Mae mean absolute error это

From Wikipedia, the free encyclopedia

From Wikipedia, the free encyclopedia

In statistics, mean absolute error (MAE) is a measure of errors between paired observations expressing the same phenomenon. Examples of Y versus X include comparisons of predicted versus observed, subsequent time versus initial time, and one technique of measurement versus an alternative technique of measurement. MAE is calculated as the sum of absolute errors divided by the sample size:[1]

{displaystyle mathrm {MAE} ={frac {sum _{i=1}^{n}left|y_{i}-x_{i}right|}{n}}={frac {sum _{i=1}^{n}left|e_{i}right|}{n}}.}

It is thus an arithmetic average of the absolute errors {displaystyle |e_{i}|=|y_{i}-x_{i}|}, where y_{i} is the prediction and x_{i} the true value. Note that alternative formulations may include relative frequencies as weight factors. The mean absolute error uses the same scale as the data being measured. This is known as a scale-dependent accuracy measure and therefore cannot be used to make comparisons between series using different scales.[2] The mean absolute error is a common measure of forecast error in time series analysis,[3] sometimes used in confusion with the more standard definition of mean absolute deviation. The same confusion exists more generally.

Quantity disagreement and allocation disagreement[edit]

2 data points for which Quantity Disagreement is 0 and Allocation Disagreement is 2 for both MAE and RMSE

It is possible to express MAE as the sum of two components: Quantity Disagreement and Allocation Disagreement. Quantity Disagreement is the absolute value of the Mean Error given by:[4]

{displaystyle mathrm {ME} ={frac {sum _{i=1}^{n}y_{i}-x_{i}}{n}}.}

Allocation Disagreement is MAE minus Quantity Disagreement.

It is also possible to identify the types of difference by looking at an (x,y) plot. Quantity difference exists when the average of the X values does not equal the average of the Y values. Allocation difference exists if and only if points reside on both sides of the identity line.[4][5]

[edit]

The mean absolute error is one of a number of ways of comparing forecasts with their eventual outcomes. Well-established alternatives are the mean absolute scaled error (MASE) and the mean squared error. These all summarize performance in ways that disregard the direction of over- or under- prediction; a measure that does place emphasis on this is the mean signed difference.

Where a prediction model is to be fitted using a selected performance measure, in the sense that the least squares approach is related to the mean squared error, the equivalent for mean absolute error is least absolute deviations.

MAE is not identical to root-mean square error (RMSE), although some researchers report and interpret it that way. MAE is conceptually simpler and also easier to interpret than RMSE: it is simply the average absolute vertical or horizontal distance between each point in a scatter plot and the Y=X line. In other words, MAE is the average absolute difference between X and Y. Furthermore, each error contributes to MAE in proportion to the absolute value of the error. This is in contrast to RMSE which involves squaring the differences, so that a few large differences will increase the RMSE to a greater degree than the MAE.[4] See the example above for an illustration of these differences.

Optimality property[edit]

The mean absolute error of a real variable c with respect to the random variable X is

{displaystyle E(left|X-cright|)}

Provided that the probability distribution of X is such that the above expectation exists, then m is a median of X if and only if m is a minimizer of the mean absolute error with respect to X.[6] In particular, m is a sample median if and only if m minimizes the arithmetic mean of the absolute deviations.[7]

More generally, a median is defined as a minimum of

{displaystyle E(|X-c|-|X|),}

as discussed at Multivariate median (and specifically at Spatial median).

This optimization-based definition of the median is useful in statistical data-analysis, for example, in k-medians clustering.

Proof of optimality[edit]

Statement: The classifier minimising {displaystyle mathbb {E} |y-{hat {y}}|} is {displaystyle {hat {f}}(x)={text{Median}}(y|X=x)} .

Proof:

The Loss functions for classification is

{displaystyle {begin{aligned}L&=mathbb {E} [|y-a||X=x]\&=int _{-infty }^{infty }|y-a|f_{Y|X}(y),dy\&=int _{-infty }^{a}(a-y)f_{Y|X}(y),dy+int _{a}^{infty }(y-a)f_{Y|X}(y),dy\end{aligned}}}

Differentiating with respect to a gives

{displaystyle {frac {partial }{partial a}}L=int _{-infty }^{a}f_{Y|X}(y),dy+int _{a}^{infty }-f_{Y|X}(y),dy=0}

This means

{displaystyle int _{-infty }^{a}f(y),dy=int _{a}^{infty }f(y),dy}

Hence

{displaystyle F_{Y|X}(a)=0.5}

See also[edit]

  • Least absolute deviations
  • Mean absolute percentage error
  • Mean percentage error
  • Symmetric mean absolute percentage error

References[edit]

  1. ^ Willmott, Cort J.; Matsuura, Kenji (December 19, 2005). «Advantages of the mean absolute error (MAE) over the root mean square error (RMSE) in assessing average model performance». Climate Research. 30: 79–82. doi:10.3354/cr030079.
  2. ^ «2.5 Evaluating forecast accuracy | OTexts». www.otexts.org. Retrieved 2016-05-18.
  3. ^ Hyndman, R. and Koehler A. (2005). «Another look at measures of forecast accuracy» [1]
  4. ^ a b c Pontius Jr., Robert Gilmore; Thontteh, Olufunmilayo; Chen, Hao (2008). «Components of information for multiple resolution comparison between maps that share a real variable». Environmental and Ecological Statistics. 15 (2): 111–142. doi:10.1007/s10651-007-0043-y. S2CID 21427573.
  5. ^ Willmott, C. J.; Matsuura, K. (January 2006). «On the use of dimensioned measures of error to evaluate the performance of spatial interpolators». International Journal of Geographical Information Science. 20: 89–102. doi:10.1080/13658810500286976. S2CID 15407960.
  6. ^ Stroock, Daniel (2011). Probability Theory. Cambridge University Press. pp. 43. ISBN 978-0-521-13250-3.
  7. ^ Nicolas, André (2012-02-25). «The Median Minimizes the Sum of Absolute Deviations (The $ {L}_{1} $ Norm)». StackExchange.

Introduction

With any machine learning project, it is essential to measure the performance of the model. What we need is a metric to quantify the prediction error in a way that is easily understandable to an audience without a strong technical background. For regression problems, the Mean Absolute Error (MAE) is just such a metric.

The mean absolute error is the average difference between the observations (true values) and model output (predictions). The sign of these differences is ignored so that cancellations between positive and negative values do not occur. If we didn’t ignore the sign, the MAE calculated would likely be far lower than the true difference between model and data.

Mathematically, the MAE is expressed as:

MAE = frac{1}{N}sum_i^N|y_{i,pred}-y_{i,true}|

where y_{pred} are the predicted values, y_{true} are the observations, and N is the total number of samples considered in the calculation.

Python Coding Example

I will work though an example here using Python. First let’s load in the required packages:

## imports ##
import numpy as np
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
import matplotlib.pyplot as plt

We can now create a toy dataset. For this example, I’ll generate data using a sine curve with noise added:

## define two arrays: x & y ##
x_true = np.linspace(0,4*np.pi,50)
y_true = np.sin(x_true) + np.random.rand(x_true.shape[0])

We can now plot these data:

## plot the data ##
plt.plot(x_true,y_true)
plt.title('Sinusoidal Data with Noise')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.show()

mean absolute error

Now let’s assume we’ve built a model to predict the y values for every x in our toy dataset. Let’s plot the model output along with our data:

## plot the data & predictions ##
plt.plot(x_true,y_true)
plt.plot(x_true,y_pred)
plt.title('Sinusoidal Data with Noise + Predictions')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.legend(['y_true','y_pred'])
plt.show()

mean absolute error

It’s evident that the model follows the general trend in the data, but there are differences. How can we quantify how large the differences are between the model predictions and data? Let’s address this by calculating the MAE, using the function available from scikit-learn:

## compute the mae ##
mae = mean_absolute_error(y_true,y_pred)
print("The mean absolute error is: {:.2f}".format(mae))

The mean absolute error is: 0.27

We find that the MAE is 0.27, giving us a measure of how accurate our model is for these data. We can plot these results with error bars superimposed on our model prediction values:

## plot the data & predictions with the mae ##
plt.plot(x_true,y_true)
plt.errorbar(x_true,y_pred,mae)
plt.title('Sinusoidal Data with Noise + Predictions')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.legend(['y_true','y_pred'])
plt.show()

mean absolute error

The vertical bars indicate the MAE calculated, and define a zone of uncertainty for our model predictions. We can see that this zone does encompass much of the random fluctuations in our data, and thus provides a reasonable estimate of the model accuracy.

Гораздо легче что-то измерить, чем понять, что именно вы измеряете

Джон Уильям Салливан

Задачи машинного обучения с учителем как правило состоят в восстановлении зависимости между парами (признаковое описание, целевая переменная) по данным, доступным нам для анализа. Алгоритмы машинного обучения (learning algorithm), со многими из которых вы уже успели познакомиться, позволяют построить модель, аппроксимирующую эту зависимость. Но как понять, насколько качественной получилась аппроксимация?

Почти наверняка наша модель будет ошибаться на некоторых объектах: будь она даже идеальной, шум или выбросы в тестовых данных всё испортят. При этом разные модели будут ошибаться на разных объектах и в разной степени. Задача специалиста по машинному обучению – подобрать подходящий критерий, который позволит сравнивать различные модели.

Перед чтением этой главы мы хотели бы ещё раз напомнить, что качество модели нельзя оценивать на обучающей выборке. Как минимум, это стоит делать на отложенной (тестовой) выборке, но, если вам это позволяют время и вычислительные ресурсы, стоит прибегнуть и к более надёжным способам проверки – например, кросс-валидации (о ней вы узнаете в отдельной главе).

Выбор метрик в реальных задачах

Возможно, вы уже участвовали в соревнованиях по анализу данных. На таких соревнованиях метрику (критерий качества модели) организатор выбирает за вас, и она, как правило, довольно понятным образом связана с результатами предсказаний. Но на практике всё бывает намного сложнее.

Например, мы хотим:

  • решить, сколько коробок с бананами нужно завтра привезти в конкретный магазин, чтобы минимизировать количество товара, который не будет выкуплен и минимизировать ситуацию, когда покупатель к концу дня не находит желаемый продукт на полке;
  • увеличить счастье пользователя от работы с нашим сервисом, чтобы он стал лояльным и обеспечивал тем самым стабильный прогнозируемый доход;
  • решить, нужно ли направить человека на дополнительное обследование.

В каждом конкретном случае может возникать целая иерархия метрик. Представим, например, что речь идёт о стриминговом музыкальном сервисе, пользователей которого мы решили порадовать сгенерированными самодельной нейросетью треками – не защищёнными авторским правом, а потому совершенно бесплатными. Иерархия метрик могла бы иметь такой вид:

  1. Самый верхний уровень: будущий доход сервиса – невозможно измерить в моменте, сложным образом зависит от совокупности всех наших усилий;
  2. Медианная длина сессии, возможно, служащая оценкой радости пользователей, которая, как мы надеемся, повлияет на их желание продолжать платить за подписку – её нам придётся измерять в продакшене, ведь нас интересует реакция настоящих пользователей на новшество;
  3. Доля удовлетворённых качеством сгенерированной музыки асессоров, на которых мы потестируем её до того, как выставить на суд пользователей;
  4. Функция потерь, на которую мы будем обучать генеративную сеть.

На этом примере мы можем заметить сразу несколько общих закономерностей. Во-первых, метрики бывают offline и online (оффлайновыми и онлайновыми). Online метрики вычисляются по данным, собираемым с работающей системы (например, медианная длина сессии). Offline метрики могут быть измерены до введения модели в эксплуатацию, например, по историческим данным или с привлечением специальных людей, асессоров. Последнее часто применяется, когда метрикой является реакция живого человека: скажем, так поступают поисковые компании, которые предлагают людям оценить качество ранжирования экспериментальной системы еще до того, как рядовые пользователи увидят эти результаты в обычном порядке. На самом же нижнем этаже иерархии лежат оптимизируемые в ходе обучения функции потерь.

В данном разделе нас будут интересовать offline метрики, которые могут быть измерены без привлечения людей.

Функция потерь $neq$ метрика качества

Как мы узнали ранее, методы обучения реализуют разные подходы к обучению:

  • обучение на основе прироста информации (как в деревьях решений)
  • обучение на основе сходства (как в методах ближайших соседей)
  • обучение на основе вероятностной модели данных (например, максимизацией правдоподобия)
  • обучение на основе ошибок (минимизация эмпирического риска)

И в рамках обучения на основе минимизации ошибок мы уже отвечали на вопрос: как можно штрафовать модель за предсказание на обучающем объекте.

Во время сведения задачи о построении решающего правила к задаче численной оптимизации, мы вводили понятие функции потерь и, обычно, объявляли целевой функцией сумму потерь от предсказаний на всех объектах обучающей выборке.

Важно понимать разницу между функцией потерь и метрикой качества. Её можно сформулировать следующим образом:

  • Функция потерь возникает в тот момент, когда мы сводим задачу построения модели к задаче оптимизации. Обычно требуется, чтобы она обладала хорошими свойствами (например, дифференцируемостью).

  • Метрика – внешний, объективный критерий качества, обычно зависящий не от параметров модели, а только от предсказанных меток.

В некоторых случаях метрика может совпадать с функцией потерь. Например, в задаче регрессии MSE играет роль как функции потерь, так и метрики. Но, скажем, в задаче бинарной классификации они почти всегда различаются: в качестве функции потерь может выступать кросс-энтропия, а в качестве метрики – число верно угаданных меток (accuracy). Отметим, что в последнем примере у них различные аргументы: на вход кросс-энтропии нужно подавать логиты, а на вход accuracy – предсказанные метки (то есть по сути argmax логитов).

Бинарная классификация: метки классов

Перейдём к обзору метрик и начнём с самой простой разновидности классификации – бинарной, а затем постепенно будем наращивать сложность.

Напомним постановку задачи бинарной классификации: нам нужно по обучающей выборке ${(x_i, y_i)}_{i=1}^N$, где $y_iin{0, 1}$ построить модель, которая по объекту $x$ предсказывает метку класса $f(x)in{0, 1}$.

Первым критерием качества, который приходит в голову, является accuracy – доля объектов, для которых мы правильно предсказали класс:

$$ color{#348FEA}{text{Accuracy}(y, y^{pred}) = frac{1}{N} sum_{i=1}^N mathbb{I}[y_i = f(x_i)]} $$

Или же сопряженная ей метрика – доля ошибочных классификаций (error rate):

$$text{Error rate} = 1 — text{Accuracy}$$

Познакомившись чуть внимательнее с этой метрикой, можно заметить, что у неё есть несколько недостатков:

  • она не учитывает дисбаланс классов. Например, в задаче диагностики редких заболеваний классификатор, предсказывающий всем пациентам отсутствие болезни будет иметь достаточно высокую accuracy просто потому, что больных людей в выборке намного меньше;
  • она также не учитывает цену ошибки на объектах разных классов. Для примера снова можно привести задачу медицинской диагностики: если ошибочный положительный диагноз для здорового больного обернётся лишь ещё одним обследованием, то ошибочно отрицательный вердикт может повлечь роковые последствия.

Confusion matrix (матрица ошибок)

Исторически задача бинарной классификации – это задача об обнаружении чего-то редкого в большом потоке объектов, например, поиск человека, больного туберкулёзом, по флюорографии. Или задача признания пятна на экране приёмника радиолокационной станции бомбардировщиком, представляющем угрозу охраняемому объекту (в противовес стае гусей).

Поэтому класс, который представляет для нас интерес, называется «положительным», а оставшийся – «отрицательным».

Заметим, что для каждого объекта в выборке возможно 4 ситуации:

  • мы предсказали положительную метку и угадали. Будет относить такие объекты к true positive (TP) группе (true – потому что предсказали мы правильно, а positive – потому что предсказали положительную метку);
  • мы предсказали положительную метку, но ошиблись в своём предсказании – false positive (FP) (false, потому что предсказание было неправильным);
  • мы предсказали отрицательную метку и угадалиtrue negative (TN);
  • и наконец, мы предсказали отрицательную метку, но ошиблисьfalse negative (FN). Для удобства все эти 4 числа изображают в виде таблицы, которую называют confusion matrix (матрицей ошибок):

6_1.png

Не волнуйтесь, если первое время эти обозначения будут сводить вас с ума (будем откровенны, даже профи со стажем в них порой путаются), однако логика за ними достаточно простая: первая часть названия группы показывает угадали ли мы с классом, а вторая – какой класс мы предсказали.

6_2.png

Пример

Попробуем воспользоваться введёнными метриками в боевом примере: сравним работу нескольких моделей классификации на Breast cancer wisconsin (diagnostic) dataset.

Объектами выборки являются фотографии биопсии грудных опухолей. С их помощью было сформировано признаковое описание, которое заключается в характеристиках ядер клеток (таких как радиус ядра, его текстура, симметричность). Положительным классом в такой постановке будут злокачественные опухоли, а отрицательным – доброкачественные.

Модель 1. Константное предсказание.

Решение задачи начнём с самого простого классификатора, который выдаёт на каждом объекте константное предсказание – самый часто встречающийся класс.

Зачем вообще замерять качество на такой модели?При разработке модели машинного обучения для проекта всегда желательно иметь некоторую baseline модель. Так нам будет легче проконтролировать, что наша более сложная модель действительно дает нам прирост качества.

from sklearn.datasets 
import load_breast_cancer 
the_data = load_breast_cancer()    

# 0 – "доброкачественный" 
# 1 – "злокачественный" 
relabeled_target = 1 - the_data["target"] 

from sklearn.model_selection import train_test_split 
X = the_data["data"] 
y = relabeled_target 
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0) 

from sklearn.dummy import DummyClassifier 
dc_mf = DummyClassifier(strategy="most_frequent") 
dc_mf.fit(X_train, y_train) 

from sklearn.metrics import confusion_matrix 
y_true = y_test y_pred = dc_mf.predict(X_test) 
dc_mf_tn, dc_mf_fp, dc_mf_fn, dc_mf_tp = confusion_matrix(y_true, y_pred, labels = [0, 1]).ravel() 
Прогнозируемый класс + Прогнозируемый класс —
Истинный класс + TP = 0 FN = 53
Истинный класс — FP = 0 TN = 90

Обучающие данные таковы, что наш dummy-классификатор все объекты записывает в отрицательный класс, то есть признаёт все опухоли доброкачественными. Такой наивный подход позволяет нам получить минимальный штраф за FP (действительно, нельзя ошибиться в предсказании, если положительный класс вообще не предсказывается), но и максимальный штраф за FN (в эту группу попадут все злокачественные опухоли).

Модель 2. Случайный лес.

Настало время воспользоваться всем арсеналом моделей машинного обучения, и начнём мы со случайного леса.

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier 
rfc = RandomForestClassifier()       
rfc.fit(X_train, y_train)       
y_true = y_test       
y_pred = rfc.predict(X_test)       
rfc_tn, rfc_fp, rfc_fn, rfc_tp = confusion_matrix(y_true, y_pred, labels = [0, 1]).ravel()
Прогнозируемый класс + Прогнозируемый класс —
Истинный класс + TP = 52 FN = 1
Истинный класс — FP = 4 TN = 86

Можно сказать, что этот классификатор чему-то научился, т.к. главная диагональ матрицы стала содержать все объекты из отложенной выборки, за исключением 4 + 1 = 5 объектов (сравните с 0 + 53 объектами dummy-классификатора, все опухоли объявляющего доброкачественными).

Отметим, что вычисляя долю недиагональных элементов, мы приходим к метрике error rate, о которой мы говорили в самом начале:

$$text{Error rate} = frac{FP + FN}{ TP + TN + FP + FN}$$

тогда как доля объектов, попавших на главную диагональ – это как раз таки accuracy:

$$text{Accuracy} = frac{TP + TN}{ TP + TN + FP + FN}$$

Модель 3. Метод опорных векторов.

Давайте построим еще один классификатор на основе линейного метода опорных векторов.

Не забудьте привести признаки к единому масштабу, иначе численный алгоритм не сойдется к решению и мы получим гораздо более плохо работающее решающее правило. Попробуйте проделать это упражнение.

from sklearn.svm import LinearSVC
from sklearn.preprocessing import StandardScaler 
ss = StandardScaler() ss.fit(X_train) 
scaled_linsvc = LinearSVC(C=0.01,random_state=42) 
scaled_linsvc.fit(ss.transform(X_train), y_train) 
y_true = y_test 
y_pred = scaled_linsvc.predict(ss.transform(X_test)) 
tn, fp, fn, tp = confusion_matrix(y_true, y_pred, labels = [0, 1]).ravel() 
Прогнозируемый класс + Прогнозируемый класс —
Истинный класс + TP = 50 FN = 3
Истинный класс — FP = 1 TN = 89

Сравним результаты

Легко заметить, что каждая из двух моделей лучше классификатора-пустышки, однако давайте попробуем сравнить их между собой. С точки зрения error rate модели практически одинаковы: 5/143 для леса против 4/143 для SVM.

Посмотрим на структуру ошибок чуть более внимательно: лес – (FP = 4, FN = 1), SVM – (FP = 1, FN = 3). Какая из моделей предпочтительнее?

Замечание: Мы сравниваем несколько классификаторов на основании их предсказаний на отложенной выборке. Насколько ошибки данных классификаторов зависят от разбиения исходного набора данных? Иногда в процессе оценки качества мы будем получать модели, чьи показатели эффективности будут статистически неразличимыми.

Пусть мы учли предыдущее замечание и эти модели действительно статистически значимо ошибаются в разную сторону. Мы встретились с очевидной вещью: на матрицах нет отношения порядка. Когда мы сравнивали dummy-классификатор и случайный лес с помощью Accuracy, мы всю сложную структуру ошибок свели к одному числу, т.к. на вещественных числах отношение порядка есть. Сводить оценку модели к одному числу очень удобно, однако не стоит забывать, что у вашей модели есть много аспектов качества.

Что же всё-таки важнее уменьшить: FP или FN? Вернёмся к задаче: FP – доля доброкачественных опухолей, которым ошибочно присваивается метка злокачественной, а FN – доля злокачественных опухолей, которые классификатор пропускает. В такой постановке становится понятно, что при сравнении выиграет модель с меньшим FN (то есть лес в нашем примере), ведь каждая не обнаруженная опухоль может стоить человеческой жизни.

Рассмотрим теперь другую задачу: по данным о погоде предсказать, будет ли успешным запуск спутника. FN в такой постановке – это ошибочное предсказание неуспеха, то есть не более, чем упущенный шанс (если вас, конечно не уволят за срыв сроков). С FP всё серьёзней: если вы предскажете удачный запуск спутника, а на деле он потерпит крушение из-за погодных условий, то ваши потери будут в разы существеннее.

