獨(dú)家 | Python的“predict_prob”方法不能真實(shí)反映預(yù)測概率校準(zhǔn)（如何實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)）

作者:  Samuele Mazzanti

翻譯：歐陽錦    

校對：王可汗

圖源自作者

數(shù)據(jù)科學(xué)家通常根據(jù)準(zhǔn)確性或準(zhǔn)確性來評估其預(yù)測模型，但幾乎不會問自己：

“我的模型能夠預(yù)測實(shí)際概率嗎？”

但是，從商業(yè)的角度來看，準(zhǔn)確的概率估計(jì)是非常有價值的（準(zhǔn)確的概率估計(jì)有時甚至比好的精度更有價值）。來看一個例子。

想象一下，你的公司正在出售2個杯子，一個是普通的白色杯子，而另一個則上面印有小貓的照片。你必須決定向這位給定的客戶展示哪個杯子。為此，你需要預(yù)測給定的用戶購買每個杯子的可能性。因此，你訓(xùn)練了幾個不同的模型，你會得到以下結(jié)果：

具有相同ROC（receiver operating characteristic）但校準(zhǔn)不同的模型。[圖源自作者]

現(xiàn)在，你會向該用戶推薦哪個杯子？

以上兩種模型都認(rèn)為用戶更有可能購買普通馬克杯（因此，模型A和模型B在ROC曲線下具有相同的面積，因?yàn)檫@個指標(biāo)僅僅對分類進(jìn)行評估）。

但是，根據(jù)模型A，你可以通過推薦普通馬克杯來最大化預(yù)期的利潤，然而根據(jù)模型B，小貓馬克杯可以最大化預(yù)期的利潤。

在像這樣的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，搞清楚哪種模型能夠估算出更好的概率是至關(guān)重要的事情。

在本文中，我們將了解如何度量概率的校準(zhǔn)(包括視覺和數(shù)字)，以及如何“糾正”現(xiàn)有模型以獲得更好的概率。

“predict_proba”的問題

Python中所有最流行的機(jī)器學(xué)習(xí)庫都有一種稱為“ predict_proba”的方法：Scikit-learn（例如LogisticRegression，SVC，RandomForest等），XGBoost，LightGBM，CatBoost，Keras…

但是，盡管它的名字是預(yù)測概率，“predict_proba”并不能完全預(yù)測概率。實(shí)際上，不同的研究（尤其是這個研究和這個研究）表明，最為常見的預(yù)測模型并沒有進(jìn)行校準(zhǔn)。

數(shù)值在0與1之間不代表它就是概率！

但是，什么時候可以說一個數(shù)值實(shí)際上代表概率呢？

想象一下，你已經(jīng)訓(xùn)練了一種預(yù)測模型來預(yù)測患者是否會患上癌癥。如果對于給定的患者，模型預(yù)測的概率為5％。原則上，我們應(yīng)該在多個平行宇宙中觀察同一位患者，并查看其實(shí)際上患上癌癥的頻率是否為5％。

但是這種觀察條件這是不可能發(fā)生的事，所以最好的替代方法是將所有概率在5％附近的患者都接受治療，并計(jì)算其中有多少人真的患了癌癥。如果觀察到的患癌百分比實(shí)際上接近5％，則可以說該模型提供的概率是“已校準(zhǔn)”的。

當(dāng)預(yù)測的概率反映了真實(shí)情況的潛在概率時，這些預(yù)測概率被稱為“已校準(zhǔn)”。

那么，如何檢查一個模型是否已校準(zhǔn)？

校準(zhǔn)曲線

評估一個模型校準(zhǔn)的最簡單的方法是通過一個稱為“校準(zhǔn)曲線”的圖（也稱為“可靠性圖”，reliability diagram）。

這個方法主要是將觀察到的結(jié)果通過概率劃分為幾類（bin）。因此，屬于同一類的觀測值具有相近的概率。在這一點(diǎn)上，對于每個類，校準(zhǔn)曲線將預(yù)測這個類的平均值（即預(yù)測概率的平均值），然后將預(yù)測概率的平均值與理論平均值（即觀察到的目標(biāo)變量的平均值）進(jìn)行比較。

