FN = 10

Итак, точность для нашей модели:

96%! Неплохо!

Но это дает неверное представление о результате. Подумайте об этом.

Наша модель гласит: «Я могу предсказать заболевание в 96% случаев». Однако она делает наоборот. Это предсказание людей, которые не заболеют с точностью 96%, пока больные распространяют вирус!

Как вы думаете, это правильный показатель для нашей модели, учитывая серьезность проблемы? Разве мы не должны измерять, сколько положительных случаев мы можем правильно предсказать, чтобы остановить распространение заразного вируса? Или, из правильно спрогнозированных случаев сколько положительных случаев для проверки надежности нашей модели?

Здесь мы сталкиваемся с двойным понятием «точность (Precision) и полнота (Recall)».

Precision vs. Recall

Точность говорит нам, сколько из правильно предсказанных случаев действительно оказались положительными.

Вот как рассчитать точность:

Это определило бы надежность нашей модели.

Полнота сообщает нам, сколько реальных положительных случаев мы смогли правильно предсказать с помощью нашей модели.

А вот как мы можем рассчитать полноту:

Мы можем легко рассчитать точность и полноту для нашей модели, подставив значения в приведенные выше уравнения:

50% процентов правильно предсказанных случаев оказались положительными. В то время как 75% положительных результатов были успешно предсказаны нашей моделью. Потрясающие!

Точность — полезный показатель в тех случаях, когда ложноположительный результат важнее, чем ложноотрицательный.

Точность важна в системах рекомендаций по музыке или видео, на веб-сайтах электронной коммерции и т. д. Неправильные результаты могут привести к оттоку клиентов и нанести вред бизнесу.

Полнота — полезный показатель в случаях, когда ложноотрицательный результат важнее ложноположительного.

Полнота важна в медицинских случаях, когда не имеет значения, что возникает ложная тревога, но реальные положительные случаи не должны оставаться незамеченными!

В нашем примере полнота была бы лучшим показателем, потому что мы не хотим, чтобы случайно выписали инфицированного человека и позволили ему смешаться со здоровым населением, тем самым распространяя заразный вирус. Теперь вы можете понять, почему точность была плохим показателем для нашей модели.

Но будут случаи, когда нет четкой разницы между тем, что важнее: точность или полнота. Что нам делать в таких случаях? Мы их совмещаем!

F1-Score

На практике, когда мы пытаемся повысить точность нашей модели, полнота снижается, и наоборот. F1-Score отражает обе тенденции в одном значении:

F1-Score представляет собой гармоничное среднее значение точности и полноты, поэтому дает общее представление об этих двух показателях. Оно максимально, когда точность равно полноте.

Но здесь есть одна загвоздка. Интерпретируемость оценки F1 оставляет желать лучшего. Это означает, что мы не знаем, чего добивается наш классификатор — точности или полноты? Итак, мы используем его в сочетании с другими оценочными метриками, что дает нам полную картину результата.

Матрица ошибок с использованием scikit-learn в Python

Вы знаете теорию — теперь давайте применим ее на практике. Давайте запрограммируем матрицу ошибок с помощью библиотеки Scikit-learn (sklearn) на Python.

# confusion matrix in sklearn

from sklearn.metrics import confusion_matrix

3 from sklearn.metrics import classification_report

# actual values

actual = [1,0,0,1,0,0,1,0,0,1]

# predicted values

predicted = [1,0,0,1,0,0,0,1,0,0]

# confusion matrix

matrix = confusion_matrix(actual,predicted, labels=[1,0])

print(‘Confusion matrix : \n’,matrix)

# outcome values order in sklearn

tp, fn, fp, tn = confusion_matrix(actual,predicted,labels=[1,0]).reshape(-1)

print(‘Outcome values : \n’, tp, fn, fp, tn)

# classification report for precision, recall f1-score and accuracy

matrix = classification_report(actual,predicted,labels=[1,0])

print(‘Classification report : \n’,matrix)

Sklearn имеет две отличные функции: confusion_matrix() и classification_report().

Mirco average — это оценка точности/полноты/f1, рассчитанная для всех классов.

Macro average — это среднее значение точности/полноты/f1-score.

Weighted average — это просто средневзвешенное значение точности/полноты/f1-score.

Матрица ошибок для мультиклассовой классификации

Как матрица ошибок будет работать для задачи классификации нескольких классов? Мы рассмотрим и этот случай.

Давайте нарисуем матрицу ошибок для мультиклассовой задачи, в которой мы должны предсказать, любит ли человек Facebook, Instagram или Snapchat. Матрица ошибок будет иметь вид 3 x 3:

true positive, true negative, false positive и false negative для каждого класса будут вычисляться путем сложения значений ячеек следующим образом:

Вот и все! Вы готовы расшифровать любую матрицу ошибок размером N x N!

Заключение

И вдруг матрица ошибок перестает быть такой запутанной! Эта статья должна дать вам прочную основу для интерпретации и использования матрицы ошибок для алгоритмов классификации в машинном обучении.

Вскоре мы выпустим статью о кривой AUC-ROC и продолжим наше обсуждение там. До этого не теряйте надежды на свою модель классификации, возможно, вы просто используете неправильную метрику оценки!

Пусть дана выборка (, — метка класса i-го объекта, ), каждый объект которой относится к одному из классов и классификатор , который эти классы предсказывает. Матрицей ошибок для такого классификатора называется следующая матрица: .

Такая матрица показывает сколько объектов класса были распознаны как объекты класса .

 Случай бинарной классификации[]

	TP	FP
	FN	TN

В случае бинарной классификации метка класса принимает значение (положительный класс) или (отрицательный). Вводятся 4 величины, соответствующие элементам матрицы ошибок:

P означает что классификатор определяет класс объекта как положительный (N — отрицательный). T — значит что класс предсказан правильно (соответственно F — неправильно).

Ахтунг! Не путать с матрицей штрафов.

Точность, полнота, F мера.[]

accuracy

precision

recall

Литература:

• Китов лекции по оценкам классификаторов (2-7 слайды)