Lineaire regressie (Python-implementatie)
Dit artikel bespreekt de basisprincipes van lineaire regressie en de implementatie ervan in de programmeertaal Python. Lineaire regressie is een statistische methode voor het modelleren van relaties tussen een afhankelijke variabele en een gegeven reeks onafhankelijke variabelen.
Opmerking: In dit artikel verwijzen we naar afhankelijke variabelen als reacties en onafhankelijke variabelen als functies voor eenvoud. Om een basiskennis van lineaire regressie te verschaffen, beginnen we met de meest elementaire versie van lineaire regressie, d.w.z. Eenvoudige lineaire regressie .
Wat is lineaire regressie?
Lineaire regressie is een statistische methode die wordt gebruikt om een continu afhankelijke variabele (doelvariabele) te voorspellen op basis van een of meer onafhankelijke variabelen (voorspellende variabelen). Deze techniek gaat uit van een lineair verband tussen de afhankelijke en onafhankelijke variabelen, wat impliceert dat de afhankelijke variabele proportioneel verandert met veranderingen in de onafhankelijke variabelen. Met andere woorden, lineaire regressie wordt gebruikt om de mate te bepalen waarin een of meer variabelen de waarde van de afhankelijke variabele kunnen voorspellen.
Aannames die we maken in een lineair regressiemodel:
Hieronder worden de basisaannames gegeven die een lineair regressiemodel maakt met betrekking tot een dataset waarop het wordt toegepast:
- Lineaire relatie : De relatie tussen respons- en kenmerkvariabelen moet lineair zijn. De aanname van de lineariteit kan worden getest met behulp van spreidingsdiagrammen. Zoals hieronder weergegeven, vertegenwoordigt het eerste cijfer lineair gerelateerde variabelen, terwijl de variabelen in het tweede en derde cijfer hoogstwaarschijnlijk niet-lineair zijn. Het eerste cijfer geeft dus betere voorspellingen met behulp van lineaire regressie.
Lineaire relatie in de featureruimte
- Weinig of geen multicollineariteit : Er wordt aangenomen dat er weinig of geen multicollineariteit in de gegevens aanwezig is. Multicollineariteit treedt op wanneer de kenmerken (of onafhankelijke variabelen) niet onafhankelijk van elkaar zijn.
- Weinig of geen autocorrelatie : Een andere aanname is dat er weinig of geen autocorrelatie in de gegevens zit. Autocorrelatie treedt op wanneer de restfouten niet onafhankelijk van elkaar zijn. Voor meer inzicht in dit onderwerp kunt u hier terecht.
- Geen uitschieters: We gaan ervan uit dat er geen uitschieters in de data zitten. Uitschieters zijn gegevenspunten die ver verwijderd zijn van de rest van de gegevens. Uitschieters kunnen de resultaten van de analyse beïnvloeden.
- Homoscedasticiteit : Homoscedasticiteit beschrijft een situatie waarin de foutterm (dat wil zeggen de ruis of willekeurige verstoring in de relatie tussen de onafhankelijke variabelen en de afhankelijke variabele) hetzelfde is voor alle waarden van de onafhankelijke variabelen. Zoals hieronder weergegeven, heeft figuur 1 homoscedasticiteit, terwijl figuur 2 heteroscedasticiteit heeft.
Homoscedasticiteit in lineaire regressie
Nu we het einde van dit artikel bereiken, bespreken we hieronder enkele toepassingen van lineaire regressie.
Soorten lineaire regressie
Er zijn twee hoofdtypen lineaire regressie:
- Eenvoudige lineaire regressie: Dit omvat het voorspellen van een afhankelijke variabele op basis van een enkele onafhankelijke variabele.
- Meerdere lineaire regressie: Dit omvat het voorspellen van een afhankelijke variabele op basis van meerdere onafhankelijke variabelen.