Итак, из примеров мы видим, что в текущем виде введенная нами доля ошибочных классификаций не даст нам возможности учесть неравную важность FP и FN. Поэтому введем две новые метрики: точность и полноту.

Точность и полнота

Accuracy — это метрика, которая характеризует качество модели, агрегированное по всем классам. Это полезно, когда классы для нас имеют одинаковое значение. В случае, если это не так, accuracy может быть обманчивой.

Рассмотрим ситуацию, когда положительный класс это событие редкое. Возьмем в качестве примера поисковую систему — в нашем хранилище хранятся миллиарды документов, а релевантных к конкретному поисковому запросу на несколько порядков меньше.

Пусть мы хотим решить задачу бинарной классификации «документ d релевантен по запросу q». Благодаря большому дисбалансу, Accuracy dummy-классификатора, объявляющего все документы нерелевантными, будет близка к единице. Напомним, что $text{Accuracy} = frac{TP + TN}{TP + TN + FP + FN}$, и в нашем случае высокое значение метрики будет обеспечено членом TN, в то время для пользователей более важен высокий TP.

Поэтому в случае ассиметрии классов, можно использовать метрики, которые не учитывают TN и ориентируются на TP.

Если мы рассмотрим долю правильно предсказанных положительных объектов среди всех объектов, предсказанных положительным классом, то мы получим метрику, которая называется точностью (precision)

$$color{#348FEA}{text{Precision} = frac{TP}{TP + FP}}$$

Интуитивно метрика показывает долю релевантных документов среди всех найденных классификатором. Чем меньше ложноположительных срабатываний будет допускать модель, тем больше будет её Precision.

Если же мы рассмотрим долю правильно найденных положительных объектов среди всех объектов положительного класса, то мы получим метрику, которая называется полнотой (recall)

$$color{#348FEA}{text{Recall} = frac{TP}{TP + FN}}$$

Интуитивно метрика показывает долю найденных документов из всех релевантных. Чем меньше ложно отрицательных срабатываний, тем выше recall модели.

Например, в задаче предсказания злокачественности опухоли точность показывает, сколько из определённых нами как злокачественные опухолей действительно являются злокачественными, а полнота – какую долю злокачественных опухолей нам удалось выявить.

Хорошее понимание происходящего даёт следующая картинка: 6_3.png (источник картинки)

Recall@k, Precision@k

Метрики Recall и Precision хорошо подходят для задачи поиска «документ d релевантен запросу q», когда из списка рекомендованных алгоритмом документов нас интересует только первый. Но не всегда алгоритм машинного обучения вынужден работать в таких жестких условиях. Может быть такое, что вполне достаточно, что релевантный документ попал в первые k рекомендованных. Например, в интерфейсе выдачи первые три подсказки видны всегда одновременно и вообще не очень понятно, какой у них порядок. Тогда более честной оценкой качества алгоритма будет «в выдаче D размера k по запросу q нашлись релевантные документы». Для расчёта метрики по всей выборке объединим все выдачи и рассчитаем precision, recall как обычно подокументно.

F1-мера

Как мы уже отмечали ранее, модели очень удобно сравнивать, когда их качество выражено одним числом. В случае пары Precision-Recall существует популярный способ скомпоновать их в одну метрику — взять их среднее гармоническое. Данный показатель эффективности исторически носит название F1-меры (F1-measure).

$$
color{#348FEA}{F_1 = frac{2}{frac{1}{Recall} + frac{1}{Precision}}} = $$

$$ = 2 frac{Recall cdot Precision }{Recall + Precision} = frac
{TP} {TP + frac{FP + FN}{2}}
$$

Стоит иметь в виду, что F1-мера предполагает одинаковую важность Precision и Recall, если одна из этих метрик для вас приоритетнее, то можно воспользоваться $F_{beta}$ мерой:

$$
F_{beta} = (beta^2 + 1) frac{Recall cdot Precision }{Recall + beta^2Precision}
$$

Бинарная классификация: вероятности классов

Многие модели бинарной классификации устроены так, что класс объекта получается бинаризацией выхода классификатора по некоторому фиксированному порогу:

$$fleft(x ; w, w_{0}right)=mathbb{I}left[g(x, w) > w_{0}right].$$

Например, модель логистической регрессии возвращает оценку вероятности принадлежности примера к положительному классу. Другие модели бинарной классификации обычно возвращают произвольные вещественные значения, но существуют техники, называемые калибровкой классификатора, которые позволяют преобразовать предсказания в более или менее корректную оценку вероятности принадлежности к положительному классу.

Как оценить качество предсказываемых вероятностей, если именно они являются нашей конечной целью? Общепринятой мерой является логистическая функция потерь, которую мы изучали раньше, когда говорили об устройстве некоторых методов классификации (например уже упоминавшейся логистической регрессии).

Если же нашей целью является построение прогноза в терминах метки класса, то нам нужно учесть, что в зависимости от порога мы будем получать разные предсказания и разное качество на отложенной выборке. Так, чем ниже порог отсечения, тем больше объектов модель будет относить к положительному классу. Как в этом случае оценить качество модели?

AUC

Пусть мы хотим учитывать ошибки на объектах обоих классов. При уменьшении порога отсечения мы будем находить (правильно предсказывать) всё большее число положительных объектов, но также и неправильно предсказывать положительную метку на всё большем числе отрицательных объектов. Естественным кажется ввести две метрики TPR и FPR:

TPR (true positive rate) – это полнота, доля положительных объектов, правильно предсказанных положительными:

$$ TPR = frac{TP}{P} = frac{TP}{TP + FN} $$

FPR (false positive rate) – это доля отрицательных объектов, неправильно предсказанных положительными:

$$FPR = frac{FP}{N} = frac{FP}{FP + TN}$$

Обе эти величины растут при уменьшении порога. Кривая в осях TPR/FPR, которая получается при варьировании порога, исторически называется ROC-кривой (receiver operating characteristics curve, сокращённо ROC curve). Следующий график поможет вам понять поведение ROC-кривой.

Желтая и синяя кривые показывают распределение предсказаний классификатора на объектах положительного и отрицательного классов соответственно. То есть значения на оси X (на графике с двумя гауссианами) мы получаем из классификатора. Если классификатор идеальный (две кривые разделимы по оси X), то на правом графике мы получаем ROC-кривую (0,0)->(0,1)->(1,1) (убедитесь сами!), площадь под которой равна 1. Если классификатор случайный (предсказывает одинаковые метки положительным и отрицательным объектам), то мы получаем ROC-кривую (0,0)->(1,1), площадь под которой равна 0.5. Поэкспериментируйте с разными вариантами распределения предсказаний по классам и посмотрите, как меняется ROC-кривая.

Чем лучше классификатор разделяет два класса, тем больше площадь (area under curve) под ROC-кривой – и мы можем использовать её в качестве метрики. Эта метрика называется AUC и она работает благодаря следующему свойству ROC-кривой:

AUC равен доле пар объектов вида (объект класса 1, объект класса 0), которые алгоритм верно упорядочил, т.е. предсказание классификатора на первом объекте больше:

$$
color{#348FEA}{operatorname{AUC} = frac{sumlimits_{i = 1}^{N} sumlimits_{j = 1}^{N}mathbb{I}[y_i < y_j] I^{prime}[f(x_{i}) < f(x_{j})]}{sumlimits_{i = 1}^{N} sumlimits_{j = 1}^{N}mathbb{I}[y_i < y_j]}}
$$

$$
I^{prime}left[f(x_{i}) < f(x_{j})right]=
left{
begin{array}{ll}
0, & f(x_{i}) > f(x_{j}) \
0.5 & f(x_{i}) = f(x_{j}) \
1, & f(x_{i}) < f(x_{j})
end{array}
right.
$$

$$
Ileft[y_{i}< y_{j}right]=
left{
begin{array}{ll}
0, & y_{i} geq y_{j} \
1, & y_{i} < y_{j}
end{array}
right.
$$

Чтобы детальнее разобраться, почему это так, советуем вам обратиться к материалам А.Г.Дьяконова.

В каких случаях лучше отдать предпочтение этой метрике? Рассмотрим следующую задачу: некоторый сотовый оператор хочет научиться предсказывать, будет ли клиент пользоваться его услугами через месяц. На первый взгляд кажется, что задача сводится к бинарной классификации с метками 1, если клиент останется с компанией и $0$ – иначе.

Однако если копнуть глубже в процессы компании, то окажется, что такие метки практически бесполезны. Компании скорее интересно упорядочить клиентов по вероятности прекращения обслуживания и в зависимости от этого применять разные варианты удержания: кому-то прислать скидочный купон от партнёра, кому-то предложить скидку на следующий месяц, а кому-то и новый тариф на особых условиях.

Таким образом, в любой задаче, где нам важна не метка сама по себе, а правильный порядок на объектах, имеет смысл применять AUC.

Утверждение выше может вызывать у вас желание использовать AUC в качестве метрики в задачах ранжирования, но мы призываем вас быть аккуратными.

ПодробнееУтверждение выше может вызывать у вас желание использовать AUC в качестве метрики в задачах ранжирования, но мы призываем вас быть аккуратными.» details=»Продемонстрируем это на следующем примере: пусть наша выборка состоит из $9100$ объектов класса $0$ и $10$ объектов класса $1$, и модель расположила их следующим образом:

$$underbrace{0 dots 0}_{9000} ~ underbrace{1 dots 1}_{10} ~ underbrace{0 dots 0}_{100}$$

Тогда AUC будет близка к единице: количество пар правильно расположенных объектов будет порядка $90000$, в то время как общее количество пар порядка $91000$.

Однако самыми высокими по вероятности положительного класса будут совсем не те объекты, которые мы ожидаем.

Average Precision

Будем постепенно уменьшать порог бинаризации. При этом полнота будет расти от $0$ до $1$, так как будет увеличиваться количество объектов, которым мы приписываем положительный класс (а количество объектов, на самом деле относящихся к положительному классу, очевидно, меняться не будет). Про точность же нельзя сказать ничего определённого, но мы понимаем, что скорее всего она будет выше при более высоком пороге отсечения (мы оставим только объекты, в которых модель «уверена» больше всего). Варьируя порог и пересчитывая значения Precision и Recall на каждом пороге, мы получим некоторую кривую примерно следующего вида:

6_4.png (источник картинки)

Рассмотрим среднее значение точности (оно равно площади под кривой точность-полнота):

$$ text { AP }=int_{0}^{1} p(r) d r$$

Получим показатель эффективности, который называется average precision. Как в случае матрицы ошибок мы переходили к скалярным показателям эффективности, так и в случае с кривой точность-полнота мы охарактеризовали ее в виде числа.

Многоклассовая классификация

Если классов становится больше двух, расчёт метрик усложняется. Если задача классификации на $K$ классов ставится как $K$ задач об отделении класса $i$ от остальных ($i=1,ldots,K$), то для каждой из них можно посчитать свою матрицу ошибок. Затем есть два варианта получения итогового значения метрики из $K$ матриц ошибок:

  1. Усредняем элементы матрицы ошибок (TP, FP, TN, FN) между бинарными классификаторами, например $TP = frac{1}{K}sum_{i=1}^{K}TP_i$. Затем по одной усреднённой матрице ошибок считаем Precision, Recall, F-меру. Это называют микроусреднением.
  2. Считаем Precision, Recall для каждого классификатора отдельно, а потом усредняем. Это называют макроусреднением.

Порядок усреднения влияет на результат в случае дисбаланса классов. Показатели TP, FP, FN — это счётчики объектов. Пусть некоторый класс обладает маленькой мощностью (обозначим её $M$). Тогда значения TP и FN при классификации этого класса против остальных будут не больше $M$, то есть тоже маленькие. Про FP мы ничего уверенно сказать не можем, но скорее всего при дисбалансе классов классификатор не будет предсказывать редкий класс слишком часто, потому что есть большая вероятность ошибиться. Так что FP тоже мало. Поэтому усреднение первым способом сделает вклад маленького класса в общую метрику незаметным. А при усреднении вторым способом среднее считается уже для нормированных величин, так что вклад каждого класса будет одинаковым.

Рассмотрим пример. Пусть есть датасет из объектов трёх цветов: желтого, зелёного и синего. Желтого и зелёного цветов почти поровну — 21 и 20 объектов соответственно, а синих объектов всего 4.

6_5.png

Модель по очереди для каждого цвета пытается отделить объекты этого цвета от объектов оставшихся двух цветов. Результаты классификации проиллюстрированы матрицей ошибок. Модель «покрасила» в жёлтый 25 объектов, 20 из которых были действительно жёлтыми (левый столбец матрицы). В синий был «покрашен» только один объект, который на самом деле жёлтый (средний столбец матрицы). В зелёный — 19 объектов, все на самом деле зелёные (правый столбец матрицы).

6_6.png

Посчитаем Precision классификации двумя способами:

  1. С помощью микроусреднения получаем $$
    text{Precision} = frac{dfrac{1}{3}left(20 + 0 + 19right)}{dfrac{1}{3}left(20 + 0 + 19right) + dfrac{1}{3}left(5 + 1 + 0right)} = 0.87
    $$
  2. С помощью макроусреднения получаем $$
    text{Precision} = dfrac{1}{3}left( frac{20}{20 + 5} + frac{0}{0 + 1} + frac{19}{19 + 0}right) = 0.6
    $$

Видим, что макроусреднение лучше отражает тот факт, что синий цвет, которого в датасете было совсем мало, модель практически игнорирует.

Как оптимизировать метрики классификации?

Пусть мы выбрали, что метрика качества алгоритма будет $F(a(X), Y)$. Тогда мы хотим обучить модель так, чтобы $F$ на валидационной выборке была минимальная/максимальная. Лучший способ добиться минимизации метрики $F$ — оптимизировать её напрямую, то есть выбрать в качестве функции потерь ту же $F(a(X), Y)$. К сожалению, это не всегда возможно. Рассмотрим, как оптимизировать метрики иначе.

Метрики precision и recall невозможно оптимизировать напрямую, потому что эти метрики нельзя рассчитать на одном объекте, а затем усреднить. Они зависят от того, какими были правильная метка класса и ответ алгоритма на всех объектах. Чтобы понять, как оптимизировать precision, recall, рассмотрим, как расчитать эти метрики на отложенной выборке. Пусть модель обучена на стандартную для классификации функцию потерь (LogLoss). Для получения меток класса специалист по машинному обучению сначала применяет на объектах модель и получает вещественные предсказания модели ($p_i in left(0, 1right)$). Затем предсказания бинаризуются по порогу, выбранному специалистом: если предсказание на объекте больше порога, то метка класса 1 (или «положительная»), если меньше — 0 (или «отрицательная»). Рассмотрим, что будет с метриками precision, recall в крайних положениях порога.

  1. Пусть порог равен нулю. Тогда всем объектам будет присвоена положительная метка. Следовательно, все объекты будут либо TP, либо FP, потому что отрицательных предсказаний нет, $TP + FP = N$, где $N$ — размер выборки. Также все объекты, у которых метка на самом деле 1, попадут в TP. По формуле точность $text{Precision} = frac{TP}{TP + FP} = frac1N sum_{i = 1}^N mathbb{I} left[ y_i = 1 right]$ равна среднему таргету в выборке. А полнота $text{Recall} = frac{TP}{TP + FN} = frac{TP}{TP + 0} = 1$ равна единице.
  2. Пусть теперь порог равен единице. Тогда ни один объект не будет назван положительным, $TP = FP = 0$. Все объекты с меткой класса 1 попадут в FN. Если есть хотя бы один такой объект, то есть $FN ne 0$, будет верна формула $text{Recall} = frac{TP}{TP + FN} = frac{0}{0+ FN} = 0$. То есть при пороге единица, полнота равна нулю. Теперь посмотрим на точность. Формула для Precision состоит только из счётчиков положительных ответов модели (TP, FP). При единичном пороге они оба равны нулю, $text{Precision} = frac{TP}{TP + FP} = frac{0}{0 + 0}$то есть при единичном пороге точность неопределена. Пусть мы отступили чуть-чуть назад по порогу, чтобы хотя бы несколько объектов были названы моделью положительными. Скорее всего это будут самые «простые» объекты, которые модель распознает хорошо, потому что её предсказание близко к единице. В этом предположении $FP approx 0$. Тогда точность $text{Precision} = frac{TP}{TP + FP} approx frac{TP}{TP + 0} approx 1$ будет близка к единице.

Изменяя порог, между крайними положениями, получим графики Precision и Recall, которые выглядят как-то так:

6_7.png

Recall меняется от единицы до нуля, а Precision от среднего тагрета до какого-то другого значения (нет гарантий, что график монотонный).

Итого оптимизация precision и recall происходит так:

  1. Модель обучается на стандартную функцию потерь (например, LogLoss).
  2. Используя вещественные предсказания на валидационной выборке, перебирая разные пороги от 0 до 1, получаем графики метрик в зависимости от порога.
  3. Выбираем нужное сочетание точности и полноты.

Пусть теперь мы хотим максимизировать метрику AUC. Стандартный метод оптимизации, градиентный спуск, предполагает, что функция потерь дифференцируема. AUC этим качеством не обладает, то есть мы не можем оптимизировать её напрямую. Поэтому для метрики AUC приходится изменять оптимизационную задачу. Метрика AUC считает долю верно упорядоченных пар. Значит от исходной выборки можно перейти к выборке упорядоченных пар объектов. На этой выборке ставится задача классификации: метка класса 1 соответствует правильно упорядоченной паре, 0 — неправильно. Новой метрикой становится accuracy — доля правильно классифицированных объектов, то есть доля правильно упорядоченных пар. Оптимизировать accuracy можно по той же схеме, что и precision, recall: обучаем модель на LogLoss и предсказываем вероятности положительной метки у объекта выборки, считаем accuracy для разных порогов по вероятности и выбираем понравившийся.

Регрессия

В задачах регрессии целевая метка у нас имеет потенциально бесконечное число значений. И природа этих значений, обычно, связана с каким-то процессом измерений:

  • величина температуры в определенный момент времени на метеостанции
  • количество прочтений статьи на сайте
  • количество проданных бананов в конкретном магазине, сети магазинов или стране
  • дебит добывающей скважины на нефтегазовом месторождении за месяц и т.п.

Мы видим, что иногда метка это целое число, а иногда произвольное вещественное число. Обычно случаи целочисленных меток моделируют так, словно это просто обычное вещественное число. При таком подходе может оказаться так, что модель A лучше модели B по некоторой метрике, но при этом предсказания у модели A могут быть не целыми. Если в бизнес-задаче ожидается именно целочисленный ответ, то и оценивать нужно огрубление.

Общая рекомендация такова: оценивайте весь каскад решающих правил: и те «внутренние», которые вы получаете в результате обучения, и те «итоговые», которые вы отдаёте бизнес-заказчику.

Например, вы можете быть удовлетворены, что стали ошибаться не во втором, а только в третьем знаке после запятой при предсказании погоды. Но сами погодные данные измеряются с точностью до десятых долей градуса, а пользователь и вовсе может интересоваться лишь целым числом градусов.

Итак, напомним постановку задачи регрессии: нам нужно по обучающей выборке ${(x_i, y_i)}_{i=1}^N$, где $y_i in mathbb{R}$ построить модель f(x).

Величину $ e_i = f(x_i) — y_i $ называют ошибкой на объекте i или регрессионным остатком.

Весь набор ошибок на отложенной выборке может служить аналогом матрицы ошибок из задачи классификации. А именно, когда мы рассматриваем две разные модели, то, глядя на то, как и на каких объектах они ошиблись, мы можем прийти к выводу, что для решения бизнес-задачи нам выгоднее взять ту или иную модель. И, аналогично со случаем бинарной классификации, мы можем начать строить агрегаты от вектора ошибок, получая тем самым разные метрики.

MSE, RMSE, $R^2$

MSE – одна из самых популярных метрик в задаче регрессии. Она уже знакома вам, т.к. применяется в качестве функции потерь (или входит в ее состав) во многих ранее рассмотренных методах.

$$ MSE(y^{true}, y^{pred}) = frac1Nsum_{i=1}^{N} (y_i — f(x_i))^2 $$

Иногда для того, чтобы показатель эффективности MSE имел размерность исходных данных, из него извлекают квадратный корень и получают показатель эффективности RMSE.

MSE неограничен сверху, и может быть нелегко понять, насколько «хорошим» или «плохим» является то или иное его значение. Чтобы появились какие-то ориентиры, делают следующее:

  • Берут наилучшее константное предсказание с точки зрения MSE — среднее арифметическое меток $bar{y}$. При этом чтобы не было подглядывания в test, среднее нужно вычислять по обучающей выборке

  • Рассматривают в качестве показателя ошибки:

    $$ R^2 = 1 — frac{sum_{i=1}^{N} (y_i — f(x_i))^2}{sum_{i=1}^{N} (y_i — bar{y})^2}.$$

    У идеального решающего правила $R^2$ равен $1$, у наилучшего константного предсказания он равен $0$ на обучающей выборке. Можно заметить, что $R^2$ показывает, какая доля дисперсии таргетов (знаменатель) объяснена моделью.

MSE квадратично штрафует за большие ошибки на объектах. Мы уже видели проявление этого при обучении моделей методом минимизации квадратичных ошибок – там это проявлялось в том, что модель старалась хорошо подстроиться под выбросы.

Пусть теперь мы хотим использовать MSE для оценки наших регрессионных моделей. Если большие ошибки для нас действительно неприемлемы, то квадратичный штраф за них — очень полезное свойство (и его даже можно усиливать, повышая степень, в которую мы возводим ошибку на объекте). Однако если в наших тестовых данных присутствуют выбросы, то нам будет сложно объективно сравнить модели между собой: ошибки на выбросах будет маскировать различия в ошибках на основном множестве объектов.

Таким образом, если мы будем сравнивать две модели при помощи MSE, у нас будет выигрывать та модель, у которой меньше ошибка на объектах-выбросах, а это, скорее всего, не то, чего требует от нас наша бизнес-задача.

История из жизни про бананы и квадратичный штраф за ошибкуИз-за неверно введенных данных метка одного из объектов оказалась в 100 раз больше реального значения. Моделировалась величина при помощи градиентного бустинга над деревьями решений. Функция потерь была MSE.

Однажды уже во время эксплуатации случилось ч.п.: у нас появились предсказания, в 100 раз превышающие допустимые из соображений физического смысла значения. Представьте себе, например, что вместо обычных 4 ящиков бананов система предлагала поставить в магазин 400. Были распечатаны все деревья из ансамбля, и мы увидели, что постепенно число ящиков действительно увеличивалось до прогнозных 400.

Было решено проверить гипотезу, что был выброс в данных для обучения. Так оно и оказалось: всего одна точка давала такую потерю на объекте, что алгоритм обучения решил, что лучше переобучиться под этот выброс, чем смириться с большим штрафом на этом объекте. А в эксплуатации у нас возникли точки, которые плюс-минус попадали в такие же листья ансамбля, что и объект-выброс.

