使用scikit-learn计算分类器的ROC曲线及AUC值

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-02-17 11:22 135阅读 0赞

在前面的博客中介绍了[使用scikit-learn绘制分类器的学习曲线][scikit-learn]，今天介绍一下使用scikit-learn绘制分类器的ROC曲线，以及计算AUC的值。

ROC曲线主要用于衡量二分类器的性能，当正负样本不均衡时，准确率和召回率不能合理度量分类器的性能。关于ROC曲线和AUC的计算scikit-learn工具包中主要提供了以下几个函数：

1、roc\_curve函数（只能用于二分类）：根据模型预测结果（概率，置信度等）和样本真实标签，按照模型预测结果降序排序依次选择阈值，基于阈值计算fpr、tpr，基于fpr和tpr即可得到分类器的ROC曲线

2、auc函数：基于roc\_curve函数返回fpr、tpr序列计算二分类器的AUC值

3、roc\_auc\_score函数：基于样本真实标签y\_target和模型预测结果（概率，置信度等）计算AUC的值，可以用于计算多分类器的AUC数值

下面通过例子看一下函数的具体使用方法：

**roc\_curve示例：**

根据模型预测结果（概率，置信度等）和样本真实标签，按照模型预测结果降序排序依次选择阈值，基于阈值计算fpr/tpr。

from sklearn.metrics import roc_auc_score
    from sklearn.metrics import roc_curve
    from sklearn.metrics import auc
    import numpy as np
    
    
    y = np.array([1, 1, 2, 2])
    scores = np.array([0.1, 0.4, 0.35, 0.8])
    fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y, scores, pos_label=2)
    
    fpr, tpr, thresholds

输出的fpr、tpr和thresholds如下：

(array(\[0. , 0. , 0.5, 0.5, 1. \]),  
array(\[0. , 0.5, 0.5, 1. , 1. \]),  
array(\[1.8 , 0.8 , 0.4 , 0.35, 0.1 \]))

基于fpr（x轴）和tpr（y轴）绘制ROC曲线如下：

%matplotlib inline
    from matplotlib import pyplot as plt
    
    plt.plot(fpr, tpr)
    plt.xlabel("FPR")
    plt.ylabel("TPR")
    plt.xlim([0, 1])
    plt.ylim([0, 1])

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**auc示例：**

基于roc\_curve函数返回fpr、tpr序列计算AUC的值（和roc\_auc\_score等价）。

import numpy as np
    y = np.array([1, 1, 2, 2])
    pred = np.array([0.1, 0.4, 0.35, 0.8])
    fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y, pred, pos_label=2)
    auc(fpr, tpr), roc_auc_score(y, pred)

输出结果如下：

(0.75, 0.75)

**roc\_auc\_score示例：**

基于样本真实标签y\_target和模型预测结果（概率，置信度等）计算AUC的值，可以用于计算多分类器的AUC数值。

%matplotlib inline
    import matplotlib.pyplot as plt
    import numpy as np
    from sklearn.svm import SVC
    from sklearn.metrics import roc_curve, roc_auc_score, auc, plot_roc_curve
    from sklearn.multiclass import OneVsOneClassifier, OneVsRestClassifier
    from sklearn.preprocessing import label_binarize
    from sklearn import datasets
    from sklearn.model_selection import train_test_split
    np.random.seed(100)
    
    # 加载iris数据集
    iris = datasets.load_iris()
    X = iris.data
    y = iris.target
    print(X.shape, y.shape)
    n_samples, n_features = X.shape
    
    # iris数据集加入噪声，使得ROC不是那么完美
    X = np.c_[X, np.random.randn(n_samples, 50 * n_features)]
    # y = label_binarize(y, classes=[0, 1, 2])
    # n_classes = y.shape[1]
    # 训练样本的类别数量
    n_classes = 3
    
    # 划分训练集和测试集
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=.5, random_state=0)
    print(X_train.shape, y_train.shape)
    print(X_test.shape, y_test.shape)
    
    # 使用One-vs-One模式训练SVM分类器
    clf = OneVsRestClassifier(SVC(kernel="linear", probability=True))
    clf.fit(X_train, y_train)
    
    # 计算分类器在测试集上的决策值
    y_scores = clf.predict_proba(X_test)
    print(y_scores.shape)
    
    # 绘制每个类别的ROC曲线
    fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(8, 8))
    colors = ["r", "g", "b", "k"]
    markers = ["o", "^", "v", "+"]
    
    y_test = label_binarize(y_test, classes=clf.classes_)
    for i in range(n_classes):
        # 计算每个类别的FPR, TPR 
        fpr, tpr, thr = roc_curve(y_test[:, i], y_scores[:, i])
    #     print("classes_{}, fpr: {}, tpr: {}, threshold: {}".format(i, fpr, tpr, thr))
        # 绘制ROC曲线，并计算AUC值
        axes[int(i / 2), i % 2].plot(fpr, tpr, color=colors[i], marker=markers[i], label="AUC: {:.2f}".format(auc(fpr, tpr)))
        axes[int(i / 2), i % 2].set_xlabel("FPR")
        axes[int(i / 2), i % 2].set_ylabel("TPR")
        axes[int(i / 2), i % 2].set_title("Class_{}".format(clf.classes_[i]))
        axes[int(i / 2), i % 2].legend(loc="lower right")
    
    print("AUC:", roc_auc_score(y_test, clf.predict_proba(X_test), multi_class="ovr", average=None))

输出结果如下：

AUC: \[0.99647266 0.8237037  0.90196078\]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

这个例子中是一个多分类问题，y\_scores和y\_test的形状都是（n\_samples， 3），且y\_scores、y\_test的每列分别代表clf.classes\_每种类型的真实标签和预测概率，然后基于每种类型的真是标签和预测概率计使用roc\_curve函数计算fpr和tpr，并使用auc函数计算AUC的值。最后使用roc\_auc\_score函数计算多分类的整体AUC值。

在计算多分类的roc\_auc\_score值时，可以通过参数multi\_class : \{'raise', 'ovr', 'ovo'\}控制多分类模型是使用哪种模式训练的，参数average : \{'micro', 'macro', 'samples', 'weighted'\} or None表示使用何种方式计算多分类器AUC的值，常用的包括宏平均和微平均。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

[scikit-learn]: https://blog.csdn.net/cxx654/article/details/104922756
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200613201100671.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200613203255288.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200613203738545.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200613203757685.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N4eDY1NA==,size_16,color_FFFFFF,t_70