Eenvoudige lineaire regressie
Eenvoudig lineaire regressie is een benadering voor het voorspellen van a antwoord gebruik maken van een enkele functie . Het is een van de meest fundamentele machinaal leren modellen waar een liefhebber van machine learning kennis mee maakt. Bij lineaire regressie gaan we ervan uit dat de twee variabelen, d.w.z. afhankelijke en onafhankelijke variabelen, lineair gerelateerd zijn. Daarom proberen we een lineaire functie te vinden die de responswaarde(y) zo nauwkeurig mogelijk voorspelt als functie van het kenmerk of de onafhankelijke variabele(x). Laten we een dataset bekijken waarin we een waarde van respons y hebben voor elk kenmerk x:
Voor de algemeenheid definiëren we:
x als voorzien van vector , d.w.z. x = [x_1, x_2, …., x_n],
en dus reactievector , d.w.z. y = [y_1, y_2, …., y_n]
voor N waarnemingen (in het bovenstaande voorbeeld n=10). Een spreidingsdiagram van de bovenstaande dataset ziet er als volgt uit: -
Spreidingsdiagram voor de willekeurig gegenereerde gegevens
Nu is de taak om een lijn die het beste past in het bovenstaande spreidingsdiagram, zodat we de respons op eventuele nieuwe kenmerkwaarden kunnen voorspellen. (dat wil zeggen een waarde van x die niet aanwezig is in een dataset) Deze lijn wordt a genoemd regressie lijn . De vergelijking van de regressielijn wordt weergegeven als:
Hier,
- h(x_i) vertegenwoordigt de voorspelde responswaarde voor ik e observatie.
- b_0 en b_1 zijn regressiecoëfficiënten en vertegenwoordigen de y-onderscheppen En helling van de regressielijn respectievelijk.
Om ons model te maken, moeten we de waarden van de regressiecoëfficiënten b_0 en b_1 leren of schatten. En zodra we deze coëfficiënten hebben geschat, kunnen we het model gebruiken om de reacties te voorspellen!
In dit artikel gaan we het principe van gebruiken Minste kwadraten .
Overweeg nu:
Hier is e_i a resterende fout in de observatie. Ons doel is dus om de totale restfout te minimaliseren. We definiëren de gekwadrateerde fout of kostenfunctie, J als:
En onze taak is om de waarde van b te vinden 0 en B 1 waarvoor J(geb 0 , B 1 ) is minimaal! Zonder op de wiskundige details in te gaan, presenteren we hier het resultaat:
Waar SS xy is de som van kruisafwijkingen van y en x:
En SS xx is de som van de gekwadrateerde afwijkingen van x:
Python-implementatie van eenvoudige lineaire regressie
Wij kunnen gebruik maken van de Python taal om de coëfficiënt van lineaire regressiemodellen te leren. Voor het plotten van de invoergegevens en de best passende lijn gebruiken we de matplotlib bibliotheek. Het is een van de meest gebruikte Python-bibliotheken voor het plotten van grafieken. Hier is het voorbeeld van eenvoudige lineaire regressie met Python.
Bibliotheken importeren
Python3
import> numpy as np> import> matplotlib.pyplot as plt> |
Estimating Coefficients Function This function, estimate_coef(), takes the input data x (independent variable) and y (dependent variable) and estimates the coefficients of the linear regression line using the least squares method. Calculating Number of Observations: n = np.size(x) determines the number of data points. Calculating Means: m_x = np.mean(x) and m_y = np.mean(y) compute the mean values of x and y, respectively. Calculating Cross-Deviation and Deviation about x: SS_xy = np.sum(y*x) - n*m_y*m_x and SS_xx = np.sum(x*x) - n*m_x*m_x calculate the sum of squared deviations between x and y and the sum of squared deviations of x about its mean, respectively. Calculating Regression Coefficients: b_1 = SS_xy / SS_xx and b_0 = m_y - b_1*m_x determine the slope (b_1) and intercept (b_0) of the regression line using the least squares method. Returning Coefficients: The function returns the estimated coefficients as a tuple (b_0, b_1). Python3 def estimate_coef(x, y): # number of observations/points n = np.size(x) # mean of x and y vector m_x = np.mean(x) m_y = np.mean(y) # calculating cross-deviation and deviation about x SS_xy = np.sum(y*x) - n*m_y*m_x SS_xx = np.sum(x*x) - n*m_x*m_x # calculating regression coefficients b_1 = SS_xy / SS_xx b_0 = m_y - b_1*m_x return (b_0, b_1) Plotting Regression Line Function This function, plot_regression_line(), takes the input data x (independent variable), y (dependent variable), and the estimated coefficients b to plot the regression line and the data points. Plotting Scatter Plot: plt.scatter(x, y, color = 'm', marker = 'o', s = 30) plots the original data points as a scatter plot with red markers. Calculating Predicted Response Vector: y_pred = b[0] + b[1]*x calculates the predicted values for y based on the estimated coefficients b. Plotting Regression Line: plt.plot(x, y_pred, color = 'g') plots the regression line using the predicted values and the independent variable x. Adding Labels: plt.xlabel('x') and plt.ylabel('y') label the x-axis as 'x' and the y-axis as 'y', respectively. Python3 def plot_regression_line(x, y, b): # plotting the actual points as scatter plot plt.scatter(x, y, color = 'm', marker = 'o', s = 30) # predicted response vector y_pred = b[0] + b[1]*x # plotting the regression line plt.plot(x, y_pred, color = 'g') # putting labels plt.xlabel('x') plt.ylabel('y') Output: Scatterplot of the points along with the regression line Main Function The provided code implements simple linear regression analysis by defining a function main() that performs the following steps: Data Definition: Defines the independent variable (x) and dependent variable (y) as NumPy arrays. Coefficient Estimation: Calls the estimate_coef() function to determine the coefficients of the linear regression line using the provided data. Printing Coefficients: Prints the estimated intercept (b_0) and slope (b_1) of the regression line. Python3 def main(): # observations / data x = np.array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]) y = np.array([1, 3, 2, 5, 7, 8, 8, 9, 10, 12]) # estimating coefficients b = estimate_coef(x, y) print('Estimated coefficients:
b_0 = {}
b_1 = {}'.format(b Output: Estimated coefficients: b_0 = -0.0586206896552 b_1 = 1.45747126437Multiple Linear RegressionMultiple linear regression attempts to model the relationship between two or more features and a response by fitting a linear equation to the observed data. Clearly, it is nothing but an extension of simple linear regression. Consider a dataset with p features(or independent variables) and one response(or dependent variable). Also, the dataset contains n rows/observations. We define: X ( feature matrix ) = a matrix of size n X p where xij denotes the values of the jth feature for ith observation. So, and y ( response vector ) = a vector of size n where y_{i} denotes the value of response for ith observation. The regression line for p features is represented as: where h(x_i) is predicted response value for ith observation and b_0, b_1, …, b_p are the regression coefficients . Also, we can write: where e_i represents a residual error in ith observation. We can generalize our linear model a little bit more by representing feature matrix X as: So now, the linear model can be expressed in terms of matrices as: where, and Now, we determine an estimate of b , i.e. b’ using the Least Squares method . As already explained, the Least Squares method tends to determine b’ for which total residual error is minimized. We present the result directly here: where ‘ represents the transpose of the matrix while -1 represents the matrix inverse . Knowing the least square estimates, b’, the multiple linear regression model can now be estimated as: where y’ is the estimated response vector . Python Implementation of Multiple Linear Regression For multiple linear regression using Python, we will use the Boston house pricing dataset. Importing Libraries Python3 from sklearn.model_selection import train_test_split import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np from sklearn import datasets, linear_model, metrics import pandas as pd Loading the Boston Housing Dataset The code downloads the Boston Housing dataset from the provided URL and reads it into a Pandas DataFrame (raw_df) Python3 data_url = ' http://lib.stat.cmu.edu/datasets/boston ' raw_df = pd.read_csv(data_url, sep='s+', skiprows=22, header=None) Preprocessing Data This extracts the input variables (X) and target variable (y) from the DataFrame. The input variables are selected from every other row to match the target variable, which is available every other row. Python3 X = np.hstack([raw_df.values[::2, :], raw_df.values[1::2, :2]]) y = raw_df.values[1::2, 2] Splitting Data into Training and Testing Sets Here it divides the data into training and testing sets using the train_test_split() function from scikit-learn. The test_size parameter specifies that 40% of the data should be used for testing. Python3 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.4, random_state=1) Creating and Training the Linear Regression Model This initializes a LinearRegression object (reg) and trains the model using the training data (X_train, y_train) Python3 reg = linear_model.LinearRegression() reg.fit(X_train, y_train) Evaluating Model Performance Evaluates the model’s performance by printing the regression coefficients and calculating the variance score, which measures the proportion of explained variance. A score of 1 indicates perfect prediction. Python3 # regression coefficients print('Coefficients: ', reg.coef_) # variance score: 1 means perfect prediction print('Variance score: {}'.format(reg.score(X_test, y_test))) Output: Coefficients: [ -8.80740828e-02 6.72507352e-02 5.10280463e-02 2.18879172e+00 -1.72283734e+01 3.62985243e+00 2.13933641e-03 -1.36531300e+00 2.88788067e-01 -1.22618657e-02 -8.36014969e-01 9.53058061e-03 -5.05036163e-01] Variance score: 0.720898784611 Plotting Residual Errors Plotting and analyzing the residual errors, which represent the difference between the predicted values and the actual values. Python3 # plot for residual error # setting plot style plt.style.use('fivethirtyeight') # plotting residual errors in training data plt.scatter(reg.predict(X_train), reg.predict(X_train) - y_train, color='green', s=10, label='Train