Избежать такого рода проблем можно двумя способами: внимательнее контролируя качество данных или адаптировав функцию потерь.

Аналогично, можно поступать и в случае, когда мы разрабатываем метрику качества: менее жёстко штрафовать за большие отклонения от истинного таргета.

MAE

Использовать RMSE для сравнения моделей на выборках с большим количеством выбросов может быть неудобно. В таких случаях прибегают к также знакомой вам в качестве функции потери метрике MAE (mean absolute error):

$$ MAE(y^{true}, y^{pred}) = frac{1}{N}sum_{i=1}^{N} left|y_i — f(x_i)right| $$

Метрики, учитывающие относительные ошибки

И MSE и MAE считаются как сумма абсолютных ошибок на объектах.

Рассмотрим следующую задачу: мы хотим спрогнозировать спрос товаров на следующий месяц. Пусть у нас есть два продукта: продукт A продаётся в количестве 100 штук, а продукт В в количестве 10 штук. И пусть базовая модель предсказывает количество продаж продукта A как 98 штук, а продукта B как 8 штук. Ошибки на этих объектах добавляют 4 штрафных единицы в MAE.

И есть 2 модели-кандидата на улучшение. Первая предсказывает товар А 99 штук, а товар B 8 штук. Вторая предсказывает товар А 98 штук, а товар B 9 штук.

Обе модели улучшают MAE базовой модели на 1 единицу. Однако, с точки зрения бизнес-заказчика вторая модель может оказаться предпочтительнее, т.к. предсказание продажи редких товаров может быть приоритетнее. Один из способов учесть такое требование – рассматривать не абсолютную, а относительную ошибку на объектах.

MAPE, SMAPE

Когда речь заходит об относительных ошибках, сразу возникает вопрос: что мы будем ставить в знаменатель?

В метрике MAPE (mean absolute percentage error) в знаменатель помещают целевое значение:

$$ MAPE(y^{true}, y^{pred}) = frac{1}{N} sum_{i=1}^{N} frac{ left|y_i — f(x_i)right|}{left|y_iright|} $$

С особым случаем, когда в знаменателе оказывается $0$, обычно поступают «инженерным» способом: или выдают за непредсказание $0$ на таком объекте большой, но фиксированный штраф, или пытаются застраховаться от подобного на уровне формулы и переходят к метрике SMAPE (symmetric mean absolute percentage error):

$$ SMAPE(y^{true}, y^{pred}) = frac{1}{N} sum_{i=1}^{N} frac{ 2 left|y_i — f(x_i)right|}{y_i + f(x_i)} $$

Если же предсказывается ноль, штраф считаем нулевым.

Таким переходом от абсолютных ошибок на объекте к относительным мы сделали объекты в тестовой выборке равнозначными: даже если мы делаем абсурдно большое предсказание, на фоне которого истинная метка теряется, мы получаем штраф за этот объект порядка 1 в случае MAPE и 2 в случае SMAPE.

WAPE

Как и любая другая метрика, MAPE имеет свои границы применимости: например, она плохо справляется с прогнозом спроса на товары с прерывистыми продажами. Рассмотрим такой пример:

Понедельник Вторник Среда
Прогноз 55 2 50
Продажи 50 1 50
MAPE 10% 100% 0%

Среднее MAPE – 36.7%, что не очень отражает реальную ситуацию, ведь два дня мы предсказывали с хорошей точностью. В таких ситуациях помогает WAPE (weighted average percentage error):

$$ WAPE(y^{true}, y^{pred}) = frac{sum_{i=1}^{N} left|y_i — f(x_i)right|}{sum_{i=1}^{N} left|y_iright|} $$

Если мы предсказываем идеально, то WAPE = 0, если все предсказания отдаём нулевыми, то WAPE = 1.

В нашем примере получим WAPE = 5.9%

RMSLE

Альтернативный способ уйти от абсолютных ошибок к относительным предлагает метрика RMSLE (root mean squared logarithmic error):

$$ RMSLE(y^{true}, y^{pred}| c) = sqrt{ frac{1}{N} sum_{i=1}^N left(vphantom{frac12}log{left(y_i + c right)} — log{left(f(x_i) + c right)}right)^2 } $$

где нормировочная константа $c$ вводится искусственно, чтобы не брать логарифм от нуля. Также по построению видно, что метрика пригодна лишь для неотрицательных меток.

Веса в метриках

Все вышеописанные метрики легко допускают введение весов для объектов. Если мы из каких-то соображений можем определить стоимость ошибки на объекте, можно брать эту величину в качестве веса. Например, в задаче предсказания спроса в качестве веса можно использовать стоимость объекта.

Доля предсказаний с абсолютными ошибками больше, чем d

Еще одним способом охарактеризовать качество модели в задаче регрессии является доля предсказаний с абсолютными ошибками больше заданного порога $d$:

$$frac{1}{N} sum_{i=1}^{N} mathbb{I}left[ left| y_i — f(x_i) right| > d right] $$

Например, можно считать, что прогноз погоды сбылся, если ошибка предсказания составила меньше 1/2/3 градусов. Тогда рассматриваемая метрика покажет, в какой доле случаев прогноз не сбылся.

Как оптимизировать метрики регрессии?

Пусть мы выбрали, что метрика качества алгоритма будет $F(a(X), Y)$. Тогда мы хотим обучить модель так, чтобы F на валидационной выборке была минимальная/максимальная. Аналогично задачам классификации лучший способ добиться минимизации метрики $F$ — выбрать в качестве функции потерь ту же $F(a(X), Y)$. К счастью, основные метрики для регрессии: MSE, RMSE, MAE можно оптимизировать напрямую. С формальной точки зрения MAE не дифференцируема, так как там присутствует модуль, чья производная не определена в нуле. На практике для этого выколотого случая в коде можно возвращать ноль.

Для оптимизации MAPE придётся изменять оптимизационную задачу. Оптимизацию MAPE можно представить как оптимизацию MAE, где объектам выборки присвоен вес $frac{1}{vert y_ivert}$.

There are 3 different APIs for evaluating the quality of a model’s
predictions:

  • Estimator score method: Estimators have a score method providing a
    default evaluation criterion for the problem they are designed to solve.
    This is not discussed on this page, but in each estimator’s documentation.

  • Scoring parameter: Model-evaluation tools using
    cross-validation (such as
    model_selection.cross_val_score and
    model_selection.GridSearchCV) rely on an internal scoring strategy.
    This is discussed in the section The scoring parameter: defining model evaluation rules.

  • Metric functions: The sklearn.metrics module implements functions
    assessing prediction error for specific purposes. These metrics are detailed
    in sections on Classification metrics,
    Multilabel ranking metrics, Regression metrics and
    Clustering metrics.

Finally, Dummy estimators are useful to get a baseline
value of those metrics for random predictions.

3.3.1. The scoring parameter: defining model evaluation rules¶

Model selection and evaluation using tools, such as
model_selection.GridSearchCV and
model_selection.cross_val_score, take a scoring parameter that
controls what metric they apply to the estimators evaluated.

3.3.1.1. Common cases: predefined values¶

For the most common use cases, you can designate a scorer object with the
scoring parameter; the table below shows all possible values.
All scorer objects follow the convention that higher return values are better
than lower return values
. Thus metrics which measure the distance between
the model and the data, like metrics.mean_squared_error, are
available as neg_mean_squared_error which return the negated value
of the metric.

Scoring

Function

Comment

Classification

‘accuracy’

metrics.accuracy_score

‘balanced_accuracy’

metrics.balanced_accuracy_score

‘top_k_accuracy’

metrics.top_k_accuracy_score

‘average_precision’

metrics.average_precision_score

‘neg_brier_score’

metrics.brier_score_loss

‘f1’

metrics.f1_score

for binary targets

‘f1_micro’

metrics.f1_score

micro-averaged

‘f1_macro’

metrics.f1_score

macro-averaged

‘f1_weighted’

metrics.f1_score

weighted average

‘f1_samples’

metrics.f1_score

by multilabel sample

‘neg_log_loss’

metrics.log_loss

requires predict_proba support

‘precision’ etc.

metrics.precision_score

suffixes apply as with ‘f1’

‘recall’ etc.

metrics.recall_score

suffixes apply as with ‘f1’

‘jaccard’ etc.

metrics.jaccard_score

suffixes apply as with ‘f1’

‘roc_auc’

metrics.roc_auc_score

‘roc_auc_ovr’

metrics.roc_auc_score

‘roc_auc_ovo’

metrics.roc_auc_score

‘roc_auc_ovr_weighted’

metrics.roc_auc_score

‘roc_auc_ovo_weighted’

metrics.roc_auc_score

Clustering

‘adjusted_mutual_info_score’

metrics.adjusted_mutual_info_score

‘adjusted_rand_score’

metrics.adjusted_rand_score

‘completeness_score’

metrics.completeness_score

‘fowlkes_mallows_score’

metrics.fowlkes_mallows_score

‘homogeneity_score’

metrics.homogeneity_score

‘mutual_info_score’

metrics.mutual_info_score

‘normalized_mutual_info_score’

metrics.normalized_mutual_info_score

‘rand_score’

metrics.rand_score

‘v_measure_score’

metrics.v_measure_score

Regression

‘explained_variance’

metrics.explained_variance_score

‘max_error’

metrics.max_error

‘neg_mean_absolute_error’

metrics.mean_absolute_error

‘neg_mean_squared_error’

metrics.mean_squared_error

‘neg_root_mean_squared_error’

metrics.mean_squared_error

‘neg_mean_squared_log_error’

metrics.mean_squared_log_error

‘neg_median_absolute_error’

metrics.median_absolute_error

‘r2’

metrics.r2_score

‘neg_mean_poisson_deviance’

metrics.mean_poisson_deviance

‘neg_mean_gamma_deviance’

metrics.mean_gamma_deviance

‘neg_mean_absolute_percentage_error’

metrics.mean_absolute_percentage_error

‘d2_absolute_error_score’

metrics.d2_absolute_error_score

‘d2_pinball_score’

metrics.d2_pinball_score

‘d2_tweedie_score’

metrics.d2_tweedie_score

Usage examples:

>>> from sklearn import svm, datasets
>>> from sklearn.model_selection import cross_val_score
>>> X, y = datasets.load_iris(return_X_y=True)
>>> clf = svm.SVC(random_state=0)
>>> cross_val_score(clf, X, y, cv=5, scoring='recall_macro')
array([0.96..., 0.96..., 0.96..., 0.93..., 1.        ])
>>> model = svm.SVC()
>>> cross_val_score(model, X, y, cv=5, scoring='wrong_choice')
Traceback (most recent call last):
ValueError: 'wrong_choice' is not a valid scoring value. Use
sklearn.metrics.get_scorer_names() to get valid options.

Note

The values listed by the ValueError exception correspond to the
functions measuring prediction accuracy described in the following
sections. You can retrieve the names of all available scorers by calling
get_scorer_names.

3.3.1.2. Defining your scoring strategy from metric functions¶

The module sklearn.metrics also exposes a set of simple functions
measuring a prediction error given ground truth and prediction:

  • functions ending with _score return a value to
    maximize, the higher the better.

  • functions ending with _error or _loss return a
    value to minimize, the lower the better. When converting
    into a scorer object using make_scorer, set
    the greater_is_better parameter to False (True by default; see the
    parameter description below).

Metrics available for various machine learning tasks are detailed in sections
below.

Many metrics are not given names to be used as scoring values,
sometimes because they require additional parameters, such as
fbeta_score. In such cases, you need to generate an appropriate
scoring object. The simplest way to generate a callable object for scoring
is by using make_scorer. That function converts metrics
into callables that can be used for model evaluation.

One typical use case is to wrap an existing metric function from the library
with non-default values for its parameters, such as the beta parameter for
the fbeta_score function:

>>> from sklearn.metrics import fbeta_score, make_scorer
>>> ftwo_scorer = make_scorer(fbeta_score, beta=2)
>>> from sklearn.model_selection import GridSearchCV
>>> from sklearn.svm import LinearSVC
>>> grid = GridSearchCV(LinearSVC(), param_grid={'C': [1, 10]},
...                     scoring=ftwo_scorer, cv=5)

The second use case is to build a completely custom scorer object
from a simple python function using make_scorer, which can
take several parameters:

  • the python function you want to use (my_custom_loss_func
    in the example below)

  • whether the python function returns a score (greater_is_better=True,
    the default) or a loss (greater_is_better=False). If a loss, the output
    of the python function is negated by the scorer object, conforming to
    the cross validation convention that scorers return higher values for better models.

  • for classification metrics only: whether the python function you provided requires continuous decision
    certainties (needs_threshold=True). The default value is
    False.

  • any additional parameters, such as beta or labels in f1_score.

Here is an example of building custom scorers, and of using the
greater_is_better parameter:

>>> import numpy as np
>>> def my_custom_loss_func(y_true, y_pred):
...     diff = np.abs(y_true - y_pred).max()
...     return np.log1p(diff)
...
>>> # score will negate the return value of my_custom_loss_func,
>>> # which will be np.log(2), 0.693, given the values for X
>>> # and y defined below.
>>> score = make_scorer(my_custom_loss_func, greater_is_better=False)
>>> X = [[1], [1]]
>>> y = [0, 1]
>>> from sklearn.dummy import DummyClassifier
>>> clf = DummyClassifier(strategy='most_frequent', random_state=0)
>>> clf = clf.fit(X, y)
>>> my_custom_loss_func(y, clf.predict(X))
0.69...
>>> score(clf, X, y)
-0.69...

3.3.1.3. Implementing your own scoring object¶

You can generate even more flexible model scorers by constructing your own
scoring object from scratch, without using the make_scorer factory.
For a callable to be a scorer, it needs to meet the protocol specified by
the following two rules:

  • It can be called with parameters (estimator, X, y), where estimator
    is the model that should be evaluated, X is validation data, and y is
    the ground truth target for X (in the supervised case) or None (in the
    unsupervised case).

  • It returns a floating point number that quantifies the
    estimator prediction quality on X, with reference to y.
    Again, by convention higher numbers are better, so if your scorer
    returns loss, that value should be negated.

Note

Using custom scorers in functions where n_jobs > 1

While defining the custom scoring function alongside the calling function
should work out of the box with the default joblib backend (loky),
importing it from another module will be a more robust approach and work
independently of the joblib backend.

For example, to use n_jobs greater than 1 in the example below,
custom_scoring_function function is saved in a user-created module
(custom_scorer_module.py) and imported:

>>> from custom_scorer_module import custom_scoring_function 
>>> cross_val_score(model,
...  X_train,
...  y_train,
...  scoring=make_scorer(custom_scoring_function, greater_is_better=False),
...  cv=5,
...  n_jobs=-1) 

3.3.1.4. Using multiple metric evaluation¶

Scikit-learn also permits evaluation of multiple metrics in GridSearchCV,
RandomizedSearchCV and cross_validate.

There are three ways to specify multiple scoring metrics for the scoring
parameter:

  • As an iterable of string metrics::
    >>> scoring = ['accuracy', 'precision']
    
  • As a dict mapping the scorer name to the scoring function::
    >>> from sklearn.metrics import accuracy_score
    >>> from sklearn.metrics import make_scorer
    >>> scoring = {'accuracy': make_scorer(accuracy_score),
    ...            'prec': 'precision'}
    

    Note that the dict values can either be scorer functions or one of the
    predefined metric strings.

  • As a callable that returns a dictionary of scores:

    >>> from sklearn.model_selection import cross_validate
    >>> from sklearn.metrics import confusion_matrix
    >>> # A sample toy binary classification dataset
    >>> X, y = datasets.make_classification(n_classes=2, random_state=0)
    >>> svm = LinearSVC(random_state=0)
    >>> def confusion_matrix_scorer(clf, X, y):
    ...      y_pred = clf.predict(X)
    ...      cm = confusion_matrix(y, y_pred)
    ...      return {'tn': cm[0, 0], 'fp': cm[0, 1],
    ...              'fn': cm[1, 0], 'tp': cm[1, 1]}
    >>> cv_results = cross_validate(svm, X, y, cv=5,
    ...                             scoring=confusion_matrix_scorer)
    >>> # Getting the test set true positive scores
    >>> print(cv_results['test_tp'])
    [10  9  8  7  8]
    >>> # Getting the test set false negative scores
    >>> print(cv_results['test_fn'])
    [0 1 2 3 2]
    

3.3.2. Classification metrics¶

The sklearn.metrics module implements several loss, score, and utility
functions to measure classification performance.
Some metrics might require probability estimates of the positive class,
confidence values, or binary decisions values.
Most implementations allow each sample to provide a weighted contribution
to the overall score, through the sample_weight parameter.

Some of these are restricted to the binary classification case:

precision_recall_curve(y_true, probas_pred, *)

Compute precision-recall pairs for different probability thresholds.

roc_curve(y_true, y_score, *[, pos_label, …])

Compute Receiver operating characteristic (ROC).

class_likelihood_ratios(y_true, y_pred, *[, …])

Compute binary classification positive and negative likelihood ratios.

det_curve(y_true, y_score[, pos_label, …])

Compute error rates for different probability thresholds.

Others also work in the multiclass case:

balanced_accuracy_score(y_true, y_pred, *[, …])

Compute the balanced accuracy.

cohen_kappa_score(y1, y2, *[, labels, …])

Compute Cohen’s kappa: a statistic that measures inter-annotator agreement.

confusion_matrix(y_true, y_pred, *[, …])

Compute confusion matrix to evaluate the accuracy of a classification.

hinge_loss(y_true, pred_decision, *[, …])

Average hinge loss (non-regularized).

matthews_corrcoef(y_true, y_pred, *[, …])

Compute the Matthews correlation coefficient (MCC).

roc_auc_score(y_true, y_score, *[, average, …])

Compute Area Under the Receiver Operating Characteristic Curve (ROC AUC) from prediction scores.

top_k_accuracy_score(y_true, y_score, *[, …])

Top-k Accuracy classification score.

Some also work in the multilabel case:

accuracy_score(y_true, y_pred, *[, …])

Accuracy classification score.

classification_report(y_true, y_pred, *[, …])

Build a text report showing the main classification metrics.

f1_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Compute the F1 score, also known as balanced F-score or F-measure.

fbeta_score(y_true, y_pred, *, beta[, …])

Compute the F-beta score.

hamming_loss(y_true, y_pred, *[, sample_weight])

Compute the average Hamming loss.

jaccard_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Jaccard similarity coefficient score.

log_loss(y_true, y_pred, *[, eps, …])

Log loss, aka logistic loss or cross-entropy loss.

multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred, *)

Compute a confusion matrix for each class or sample.

precision_recall_fscore_support(y_true, …)

Compute precision, recall, F-measure and support for each class.

precision_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Compute the precision.

recall_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Compute the recall.

roc_auc_score(y_true, y_score, *[, average, …])

Compute Area Under the Receiver Operating Characteristic Curve (ROC AUC) from prediction scores.

zero_one_loss(y_true, y_pred, *[, …])

Zero-one classification loss.

And some work with binary and multilabel (but not multiclass) problems:

In the following sub-sections, we will describe each of those functions,
preceded by some notes on common API and metric definition.

3.3.2.1. From binary to multiclass and multilabel¶

Some metrics are essentially defined for binary classification tasks (e.g.
f1_score, roc_auc_score). In these cases, by default
only the positive label is evaluated, assuming by default that the positive
class is labelled 1 (though this may be configurable through the
pos_label parameter).

In extending a binary metric to multiclass or multilabel problems, the data
is treated as a collection of binary problems, one for each class.
There are then a number of ways to average binary metric calculations across
the set of classes, each of which may be useful in some scenario.
Where available, you should select among these using the average parameter.

  • "macro" simply calculates the mean of the binary metrics,
    giving equal weight to each class. In problems where infrequent classes
    are nonetheless important, macro-averaging may be a means of highlighting
    their performance. On the other hand, the assumption that all classes are
    equally important is often untrue, such that macro-averaging will
    over-emphasize the typically low performance on an infrequent class.

  • "weighted" accounts for class imbalance by computing the average of
    binary metrics in which each class’s score is weighted by its presence in the
    true data sample.

  • "micro" gives each sample-class pair an equal contribution to the overall
    metric (except as a result of sample-weight). Rather than summing the
    metric per class, this sums the dividends and divisors that make up the
    per-class metrics to calculate an overall quotient.
    Micro-averaging may be preferred in multilabel settings, including
    multiclass classification where a majority class is to be ignored.

  • "samples" applies only to multilabel problems. It does not calculate a
    per-class measure, instead calculating the metric over the true and predicted
    classes for each sample in the evaluation data, and returning their
    (sample_weight-weighted) average.

  • Selecting average=None will return an array with the score for each
    class.

While multiclass data is provided to the metric, like binary targets, as an
array of class labels, multilabel data is specified as an indicator matrix,
in which cell [i, j] has value 1 if sample i has label j and value
0 otherwise.

3.3.2.2. Accuracy score¶

The accuracy_score function computes the
accuracy, either the fraction
(default) or the count (normalize=False) of correct predictions.

In multilabel classification, the function returns the subset accuracy. If
the entire set of predicted labels for a sample strictly match with the true
set of labels, then the subset accuracy is 1.0; otherwise it is 0.0.

If (hat{y}_i) is the predicted value of
the (i)-th sample and (y_i) is the corresponding true value,
then the fraction of correct predictions over (n_text{samples}) is
defined as

[texttt{accuracy}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} 1(hat{y}_i = y_i)]

where (1(x)) is the indicator function.

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import accuracy_score
>>> y_pred = [0, 2, 1, 3]
>>> y_true = [0, 1, 2, 3]
>>> accuracy_score(y_true, y_pred)
0.5
>>> accuracy_score(y_true, y_pred, normalize=False)
2

In the multilabel case with binary label indicators:

>>> accuracy_score(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.ones((2, 2)))
0.5

3.3.2.3. Top-k accuracy score¶

The top_k_accuracy_score function is a generalization of
accuracy_score. The difference is that a prediction is considered
correct as long as the true label is associated with one of the k highest
predicted scores. accuracy_score is the special case of k = 1.

The function covers the binary and multiclass classification cases but not the
multilabel case.

If (hat{f}_{i,j}) is the predicted class for the (i)-th sample
corresponding to the (j)-th largest predicted score and (y_i) is the
corresponding true value, then the fraction of correct predictions over
(n_text{samples}) is defined as

[texttt{top-k accuracy}(y, hat{f}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} sum_{j=1}^{k} 1(hat{f}_{i,j} = y_i)]

where (k) is the number of guesses allowed and (1(x)) is the
indicator function.

