混淆矩阵

贡献者： xzllxls

　　 在机器学习中，混淆矩阵（Confusion Matrix）是一种通过表格可视化的方式呈现分类模型性能的常用工具，能够显示出模型预测值与实际标签之间的对应关系。顾名思义，混淆矩阵能够方便地看出模型是否将两个不同的类混淆了（比如把一个类错误地判定为另一类）以及混淆的数量有多少。

　　 要弄清楚混淆矩阵，首先必须了解以下基本概念。

1. True Positive（TP）：真正类。样本的真实类别是正类，并且模型也将其判定为正类。
2. False Negative（FN）：假负类。样本的真实类别是正类，但模型将其判定为负类。
3. False Positive（FP）：假正类。样本的真实类别是负类，但模型将其判定为正类。
4. True Negative（TN）：真负类。样本的真实类别是负类，并且模型将其判定为负类。

　　 对于二分类问题而言，混淆矩阵包含两行、两列，一共四个单元格。列（行）分别表示分类器预测的值，行（列）分别表示实际的值。如表 1 所示。

　　 举个例子，现在有一个训练好的二元分类器，用于判断给定图片上的动物是马还是羊。假设，有一个图片数据集，一共 14 张图片，其中 9 只为羊，5 只为马。假设用 0 表示羊，1 表示马。样本情况可以表示为表 2 。

　　 现在用训练好的分类器来做判断，有可能产生下面的结果。

　　 从表 3 中可以看出，实际有 9 只羊，模型预测正确了 6 只（预测为羊），预测错了 3 只（预测为马）。马实际上有 5 匹，模型预测正确了 4 只（预测为马），预测错了 1 匹（预测为羊）。把结论写下来，就形成了如表 4 所示的混淆矩阵。

　　 设样本总数用 N 表示，本例中 N=14。显然，当只给定混淆矩阵时，也可以从中算出样本总数：N=TP+FN+FP+TN=14。由混淆矩阵，我们可以得出对于模型的多个常规的评价指标。

　　 精确率（Accuracy），或者称精度：最常用的分类性能指标。可以用来表示模型的分类精度，即模型识别正确的个数/样本的总个数。

　　 本例模型精度 = (TP+TN)/N=(4+6)/14=10/14

　　 准确率（Precision），又称查准率：表示在模型判定为正类的样本中，真正为正类的样本所占的比例。

　　 本例准确率 = TP/(TP+FP)=4/(4+3)=4/7

　　 召回率（Recall），又称查全率：在实际正样本中，模型判定正确的数量。

　　 本例召回率=TP/(TP+FN)=4/(4+1)=4/5

　　 特异度（Specificity）：实际为负类的样本中被模型正确判定为负类的比例。

　　 本例特异度=TN/(TN+FP)=6/(6+3)=2/3

　　 F1 分数（F1 score）：准确率和召回率的调和平均数。

　　 本例 F1 分数 = $ 2 \times \frac{Precision \times Recall}{Precision + Recall} = 2 \times \frac{(4/7) \times (4/5)}{4/7+4/5}$

1. 程序实战

　　 给出一段求混淆矩阵和各个量化评价指标的示例程序。该程序基于 scikit-learn 机器学习库，数据表示基于 numpy 库。

代码示例

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import confusion_matrix, 
accuracy_score, precision_score, recall_score, f1_score
from sklearn.model_selection import train_test_split

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import seaborn as sns


# 加载数据集
data = load_iris()
X = data.data
y = data.target

# 将数据集划分为训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split
(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 定义和训练模型
model = LogisticRegression(max_iter=200)
model.fit(X_train, y_train)

# 在测试集上预测
y_pred = model.predict(X_test)

# 计算混淆矩阵
cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)

# 打印混淆矩阵
print("混淆矩阵：")
print(cm)

# 可视化混淆矩阵
plt.figure(figsize=(10,7))
sns.heatmap(cm, annot=True, fmt='d', cmap='Blues', 
xticklabels=data.target_names, yticklabels=data.target_names)
plt.xlabel('Predicted')
plt.ylabel('Actual')
plt.title('Confusion Matrix')
plt.show()

# 计算其他评价指标
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
precision = precision_score(y_test, y_pred, average='weighted')
recall = recall_score(y_test, y_pred, average='weighted')
f1 = f1_score(y_test, y_pred, average='weighted')

# 打印评价指标
print(f"准确率：{accuracy}")
print(f"精确率：{precision}")
print(f"召回率：{recall}")
print(f"F1得分：{f1}")

结果与说明

　　 程序首先下载读取公开的 iris 数据集，然后训练一个逻辑回归模型来做分类。训练方法采用留出法。模型训练完成之后，计算混淆矩阵，并计算几个常用的评价指标。

　　 由于数据集有三个类别标签，因此本例是一个三分类问题。混淆矩阵是一个 $3 \times 3$ 方阵，如图 1 所示：

　　 量化评价指标结果如下：

准确率：1.0
精确率：1.0
召回率：1.0
F1得分：1.0