Scikit-learn通過“ calibration_curve”函數(shù)可以完成所有這些工作：

你只需要確定類的數(shù)量和以下兩者之間的分類策略（可選）即可：

• “uniform”，一個0-1的間隔被分為n_bins個類，它們都具有相同的寬度；

• “quantile”，類的邊緣被定義，從而使得每個類都具有相同數(shù)量的觀測值。

 分類策略，分類數(shù)量為7。[圖源自作者]

出于繪圖目的，本人更喜歡“quantile”的分類策略。實(shí)際上，“uniform”分類可能會引起誤導(dǎo)，因?yàn)橛行╊愔锌赡苤话苌俚挠^察結(jié)果。

Numpy函數(shù)給每個分類返回兩個數(shù)組，每個數(shù)組包含平均概率和目標(biāo)變量的平均值。因此，接下來要做的就是繪制它們：

假設(shè)你的模型具有良好的精度，則校準(zhǔn)曲線將單調(diào)增加。但這并不意味著模型已被正確校準(zhǔn)。實(shí)際上，只有在校準(zhǔn)曲線非常接近等分線時（即下圖中的灰色虛線），您的模型才能得到很好的校準(zhǔn)，因?yàn)檫@將意味著預(yù)測概率基本上接近理論概率。

讓我們看一些校準(zhǔn)曲線的常見類型的例子，它們表明了模型的校準(zhǔn)錯誤：

錯誤校準(zhǔn)的常見示例。 [圖源自作者]

最常見的錯誤校準(zhǔn)類型為：

• 系統(tǒng)高估。與真實(shí)分布相比，預(yù)測概率的分布整體偏右。當(dāng)您在正數(shù)極少的不平衡數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練模型時，這種錯誤校準(zhǔn)很常見。（如紅線）

• 系統(tǒng)低估。與真實(shí)分布相比，預(yù)測概率的分布整體偏左。（如藍(lán)線）

• 分布中心太重。當(dāng)“支持向量機(jī)和提升樹之類的算法趨向于將預(yù)測概率推離0和1”（引自《Predicting good probabilities with supervised learning》）時，就會發(fā)生這類錯誤校準(zhǔn)。（如綠線）

• 分布的尾巴太重。例如，“其他方法（如樸素貝葉斯）具有相反的偏差（bias），并且傾向于將預(yù)測概率趨近于0和1”（引自《Predicting good probabilities with supervised learning》）。（如黑線）

如何解決校準(zhǔn)錯誤（Python）

假設(shè)你已經(jīng)訓(xùn)練了一個分類器，該分類器會產(chǎn)生準(zhǔn)確但未經(jīng)校準(zhǔn)的概率。概率校準(zhǔn)的思想是建立第二個模型（稱為校準(zhǔn)器），校準(zhǔn)器模型能夠?qū)⒛阌?xùn)練的分類器“校準(zhǔn)”為實(shí)際概率。

請注意，用于訓(xùn)練的第一個分類器的數(shù)據(jù)不能被用于校準(zhǔn)。

通過兩步法進(jìn)行概率校準(zhǔn)。 [圖源自作者]

因此，校準(zhǔn)包括了將一個一維矢量（未校準(zhǔn)概率）轉(zhuǎn)換為另一個一維矢量（已校準(zhǔn)概率）的功能。

兩種常被用作校準(zhǔn)器的方法：

• 保序回歸。一種非參數(shù)算法，這種非參數(shù)算法將非遞減的自由格式行擬合到數(shù)據(jù)中。行不會減少這一事實(shí)是很重要的，因?yàn)樗駨脑寂判颉?/p>