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import top_k_accuracy_score
>>> y_true = np.array([0, 1, 2, 2])
>>> y_score = np.array([[0.5, 0.2, 0.2],
...                     [0.3, 0.4, 0.2],
...                     [0.2, 0.4, 0.3],
...                     [0.7, 0.2, 0.1]])
>>> top_k_accuracy_score(y_true, y_score, k=2)
0.75
>>> # Not normalizing gives the number of "correctly" classified samples
>>> top_k_accuracy_score(y_true, y_score, k=2, normalize=False)
3

3.3.2.4. Balanced accuracy score¶

The balanced_accuracy_score function computes the balanced accuracy, which avoids inflated
performance estimates on imbalanced datasets. It is the macro-average of recall
scores per class or, equivalently, raw accuracy where each sample is weighted
according to the inverse prevalence of its true class.
Thus for balanced datasets, the score is equal to accuracy.

In the binary case, balanced accuracy is equal to the arithmetic mean of
sensitivity
(true positive rate) and specificity (true negative
rate), or the area under the ROC curve with binary predictions rather than
scores:

[texttt{balanced-accuracy} = frac{1}{2}left( frac{TP}{TP + FN} + frac{TN}{TN + FP}right )]

If the classifier performs equally well on either class, this term reduces to
the conventional accuracy (i.e., the number of correct predictions divided by
the total number of predictions).

In contrast, if the conventional accuracy is above chance only because the
classifier takes advantage of an imbalanced test set, then the balanced
accuracy, as appropriate, will drop to (frac{1}{n_classes}).

The score ranges from 0 to 1, or when adjusted=True is used, it rescaled to
the range (frac{1}{1 — n_classes}) to 1, inclusive, with
performance at random scoring 0.

If (y_i) is the true value of the (i)-th sample, and (w_i)
is the corresponding sample weight, then we adjust the sample weight to:

[hat{w}_i = frac{w_i}{sum_j{1(y_j = y_i) w_j}}]

where (1(x)) is the indicator function.
Given predicted (hat{y}_i) for sample (i), balanced accuracy is
defined as:

[texttt{balanced-accuracy}(y, hat{y}, w) = frac{1}{sum{hat{w}_i}} sum_i 1(hat{y}_i = y_i) hat{w}_i]

With adjusted=True, balanced accuracy reports the relative increase from
(texttt{balanced-accuracy}(y, mathbf{0}, w) =
frac{1}{n_classes})
. In the binary case, this is also known as
*Youden’s J statistic*,
or informedness.

Note

The multiclass definition here seems the most reasonable extension of the
metric used in binary classification, though there is no certain consensus
in the literature:

  • Our definition: [Mosley2013], [Kelleher2015] and [Guyon2015], where
    [Guyon2015] adopt the adjusted version to ensure that random predictions
    have a score of (0) and perfect predictions have a score of (1)..

  • Class balanced accuracy as described in [Mosley2013]: the minimum between the precision
    and the recall for each class is computed. Those values are then averaged over the total
    number of classes to get the balanced accuracy.

  • Balanced Accuracy as described in [Urbanowicz2015]: the average of sensitivity and specificity
    is computed for each class and then averaged over total number of classes.

3.3.2.5. Cohen’s kappa¶

The function cohen_kappa_score computes Cohen’s kappa statistic.
This measure is intended to compare labelings by different human annotators,
not a classifier versus a ground truth.

The kappa score (see docstring) is a number between -1 and 1.
Scores above .8 are generally considered good agreement;
zero or lower means no agreement (practically random labels).

Kappa scores can be computed for binary or multiclass problems,
but not for multilabel problems (except by manually computing a per-label score)
and not for more than two annotators.

>>> from sklearn.metrics import cohen_kappa_score
>>> y_true = [2, 0, 2, 2, 0, 1]
>>> y_pred = [0, 0, 2, 2, 0, 2]
>>> cohen_kappa_score(y_true, y_pred)
0.4285714285714286

3.3.2.6. Confusion matrix¶

The confusion_matrix function evaluates
classification accuracy by computing the confusion matrix with each row corresponding
to the true class (Wikipedia and other references may use different convention
for axes).

By definition, entry (i, j) in a confusion matrix is
the number of observations actually in group (i), but
predicted to be in group (j). Here is an example:

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

ConfusionMatrixDisplay can be used to visually represent a confusion
matrix as shown in the
Confusion matrix
example, which creates the following figure:

../_images/sphx_glr_plot_confusion_matrix_001.png

The parameter normalize allows to report ratios instead of counts. The
confusion matrix can be normalized in 3 different ways: 'pred', 'true',
and 'all' which will divide the counts by the sum of each columns, rows, or
the entire matrix, respectively.

>>> y_true = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1]
>>> y_pred = [0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
>>> confusion_matrix(y_true, y_pred, normalize='all')
array([[0.25 , 0.125],
       [0.25 , 0.375]])

For binary problems, we can get counts of true negatives, false positives,
false negatives and true positives as follows:

>>> y_true = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1]
>>> y_pred = [0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1]
>>> tn, fp, fn, tp = confusion_matrix(y_true, y_pred).ravel()
>>> tn, fp, fn, tp
(2, 1, 2, 3)

3.3.2.7. Classification report¶

The classification_report function builds a text report showing the
main classification metrics. Here is a small example with custom target_names
and inferred labels:

>>> from sklearn.metrics import classification_report
>>> y_true = [0, 1, 2, 2, 0]
>>> y_pred = [0, 0, 2, 1, 0]
>>> target_names = ['class 0', 'class 1', 'class 2']
>>> print(classification_report(y_true, y_pred, target_names=target_names))
              precision    recall  f1-score   support

     class 0       0.67      1.00      0.80         2
     class 1       0.00      0.00      0.00         1
     class 2       1.00      0.50      0.67         2

    accuracy                           0.60         5
   macro avg       0.56      0.50      0.49         5
weighted avg       0.67      0.60      0.59         5

3.3.2.8. Hamming loss¶

The hamming_loss computes the average Hamming loss or Hamming
distance between two sets
of samples.

If (hat{y}_{i,j}) is the predicted value for the (j)-th label of a
given sample (i), (y_{i,j}) is the corresponding true value,
(n_text{samples}) is the number of samples and (n_text{labels})
is the number of labels, then the Hamming loss (L_{Hamming}) is defined
as:

[L_{Hamming}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples} * n_text{labels}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} sum_{j=0}^{n_text{labels} — 1} 1(hat{y}_{i,j} not= y_{i,j})]

where (1(x)) is the indicator function.

The equation above does not hold true in the case of multiclass classification.
Please refer to the note below for more information.

>>> from sklearn.metrics import hamming_loss
>>> y_pred = [1, 2, 3, 4]
>>> y_true = [2, 2, 3, 4]
>>> hamming_loss(y_true, y_pred)
0.25

In the multilabel case with binary label indicators:

>>> hamming_loss(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.zeros((2, 2)))
0.75

Note

In multiclass classification, the Hamming loss corresponds to the Hamming
distance between y_true and y_pred which is similar to the
Zero one loss function. However, while zero-one loss penalizes
prediction sets that do not strictly match true sets, the Hamming loss
penalizes individual labels. Thus the Hamming loss, upper bounded by the zero-one
loss, is always between zero and one, inclusive; and predicting a proper subset
or superset of the true labels will give a Hamming loss between
zero and one, exclusive.

3.3.2.9. Precision, recall and F-measures¶

Intuitively, precision is the ability
of the classifier not to label as positive a sample that is negative, and
recall is the
ability of the classifier to find all the positive samples.

The F-measure
((F_beta) and (F_1) measures) can be interpreted as a weighted
harmonic mean of the precision and recall. A
(F_beta) measure reaches its best value at 1 and its worst score at 0.
With (beta = 1), (F_beta) and
(F_1) are equivalent, and the recall and the precision are equally important.

The precision_recall_curve computes a precision-recall curve
from the ground truth label and a score given by the classifier
by varying a decision threshold.

The average_precision_score function computes the
average precision
(AP) from prediction scores. The value is between 0 and 1 and higher is better.
AP is defined as

[text{AP} = sum_n (R_n — R_{n-1}) P_n]

where (P_n) and (R_n) are the precision and recall at the
nth threshold. With random predictions, the AP is the fraction of positive
samples.

References [Manning2008] and [Everingham2010] present alternative variants of
AP that interpolate the precision-recall curve. Currently,
average_precision_score does not implement any interpolated variant.
References [Davis2006] and [Flach2015] describe why a linear interpolation of
points on the precision-recall curve provides an overly-optimistic measure of
classifier performance. This linear interpolation is used when computing area
under the curve with the trapezoidal rule in auc.

Several functions allow you to analyze the precision, recall and F-measures
score:

average_precision_score(y_true, y_score, *)

Compute average precision (AP) from prediction scores.

f1_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Compute the F1 score, also known as balanced F-score or F-measure.

fbeta_score(y_true, y_pred, *, beta[, …])

Compute the F-beta score.

precision_recall_curve(y_true, probas_pred, *)

Compute precision-recall pairs for different probability thresholds.

precision_recall_fscore_support(y_true, …)

Compute precision, recall, F-measure and support for each class.

precision_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Compute the precision.

recall_score(y_true, y_pred, *[, labels, …])

Compute the recall.

Note that the precision_recall_curve function is restricted to the
binary case. The average_precision_score function works only in
binary classification and multilabel indicator format.
The PredictionRecallDisplay.from_estimator and
PredictionRecallDisplay.from_predictions functions will plot the
precision-recall curve as follows.

../_images/sphx_glr_plot_precision_recall_001.png

3.3.2.9.1. Binary classification¶

In a binary classification task, the terms ‘’positive’’ and ‘’negative’’ refer
to the classifier’s prediction, and the terms ‘’true’’ and ‘’false’’ refer to
whether that prediction corresponds to the external judgment (sometimes known
as the ‘’observation’’). Given these definitions, we can formulate the
following table:

Actual class (observation)

Predicted class
(expectation)

tp (true positive)
Correct result

fp (false positive)
Unexpected result

fn (false negative)
Missing result

tn (true negative)
Correct absence of result

In this context, we can define the notions of precision, recall and F-measure:

[text{precision} = frac{tp}{tp + fp},]

[text{recall} = frac{tp}{tp + fn},]

[F_beta = (1 + beta^2) frac{text{precision} times text{recall}}{beta^2 text{precision} + text{recall}}.]

Sometimes recall is also called ‘’sensitivity’’.

Here are some small examples in binary classification:

>>> from sklearn import metrics
>>> y_pred = [0, 1, 0, 0]
>>> y_true = [0, 1, 0, 1]
>>> metrics.precision_score(y_true, y_pred)
1.0
>>> metrics.recall_score(y_true, y_pred)
0.5
>>> metrics.f1_score(y_true, y_pred)
0.66...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, beta=0.5)
0.83...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, beta=1)
0.66...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, beta=2)
0.55...
>>> metrics.precision_recall_fscore_support(y_true, y_pred, beta=0.5)
(array([0.66..., 1.        ]), array([1. , 0.5]), array([0.71..., 0.83...]), array([2, 2]))


>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import precision_recall_curve
>>> from sklearn.metrics import average_precision_score
>>> y_true = np.array([0, 0, 1, 1])
>>> y_scores = np.array([0.1, 0.4, 0.35, 0.8])
>>> precision, recall, threshold = precision_recall_curve(y_true, y_scores)
>>> precision
array([0.5       , 0.66..., 0.5       , 1.        , 1.        ])
>>> recall
array([1. , 1. , 0.5, 0.5, 0. ])
>>> threshold
array([0.1 , 0.35, 0.4 , 0.8 ])
>>> average_precision_score(y_true, y_scores)
0.83...

3.3.2.9.2. Multiclass and multilabel classification¶

In a multiclass and multilabel classification task, the notions of precision,
recall, and F-measures can be applied to each label independently.
There are a few ways to combine results across labels,
specified by the average argument to the
average_precision_score (multilabel only), f1_score,
fbeta_score, precision_recall_fscore_support,
precision_score and recall_score functions, as described
above. Note that if all labels are included, “micro”-averaging
in a multiclass setting will produce precision, recall and (F)
that are all identical to accuracy. Also note that “weighted” averaging may
produce an F-score that is not between precision and recall.

To make this more explicit, consider the following notation:

  • (y) the set of true ((sample, label)) pairs

  • (hat{y}) the set of predicted ((sample, label)) pairs

  • (L) the set of labels

  • (S) the set of samples

  • (y_s) the subset of (y) with sample (s),
    i.e. (y_s := left{(s’, l) in y | s’ = sright})

  • (y_l) the subset of (y) with label (l)

  • similarly, (hat{y}_s) and (hat{y}_l) are subsets of
    (hat{y})

  • (P(A, B) := frac{left| A cap B right|}{left|Bright|}) for some
    sets (A) and (B)

  • (R(A, B) := frac{left| A cap B right|}{left|Aright|})
    (Conventions vary on handling (A = emptyset); this implementation uses
    (R(A, B):=0), and similar for (P).)

  • (F_beta(A, B) := left(1 + beta^2right) frac{P(A, B) times R(A, B)}{beta^2 P(A, B) + R(A, B)})

Then the metrics are defined as:

average

Precision

Recall

F_beta

"micro"

(P(y, hat{y}))

(R(y, hat{y}))

(F_beta(y, hat{y}))

"samples"

(frac{1}{left|Sright|} sum_{s in S} P(y_s, hat{y}_s))

(frac{1}{left|Sright|} sum_{s in S} R(y_s, hat{y}_s))

(frac{1}{left|Sright|} sum_{s in S} F_beta(y_s, hat{y}_s))

"macro"

(frac{1}{left|Lright|} sum_{l in L} P(y_l, hat{y}_l))

(frac{1}{left|Lright|} sum_{l in L} R(y_l, hat{y}_l))

(frac{1}{left|Lright|} sum_{l in L} F_beta(y_l, hat{y}_l))

"weighted"

(frac{1}{sum_{l in L} left|y_lright|} sum_{l in L} left|y_lright| P(y_l, hat{y}_l))

(frac{1}{sum_{l in L} left|y_lright|} sum_{l in L} left|y_lright| R(y_l, hat{y}_l))

(frac{1}{sum_{l in L} left|y_lright|} sum_{l in L} left|y_lright| F_beta(y_l, hat{y}_l))

None

(langle P(y_l, hat{y}_l) | l in L rangle)

(langle R(y_l, hat{y}_l) | l in L rangle)

(langle F_beta(y_l, hat{y}_l) | l in L rangle)

>>> from sklearn import metrics
>>> y_true = [0, 1, 2, 0, 1, 2]
>>> y_pred = [0, 2, 1, 0, 0, 1]
>>> metrics.precision_score(y_true, y_pred, average='macro')
0.22...
>>> metrics.recall_score(y_true, y_pred, average='micro')
0.33...
>>> metrics.f1_score(y_true, y_pred, average='weighted')
0.26...
>>> metrics.fbeta_score(y_true, y_pred, average='macro', beta=0.5)
0.23...
>>> metrics.precision_recall_fscore_support(y_true, y_pred, beta=0.5, average=None)
(array([0.66..., 0.        , 0.        ]), array([1., 0., 0.]), array([0.71..., 0.        , 0.        ]), array([2, 2, 2]...))

For multiclass classification with a “negative class”, it is possible to exclude some labels:

>>> metrics.recall_score(y_true, y_pred, labels=[1, 2], average='micro')
... # excluding 0, no labels were correctly recalled
0.0

Similarly, labels not present in the data sample may be accounted for in macro-averaging.

>>> metrics.precision_score(y_true, y_pred, labels=[0, 1, 2, 3], average='macro')
0.166...

3.3.2.10. Jaccard similarity coefficient score¶

The jaccard_score function computes the average of Jaccard similarity
coefficients, also called the
Jaccard index, between pairs of label sets.

The Jaccard similarity coefficient with a ground truth label set (y) and
predicted label set (hat{y}), is defined as

[J(y, hat{y}) = frac{|y cap hat{y}|}{|y cup hat{y}|}.]

The jaccard_score (like precision_recall_fscore_support) applies
natively to binary targets. By computing it set-wise it can be extended to apply
to multilabel and multiclass through the use of average (see
above).

In the binary case:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import jaccard_score
>>> y_true = np.array([[0, 1, 1],
...                    [1, 1, 0]])
>>> y_pred = np.array([[1, 1, 1],
...                    [1, 0, 0]])
>>> jaccard_score(y_true[0], y_pred[0])
0.6666...

In the 2D comparison case (e.g. image similarity):

>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average="micro")
0.6

In the multilabel case with binary label indicators:

>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='samples')
0.5833...
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='macro')
0.6666...
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average=None)
array([0.5, 0.5, 1. ])

Multiclass problems are binarized and treated like the corresponding
multilabel problem:

>>> y_pred = [0, 2, 1, 2]
>>> y_true = [0, 1, 2, 2]
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average=None)
array([1. , 0. , 0.33...])
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='macro')
0.44...
>>> jaccard_score(y_true, y_pred, average='micro')
0.33...

3.3.2.11. Hinge loss¶

The hinge_loss function computes the average distance between
the model and the data using
hinge loss, a one-sided metric
that considers only prediction errors. (Hinge
loss is used in maximal margin classifiers such as support vector machines.)

If the true label (y_i) of a binary classification task is encoded as
(y_i=left{-1, +1right}) for every sample (i); and (w_i)
is the corresponding predicted decision (an array of shape (n_samples,) as
output by the decision_function method), then the hinge loss is defined as:

[L_text{Hinge}(y, w) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} maxleft{1 — w_i y_i, 0right}]

If there are more than two labels, hinge_loss uses a multiclass variant
due to Crammer & Singer.
Here is
the paper describing it.

In this case the predicted decision is an array of shape (n_samples,
n_labels). If (w_{i, y_i}) is the predicted decision for the true label
(y_i) of the (i)-th sample; and
(hat{w}_{i, y_i} = maxleft{w_{i, y_j}~|~y_j ne y_i right})
is the maximum of the
predicted decisions for all the other labels, then the multi-class hinge loss
is defined by:

[L_text{Hinge}(y, w) = frac{1}{n_text{samples}}
sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} maxleft{1 + hat{w}_{i, y_i}
— w_{i, y_i}, 0right}]

Here is a small example demonstrating the use of the hinge_loss function
with a svm classifier in a binary class problem:

>>> from sklearn import svm
>>> from sklearn.metrics import hinge_loss
>>> X = [[0], [1]]
>>> y = [-1, 1]
>>> est = svm.LinearSVC(random_state=0)
>>> est.fit(X, y)
LinearSVC(random_state=0)
>>> pred_decision = est.decision_function([[-2], [3], [0.5]])
>>> pred_decision
array([-2.18...,  2.36...,  0.09...])
>>> hinge_loss([-1, 1, 1], pred_decision)
0.3...

Here is an example demonstrating the use of the hinge_loss function
with a svm classifier in a multiclass problem:

>>> X = np.array([[0], [1], [2], [3]])
>>> Y = np.array([0, 1, 2, 3])
>>> labels = np.array([0, 1, 2, 3])
>>> est = svm.LinearSVC()
>>> est.fit(X, Y)
LinearSVC()
>>> pred_decision = est.decision_function([[-1], [2], [3]])
>>> y_true = [0, 2, 3]
>>> hinge_loss(y_true, pred_decision, labels=labels)
0.56...

3.3.2.12. Log loss¶

Log loss, also called logistic regression loss or
cross-entropy loss, is defined on probability estimates. It is
commonly used in (multinomial) logistic regression and neural networks, as well
as in some variants of expectation-maximization, and can be used to evaluate the
probability outputs (predict_proba) of a classifier instead of its
discrete predictions.

For binary classification with a true label (y in {0,1})
and a probability estimate (p = operatorname{Pr}(y = 1)),
the log loss per sample is the negative log-likelihood
of the classifier given the true label:

[L_{log}(y, p) = -log operatorname{Pr}(y|p) = -(y log (p) + (1 — y) log (1 — p))]

This extends to the multiclass case as follows.
Let the true labels for a set of samples
be encoded as a 1-of-K binary indicator matrix (Y),
i.e., (y_{i,k} = 1) if sample (i) has label (k)
taken from a set of (K) labels.
Let (P) be a matrix of probability estimates,
with (p_{i,k} = operatorname{Pr}(y_{i,k} = 1)).
Then the log loss of the whole set is

[L_{log}(Y, P) = -log operatorname{Pr}(Y|P) = — frac{1}{N} sum_{i=0}^{N-1} sum_{k=0}^{K-1} y_{i,k} log p_{i,k}]

To see how this generalizes the binary log loss given above,
note that in the binary case,
(p_{i,0} = 1 — p_{i,1}) and (y_{i,0} = 1 — y_{i,1}),
so expanding the inner sum over (y_{i,k} in {0,1})
gives the binary log loss.

The log_loss function computes log loss given a list of ground-truth
labels and a probability matrix, as returned by an estimator’s predict_proba
method.

>>> from sklearn.metrics import log_loss
>>> y_true = [0, 0, 1, 1]
>>> y_pred = [[.9, .1], [.8, .2], [.3, .7], [.01, .99]]
>>> log_loss(y_true, y_pred)
0.1738...

The first [.9, .1] in y_pred denotes 90% probability that the first
sample has label 0. The log loss is non-negative.

3.3.2.13. Matthews correlation coefficient¶

The matthews_corrcoef function computes the
Matthew’s correlation coefficient (MCC)
for binary classes. Quoting Wikipedia:

“The Matthews correlation coefficient is used in machine learning as a
measure of the quality of binary (two-class) classifications. It takes
into account true and false positives and negatives and is generally
regarded as a balanced measure which can be used even if the classes are
of very different sizes. The MCC is in essence a correlation coefficient
value between -1 and +1. A coefficient of +1 represents a perfect
prediction, 0 an average random prediction and -1 an inverse prediction.
The statistic is also known as the phi coefficient.”

In the binary (two-class) case, (tp), (tn), (fp) and
(fn) are respectively the number of true positives, true negatives, false
positives and false negatives, the MCC is defined as

[MCC = frac{tp times tn — fp times fn}{sqrt{(tp + fp)(tp + fn)(tn + fp)(tn + fn)}}.]

In the multiclass case, the Matthews correlation coefficient can be defined in terms of a
confusion_matrix (C) for (K) classes. To simplify the
definition consider the following intermediate variables:

  • (t_k=sum_{i}^{K} C_{ik}) the number of times class (k) truly occurred,

  • (p_k=sum_{i}^{K} C_{ki}) the number of times class (k) was predicted,

  • (c=sum_{k}^{K} C_{kk}) the total number of samples correctly predicted,

  • (s=sum_{i}^{K} sum_{j}^{K} C_{ij}) the total number of samples.

Then the multiclass MCC is defined as:

[MCC = frac{
c times s — sum_{k}^{K} p_k times t_k
}{sqrt{
(s^2 — sum_{k}^{K} p_k^2) times
(s^2 — sum_{k}^{K} t_k^2)
}}]

When there are more than two labels, the value of the MCC will no longer range
between -1 and +1. Instead the minimum value will be somewhere between -1 and 0
depending on the number and distribution of ground true labels. The maximum
value is always +1.