data') # plotting residual errors in test data plt.scatter(reg.predict(X_test), reg.predict(X_test) - y_test, color='blue', s=10, label='Test data') # plotting line for zero residual error plt.hlines(y=0, xmin=0, xmax=50, linewidth=2) # plotting legend plt.legend(loc='upper right') # plot title plt.title('Residual errors') # method call for showing the plot plt.show() Output: Residual Error Plot for the Multiple Linear Regression In the above example, we determine the accuracy score using Explained Variance Score . We define: explained_variance_score = 1 – Var{y – y’}/Var{y} where y’ is the estimated target output, y is the corresponding (correct) target output, and Var is Variance, the square of the standard deviation. The best possible score is 1.0, lower values are worse. Polynomial Linear Regression Polynomial Regression is a form of linear regression in which the relationship between the independent variable x and dependent variable y is modeled as an nth-degree polynomial. Polynomial regression fits a nonlinear relationship between the value of x and the corresponding conditional mean of y, denoted E(y | x). Choosing a Degree for Polynomial Regression The choice of degree for polynomial regression is a trade-off between bias and variance. Bias is the tendency of a model to consistently predict the same value, regardless of the true value of the dependent variable. Variance is the tendency of a model to make different predictions for the same data point, depending on the specific training data used. A higher-degree polynomial can reduce bias but can also increase variance, leading to overfitting. Conversely, a lower-degree polynomial can reduce variance but can also increase bias. There are a number of methods for choosing a degree for polynomial regression, such as cross-validation and using information criteria such as Akaike information criterion (AIC) or Bayesian information criterion (BIC). Implementation of Polynomial Regression using Python Implementing the Polynomial regression using Python: Here we will import all the necessary libraries for data analysis and machine learning tasks and then loads the ‘Position_Salaries.csv’ dataset using Pandas. It then prepares the data for modeling by handling missing values and encoding categorical data. Finally, it splits the data into training and testing sets and standardizes the numerical features using StandardScaler. Python3 import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt import seaborn as sns import sklearn import warnings from sklearn.preprocessing import LabelEncoder from sklearn.impute import KNNImputer from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.metrics import f1_score from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor from sklearn.model_selection import cross_val_score warnings.filterwarnings('ignore') df = pd.read_csv('Position_Salaries.csv') X = df.iloc[:,1:2].values y = df.iloc[:,2].values x Output: array([[ 1, 45000, 0], [ 2, 50000, 4], [ 3, 60000, 8], [ 4, 80000, 5], [ 5, 110000, 3], [ 6, 150000, 7], [ 7, 200000, 6], [ 8, 300000, 9], [ 9, 500000, 1], [ 10, 1000000, 2]], dtype=int64) The code creates a linear regression model and fits it to the provided data, establishing a linear relationship between the independent and dependent variables. Python3 from sklearn.linear_model import LinearRegression lin_reg=LinearRegression() lin_reg.fit(X,y) The code performs quadratic and cubic regression by generating polynomial features from the original data and fitting linear regression models to these features. This enables modeling nonlinear relationships between the independent and dependent variables. Python3 from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures poly_reg2=PolynomialFeatures(degree=2) X_poly=poly_reg2.fit_transform(X) lin_reg_2=LinearRegression() lin_reg_2.fit(X_poly,y) poly_reg3=PolynomialFeatures(degree=3) X_poly3=poly_reg3.fit_transform(X) lin_reg_3=LinearRegression() lin_reg_3.fit(X_poly3,y) The code creates a scatter plot of the data point, It effectively visualizes the linear relationship between position level and salary. Python3 plt.scatter(X,y,color='red') plt.plot(X,lin_reg.predict(X),color='green') plt.title('Simple Linear Regression') plt.xlabel('Position Level') plt.ylabel('Salary') plt.show() Output: The code creates a scatter plot of the data points, overlays the predicted quadratic and cubic regression lines. It effectively visualizes the nonlinear relationship between position level and salary and compares the fits of quadratic and cubic regression models. Python3 plt.style.use('fivethirtyeight') plt.scatter(X,y,color='red') plt.plot(X,lin_reg_2.predict(poly_reg2.fit_transform(X)),color='green') plt.plot(X,lin_reg_3.predict(poly_reg3.fit_transform(X)),color='yellow') plt.title('Polynomial Linear Regression Degree 2') plt.xlabel('Position Level') plt.ylabel('Salary') plt.show() Output: The code effectively visualizes the relationship between position level and salary using cubic regression and generates a continuous prediction line