运用sklearn进行主成分分析(PCA)代码实现

一、前言及回顾

从上一篇《PCA数据降维原理及python应用（葡萄酒案例分析）》，我们知道，主成分分析PCA是一种无监督数据压缩技术，上一篇逐步自行写代码能够让我更好地理解PCA内部实现机制，那知识熟悉以及技术成熟后我们可以运用什么提高编码效率？

答案就是：基于sklearn的主成分分析代码实现，使用PCA类进行无监督数据降维，仍然以葡萄酒数据集wine.data为案例，本文将运用sklearn封装的PCA类来实现，提高编码效率，而且会感觉十分简单，前提需要学习理解PCA实现原理及步骤。

这里回顾：《PCA数据降维原理及python应用（葡萄酒案例分析）》

二、sklearn的PCA类介绍

sklearn中的PCA类相当于一个转换器，首先用训练数据来拟合模型，以葡萄酒数据集为例，通过逻辑回归转化样本数据，实现了主成分分析以及特征提取，直接调用PCA类即可。

三、分类结果区域可视化函数

为了在分类结果区别决策区域并可视化表示，这里编写plot_decision_region函数。

def plot_decision_regions(x, y, classifier, resolution=0.02):
    markers = ['s', 'x', 'o', '^', 'v']
    colors = ['r', 'g', 'b', 'gray', 'cyan']
    cmap = ListedColormap(colors[:len(np.unique(y))])
 
    x1_min, x1_max = x[:, 0].min() - 1, x[:, 0].max() + 1
    x2_min, x2_max = x[:, 1].min() - 1, x[:, 1].max() + 1
    xx1, xx2 = np.meshgrid(np.arange(x1_min, x1_max, resolution), np.arange(x2_min, x2_max, resolution))
    z = classifier.predict(np.array([xx1.ravel(), xx2.ravel()]).T)
    z = z.reshape(xx1.shape)
    plt.contourf(xx1, xx2, z, alpha=0.4, cmap=cmap)
 
    for idx, cc in enumerate(np.unique(y)):
        plt.scatter(x=x[y == cc, 0],
                    y=x[y == cc, 1],
                    alpha=0.6,
                    c=cmap(idx),
                    edgecolor='black',
                    marker=markers[idx],
                    label=cc)

四、10行代码完成葡萄酒数据集分类

10行感觉是否很简单，确实关键步骤调用PCA类和plt画图总共10行。

代码如下：

pca = PCA(n_components=2) # 前两个主成分
lr = LogisticRegression() # 逻辑回归来拟合模型
x_train_pca = pca.fit_transform(x_train_std)
x_test_pca = pca.fit_transform(x_test_std)
lr.fit(x_train_pca, y_train)
plot_decision_regions(x_train_pca, y_train, classifier=lr)
plt.xlabel('PC1')
plt.ylabel('PC2')
plt.legend(loc='lower left')
plt.show()

这里看出使用到的主成分也是前两个，使用逻辑回归对训练数据进行拟合，建立模型。

来看看结果就是这样。训练集上的分类效果还是很不错，跟上次自己实现的PCA几乎一样，这次加上了区域的边界划分，更加直观！

测试集上呢?居然是这样！

观察一下，发现好像也不是分类错误，而是发生镜像反转了。造成这种差异的原因是，在测试集上的特征向量正负方向问题，所以需要将测试数据乘以-1反转镜像，从而得到正确的图像。

上面测试数据的pca直接乘以-1，修改为：

x_test_pca = pca.fit_transform(x_test_std) * -1  # 预测时候特征向量正负问题，乘-1反转镜像

这时候镜像反转就对了：看效果在测试集上的分类也不错。

当然，数据加载以及标准化处理还是原来的方法。

# load data
df_wine = pd.read_csv('D:\\PyCharm_Project\\maching_learning\\wine_data\\wine.data', header=None)  # 本地加载
 
# split the data，train：test=7:3
x, y = df_wine.iloc[:, 1:].values, df_wine.iloc[:, 0].values
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.3, stratify=y, random_state=0)
 
# standardize the feature 标准化单位方差
sc = StandardScaler()
x_train_std = sc.fit_transform(x_train)
x_test_std = sc.fit_transform(x_test)

五、完整代码

这里完整给出代码，并实现训练效果和测效果子图的对比。

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split
from matplotlib.colors import ListedColormap
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import numpy as np
 
 
def plot_decision_regions(x, y, classifier, resolution=0.02):
    markers = ['s', 'x', 'o', '^', 'v']
    colors = ['r', 'g', 'b', 'gray', 'cyan']
    cmap = ListedColormap(colors[:len(np.unique(y))])
 
    x1_min, x1_max = x[:, 0].min() - 1, x[:, 0].max() + 1
    x2_min, x2_max = x[:, 1].min() - 1, x[:, 1].max() + 1
    xx1, xx2 = np.meshgrid(np.arange(x1_min, x1_max, resolution), np.arange(x2_min, x2_max, resolution))
    z = classifier.predict(np.array([xx1.ravel(), xx2.ravel()]).T)
    z = z.reshape(xx1.shape)
    plt.contourf(xx1, xx2, z, alpha=0.4, cmap=cmap)
 
    for idx, cc in enumerate(np.unique(y)):
        plt.scatter(x=x[y == cc, 0],
                    y=x[y == cc, 1],
                    alpha=0.6,
                    c=cmap(idx),
                    edgecolor='black',
                    marker=markers[idx],
                    label=cc)
 
 
def main():
    # load data
    # df_wine = pd.read_csv('D:\\PyCharm_Project\\maching_learning\\wine_data\\wine.data', header=None)  # 本地加载
    df_wine = pd.read_csv('https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/wine/wine.data',
                          header=None)  # 服务器加载
 
    # split the data，train：test=7:3
    x, y = df_wine.iloc[:, 1:].values, df_wine.iloc[:, 0].values
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.3, stratify=y, random_state=0)
 
    # standardize the feature 标准化单位方差
    sc = StandardScaler()
    x_train_std = sc.fit_transform(x_train)
    x_test_std = sc.fit_transform(x_test)
 
    pca = PCA(n_components=2)
    lr = LogisticRegression()
    x_train_pca = pca.fit_transform(x_train_std)
    x_test_pca = pca.fit_transform(x_test_std) * -1  # 预测时候特征向量正负问题，乘-1反转镜像
    lr.fit(x_train_pca, y_train)
    plt.figure(figsize=(6, 7), dpi=100)  # 画图高宽，像素
    plt.subplot(2, 1, 1)
    plot_decision_regions(x_train_pca, y_train, classifier=lr)
    plt.title('Training Result')
    plt.xlabel('PC1')
    plt.ylabel('PC2')
    plt.legend(loc='lower left')
 
    plt.subplot(2, 1, 2)
    plot_decision_regions(x_test_pca, y_test, classifier=lr)
    plt.title('Testing Result')
    plt.xlabel('PC1')
    plt.ylabel('PC2')
    plt.legend(loc='lower left')
    plt.tight_layout()  # 子图间距
    plt.show()
 
 
if __name__ == '__main__':
    main()