Here is a small example illustrating the usage of the matthews_corrcoef
function:

>>> from sklearn.metrics import matthews_corrcoef
>>> y_true = [+1, +1, +1, -1]
>>> y_pred = [+1, -1, +1, +1]
>>> matthews_corrcoef(y_true, y_pred)
-0.33...

3.3.2.14. Multi-label confusion matrix¶

The multilabel_confusion_matrix function computes class-wise (default)
or sample-wise (samplewise=True) multilabel confusion matrix to evaluate
the accuracy of a classification. multilabel_confusion_matrix also treats
multiclass data as if it were multilabel, as this is a transformation commonly
applied to evaluate multiclass problems with binary classification metrics
(such as precision, recall, etc.).

When calculating class-wise multilabel confusion matrix (C), the
count of true negatives for class (i) is (C_{i,0,0}), false
negatives is (C_{i,1,0}), true positives is (C_{i,1,1})
and false positives is (C_{i,0,1}).

Here is an example demonstrating the use of the
multilabel_confusion_matrix function with
multilabel indicator matrix input:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import multilabel_confusion_matrix
>>> y_true = np.array([[1, 0, 1],
...                    [0, 1, 0]])
>>> y_pred = np.array([[1, 0, 0],
...                    [0, 1, 1]])
>>> multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred)
array([[[1, 0],
        [0, 1]],

       [[1, 0],
        [0, 1]],

       [[0, 1],
        [1, 0]]])

Or a confusion matrix can be constructed for each sample’s labels:

>>> multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred, samplewise=True)
array([[[1, 0],
        [1, 1]],

       [[1, 1],
        [0, 1]]])

Here is an example demonstrating the use of the
multilabel_confusion_matrix function with
multiclass input:

>>> y_true = ["cat", "ant", "cat", "cat", "ant", "bird"]
>>> y_pred = ["ant", "ant", "cat", "cat", "ant", "cat"]
>>> multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred,
...                             labels=["ant", "bird", "cat"])
array([[[3, 1],
        [0, 2]],

       [[5, 0],
        [1, 0]],

       [[2, 1],
        [1, 2]]])

Here are some examples demonstrating the use of the
multilabel_confusion_matrix function to calculate recall
(or sensitivity), specificity, fall out and miss rate for each class in a
problem with multilabel indicator matrix input.

Calculating
recall
(also called the true positive rate or the sensitivity) for each class:

>>> y_true = np.array([[0, 0, 1],
...                    [0, 1, 0],
...                    [1, 1, 0]])
>>> y_pred = np.array([[0, 1, 0],
...                    [0, 0, 1],
...                    [1, 1, 0]])
>>> mcm = multilabel_confusion_matrix(y_true, y_pred)
>>> tn = mcm[:, 0, 0]
>>> tp = mcm[:, 1, 1]
>>> fn = mcm[:, 1, 0]
>>> fp = mcm[:, 0, 1]
>>> tp / (tp + fn)
array([1. , 0.5, 0. ])

Calculating
specificity
(also called the true negative rate) for each class:

>>> tn / (tn + fp)
array([1. , 0. , 0.5])

Calculating fall out
(also called the false positive rate) for each class:

>>> fp / (fp + tn)
array([0. , 1. , 0.5])

Calculating miss rate
(also called the false negative rate) for each class:

>>> fn / (fn + tp)
array([0. , 0.5, 1. ])

3.3.2.15. Receiver operating characteristic (ROC)¶

The function roc_curve computes the
receiver operating characteristic curve, or ROC curve.
Quoting Wikipedia :

“A receiver operating characteristic (ROC), or simply ROC curve, is a
graphical plot which illustrates the performance of a binary classifier
system as its discrimination threshold is varied. It is created by plotting
the fraction of true positives out of the positives (TPR = true positive
rate) vs. the fraction of false positives out of the negatives (FPR = false
positive rate), at various threshold settings. TPR is also known as
sensitivity, and FPR is one minus the specificity or true negative rate.”

This function requires the true binary value and the target scores, which can
either be probability estimates of the positive class, confidence values, or
binary decisions. Here is a small example of how to use the roc_curve
function:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import roc_curve
>>> 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
array([0. , 0. , 0.5, 0.5, 1. ])
>>> tpr
array([0. , 0.5, 0.5, 1. , 1. ])
>>> thresholds
array([1.8 , 0.8 , 0.4 , 0.35, 0.1 ])

Compared to metrics such as the subset accuracy, the Hamming loss, or the
F1 score, ROC doesn’t require optimizing a threshold for each label.

The roc_auc_score function, denoted by ROC-AUC or AUROC, computes the
area under the ROC curve. By doing so, the curve information is summarized in
one number.

The following figure shows the ROC curve and ROC-AUC score for a classifier
aimed to distinguish the virginica flower from the rest of the species in the
Iris plants dataset:

../_images/sphx_glr_plot_roc_001.png

For more information see the Wikipedia article on AUC.

3.3.2.15.1. Binary case¶

In the binary case, you can either provide the probability estimates, using
the classifier.predict_proba() method, or the non-thresholded decision values
given by the classifier.decision_function() method. In the case of providing
the probability estimates, the probability of the class with the
“greater label” should be provided. The “greater label” corresponds to
classifier.classes_[1] and thus classifier.predict_proba(X)[:, 1].
Therefore, the y_score parameter is of size (n_samples,).

>>> from sklearn.datasets import load_breast_cancer
>>> from sklearn.linear_model import LogisticRegression
>>> from sklearn.metrics import roc_auc_score
>>> X, y = load_breast_cancer(return_X_y=True)
>>> clf = LogisticRegression(solver="liblinear").fit(X, y)
>>> clf.classes_
array([0, 1])

We can use the probability estimates corresponding to clf.classes_[1].

>>> y_score = clf.predict_proba(X)[:, 1]
>>> roc_auc_score(y, y_score)
0.99...

Otherwise, we can use the non-thresholded decision values

>>> roc_auc_score(y, clf.decision_function(X))
0.99...

3.3.2.15.2. Multi-class case¶

The roc_auc_score function can also be used in multi-class
classification
. Two averaging strategies are currently supported: the
one-vs-one algorithm computes the average of the pairwise ROC AUC scores, and
the one-vs-rest algorithm computes the average of the ROC AUC scores for each
class against all other classes. In both cases, the predicted labels are
provided in an array with values from 0 to n_classes, and the scores
correspond to the probability estimates that a sample belongs to a particular
class. The OvO and OvR algorithms support weighting uniformly
(average='macro') and by prevalence (average='weighted').

One-vs-one Algorithm: Computes the average AUC of all possible pairwise
combinations of classes. [HT2001] defines a multiclass AUC metric weighted
uniformly:

[frac{1}{c(c-1)}sum_{j=1}^{c}sum_{k > j}^c (text{AUC}(j | k) +
text{AUC}(k | j))]

where (c) is the number of classes and (text{AUC}(j | k)) is the
AUC with class (j) as the positive class and class (k) as the
negative class. In general,
(text{AUC}(j | k) neq text{AUC}(k | j))) in the multiclass
case. This algorithm is used by setting the keyword argument multiclass
to 'ovo' and average to 'macro'.

The [HT2001] multiclass AUC metric can be extended to be weighted by the
prevalence:

[frac{1}{c(c-1)}sum_{j=1}^{c}sum_{k > j}^c p(j cup k)(
text{AUC}(j | k) + text{AUC}(k | j))]

where (c) is the number of classes. This algorithm is used by setting
the keyword argument multiclass to 'ovo' and average to
'weighted'. The 'weighted' option returns a prevalence-weighted average
as described in [FC2009].

One-vs-rest Algorithm: Computes the AUC of each class against the rest
[PD2000]. The algorithm is functionally the same as the multilabel case. To
enable this algorithm set the keyword argument multiclass to 'ovr'.
Additionally to 'macro' [F2006] and 'weighted' [F2001] averaging, OvR
supports 'micro' averaging.

In applications where a high false positive rate is not tolerable the parameter
max_fpr of roc_auc_score can be used to summarize the ROC curve up
to the given limit.

The following figure shows the micro-averaged ROC curve and its corresponding
ROC-AUC score for a classifier aimed to distinguish the the different species in
the Iris plants dataset:

../_images/sphx_glr_plot_roc_002.png

3.3.2.15.3. Multi-label case¶

In multi-label classification, the roc_auc_score function is
extended by averaging over the labels as above. In this case,
you should provide a y_score of shape (n_samples, n_classes). Thus, when
using the probability estimates, one needs to select the probability of the
class with the greater label for each output.

>>> from sklearn.datasets import make_multilabel_classification
>>> from sklearn.multioutput import MultiOutputClassifier
>>> X, y = make_multilabel_classification(random_state=0)
>>> inner_clf = LogisticRegression(solver="liblinear", random_state=0)
>>> clf = MultiOutputClassifier(inner_clf).fit(X, y)
>>> y_score = np.transpose([y_pred[:, 1] for y_pred in clf.predict_proba(X)])
>>> roc_auc_score(y, y_score, average=None)
array([0.82..., 0.86..., 0.94..., 0.85... , 0.94...])

And the decision values do not require such processing.

>>> from sklearn.linear_model import RidgeClassifierCV
>>> clf = RidgeClassifierCV().fit(X, y)
>>> y_score = clf.decision_function(X)
>>> roc_auc_score(y, y_score, average=None)
array([0.81..., 0.84... , 0.93..., 0.87..., 0.94...])

3.3.2.16. Detection error tradeoff (DET)¶

The function det_curve computes the
detection error tradeoff curve (DET) curve [WikipediaDET2017].
Quoting Wikipedia:

“A detection error tradeoff (DET) graph is a graphical plot of error rates
for binary classification systems, plotting false reject rate vs. false
accept rate. The x- and y-axes are scaled non-linearly by their standard
normal deviates (or just by logarithmic transformation), yielding tradeoff
curves that are more linear than ROC curves, and use most of the image area
to highlight the differences of importance in the critical operating region.”

DET curves are a variation of receiver operating characteristic (ROC) curves
where False Negative Rate is plotted on the y-axis instead of True Positive
Rate.
DET curves are commonly plotted in normal deviate scale by transformation with
(phi^{-1}) (with (phi) being the cumulative distribution
function).
The resulting performance curves explicitly visualize the tradeoff of error
types for given classification algorithms.
See [Martin1997] for examples and further motivation.

This figure compares the ROC and DET curves of two example classifiers on the
same classification task:

../_images/sphx_glr_plot_det_001.png

Properties:

  • DET curves form a linear curve in normal deviate scale if the detection
    scores are normally (or close-to normally) distributed.
    It was shown by [Navratil2007] that the reverse is not necessarily true and
    even more general distributions are able to produce linear DET curves.

  • The normal deviate scale transformation spreads out the points such that a
    comparatively larger space of plot is occupied.
    Therefore curves with similar classification performance might be easier to
    distinguish on a DET plot.

  • With False Negative Rate being “inverse” to True Positive Rate the point
    of perfection for DET curves is the origin (in contrast to the top left
    corner for ROC curves).

Applications and limitations:

DET curves are intuitive to read and hence allow quick visual assessment of a
classifier’s performance.
Additionally DET curves can be consulted for threshold analysis and operating
point selection.
This is particularly helpful if a comparison of error types is required.

On the other hand DET curves do not provide their metric as a single number.
Therefore for either automated evaluation or comparison to other
classification tasks metrics like the derived area under ROC curve might be
better suited.

3.3.2.17. Zero one loss¶

The zero_one_loss function computes the sum or the average of the 0-1
classification loss ((L_{0-1})) over (n_{text{samples}}). By
default, the function normalizes over the sample. To get the sum of the
(L_{0-1}), set normalize to False.

In multilabel classification, the zero_one_loss scores a subset as
one if its labels strictly match the predictions, and as a zero if there
are any errors. By default, the function returns the percentage of imperfectly
predicted subsets. To get the count of such subsets instead, set
normalize to False

If (hat{y}_i) is the predicted value of
the (i)-th sample and (y_i) is the corresponding true value,
then the 0-1 loss (L_{0-1}) is defined as:

[L_{0-1}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples}-1} 1(hat{y}_i not= y_i)]

where (1(x)) is the indicator function. The zero one
loss can also be computed as (zero-one loss = 1 — accuracy).

>>> from sklearn.metrics import zero_one_loss
>>> y_pred = [1, 2, 3, 4]
>>> y_true = [2, 2, 3, 4]
>>> zero_one_loss(y_true, y_pred)
0.25
>>> zero_one_loss(y_true, y_pred, normalize=False)
1

In the multilabel case with binary label indicators, where the first label
set [0,1] has an error:

>>> zero_one_loss(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.ones((2, 2)))
0.5

>>> zero_one_loss(np.array([[0, 1], [1, 1]]), np.ones((2, 2)),  normalize=False)
1

3.3.2.18. Brier score loss¶

The brier_score_loss function computes the
Brier score
for binary classes [Brier1950]. Quoting Wikipedia:

“The Brier score is a proper score function that measures the accuracy of
probabilistic predictions. It is applicable to tasks in which predictions
must assign probabilities to a set of mutually exclusive discrete outcomes.”

This function returns the mean squared error of the actual outcome
(y in {0,1}) and the predicted probability estimate
(p = operatorname{Pr}(y = 1)) (predict_proba) as outputted by:

[BS = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1}(y_i — p_i)^2]

The Brier score loss is also between 0 to 1 and the lower the value (the mean
square difference is smaller), the more accurate the prediction is.

Here is a small example of usage of this function:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import brier_score_loss
>>> y_true = np.array([0, 1, 1, 0])
>>> y_true_categorical = np.array(["spam", "ham", "ham", "spam"])
>>> y_prob = np.array([0.1, 0.9, 0.8, 0.4])
>>> y_pred = np.array([0, 1, 1, 0])
>>> brier_score_loss(y_true, y_prob)
0.055
>>> brier_score_loss(y_true, 1 - y_prob, pos_label=0)
0.055
>>> brier_score_loss(y_true_categorical, y_prob, pos_label="ham")
0.055
>>> brier_score_loss(y_true, y_prob > 0.5)
0.0

The Brier score can be used to assess how well a classifier is calibrated.
However, a lower Brier score loss does not always mean a better calibration.
This is because, by analogy with the bias-variance decomposition of the mean
squared error, the Brier score loss can be decomposed as the sum of calibration
loss and refinement loss [Bella2012]. Calibration loss is defined as the mean
squared deviation from empirical probabilities derived from the slope of ROC
segments. Refinement loss can be defined as the expected optimal loss as
measured by the area under the optimal cost curve. Refinement loss can change
independently from calibration loss, thus a lower Brier score loss does not
necessarily mean a better calibrated model. “Only when refinement loss remains
the same does a lower Brier score loss always mean better calibration”
[Bella2012], [Flach2008].

3.3.2.19. Class likelihood ratios¶

The class_likelihood_ratios function computes the positive and negative
likelihood ratios
(LR_pm) for binary classes, which can be interpreted as the ratio of
post-test to pre-test odds as explained below. As a consequence, this metric is
invariant w.r.t. the class prevalence (the number of samples in the positive
class divided by the total number of samples) and can be extrapolated between
populations regardless of any possible class imbalance.

The (LR_pm) metrics are therefore very useful in settings where the data
available to learn and evaluate a classifier is a study population with nearly
balanced classes, such as a case-control study, while the target application,
i.e. the general population, has very low prevalence.

The positive likelihood ratio (LR_+) is the probability of a classifier to
correctly predict that a sample belongs to the positive class divided by the
probability of predicting the positive class for a sample belonging to the
negative class:

[LR_+ = frac{text{PR}(P+|T+)}{text{PR}(P+|T-)}.]

The notation here refers to predicted ((P)) or true ((T)) label and
the sign (+) and (-) refer to the positive and negative class,
respectively, e.g. (P+) stands for “predicted positive”.

Analogously, the negative likelihood ratio (LR_-) is the probability of a
sample of the positive class being classified as belonging to the negative class
divided by the probability of a sample of the negative class being correctly
classified:

[LR_- = frac{text{PR}(P-|T+)}{text{PR}(P-|T-)}.]

For classifiers above chance (LR_+) above 1 higher is better, while
(LR_-) ranges from 0 to 1 and lower is better.
Values of (LR_pmapprox 1) correspond to chance level.

Notice that probabilities differ from counts, for instance
(operatorname{PR}(P+|T+)) is not equal to the number of true positive
counts tp (see the wikipedia page for
the actual formulas).

Interpretation across varying prevalence:

Both class likelihood ratios are interpretable in terms of an odds ratio
(pre-test and post-tests):

[text{post-test odds} = text{Likelihood ratio} times text{pre-test odds}.]

Odds are in general related to probabilities via

[text{odds} = frac{text{probability}}{1 — text{probability}},]

or equivalently

[text{probability} = frac{text{odds}}{1 + text{odds}}.]

On a given population, the pre-test probability is given by the prevalence. By
converting odds to probabilities, the likelihood ratios can be translated into a
probability of truly belonging to either class before and after a classifier
prediction:

[text{post-test odds} = text{Likelihood ratio} times
frac{text{pre-test probability}}{1 — text{pre-test probability}},]

[text{post-test probability} = frac{text{post-test odds}}{1 + text{post-test odds}}.]

Mathematical divergences:

The positive likelihood ratio is undefined when (fp = 0), which can be
interpreted as the classifier perfectly identifying positive cases. If (fp
= 0)
and additionally (tp = 0), this leads to a zero/zero division. This
happens, for instance, when using a DummyClassifier that always predicts the
negative class and therefore the interpretation as a perfect classifier is lost.

The negative likelihood ratio is undefined when (tn = 0). Such divergence
is invalid, as (LR_- > 1) would indicate an increase in the odds of a
sample belonging to the positive class after being classified as negative, as if
the act of classifying caused the positive condition. This includes the case of
a DummyClassifier that always predicts the positive class (i.e. when
(tn=fn=0)).

Both class likelihood ratios are undefined when (tp=fn=0), which means
that no samples of the positive class were present in the testing set. This can
also happen when cross-validating highly imbalanced data.

In all the previous cases the class_likelihood_ratios function raises by
default an appropriate warning message and returns nan to avoid pollution when
averaging over cross-validation folds.

For a worked-out demonstration of the class_likelihood_ratios function,
see the example below.

3.3.3. Multilabel ranking metrics¶

In multilabel learning, each sample can have any number of ground truth labels
associated with it. The goal is to give high scores and better rank to
the ground truth labels.

3.3.3.1. Coverage error¶

The coverage_error function computes the average number of labels that
have to be included in the final prediction such that all true labels
are predicted. This is useful if you want to know how many top-scored-labels
you have to predict in average without missing any true one. The best value
of this metrics is thus the average number of true labels.

Note

Our implementation’s score is 1 greater than the one given in Tsoumakas
et al., 2010. This extends it to handle the degenerate case in which an
instance has 0 true labels.

Formally, given a binary indicator matrix of the ground truth labels
(y in left{0, 1right}^{n_text{samples} times n_text{labels}}) and the
score associated with each label
(hat{f} in mathbb{R}^{n_text{samples} times n_text{labels}}),
the coverage is defined as

[coverage(y, hat{f}) = frac{1}{n_{text{samples}}}
sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1} max_{j:y_{ij} = 1} text{rank}_{ij}]

with (text{rank}_{ij} = left|left{k: hat{f}_{ik} geq hat{f}_{ij} right}right|).
Given the rank definition, ties in y_scores are broken by giving the
maximal rank that would have been assigned to all tied values.

Here is a small example of usage of this function:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import coverage_error
>>> y_true = np.array([[1, 0, 0], [0, 0, 1]])
>>> y_score = np.array([[0.75, 0.5, 1], [1, 0.2, 0.1]])
>>> coverage_error(y_true, y_score)
2.5

3.3.3.2. Label ranking average precision¶

The label_ranking_average_precision_score function
implements label ranking average precision (LRAP). This metric is linked to
the average_precision_score function, but is based on the notion of
label ranking instead of precision and recall.

Label ranking average precision (LRAP) averages over the samples the answer to
the following question: for each ground truth label, what fraction of
higher-ranked labels were true labels? This performance measure will be higher
if you are able to give better rank to the labels associated with each sample.
The obtained score is always strictly greater than 0, and the best value is 1.
If there is exactly one relevant label per sample, label ranking average
precision is equivalent to the mean
reciprocal rank.

Formally, given a binary indicator matrix of the ground truth labels
(y in left{0, 1right}^{n_text{samples} times n_text{labels}})
and the score associated with each label
(hat{f} in mathbb{R}^{n_text{samples} times n_text{labels}}),
the average precision is defined as

[LRAP(y, hat{f}) = frac{1}{n_{text{samples}}}
sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1} frac{1}{||y_i||_0}
sum_{j:y_{ij} = 1} frac{|mathcal{L}_{ij}|}{text{rank}_{ij}}]

where
(mathcal{L}_{ij} = left{k: y_{ik} = 1, hat{f}_{ik} geq hat{f}_{ij} right}),
(text{rank}_{ij} = left|left{k: hat{f}_{ik} geq hat{f}_{ij} right}right|),
(|cdot|) computes the cardinality of the set (i.e., the number of
elements in the set), and (||cdot||_0) is the (ell_0) “norm”
(which computes the number of nonzero elements in a vector).

Here is a small example of usage of this function:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import label_ranking_average_precision_score
>>> y_true = np.array([[1, 0, 0], [0, 0, 1]])
>>> y_score = np.array([[0.75, 0.5, 1], [1, 0.2, 0.1]])
>>> label_ranking_average_precision_score(y_true, y_score)
0.416...

3.3.3.3. Ranking loss¶

The label_ranking_loss function computes the ranking loss which
averages over the samples the number of label pairs that are incorrectly
ordered, i.e. true labels have a lower score than false labels, weighted by
the inverse of the number of ordered pairs of false and true labels.
The lowest achievable ranking loss is zero.

Formally, given a binary indicator matrix of the ground truth labels
(y in left{0, 1right}^{n_text{samples} times n_text{labels}}) and the
score associated with each label
(hat{f} in mathbb{R}^{n_text{samples} times n_text{labels}}),
the ranking loss is defined as

[ranking_loss(y, hat{f}) = frac{1}{n_{text{samples}}}
sum_{i=0}^{n_{text{samples}} — 1} frac{1}{||y_i||_0(n_text{labels} — ||y_i||_0)}
left|left{(k, l): hat{f}_{ik} leq hat{f}_{il}, y_{ik} = 1, y_{il} = 0 right}right|]

where (|cdot|) computes the cardinality of the set (i.e., the number of
elements in the set) and (||cdot||_0) is the (ell_0) “norm”
(which computes the number of nonzero elements in a vector).