for a broader range of position levels. Python3 plt.style.use('fivethirtyeight') X_grid=np.arange(min(X),max(X),0.1) # This will give us a vector.We will have to convert this into a matrix X_grid=X_grid.reshape((len(X_grid),1)) plt.scatter(X,y,color='red') plt.plot(X_grid,lin_reg_3.predict(poly_reg3.fit_transform(X_grid)),color='lightgreen') #plt.plot(X,lin_reg_3.predict(poly_reg3.fit_transform(X)),color='green') plt.title('Polynomial Linear Regression Degree 3') plt.xlabel('Position Level') plt.ylabel('Salary') plt.show() Output: Applications of Linear Regression Trend lines: A trend line represents the variation in quantitative data with the passage of time (like GDP, oil prices, etc.). These trends usually follow a linear relationship. Hence, linear regression can be applied to predict future values. However, this method suffers from a lack of scientific validity in cases where other potential changes can affect the data. Economics: Linear regression is the predominant empirical tool in economics. For example, it is used to predict consumer spending, fixed investment spending, inventory investment, purchases of a country’s exports, spending on imports, the demand to hold liquid assets, labor demand, and labor supply. Finance: The capital price asset model uses linear regression to analyze and quantify the systematic risks of an investment. Biology: Linear regression is used to model causal relationships between parameters in biological systems. Advantages of Linear Regression Easy to interpret: The coefficients of a linear regression model represent the change in the dependent variable for a one-unit change in the independent variable, making it simple to comprehend the relationship between the variables. Robust to outliers: Linear regression is relatively robust to outliers meaning it is less affected by extreme values of the independent variable compared to other statistical methods. Can handle both linear and nonlinear relationships: Linear regression can be used to model both linear and nonlinear relationships between variables. This is because the independent variable can be transformed before it is used in the model. No need for feature scaling or transformation: Unlike some machine learning algorithms, linear regression does not require feature scaling or transformation. This can be a significant advantage, especially when dealing with large datasets. Disadvantages of Linear Regression Assumes linearity: Linear regression assumes that the relationship between the independent variable and the dependent variable is linear. This assumption may not be valid for all data sets. In cases where the relationship is nonlinear, linear regression may not be a good choice. Sensitive to multicollinearity: Linear regression is sensitive to multicollinearity. This occurs when there is a high correlation between the independent variables. Multicollinearity can make it difficult to interpret the coefficients of the model and can lead to overfitting. May not be suitable for highly complex relationships: Linear regression may not be suitable for modeling highly complex relationships between variables. For example, it may not be able to model relationships that include interactions between the independent variables. Not suitable for classification tasks: Linear regression is a regression algorithm and is not suitable for classification tasks, which involve predicting a categorical variable rather than a continuous variable.Frequently Asked Question(FAQs)1. How to use linear regression to make predictions? Once a linear regression model has been trained, it can be used to make predictions for new data points. The scikit-learn LinearRegression class provides a method called predict() that can be used to make predictions. 2. What is linear regression? Linear regression is a supervised machine learning algorithm used to predict a continuous numerical output. It assumes that the relationship between the independent variables (features) and the dependent variable (target) is linear, meaning that the predicted value of the target can be calculated as a linear combination of the features. 3. How to perform linear regression in Python? There are several libraries in Python that can be used to perform linear regression, including scikit-learn, statsmodels, and NumPy. The scikit-learn library is the most popular choice for machine learning tasks, and it provides a simple and efficient implementation of linear regression. 4. What are some applications of linear regression? Linear regression is a versatile algorithm that can be used for a wide variety of applications, including finance, healthcare, and marketing. Some specific examples include: Predicting house pricesPredicting stock pricesDiagnosing medical conditionsPredicting customer churn5. How linear regression is implemented in sklearn?Linear regression is implemented in scikit-learn using the LinearRegression class. This class provides methods to fit a linear regression model to a training dataset and predict the target value for new data points.