• 邏輯回歸。

看看使用Python如何在玩具數(shù)據(jù)集中實(shí)際應(yīng)用校準(zhǔn)器：

首先，需要擬合一個分類器。這里使用隨機(jī)森林（或者任何具有“predict_proba”方法的模型都可以）。

然后，使用分類器的輸出（在驗(yàn)證數(shù)據(jù)集上）來擬合校準(zhǔn)器，并最終預(yù)測測試數(shù)據(jù)集的概率。

保序回歸

邏輯回歸

現(xiàn)在有三種選擇來預(yù)測概率：

1. 普通隨機(jī)森林，

2. 隨機(jī)森林 + 保序回歸，

3. 隨機(jī)森林 + 邏輯回歸。

但是，我們?nèi)绾卧u估最校準(zhǔn)的是哪一個呢？

量化校準(zhǔn)錯誤

每個人都喜歡圖片展示的量化效果。但是除了校準(zhǔn)圖外，我們還需要一種定量的方法來測量校準(zhǔn)。最常用的方法稱為“預(yù)期校準(zhǔn)誤差（Expected Calibration Error）”，這個方法回答了下面的問題：

我們模型的預(yù)測概率與真實(shí)概率平均相距多遠(yuǎn)？

以一個分類器為例：

對單個類別（bin）的校準(zhǔn)。[圖源自作者]

定義單個類別（bin）的校準(zhǔn)誤差很容易：即為預(yù)測概率的平均值與同一類別（bin）內(nèi)的正數(shù)所占百分比的絕對差值。

如果考慮一下這個定義，它非常直觀且符合邏輯。取一個類別（bin），并假設(shè)其預(yù)測概率的平均值為25％。因此，我們預(yù)計(jì)該類別中的正數(shù)所占百分比大約等于25％。如果這個百分比離25％越遠(yuǎn)，意味著這個類別（bin）的校準(zhǔn)就越差。

因此，預(yù)期校準(zhǔn)誤差（Expected Calibration Error, ECE）是單個類別的校準(zhǔn)誤差的加權(quán)平均值，其中每個類別的權(quán)重與它包含的觀測值的數(shù)量成正比：

預(yù)期校準(zhǔn)誤差（ECE）[圖源自作者]

其中b標(biāo)識一個類別（bin），B是類別（bin）的數(shù)量。注意，分母只是樣本總數(shù)。

但是這個公式給我們留下了定義B值（即，類別數(shù)量）的問題。為了找到盡可能中性的指標(biāo)，我建議根據(jù)Freedman-Diaconis rule（這是一個統(tǒng)計(jì)規(guī)則，旨在找到使直方圖盡可能接近理論概率分布的B值。）

在Python中使用Freedman-Diaconis rule非常簡單，因?yàn)樗呀?jīng)在numpy的直方圖函數(shù)中被實(shí)現(xiàn)（足以將字符串“ fd”傳遞給參數(shù)“ bins”）。

以下是預(yù)期校準(zhǔn)錯誤（ECE）的Python實(shí)現(xiàn)，默認(rèn)情況下采用Freedman-Diaconis rule：

現(xiàn)在，我們有了一個校準(zhǔn)方法，讓我們比較上面獲得的三個預(yù)測概率的模型（在測試集上）的校準(zhǔn)情況：

三個模型的ECE比較。 [圖源自作者]

正如上圖所示，如果你認(rèn)為普通隨機(jī)森林的ECE為7％，那么保序回歸在校準(zhǔn)方面則提供了最好的結(jié)果，這可以看作是一個巨大的進(jìn)步，因?yàn)槠骄鶃砜?，使用保序回歸的模型，其預(yù)測概率距離真實(shí)概率只有1.2％。

引用

如果你想了解更多概率校準(zhǔn)的主題，以下是一些有趣的文章（本文的基石）：

• ?Predicting good probabilities with supervised learning? (2005) by Caruana and Niculescu-Mizil.

• ?On Calibration of Modern Neural Networks? (2017) by Guo et al.

• ?Obtaining Well Calibrated Probabilities Using Bayesian Binning? (2015) by Naeini et al.

原文標(biāo)題：

Python’s ?predict_proba? Doesn’t Actually Predict Probabilities (and How to Fix It)

原文鏈接：

https://towardsdatascience.com/pythons-predict-proba-doesn-t-actually-predict-probabilities-and-how-to-fix-it-f582c21d63fc