Here is a small example of usage of this function:

>>> import numpy as np
>>> from sklearn.metrics import label_ranking_loss
>>> y_true = np.array([[1, 0, 0], [0, 0, 1]])
>>> y_score = np.array([[0.75, 0.5, 1], [1, 0.2, 0.1]])
>>> label_ranking_loss(y_true, y_score)
0.75...
>>> # With the following prediction, we have perfect and minimal loss
>>> y_score = np.array([[1.0, 0.1, 0.2], [0.1, 0.2, 0.9]])
>>> label_ranking_loss(y_true, y_score)
0.0

3.3.3.4. Normalized Discounted Cumulative Gain¶

Discounted Cumulative Gain (DCG) and Normalized Discounted Cumulative Gain
(NDCG) are ranking metrics implemented in dcg_score
and ndcg_score ; they compare a predicted order to
ground-truth scores, such as the relevance of answers to a query.

From the Wikipedia page for Discounted Cumulative Gain:

“Discounted cumulative gain (DCG) is a measure of ranking quality. In
information retrieval, it is often used to measure effectiveness of web search
engine algorithms or related applications. Using a graded relevance scale of
documents in a search-engine result set, DCG measures the usefulness, or gain,
of a document based on its position in the result list. The gain is accumulated
from the top of the result list to the bottom, with the gain of each result
discounted at lower ranks”

DCG orders the true targets (e.g. relevance of query answers) in the predicted
order, then multiplies them by a logarithmic decay and sums the result. The sum
can be truncated after the first (K) results, in which case we call it
DCG@K.
NDCG, or NDCG@K is DCG divided by the DCG obtained by a perfect prediction, so
that it is always between 0 and 1. Usually, NDCG is preferred to DCG.

Compared with the ranking loss, NDCG can take into account relevance scores,
rather than a ground-truth ranking. So if the ground-truth consists only of an
ordering, the ranking loss should be preferred; if the ground-truth consists of
actual usefulness scores (e.g. 0 for irrelevant, 1 for relevant, 2 for very
relevant), NDCG can be used.

For one sample, given the vector of continuous ground-truth values for each
target (y in mathbb{R}^{M}), where (M) is the number of outputs, and
the prediction (hat{y}), which induces the ranking function (f), the
DCG score is

[sum_{r=1}^{min(K, M)}frac{y_{f(r)}}{log(1 + r)}]

and the NDCG score is the DCG score divided by the DCG score obtained for
(y).

3.3.4. Regression metrics¶

The sklearn.metrics module implements several loss, score, and utility
functions to measure regression performance. Some of those have been enhanced
to handle the multioutput case: mean_squared_error,
mean_absolute_error, r2_score,
explained_variance_score, mean_pinball_loss, d2_pinball_score
and d2_absolute_error_score.

These functions have a multioutput keyword argument which specifies the
way the scores or losses for each individual target should be averaged. The
default is 'uniform_average', which specifies a uniformly weighted mean
over outputs. If an ndarray of shape (n_outputs,) is passed, then its
entries are interpreted as weights and an according weighted average is
returned. If multioutput is 'raw_values', then all unaltered
individual scores or losses will be returned in an array of shape
(n_outputs,).

The r2_score and explained_variance_score accept an additional
value 'variance_weighted' for the multioutput parameter. This option
leads to a weighting of each individual score by the variance of the
corresponding target variable. This setting quantifies the globally captured
unscaled variance. If the target variables are of different scale, then this
score puts more importance on explaining the higher variance variables.
multioutput='variance_weighted' is the default value for r2_score
for backward compatibility. This will be changed to uniform_average in the
future.

3.3.4.1. R² score, the coefficient of determination¶

The r2_score function computes the coefficient of
determination,
usually denoted as (R^2).

It represents the proportion of variance (of y) that has been explained by the
independent variables in the model. It provides an indication of goodness of
fit and therefore a measure of how well unseen samples are likely to be
predicted by the model, through the proportion of explained variance.

As such variance is dataset dependent, (R^2) may not be meaningfully comparable
across different datasets. Best possible score is 1.0 and it can be negative
(because the model can be arbitrarily worse). A constant model that always
predicts the expected (average) value of y, disregarding the input features,
would get an (R^2) score of 0.0.

Note: when the prediction residuals have zero mean, the (R^2) score and
the Explained variance score are identical.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample
and (y_i) is the corresponding true value for total (n) samples,
the estimated (R^2) is defined as:

[R^2(y, hat{y}) = 1 — frac{sum_{i=1}^{n} (y_i — hat{y}_i)^2}{sum_{i=1}^{n} (y_i — bar{y})^2}]

where (bar{y} = frac{1}{n} sum_{i=1}^{n} y_i) and (sum_{i=1}^{n} (y_i — hat{y}_i)^2 = sum_{i=1}^{n} epsilon_i^2).

Note that r2_score calculates unadjusted (R^2) without correcting for
bias in sample variance of y.

In the particular case where the true target is constant, the (R^2) score is
not finite: it is either NaN (perfect predictions) or -Inf (imperfect
predictions). Such non-finite scores may prevent correct model optimization
such as grid-search cross-validation to be performed correctly. For this reason
the default behaviour of r2_score is to replace them with 1.0 (perfect
predictions) or 0.0 (imperfect predictions). If force_finite
is set to False, this score falls back on the original (R^2) definition.

Here is a small example of usage of the r2_score function:

>>> from sklearn.metrics import r2_score
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> r2_score(y_true, y_pred)
0.948...
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput='variance_weighted')
0.938...
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput='uniform_average')
0.936...
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput='raw_values')
array([0.965..., 0.908...])
>>> r2_score(y_true, y_pred, multioutput=[0.3, 0.7])
0.925...
>>> y_true = [-2, -2, -2]
>>> y_pred = [-2, -2, -2]
>>> r2_score(y_true, y_pred)
1.0
>>> r2_score(y_true, y_pred, force_finite=False)
nan
>>> y_true = [-2, -2, -2]
>>> y_pred = [-2, -2, -2 + 1e-8]
>>> r2_score(y_true, y_pred)
0.0
>>> r2_score(y_true, y_pred, force_finite=False)
-inf

3.3.4.2. Mean absolute error¶

The mean_absolute_error function computes mean absolute
error, a risk
metric corresponding to the expected value of the absolute error loss or
(l1)-norm loss.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample,
and (y_i) is the corresponding true value, then the mean absolute error
(MAE) estimated over (n_{text{samples}}) is defined as

[text{MAE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}}-1} left| y_i — hat{y}_i right|.]

Here is a small example of usage of the mean_absolute_error function:

>>> from sklearn.metrics import mean_absolute_error
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred)
0.5
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred)
0.75
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred, multioutput='raw_values')
array([0.5, 1. ])
>>> mean_absolute_error(y_true, y_pred, multioutput=[0.3, 0.7])
0.85...

3.3.4.3. Mean squared error¶

The mean_squared_error function computes mean square
error, a risk
metric corresponding to the expected value of the squared (quadratic) error or
loss.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample,
and (y_i) is the corresponding true value, then the mean squared error
(MSE) estimated over (n_{text{samples}}) is defined as

[text{MSE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples} — 1} (y_i — hat{y}_i)^2.]

Here is a small example of usage of the mean_squared_error
function:

>>> from sklearn.metrics import mean_squared_error
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> mean_squared_error(y_true, y_pred)
0.375
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> mean_squared_error(y_true, y_pred)
0.7083...

3.3.4.4. Mean squared logarithmic error¶

The mean_squared_log_error function computes a risk metric
corresponding to the expected value of the squared logarithmic (quadratic)
error or loss.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample,
and (y_i) is the corresponding true value, then the mean squared
logarithmic error (MSLE) estimated over (n_{text{samples}}) is
defined as

[text{MSLE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}} sum_{i=0}^{n_text{samples} — 1} (log_e (1 + y_i) — log_e (1 + hat{y}_i) )^2.]

Where (log_e (x)) means the natural logarithm of (x). This metric
is best to use when targets having exponential growth, such as population
counts, average sales of a commodity over a span of years etc. Note that this
metric penalizes an under-predicted estimate greater than an over-predicted
estimate.

Here is a small example of usage of the mean_squared_log_error
function:

>>> from sklearn.metrics import mean_squared_log_error
>>> y_true = [3, 5, 2.5, 7]
>>> y_pred = [2.5, 5, 4, 8]
>>> mean_squared_log_error(y_true, y_pred)
0.039...
>>> y_true = [[0.5, 1], [1, 2], [7, 6]]
>>> y_pred = [[0.5, 2], [1, 2.5], [8, 8]]
>>> mean_squared_log_error(y_true, y_pred)
0.044...

3.3.4.5. Mean absolute percentage error¶

The mean_absolute_percentage_error (MAPE), also known as mean absolute
percentage deviation (MAPD), is an evaluation metric for regression problems.
The idea of this metric is to be sensitive to relative errors. It is for example
not changed by a global scaling of the target variable.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample
and (y_i) is the corresponding true value, then the mean absolute percentage
error (MAPE) estimated over (n_{text{samples}}) is defined as

[text{MAPE}(y, hat{y}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}}-1} frac{{}left| y_i — hat{y}_i right|}{max(epsilon, left| y_i right|)}]

where (epsilon) is an arbitrary small yet strictly positive number to
avoid undefined results when y is zero.

The mean_absolute_percentage_error function supports multioutput.

Here is a small example of usage of the mean_absolute_percentage_error
function:

>>> from sklearn.metrics import mean_absolute_percentage_error
>>> y_true = [1, 10, 1e6]
>>> y_pred = [0.9, 15, 1.2e6]
>>> mean_absolute_percentage_error(y_true, y_pred)
0.2666...

In above example, if we had used mean_absolute_error, it would have ignored
the small magnitude values and only reflected the error in prediction of highest
magnitude value. But that problem is resolved in case of MAPE because it calculates
relative percentage error with respect to actual output.

3.3.4.6. Median absolute error¶

The median_absolute_error is particularly interesting because it is
robust to outliers. The loss is calculated by taking the median of all absolute
differences between the target and the prediction.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample
and (y_i) is the corresponding true value, then the median absolute error
(MedAE) estimated over (n_{text{samples}}) is defined as

[text{MedAE}(y, hat{y}) = text{median}(mid y_1 — hat{y}_1 mid, ldots, mid y_n — hat{y}_n mid).]

The median_absolute_error does not support multioutput.

Here is a small example of usage of the median_absolute_error
function:

>>> from sklearn.metrics import median_absolute_error
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> median_absolute_error(y_true, y_pred)
0.5

3.3.4.7. Max error¶

The max_error function computes the maximum residual error , a metric
that captures the worst case error between the predicted value and
the true value. In a perfectly fitted single output regression
model, max_error would be 0 on the training set and though this
would be highly unlikely in the real world, this metric shows the
extent of error that the model had when it was fitted.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample,
and (y_i) is the corresponding true value, then the max error is
defined as

[text{Max Error}(y, hat{y}) = max(| y_i — hat{y}_i |)]

Here is a small example of usage of the max_error function:

>>> from sklearn.metrics import max_error
>>> y_true = [3, 2, 7, 1]
>>> y_pred = [9, 2, 7, 1]
>>> max_error(y_true, y_pred)
6

The max_error does not support multioutput.

3.3.4.8. Explained variance score¶

The explained_variance_score computes the explained variance
regression score.

If (hat{y}) is the estimated target output, (y) the corresponding
(correct) target output, and (Var) is Variance, the square of the standard deviation,
then the explained variance is estimated as follow:

[explained_{}variance(y, hat{y}) = 1 — frac{Var{ y — hat{y}}}{Var{y}}]

The best possible score is 1.0, lower values are worse.

In the particular case where the true target is constant, the Explained
Variance score is not finite: it is either NaN (perfect predictions) or
-Inf (imperfect predictions). Such non-finite scores may prevent correct
model optimization such as grid-search cross-validation to be performed
correctly. For this reason the default behaviour of
explained_variance_score is to replace them with 1.0 (perfect
predictions) or 0.0 (imperfect predictions). You can set the force_finite
parameter to False to prevent this fix from happening and fallback on the
original Explained Variance score.

Here is a small example of usage of the explained_variance_score
function:

>>> from sklearn.metrics import explained_variance_score
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred)
0.957...
>>> y_true = [[0.5, 1], [-1, 1], [7, -6]]
>>> y_pred = [[0, 2], [-1, 2], [8, -5]]
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred, multioutput='raw_values')
array([0.967..., 1.        ])
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred, multioutput=[0.3, 0.7])
0.990...
>>> y_true = [-2, -2, -2]
>>> y_pred = [-2, -2, -2]
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred)
1.0
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred, force_finite=False)
nan
>>> y_true = [-2, -2, -2]
>>> y_pred = [-2, -2, -2 + 1e-8]
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred)
0.0
>>> explained_variance_score(y_true, y_pred, force_finite=False)
-inf

3.3.4.9. Mean Poisson, Gamma, and Tweedie deviances¶

The mean_tweedie_deviance function computes the mean Tweedie
deviance error
with a power parameter ((p)). This is a metric that elicits
predicted expectation values of regression targets.

Following special cases exist,

  • when power=0 it is equivalent to mean_squared_error.

  • when power=1 it is equivalent to mean_poisson_deviance.

  • when power=2 it is equivalent to mean_gamma_deviance.

If (hat{y}_i) is the predicted value of the (i)-th sample,
and (y_i) is the corresponding true value, then the mean Tweedie
deviance error (D) for power (p), estimated over (n_{text{samples}})
is defined as

[begin{split}text{D}(y, hat{y}) = frac{1}{n_text{samples}}
sum_{i=0}^{n_text{samples} — 1}
begin{cases}
(y_i-hat{y}_i)^2, & text{for }p=0text{ (Normal)}\
2(y_i log(y_i/hat{y}_i) + hat{y}_i — y_i), & text{for }p=1text{ (Poisson)}\
2(log(hat{y}_i/y_i) + y_i/hat{y}_i — 1), & text{for }p=2text{ (Gamma)}\
2left(frac{max(y_i,0)^{2-p}}{(1-p)(2-p)}-
frac{y_i,hat{y}_i^{1-p}}{1-p}+frac{hat{y}_i^{2-p}}{2-p}right),
& text{otherwise}
end{cases}end{split}]

Tweedie deviance is a homogeneous function of degree 2-power.
Thus, Gamma distribution with power=2 means that simultaneously scaling
y_true and y_pred has no effect on the deviance. For Poisson
distribution power=1 the deviance scales linearly, and for Normal
distribution (power=0), quadratically. In general, the higher
power the less weight is given to extreme deviations between true
and predicted targets.

For instance, let’s compare the two predictions 1.5 and 150 that are both
50% larger than their corresponding true value.

The mean squared error (power=0) is very sensitive to the
prediction difference of the second point,:

>>> from sklearn.metrics import mean_tweedie_deviance
>>> mean_tweedie_deviance([1.0], [1.5], power=0)
0.25
>>> mean_tweedie_deviance([100.], [150.], power=0)
2500.0

If we increase power to 1,:

>>> mean_tweedie_deviance([1.0], [1.5], power=1)
0.18...
>>> mean_tweedie_deviance([100.], [150.], power=1)
18.9...

the difference in errors decreases. Finally, by setting, power=2:

>>> mean_tweedie_deviance([1.0], [1.5], power=2)
0.14...
>>> mean_tweedie_deviance([100.], [150.], power=2)
0.14...

we would get identical errors. The deviance when power=2 is thus only
sensitive to relative errors.

3.3.4.10. Pinball loss¶

The mean_pinball_loss function is used to evaluate the predictive
performance of quantile regression models.

[text{pinball}(y, hat{y}) = frac{1}{n_{text{samples}}} sum_{i=0}^{n_{text{samples}}-1} alpha max(y_i — hat{y}_i, 0) + (1 — alpha) max(hat{y}_i — y_i, 0)]

The value of pinball loss is equivalent to half of mean_absolute_error when the quantile
parameter alpha is set to 0.5.

Here is a small example of usage of the mean_pinball_loss function:

>>> from sklearn.metrics import mean_pinball_loss
>>> y_true = [1, 2, 3]
>>> mean_pinball_loss(y_true, [0, 2, 3], alpha=0.1)
0.03...
>>> mean_pinball_loss(y_true, [1, 2, 4], alpha=0.1)
0.3...
>>> mean_pinball_loss(y_true, [0, 2, 3], alpha=0.9)
0.3...
>>> mean_pinball_loss(y_true, [1, 2, 4], alpha=0.9)
0.03...
>>> mean_pinball_loss(y_true, y_true, alpha=0.1)
0.0
>>> mean_pinball_loss(y_true, y_true, alpha=0.9)
0.0

It is possible to build a scorer object with a specific choice of alpha:

>>> from sklearn.metrics import make_scorer
>>> mean_pinball_loss_95p = make_scorer(mean_pinball_loss, alpha=0.95)

Such a scorer can be used to evaluate the generalization performance of a
quantile regressor via cross-validation:

>>> from sklearn.datasets import make_regression
>>> from sklearn.model_selection import cross_val_score
>>> from sklearn.ensemble import GradientBoostingRegressor
>>>
>>> X, y = make_regression(n_samples=100, random_state=0)
>>> estimator = GradientBoostingRegressor(
...     loss="quantile",
...     alpha=0.95,
...     random_state=0,
... )
>>> cross_val_score(estimator, X, y, cv=5, scoring=mean_pinball_loss_95p)
array([13.6..., 9.7..., 23.3..., 9.5..., 10.4...])

It is also possible to build scorer objects for hyper-parameter tuning. The
sign of the loss must be switched to ensure that greater means better as
explained in the example linked below.

3.3.4.11. D² score¶

The D² score computes the fraction of deviance explained.
It is a generalization of R², where the squared error is generalized and replaced
by a deviance of choice (text{dev}(y, hat{y}))
(e.g., Tweedie, pinball or mean absolute error). D² is a form of a skill score.
It is calculated as

[D^2(y, hat{y}) = 1 — frac{text{dev}(y, hat{y})}{text{dev}(y, y_{text{null}})} ,.]

Where (y_{text{null}}) is the optimal prediction of an intercept-only model
(e.g., the mean of y_true for the Tweedie case, the median for absolute
error and the alpha-quantile for pinball loss).

Like R², the best possible score is 1.0 and it can be negative (because the
model can be arbitrarily worse). A constant model that always predicts
(y_{text{null}}), disregarding the input features, would get a D² score
of 0.0.

3.3.4.11.1. D² Tweedie score¶

The d2_tweedie_score function implements the special case of D²
where (text{dev}(y, hat{y})) is the Tweedie deviance, see Mean Poisson, Gamma, and Tweedie deviances.
It is also known as D² Tweedie and is related to McFadden’s likelihood ratio index.

The argument power defines the Tweedie power as for
mean_tweedie_deviance. Note that for power=0,
d2_tweedie_score equals r2_score (for single targets).

A scorer object with a specific choice of power can be built by:

>>> from sklearn.metrics import d2_tweedie_score, make_scorer
>>> d2_tweedie_score_15 = make_scorer(d2_tweedie_score, power=1.5)

3.3.4.11.2. D² pinball score¶

The d2_pinball_score function implements the special case
of D² with the pinball loss, see Pinball loss, i.e.:

[text{dev}(y, hat{y}) = text{pinball}(y, hat{y}).]

The argument alpha defines the slope of the pinball loss as for
mean_pinball_loss (Pinball loss). It determines the
quantile level alpha for which the pinball loss and also D²
are optimal. Note that for alpha=0.5 (the default) d2_pinball_score
equals d2_absolute_error_score.

A scorer object with a specific choice of alpha can be built by:

>>> from sklearn.metrics import d2_pinball_score, make_scorer
>>> d2_pinball_score_08 = make_scorer(d2_pinball_score, alpha=0.8)

3.3.4.11.3. D² absolute error score¶

The d2_absolute_error_score function implements the special case of
the Mean absolute error:

[text{dev}(y, hat{y}) = text{MAE}(y, hat{y}).]

Here are some usage examples of the d2_absolute_error_score function:

>>> from sklearn.metrics import d2_absolute_error_score
>>> y_true = [3, -0.5, 2, 7]
>>> y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]
>>> d2_absolute_error_score(y_true, y_pred)
0.764...
>>> y_true = [1, 2, 3]
>>> y_pred = [1, 2, 3]
>>> d2_absolute_error_score(y_true, y_pred)
1.0
>>> y_true = [1, 2, 3]
>>> y_pred = [2, 2, 2]
>>> d2_absolute_error_score(y_true, y_pred)
0.0

3.3.4.12. Visual evaluation of regression models¶

Among methods to assess the quality of regression models, scikit-learn provides
the PredictionErrorDisplay class. It allows to
visually inspect the prediction errors of a model in two different manners.

../_images/sphx_glr_plot_cv_predict_001.png

The plot on the left shows the actual values vs predicted values. For a
noise-free regression task aiming to predict the (conditional) expectation of
y, a perfect regression model would display data points on the diagonal
defined by predicted equal to actual values. The further away from this optimal
line, the larger the error of the model. In a more realistic setting with
irreducible noise, that is, when not all the variations of y can be explained
by features in X, then the best model would lead to a cloud of points densely
arranged around the diagonal.

Note that the above only holds when the predicted values is the expected value
of y given X. This is typically the case for regression models that
minimize the mean squared error objective function or more generally the
mean Tweedie deviance for any value of its
“power” parameter.

When plotting the predictions of an estimator that predicts a quantile
of y given X, e.g. QuantileRegressor
or any other model minimizing the pinball loss, a
fraction of the points are either expected to lie above or below the diagonal
depending on the estimated quantile level.

All in all, while intuitive to read, this plot does not really inform us on
what to do to obtain a better model.

The right-hand side plot shows the residuals (i.e. the difference between the
actual and the predicted values) vs. the predicted values.

This plot makes it easier to visualize if the residuals follow and
homoscedastic or heteroschedastic
distribution.

In particular, if the true distribution of y|X is Poisson or Gamma
distributed, it is expected that the variance of the residuals of the optimal
model would grow with the predicted value of E[y|X] (either linearly for
Poisson or quadratically for Gamma).

When fitting a linear least squares regression model (see
LinearRegression and
Ridge), we can use this plot to check
if some of the model assumptions
are met, in particular that the residuals should be uncorrelated, their
expected value should be null and that their variance should be constant
(homoschedasticity).

If this is not the case, and in particular if the residuals plot show some
banana-shaped structure, this is a hint that the model is likely mis-specified
and that non-linear feature engineering or switching to a non-linear regression
model might be useful.

Refer to the example below to see a model evaluation that makes use of this
display.

3.3.5. Clustering metrics¶

The sklearn.metrics module implements several loss, score, and utility
functions. For more information see the Clustering performance evaluation
section for instance clustering, and Biclustering evaluation for
biclustering.

3.3.6. Dummy estimators¶

When doing supervised learning, a simple sanity check consists of comparing
one’s estimator against simple rules of thumb. DummyClassifier
implements several such simple strategies for classification:

  • stratified generates random predictions by respecting the training
    set class distribution.

  • most_frequent always predicts the most frequent label in the training set.

  • prior always predicts the class that maximizes the class prior
    (like most_frequent) and predict_proba returns the class prior.

  • uniform generates predictions uniformly at random.

  • constant always predicts a constant label that is provided by the user.

    A major motivation of this method is F1-scoring, when the positive class
    is in the minority.

Note that with all these strategies, the predict method completely ignores
the input data!

To illustrate DummyClassifier, first let’s create an imbalanced
dataset:

>>> from sklearn.datasets import load_iris
>>> from sklearn.model_selection import train_test_split
>>> X, y = load_iris(return_X_y=True)
>>> y[y != 1] = -1
>>> X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)

Next, let’s compare the accuracy of SVC and most_frequent:

>>> from sklearn.dummy import DummyClassifier
>>> from sklearn.svm import SVC
>>> clf = SVC(kernel='linear', C=1).fit(X_train, y_train)
>>> clf.score(X_test, y_test)
0.63...
>>> clf = DummyClassifier(strategy='most_frequent', random_state=0)
>>> clf.fit(X_train, y_train)
DummyClassifier(random_state=0, strategy='most_frequent')
>>> clf.score(X_test, y_test)
0.57...

We see that SVC doesn’t do much better than a dummy classifier. Now, let’s
change the kernel:

>>> clf = SVC(kernel='rbf', C=1).fit(X_train, y_train)
>>> clf.score(X_test, y_test)
0.94...

We see that the accuracy was boosted to almost 100%. A cross validation
strategy is recommended for a better estimate of the accuracy, if it
is not too CPU costly. For more information see the Cross-validation: evaluating estimator performance
section. Moreover if you want to optimize over the parameter space, it is highly
recommended to use an appropriate methodology; see the Tuning the hyper-parameters of an estimator
section for details.

More generally, when the accuracy of a classifier is too close to random, it
probably means that something went wrong: features are not helpful, a
hyperparameter is not correctly tuned, the classifier is suffering from class
imbalance, etc…

DummyRegressor also implements four simple rules of thumb for regression:

  • mean always predicts the mean of the training targets.

  • median always predicts the median of the training targets.

  • quantile always predicts a user provided quantile of the training targets.

  • constant always predicts a constant value that is provided by the user.

In all these strategies, the predict method completely ignores
the input data.

В машинном обучении различают оценки качества для задачи классификации и регрессии. Причем оценка задачи классификации часто значительно сложнее, чем оценка регрессии.

Содержание

  • 1 Оценки качества классификации
    • 1.1 Матрица ошибок (англ. Сonfusion matrix)
    • 1.2 Аккуратность (англ. Accuracy)
    • 1.3 Точность (англ. Precision)
    • 1.4 Полнота (англ. Recall)
    • 1.5 F-мера (англ. F-score)
    • 1.6 ROC-кривая
    • 1.7 Precison-recall кривая
  • 2 Оценки качества регрессии
    • 2.1 Средняя квадратичная ошибка (англ. Mean Squared Error, MSE)
    • 2.2 Cредняя абсолютная ошибка (англ. Mean Absolute Error, MAE)
    • 2.3 Коэффициент детерминации
    • 2.4 Средняя абсолютная процентная ошибка (англ. Mean Absolute Percentage Error, MAPE)
    • 2.5 Корень из средней квадратичной ошибки (англ. Root Mean Squared Error, RMSE)
    • 2.6 Cимметричная MAPE (англ. Symmetric MAPE, SMAPE)
    • 2.7 Средняя абсолютная масштабированная ошибка (англ. Mean absolute scaled error, MASE)
  • 3 Кросс-валидация
  • 4 Примечания
  • 5 См. также
  • 6 Источники информации

Оценки качества классификации

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 PositiveTP).
  • Кредитоспособный заёмщик классифицирован как кредитоспособный, т.е. отрицательный класс распознан как отрицательный. Наблюдения, которых это имеет место, называются истинно отрицательными (True NegativeTN).
  • 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 PositiveFP), 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 NegativeFN), 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 ).

  • Рис.1 Сбалансированная F-мера,

  • Рис.2 F-мера c приоритетом точности,

  • Рис.3 F-мера c приоритетом полноты,

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).

ROC 2.png

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)

PR curve.png

 # 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()

Оценки качества регрессии

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.

Кросс-валидация

Хороший способ оценки модели предусматривает применение кросс-валидации (cкользящего контроля или перекрестной проверки).

В этом случае фиксируется некоторое множество разбиений исходной выборки на две подвыборки: обучающую и контрольную. Для каждого разбиения выполняется настройка алгоритма по обучающей подвыборке, затем оценивается его средняя ошибка на объектах контрольной подвыборки. Оценкой скользящего контроля называется средняя по всем разбиениям величина ошибки на контрольных подвыборках.

Примечания

  1. [1] Лекция «Оценивание качества» на www.coursera.org
  2. [2] Лекция на www.stepik.org о кросвалидации
  3. [3] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, Precison и Recall
  4. [4] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, F-мера
  5. [5] Лекция на www.stepik.org о метриках качества, примеры

См. также

  • Оценка качества в задаче кластеризации
  • Кросс-валидация

Источники информации

  1. [6] Соколов Е.А. Лекция линейная регрессия
  2. [7] — Дьяконов А. Функции ошибки / функционалы качества
  3. [8] — Оценка качества прогнозных моделей
  4. [9] — HeinzBr Ошибка прогнозирования: виды, формулы, примеры
  5. [10] — egor_labintcev Метрики в задачах машинного обучения
  6. [11] — grossu Методы оценки качества прогноза
  7. [12] — К.В.Воронцов, Классификация
  8. [13] — К.В.Воронцов, Скользящий контроль

In this tutorial, you’ll learn how to calculate the mean absolute error, or MAE, in Python. The mean absolute error can help measure the accuracy of a given machine learning model. The MAE can be a good complement or alternative to the mean squared error (MSE).

By the end of this tutorial, you’ll have learned:

  • What the mean absolute error is
  • How to interpret the mean absolute error
  • How to calculate the mae in Python

Let’s get started!

What is the Mean Absolute Error

The mean absolute error measures the average differences between predicted values and actual values. The formula for the mean absolute error is:

In calculating the mean absolute error, you

  1. Find the absolute difference between the predicted value and the actual value,
  2. Sum all these values, and
  3. Find their average.

This error metric is often used in regression models and can help predict the accuracy of a model.

How Does the MAE Compare to MSE?

The mean absolute error and the mean squared error are two common measures to evaluate the performance of regression problems. There are a number of key differences betwee the two:

  • Unlike the mean squared error (MSE), the MAE calculates the error on the same scale as the data. This means it’s easier to interpret.
  • The MAE doesn’t square the differences and is less susceptible to outliers

Both values are negatively-oriented. This means that, while both range from 0 to infinity, lower values are better.

How do You Interpret the Mean Absolute Error

Interpreting the MAE can be easier than interpreting the MSE. Say that you have a MAE of 10. This means that, on average, the MAE is 10 away from the predicted value.

In any case, the closer the value of the MAE is to 0, the better. That said, the interpretation of the MAE is completely dependent on the data. In some cases, a MAE of 10 can be incredibly good, while in others it can mean that the model is a complete failure.

The interpretation of the MAE depends on:

  1. The range of the values,
  2. The acceptability of error

For example, in our earlier example of a MAE of 10, if the values ranged from 10,000 to 100,000 a MAE of 10 would be great. However, if the values ranged from 0 through 20, a MAE would be terrible.

The MAE can often be used interpreted a little easier in conjunction with the mean absolute percentage error (MAPE). Calculating these together allows you to see the scope of the error, relative to your data.

In this section, you’ll learn how to calculate the mean absolute error in Python. In the next section, you’ll learn how to calculate the MAE using sklearn. However, it can be helpful to understand the mechanics of a calculation.

We can define a custom function to calculate the MAE. This is made easier using numpy, which can easily iterate over arrays.

# Creating a custom function for MAE
import numpy as np

def mae(y_true, predictions):
    y_true, predictions = np.array(y_true), np.array(predictions)
    return np.mean(np.abs(y_true - predictions))

Let’s break down what we did here:

  1. We imported numpy to make use of its array methods
  2. We defined a function mae, that takes two arrays (true valuse and predictions)
  3. We converted the two arrays into Numpy arrays
  4. We calculated the mean of the absolute differences between iterative values in the arrays

Let’s see how we can use this function:

# Calculating the MAE with a custom function
import numpy as np

def mae(y_true, predictions):
    y_true, predictions = np.array(y_true), np.array(predictions)
    return np.mean(np.abs(y_true - predictions))

true = [1,2,3,4,5,6]
predicted = [1,3,4,4,5,9]

print(mae(true, predicted))

# Returns: 0.833

We can see that in the example above, a MAE of 0.833 was returned. This means that, on average, the predicted values will be 0.833 units off.

In the following section, you’ll learn how to use sklearn to calculate the MAE.

Use Sklearn to Calculate the Mean Absolute Error (MAE)

In this section, you’ll learn how to use sklearn to calculate the mean absolute error. Scikit-learn comes with a function for calculating the mean absolute error, mean_absolute_error. As with many other metrics, with function is in the metrics module.

Let’s see what the function looks like:

# Importing the function
from sklearn.metrics import mean_absolute_error

mean_absolute_error(
    y_true=,
    y_pred=
)

The function takes two important parameters, the true values and the predicted values.

Now let’s recreate our earlier example with this function:

import numpy as np
from sklearn.metrics import mean_absolute_error

true = [1,2,3,4,5,6]
predicted = [1,3,4,4,5,9]

print(mean_absolute_error(true, predicted))

# Returns: 0.833

Conclusion

In this tutorial, you learned about the mean absolute error in Python. You learned what the mean absolute error, or MAE, is and how it can be interpreted. You then learned how to calculate the MAE from scratch in Python, as well as how to use the Scikit-Learn library to calculate the MAE.

Additional Resources

To learn more about related topics, check out the tutorials below:

  • Introduction to Scikit-Learn (sklearn) in Python
  • Splitting Your Dataset with Scitkit-Learn train_test_split
  • How to Calculate Mean Squared Error in Python
  • How to Calculate the Mean Absolute Percentage Error in Python
  • Official Documentation: MAE in Sklearn

Human brains are built to recognize patterns in the world around us. For example, we observe that if we practice our programming everyday, our related skills grow. But how do we precisely describe this relationship to other people? How can we describe how strong this relationship is? Luckily, we can describe relationships between phenomena, such as practice and skill, in terms of formal mathematical estimations called regressions.

Regressions are one of the most commonly used tools in a data scientist’s kit. When you learn Python or R, you gain the ability to create regressions in single lines of code without having to deal with the underlying mathematical theory. But this ease can cause us to forget to evaluate our regressions to ensure that they are a sufficient enough representation of our data. We can plug our data back into our regression equation to see if the predicted output matches corresponding observed value seen in the data.

The quality of a regression model is how well its predictions match up against actual values, but how do we actually evaluate quality? Luckily, smart statisticians have developed error metrics to judge the quality of a model and enable us to compare regresssions against other regressions with different parameters. These metrics are short and useful summaries of the quality of our data. This article will dive into four common regression metrics and discuss their use cases. There are many types of regression, but this article will focus exclusively on metrics related to the linear regression.

The linear regression is the most commonly used model in research and business and is the simplest to understand, so it makes sense to start developing your intuition on how they are assessed. The intuition behind many of the metrics we’ll cover here extend to other types of models and their respective metrics. If you’d like a quick refresher on the linear regression, you can consult this fantastic blog post or the Linear Regression Wiki page.

A primer on linear regression

In the context of regression, models refer to mathematical equations used to describe the relationship between two variables. In general, these models deal with prediction and estimation of values of interest in our data called outputs. Models will look at other aspects of the data called inputs that we believe to affect the outputs, and use them to generate estimated outputs.

These inputs and outputs have many names that you may have heard before. Inputs can also be called independent variables or predictors, while outputs are also known as responses or dependent variables. Simply speaking, models are just functions where the outputs are some function of the inputs. The linear part of linear regression refers to the fact that a linear regression model is described mathematically in the form: Linear Regression Anatomy If that looks too mathematical, take solace in that linear thinking is particularly intuitive. If you’ve ever heard of “practice makes perfect,” then you know that more practice means better skills; there is some linear relationship between practice and perfection. The regression part of linear regression does not refer to some return to a lesser state. Regression here simply refers to the act of estimating the relationship between our inputs and outputs. In particular, regression deals with the modelling of continuous values (think: numbers) as opposed to discrete states (think: categories).

Taken together, a linear regression creates a model that assumes a linear relationship between the inputs and outputs. The higher the inputs are, the higher (or lower, if the relationship was negative) the outputs are. What adjusts how strong the relationship is and what the direction of this relationship is between the inputs and outputs are our coefficients. The first coefficient without an input is called the intercept, and it adjusts what the model predicts when all your inputs are 0. We will not delve into how these coefficients are calculated, but know that there exists a method to calculate the optimal coefficients, given which inputs we want to use to predict the output.

Given the coefficients, if we plug in values for the inputs, the linear regression will give us an estimate for what the output should be. As we’ll see, these outputs won’t always be perfect. Unless our data is a perfectly straight line, our model will not precisely hit all of our data points. One of the reasons for this is the ϵ (named “epsilon”) term. This term represents error that comes from sources out of our control, causing the data to deviate slightly from their true position. Our error metrics will be able to judge the differences between prediction and actual values, but we cannot know how much the error has contributed to the discrepancy. While we cannot ever completely eliminate epsilon, it is useful to retain a term for it in a linear model.

Comparing model predictions against reality

Since our model will produce an output given any input or set of inputs, we can then check these estimated outputs against the actual values that we tried to predict. We call the difference between the actual value and the model’s estimate a residual. We can calculate the residual for every point in our data set, and each of these residuals will be of use in assessment. These residuals will play a significant role in judging the usefulness of a model.

If our collection of residuals are small, it implies that the model that produced them does a good job at predicting our output of interest. Conversely, if these residuals are generally large, it implies that model is a poor estimator. We technically can inspect all of the residuals to judge the model’s accuracy, but unsurprisingly, this does not scale if we have thousands or millions of data points. Thus, statisticians have developed summary measurements that take our collection of residuals and condense them into a single value that represents the predictive ability of our model. There are many of these summary statistics, each with their own advantages and pitfalls. For each, we’ll discuss what each statistic represents, their intuition and typical use case. We’ll cover:

  • Mean Absolute Error
  • Mean Square Error
  • Mean Absolute Percentage Error
  • Mean Percentage Error

Note: Even though you see the word error here, it does not refer to the epsilon term from above! The error described in these metrics refer to the residuals!

Staying rooted in real data

In discussing these error metrics, it is easy to get bogged down by the various acronyms and equations used to describe them. To keep ourselves grounded, we’ll use a model that I’ve created using the Video Game Sales Data Set from Kaggle. The specifics of the model I’ve created are shown below. Imgur My regression model takes in two inputs (critic score and user score), so it is a multiple variable linear regression. The model took in my data and found that 0.039 and -0.099 were the best coefficients for the inputs.

For my model, I chose my intercept to be zero since I’d like to imagine there’d be zero sales for scores of zero. Thus, the intercept term is crossed out. Finally, the error term is crossed out because we do not know its true value in practice. I have shown it because it depicts a more detailed description of what information is encoded in the linear regression equation.

Rationale behind the model

Let’s say that I’m a game developer who just created a new game, and I want to know how much money I will make. I don’t want to wait, so I developed a model that predicts total global sales (my output) based on an expert critic’s judgment of the game and general player judgment (my inputs). If both critics and players love the game, then I should make more money… right? When I actually get the critic and user reviews for my game, I can predict how much glorious money I’ll make. Currently, I don’t know if my model is accurate or not, so I need to calculate my error metrics to check if I should perhaps include more inputs or if my model is even any good!

Mean absolute error

The mean absolute error (MAE) is the simplest regression error metric to understand. We’ll calculate the residual for every data point, taking only the absolute value of each so that negative and positive residuals do not cancel out. We then take the average of all these residuals. Effectively, MAE describes the typical magnitude of the residuals. If you’re unfamiliar with the mean, you can refer back to this article on descriptive statistics. The formal equation is shown below: MAE Equation The picture below is a graphical description of the MAE. The green line represents our model’s predictions, and the blue points represent our data. MAE

The MAE is also the most intuitive of the metrics since we’re just looking at the absolute difference between the data and the model’s predictions. Because we use the absolute value of the residual, the MAE does not indicate underperformance or overperformance of the model (whether or not the model under or overshoots actual data). Each residual contributes proportionally to the total amount of error, meaning that larger errors will contribute linearly to the overall error. Like we’ve said above, a small MAE suggests the model is great at prediction, while a large MAE suggests that your model may have trouble in certain areas. A MAE of 0 means that your model is a perfect predictor of the outputs (but this will almost never happen).

While the MAE is easily interpretable, using the absolute value of the residual often is not as desirable as squaring this difference. Depending on how you want your model to treat outliers, or extreme values, in your data, you may want to bring more attention to these outliers or downplay them. The issue of outliers can play a major role in which error metric you use.

Calculating MAE against our model

Calculating MAE is relatively straightforward in Python. In the code below, sales contains a list of all the sales numbers, and X contains a list of tuples of size 2. Each tuple contains the critic score and user score corresponding to the sale in the same index. The lm contains a LinearRegression object from scikit-learn, which I used to create the model itself. This object also contains the coefficients. The predict method takes in inputs and gives the actual prediction based off those inputs.

# Perform the intial fitting to get the LinearRegression object
from sklearn import linear_model
lm = linear_model.LinearRegression()
lm.fit(X, sales)

mae_sum = 0
for sale, x in zip(sales, X):
    prediction = lm.predict(x)
    mae_sum += abs(sale - prediction)
mae = mae_sum / len(sales)

print(mae)
>>> [ 0.7602603 ]

Our model’s MAE is 0.760, which is fairly small given that our data’s sales range from 0.01 to about 83 (in millions).

Mean square error

The mean square error (MSE) is just like the MAE, but squares the difference before summing them all instead of using the absolute value. We can see this difference in the equation below. MSE Equation

Consequences of the Square Term

Because we are squaring the difference, the MSE will almost always be bigger than the MAE. For this reason, we cannot directly compare the MAE to the MSE. We can only compare our model’s error metrics to those of a competing model. The effect of the square term in the MSE equation is most apparent with the presence of outliers in our data. While each residual in MAE contributes proportionally to the total error, the error grows quadratically in MSE. This ultimately means that outliers in our data will contribute to much higher total error in the MSE than they would the MAE. Similarly, our model will be penalized more for making predictions that differ greatly from the corresponding actual value. This is to say that large differences between actual and predicted are punished more in MSE than in MAE. The following picture graphically demonstrates what an individual residual in the MSE might look like. MSE Outliers will produce these exponentially larger differences, and it is our job to judge how we should approach them.

The problem of outliers

Outliers in our data are a constant source of discussion for the data scientists that try to create models. Do we include the outliers in our model creation or do we ignore them? The answer to this question is dependent on the field of study, the data set on hand and the consequences of having errors in the first place. For example, I know that some video games achieve superstar status and thus have disproportionately higher earnings. Therefore, it would be foolish of me to ignore these outlier games because they represent a real phenomenon within the data set. I would want to use the MSE to ensure that my model takes these outliers into account more.

If I wanted to downplay their significance, I would use the MAE since the outlier residuals won’t contribute as much to the total error as MSE. Ultimately, the choice between is MSE and MAE is application-specific and depends on how you want to treat large errors. Both are still viable error metrics, but will describe different nuances about the prediction errors of your model.

A note on MSE and a close relative

Another error metric you may encounter is the root mean squared error (RMSE). As the name suggests, it is the square root of the MSE. Because the MSE is squared, its units do not match that of the original output. Researchers will often use RMSE to convert the error metric back into similar units, making interpretation easier. Since the MSE and RMSE both square the residual, they are similarly affected by outliers. The RMSE is analogous to the standard deviation (MSE to variance) and is a measure of how large your residuals are spread out. Both MAE and MSE can range from 0 to positive infinity, so as both of these measures get higher, it becomes harder to interpret how well your model is performing. Another way we can summarize our collection of residuals is by using percentages so that each prediction is scaled against the value it’s supposed to estimate.

Calculating MSE against our model

Like MAE, we’ll calculate the MSE for our model. Thankfully, the calculation is just as simple as MAE.

mse_sum = 0
for sale, x in zip(sales, X):
    prediction = lm.predict(x)
    mse_sum += (sale - prediction)**2
mse = mse_sum / len(sales)

print(mse)
>>> [ 3.53926581 ]

With the MSE, we would expect it to be much larger than MAE due to the influence of outliers. We find that this is the case: the MSE is an order of magnitude higher than the MAE. The corresponding RMSE would be about 1.88, indicating that our model misses actual sale values by about $1.8M.

Mean absolute percentage error

The mean absolute percentage error (MAPE) is the percentage equivalent of MAE. The equation looks just like that of MAE, but with adjustments to convert everything into percentages. MAPE Equation Just as MAE is the average magnitude of error produced by your model, the MAPE is how far the model’s predictions are off from their corresponding outputs on average. Like MAE, MAPE also has a clear interpretation since percentages are easier for people to conceptualize. Both MAPE and MAE are robust to the effects of outliers thanks to the use of absolute value. MAPE

However for all of its advantages, we are more limited in using MAPE than we are MAE. Many of MAPE’s weaknesses actually stem from use division operation. Now that we have to scale everything by the actual value, MAPE is undefined for data points where the value is 0. Similarly, the MAPE can grow unexpectedly large if the actual values are exceptionally small themselves. Finally, the MAPE is biased towards predictions that are systematically less than the actual values themselves. That is to say, MAPE will be lower when the prediction is lower than the actual compared to a prediction that is higher by the same amount. The quick calculation below demonstrates this point. MAPE Bad

We have a measure similar to MAPE in the form of the mean percentage error. While the absolute value in MAPE eliminates any negative values, the mean percentage error incorporates both positive and negative errors into its calculation.

Calculating MAPE against our model

mape_sum = 0
for sale, x in zip(sales, X):
    prediction = lm.predict(x)
    mape_sum += (abs((sale - prediction))/sale)
mape = mape_sum/len(sales)

print(mape)
>>> [ 5.68377867 ]

We know for sure that there are no data points for which there are zero sales, so we are safe to use MAPE. Remember that we must interpret it in terms of percentage points. MAPE states that our model’s predictions are, on average, 5.6% off from actual value.

Mean percentage error

The mean percentage error (MPE) equation is exactly like that of MAPE. The only difference is that it lacks the absolute value operation.

MPE Equation

Even though the MPE lacks the absolute value operation, it is actually its absence that makes MPE useful. Since positive and negative errors will cancel out, we cannot make any statements about how well the model predictions perform overall. However, if there are more negative or positive errors, this bias will show up in the MPE. Unlike MAE and MAPE, MPE is useful to us because it allows us to see if our model systematically underestimates (more negative error) or overestimates (positive error). MPE

If you’re going to use a relative measure of error like MAPE or MPE rather than an absolute measure of error like MAE or MSE, you’ll most likely use MAPE. MAPE has the advantage of being easily interpretable, but you must be wary of data that will work against the calculation (i.e. zeroes). You can’t use MPE in the same way as MAPE, but it can tell you about systematic errors that your model makes.

Calculating MPE against our model

mpe_sum = 0
for sale, x in zip(sales, X):
    prediction = lm.predict(x)
    mpe_sum += ((sale - prediction)/sale)
mpe = mpe_sum/len(sales)

print(mpe)
>>> [-4.77081497]

All the other error metrics have suggested to us that, in general, the model did a fair job at predicting sales based off of critic and user score. However, the MPE indicates to us that it actually systematically underestimates the sales. Knowing this aspect about our model is helpful to us since it allows us to look back at the data and reiterate on which inputs to include that may improve our metrics. Overall, I would say that my assumptions in predicting sales was a good start. The error metrics revealed trends that would have been unclear or unseen otherwise.

Conclusion

We’ve covered a lot of ground with the four summary statistics, but remembering them all correctly can be confusing. The table below will give a quick summary of the acronyms and their basic characteristics.

Acroynm Full Name Residual Operation? Robust To Outliers?
MAE Mean Absolute Error Absolute Value Yes
MSE Mean Squared Error Square No
RMSE Root Mean Squared Error Square No
MAPE Mean Absolute Percentage Error Absolute Value Yes
MPE Mean Percentage Error N/A Yes

All of the above measures deal directly with the residuals produced by our model. For each of them, we use the magnitude of the metric to decide if the model is performing well. Small error metric values point to good predictive ability, while large values suggest otherwise. That being said, it’s important to consider the nature of your data set in choosing which metric to present. Outliers may change your choice in metric, depending on if you’d like to give them more significance to the total error. Some fields may just be more prone to outliers, while others are may not see them so much.

In any field though, having a good idea of what metrics are available to you is always important. We’ve covered a few of the most common error metrics used, but there are others that also see use. The metrics we covered use the mean of the residuals, but the median residual also sees use. As you learn other types of models for your data, remember that intuition we developed behind our metrics and apply them as needed.

Further Resources

If you’d like to explore the linear regression more, Dataquest offers an excellent course on its use and application! We used scikit-learn to apply the error metrics in this article, so you can read the docs to get a better look at how to use them!

  • Dataquest’s course on Linear Regression
  • Scikit-learn and regression error metrics
  • Scikit-learn’s documentation on the LinearRegression object
  • An example use of the LinearRegression object

Learn Python the Right Way.

Learn Python by writing Python code from day one, right in your browser window. It’s the best way to learn Python — see for yourself with one of our 60+ free lessons.

astronaut floating over code

Try Dataquest

Performance metrics are a part of every machine learning pipeline. They tell you if you’re making progress, and put a number on it. All machine learning models, whether it’s linear regression, or a SOTA technique like BERT, need a metric to judge performance.

Every machine learning task can be broken down to either Regression or Classification, just like the performance metrics. There are dozens of metrics for both problems, but we’re gonna discuss popular ones along with what information they provide about model performance. It’s important to know how your model sees your data!

If you ever participated in a Kaggle competition, you probably noticed the evaluation section. More often than not, there’s a metric on which they judge your performance.

Metrics are different from loss functions. Loss functions show a measure of model performance. They’re used to train a machine learning model (using some kind of optimization like Gradient Descent), and they’re usually differentiable in the model’s parameters. 

Metrics are used to monitor and measure the performance of a model (during training and testing), and don’t need to be differentiable. 

However, if, for some tasks, the performance metric is differentiable, it can also be used as a loss function (perhaps with some regularizations added to it), such as MSE.

If you’re looking for an automated way to monitor your model’s performance metrics, check neptune.ai. Here’s the documentation that explains how tracking metricks works (with example).

Regression metrics

Regression models have continuous output. So, we need a metric based on calculating some sort of distance between predicted and ground truth.

In order to evaluate Regression models, we’ll discuss these metrics in detail:

  • Mean Absolute Error (MAE),
  • Mean Squared Error (MSE),
  • Root Mean Squared Error (RMSE),
  • R² (R-Squared).

Note: We’ll use the Boston Housing dataset to implement regressive metrics. You can find the notebook containing all the code used in this blog here.

Mean Squared Error (MSE)

Mean squared error is perhaps the most popular metric used for regression problems. It essentially finds the average of the squared difference between the target value and the value predicted by the regression model.

Where:

  • y_j: ground-truth value
  • y_hat: predicted value from the regression model
  • N: number of datums
Performance metrics - MSE

Few key points related to MSE:

  • It’s differentiable, so it can be optimized better.
  • It penalizes even small errors by squaring them, which essentially leads to an overestimation of how bad the model is.
  • Error interpretation has to be done with squaring factor(scale) in mind. For example in our Boston Housing regression problem, we got MSE=21.89 which primarily corresponds to (Prices)².
  • Due to the squaring factor, it’s fundamentally more prone to outliers than other metrics.

This can be implemented simply using NumPy arrays in Python.

mse = (y-y_hat)**2
print(f"MSE: {mse.mean():0.2f} (+/- {mse.std():0.2f})")

Mean Absolute Error (MAE)

Mean Absolute Error is the average of the difference between the ground truth and the predicted values. Mathematically, its represented as :

Where:

  • y_j: ground-truth value
  • y_hat: predicted value from the regression model
  • N: number of datums
Performance metrics - MAE

Few key points for MAE

  • It’s more robust towards outliers than MAE, since it doesn’t exaggerate errors.
  • It gives us a measure of how far the predictions were from the actual output. However, since MAE uses absolute value of the residual, it doesn’t give us an idea of the direction of the error, i.e. whether we’re under-predicting or over-predicting the data.
  • Error interpretation needs no second thoughts, as it perfectly aligns with the original degree of the variable.
  • MAE is non-differentiable as opposed to MSE, which is differentiable.

Similar to MSE, this metric is also simple to implement.

mae = np.abs(y-y_hat)
print(f"MAE: {mae.mean():0.2f} (+/- {mae.std():0.2f})")

Root Mean Squared Error (RMSE)

Root Mean Squared Error corresponds to the square root of the average of the squared difference between the target value and the value predicted by the regression model. Basically, sqrt(MSE). Mathematically it can be represented as:

It addresses a few downsides in MSE.

Few key points related to RMSE:

  • It retains the differentiable property of MSE.
  • It handles the penalization of smaller errors done by MSE by square rooting it.
  • Error interpretation can be done smoothly, since the scale is now the same as the random variable.
  • Since scale factors are essentially normalized, it’s less prone to struggle in the case of outliers.

Implementation is similar to MSE:

mse = (y-y_hat)**2
rmse = np.sqrt(mse.mean())
print(f"RMSE: {rmse:0.2f}")

R² Coefficient of determination

R² Coefficient of determination actually works as a post metric, meaning it’s a metric that’s calculated using other metrics. 

The point of even calculating this coefficient is to answer the question “How much (what %) of the total variation in Y(target) is explained by the variation in X(regression line)”

This is calculated using the sum of squared errors. Let’s go through the formulation to understand it better.

Total variation in Y (Variance of Y):

Percentage of variation described the regression line:

Subsequently, the percentage of variation described the regression line:

Finally, we have our formula for the coefficient of determination, which can tell us how good or bad the fit of the regression line is:

This coefficient can be implemented simply using NumPy arrays in Python.

SE_line = sum((y-y_hat)**2)
SE_mean = sum((y-y.mean())**2)
r2 = 1-(SE_line/SE_mean)
print(f"R^2 coefficient of determination: {r2*100:0.2f}%")

Few intuitions related to R² results:

  • If the sum of Squared Error of the regression line is small => R² will be close to 1 (Ideal), meaning the regression was able to capture 100% of the variance in the target variable. 
  • Conversely, if the sum of squared error of the regression line is high => R² will be close to 0, meaning the regression wasn’t able to capture any variance in the target variable.
  • You might think that the range of R² is (0,1) but it’s actually (-∞,1) because the ratio of squared errors of the regression line and mean can surpass the value 1 if the squared error of regression line is too high (>squared error of the mean).

Adjusted R²

The Vanilla R² method suffers from some demons, like misleading the researcher into believing that the model is improving when the score is increasing but in reality, the learning is not happening. This can happen when a model overfits the data, in that case the variance explained will be 100% but the learning hasn’t happened. To rectify this, R² is adjusted with the number of independent variables.

Adjusted R² is always lower than R², as it adjusts for the increasing predictors and only shows improvement if there is a real improvement.

Where:

  • n = number of observations
  • k = number of independent variables
  • Ra² = adjusted R²

Classification metrics

Classification problems are one of the world’s most widely researched areas. Use cases are present in almost all production and industrial environments. Speech recognition, face recognition, text classification – the list is endless. 

Classification models have discrete output, so we need a metric that compares discrete classes in some form. Classification Metrics evaluate a model’s performance and tell you how good or bad the classification is, but each of them evaluates it in a different way.

24 Evaluation Metrics for Binary Classification (And When to Use Them)

So in order to evaluate Classification models, we’ll discuss these metrics in detail:

  • Accuracy
  • Confusion Matrix (not a metric but fundamental to others)
  • Precision and Recall
  • F1-score
  • AU-ROC

Note: We’re gonna use the UCI Breast cancer dataset to implement classification metrics. You can find the notebook containing all the code used in this blog here.

Accuracy

Classification accuracy is perhaps the simplest metric to use and implement and is defined as the number of correct predictions divided by the total number of predictions, multiplied by 100

We can implement this by comparing ground truth and predicted values in a loop or simply utilizing the scikit-learn module to do the heavy lifting for us (not so heavy in this case).

F1 Score vs ROC AUC vs Accuracy vs PR AUC: Which Evaluation Metric Should You Choose?

Start by just importing the accuracy_score function from the metrics class.

from sklearn.metrics import accuracy_score

Then, just by passing the ground truth and predicted values, you can determine the accuracy of your model:

print(f'Accuracy Score is {accuracy_score(y_test,y_hat)}')

Confusion Matrix

Confusion Matrix is a tabular visualization of the ground-truth labels versus model predictions. Each row of the confusion matrix represents the instances in a predicted class and each column represents the instances in an actual class. Confusion Matrix is not exactly a performance metric but sort of a basis on which other metrics evaluate the results.

In order to understand the confusion matrix, we need to set some value for the null hypothesis as an assumption. For example, from our Breast Cancer data, let’s assume our Null Hypothesis H⁰ be “The individual has cancer”.

Performance metrics - Confusion metrix
Confusion Matrix for H⁰

Each cell in the confusion matrix represents an evaluation factor. Let’s understand these factors one by one:

  • True Positive(TP) signifies how many positive class samples your model predicted correctly.
  • True Negative(TN) signifies how many negative class samples your model predicted correctly.
  • False Positive(FP) signifies how many negative class samples your model predicted incorrectly. This factor represents Type-I error in statistical nomenclature. This error positioning in the confusion matrix depends on the choice of the null hypothesis.
  • False Negative(FN) signifies how many positive class samples your model predicted incorrectly. This factor represents Type-II error in statistical nomenclature. This error positioning in the confusion matrix also depends on the choice of the null hypothesis.

We can calculate the cell values using the code below:

def find_TP(y, y_hat):
   
   return sum((y == 1) & (y_hat == 1))
def find_FN(y, y_hat):
   
   return sum((y == 1) & (y_hat == 0))
def find_FP(y, y_hat):
   
   return sum((y == 0) & (y_hat == 1))
def find_TN(y, y_hat):
   
   return sum((y == 0) & (y_hat == 0))

We’ll look at the Confusion Matrix in two different states using two sets of hyper-parameters in the Logistic Regression Classifier.

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
clf_1 = LogisticRegression(C=1.0, class_weight={0:100,1:0.2}, dual=False, fit_intercept=True,
                  intercept_scaling=1, l1_ratio=None, max_iter=100,
                  multi_class='auto', n_jobs=None, penalty='l2',
                  random_state=None, solver='lbfgs', tol=0.0001,       verbose=0,
                  warm_start=False)
clf_2 = LogisticRegression(C=1.0, class_weight={0:0.001,1:900}, dual=False, fit_intercept=True,
                  intercept_scaling=1, l1_ratio=None, max_iter=100,
                  multi_class='auto', n_jobs=None, penalty='l2',
                  random_state=None, solver='lbfgs', tol=0.0001, verbose=0,
                  warm_start=False)

Precision

Precision is the ratio of true positives and total positives predicted:

Performance metrics - precision

0<P<1

The precision metric focuses on Type-I errors(FP). A Type-I error occurs when we reject a true null Hypothesis(H⁰). So, in this case, Type-I error is incorrectly labeling cancer patients as non-cancerous. 

A precision score towards 1 will signify that your model didn’t miss any true positives, and is able to classify well between correct and incorrect labeling of cancer patients. What it cannot measure is the existence of Type-II error, which is false negatives – cases when a non-cancerous patient is identified as cancerous.

A low precision score (<0.5) means your classifier has a high number of false positives which can be an outcome of imbalanced class or untuned model hyperparameters. In an imbalanced class problem, you have to prepare your data beforehand with over/under-sampling or focal loss in order to curb FP/FN.

For Set-I hyperparameters:

TP = find_TP(y, y_hat)
FN = find_FN(y, y_hat)
FP = find_FP(y, y_hat)
TN = find_TN(y, y_hat)
print('TP:',TP)
print('FN:',FN)
print('FP:',FP)
print('TN:',TN)
precision = TP/(TP+FP)
print('Precision:',precision)

Output for the above code snippet

As you would have guessed by looking at the confusion matrix values, that FP’s are 0, so the condition is perfect for a 100% precise model on a given hyperparameter setting. In this setting, no type-I error is reported, so the model has done a great job to curb incorrectly labeling cancer patients as non-cancerous.

For set-II hyperparameters:

TP = find_TP(y, y_hat)
FN = find_FN(y, y_hat)
FP = find_FP(y, y_hat)
TN = find_TN(y, y_hat)
print('TP:',TP)
print('FN:',FN)
print('FP:',FP)
print('TN:',TN)
precision = TP/(TP+FP)
print('Precision:',precision)

Output for the above code snippet

Since only type-I error remains in this setting, the precision rate goes down despite the fact that type-II error is 0.

We can deduce from our example that only precision cannot tell you about your model performance on various grounds.

Recall/Sensitivity/Hit-Rate

A Recall is essentially the ratio of true positives to all the positives in ground truth.

Performance metrics - recall

0<R<1

The recall metric focuses on type-II errors(FN). A type-II error occurs when we accept a false null hypothesis(H⁰). So, in this case, type-II error is incorrectly labeling non-cancerous patients as cancerous. 

Recall towards 1 will signify that your model didn’t miss any true positives, and is able to classify well between correctly and incorrectly labeling of cancer patients. 

What it cannot measure is the existence of type-I error which is false positives i.e the cases when a cancerous patient is identified as non-cancerous.

A low recall score (<0.5) means your classifier has a high number of false negatives which can be an outcome of imbalanced class or untuned model hyperparameters. In an imbalanced class problem, you have to prepare your data beforehand with over/under-sampling or focal loss in order to curb FP/FN.

For set-I hyperparameters:

TP = find_TP(y, y_hat)
FN = find_FN(y, y_hat)
FP = find_FP(y, y_hat)
TN = find_TN(y, y_hat)
print('TP:',TP)
print('FN:',FN)
print('FP:',FP)
print('TN:',TN)
recall = recall_score(y, y_hat)
print('Recall: %f' % recall)

Output for the above code snippet

From the above confusion matrix values, there is 0 possibility of type-I errors and an abundance of type-II errors. That’s the reason behind the low recall score. It only focuses on type-II errors.

For set-II hyperparameters:

TP = find_TP(y, y_hat)
FN = find_FN(y, y_hat)
FP = find_FP(y, y_hat)
TN = find_TN(y, y_hat)
print('TP:',TP)
print('FN:',FN)
print('FP:',FP)
print('TN:',TN)
recall = recall_score(y, y_hat)
print('Recall: %f' % recall)

Output for the above code snippet

The only error that’s persistent in this set is type-I errors and no type-II errors are reported. This means that this model has done a great job to curb incorrectly labeling non-cancerous patients as cancerous.

The major highlight of the above two metrics is that both can only be used in specific scenarios since both of them identify only one set of errors.

Precision-Recall tradeoff

To improve your model, you can either improve precision or recall – but not both! If you try to reduce cases of non-cancerous patients being labeled as cancerous (FN/type-II), no direct effect will take place on cancerous patients being labeled as non-cancerous.

Here’s a plot depicting the same tradeoff:

from sklearn.metrics import plot_precision_recall_curve
disp = plot_precision_recall_curve(clf, X, y)
disp.ax_.set_title('2-class Precision-Recall curve: '
                  'AP={0:0.2f}'.format(precision))
Performance metrics - precision recall

This tradeoff highly impacts real-world scenarios, so we can deduce that precision and recall alone aren’t very good metrics to rely on and work with. That’s the reason you see many corporate reports and online competitions urge the submission metric to be a combination of precision and recall.

F1-score

The F1-score metric uses a combination of precision and recall. In fact, the F1 score is the harmonic mean of the two. The formula of the two essentially is:

Now, a high F1 score symbolizes a high precision as well as high recall. It presents a good balance between precision and recall and gives good results on imbalanced classification problems.

A low F1 score tells you (almost) nothing — it only tells you about performance at a threshold. Low recall means we didn’t try to do well on very much of the entire test set. Low precision means that, among the cases we identified as positive cases, we didn’t get many of them right. 

But low F1 doesn’t say which cases. High F1 means we likely have high precision and recall on a large portion of the decision (which is informative). With low F1, it’s unclear what the problem is (low precision or low recall?), and whether the model suffers from type-I or type-II error.

So, is F1 just a gimmick? Not really, it’s widely used, and considered a fine metric to converge onto a decision, but not without some tweaks. Using FPR (false positive rates) along with F1 will help curb type-I errors, and you’ll get an idea about the villain behind your low F1 score.

For set-I hyperparameters:

f1_score = 2*((precision*recall)/(precision+recall))
print('F1 score: %f' % f1_score)

If you recall our scores in set-I parameters were, P=1 and R=0.49. Thus, by employing both of the metrics we get a score of 0.66 which doesn’t give you information about what type of error is significant, but is still useful in deducing the performance of the model.

For set-II hyperparameters:

f1_score = 2*((precision*recall)/(precision+recall))
print('F1 score: %f' % f1_score)

For set-II, parameters were, P=0.35 and R=1. So again, the F1 score sort of sums up the break between P and R. Still, low F1 doesn’t tell you which error is happening.

F1 is no doubt one of the most popular metrics to judge model performance. It’s actually a subset of wider metrics known as the F-scores.

Putting in beta=1 will fetch you the F1 score. 

AUROC (Area under Receiver operating characteristics curve)

Better known as AUC-ROC score/curves. It makes use of true positive rates(TPR) and false positive rates(FPR).

  • Intuitively TPR/recall corresponds to the proportion of positive data points that are correctly considered as positive, with respect to all positive data points. In other words, the higher the TPR, the fewer positive data points we will miss.
  • Intuitively FPR/fallout corresponds to the proportion of negative data points that are mistakenly considered as positive, with respect to all negative data points. In other words, the higher the FPR, the more negative data points we will misclassify.

To combine the FPR and the TPR into a single metric, we first compute the two former metrics with many different thresholds for the logistic regression, then plot them on a single graph. The resulting curve is called the ROC curve, and the metric we consider is the area under this curve, which we call AUROC.

from sklearn.metrics import roc_curve
from sklearn.metrics import roc_auc_score
from matplotlib import pyplot
ns_probs = [0 for _ in range(len(y))]

lr_probs = clf_1.predict_proba(X)

lr_probs = lr_probs[:, 1]

ns_auc = roc_auc_score(y, ns_probs)
lr_auc = roc_auc_score(y, lr_probs)

print('No Skill: ROC AUC=%.3f' % (ns_auc))
print('Logistic: ROC AUC=%.3f' % (lr_auc))

ns_fpr, ns_tpr, _ = roc_curve(y, ns_probs)
lr_fpr, lr_tpr, _ = roc_curve(y, lr_probs)

pyplot.plot(ns_fpr, ns_tpr, linestyle='--', label='No Skill')
pyplot.plot(lr_fpr, lr_tpr, marker='.', label='Logistic')
pyplot.xlabel('False Positive Rate')
pyplot.ylabel('True Positive Rate')
pyplot.legend()
pyplot.show()
Performance metrics - AUROC
No Skill: ROC AUC=0.500
Logistic: ROC AUC=0.996

A no-skill classifier is one that can’t discriminate between the classes, and would predict a random class or a constant class in all cases. The no-skill line changes based on the distribution of the positive to negative classes. It’s a horizontal line with the value of the ratio of positive cases in the dataset. For a balanced dataset, it’s 0.5.

The area equals the probability that a randomly chosen positive example ranks above (is deemed to have a higher probability of being positive than negative) a randomly chosen negative example.

So, high ROC simply means that the probability of a randomly chosen positive example is indeed positive. High ROC also means your algorithm does a good job at ranking test data, with most negative cases at one end of a scale and positive cases at the other.

ROC curves aren’t a good choice when your problem has a huge class imbalance. The reason for this is not straightforward but can be intuitively seen using the formulas, you can read more about it here. You can still use them in that scenario after processing an imbalance set, or using focal loss techniques.

The AUROC metric has no use other than academic research, and comparing different classifiers.

Conclusion

I hope that you now understand the importance of performance metrics in model evaluation, and know a few quirky little hacks for understanding the soul of your model.

One really important thing to note is that you can adjust these metrics to cater to your specific use case.

For example, take a weighted F1-score. It calculates metrics for each label, and finds their average weight by support (the number of true instances for each label). 

Another example could be a weighted accuracy, or in technical terms: Balanced Accuracy. Balanced accuracy in binary and multiclass classification problems is used to deal with imbalanced datasets. It’s defined as the average recall obtained in each class. Like we mentioned, “cater to specific use cases”, like imbalanced classes.

You can find the notebook containing all the code used in this blog here.

Keep experimenting!

That’s it for now, thank you for reading, and stay tuned for more! Adios!

References

  • What does your classification metric tell you about your data?
  • Statistics for Business and Economics by Andersonn et al.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Made in error перевод
  • Mad ошибка прогноза
  • Mad max при установке выдает ошибку
  • Mad max ошибка msvcp100 dll
  • Mad max ошибка mad max exe