Разберись в Data Science. Как освоить науку о данных и научиться думать как эксперт - Алекс Дж. Гатман

На левом графике пунктирной линией показана модель, которая слишком уверенно предсказывает то, что высокий средний балл приведет к приглашению на собеседование, упуская при этом кандидата со средним баллом 3,5, который это приглашение не получил. Модель, показанная на среднем графике, выдает неоправданно низкую вероятность для студентов с низким средним баллом. Согласно ей, студент со средним баллом в 2,8, которого пригласили на собеседование, имел на это почти нулевой шанс. Крайний правый график на рис. 10.1 может похвастаться оптимальным балансом. Этот результат применения алгоритма логистической регрессии наилучшим образом уравновешивает левую и среднюю диаграммы и с математической точки зрения является оптимизированным решением для имеющихся точек данных. Полученная в результате модель логистической регрессии имеет следующее уравнение:

Вероятность получения приглашения при данном среднем балле =

Логистическая регрессия уменьшает так называемую логистическую функцию потерь, которая представляет собой способ измерения степени близости предсказанных вероятностей к фактическим меткам. Хотя линейная и логистическая регрессии используют разные методы, их цель одна и та же – максимально приблизить совокупность предсказанных моделью значений к фактическим.

Логистическая регрессия: что дальше?

Логистическая регрессия дает два преимущества: мы получаем формулу, которая помогает делать прогнозы на основе данных, а коэффициенты этой формулы объясняют взаимосвязи между входными и выходными параметрами.

Применить ее можно следующим образом. На рис. 10.2 показана вероятность приглашения на собеседование для студента со средним баллом 2,0, согласно нашей модели логистической регрессии. Шанс получить такое приглашение для этого человека составляет около 4 %. Кандидат, повышающий свой средний балл с 2,0 до 3,0, повышает вероятность получения приглашения на собеседование с 4 до 41 %, то есть разница составляет 37 %. Однако увеличение среднего балла еще на одну единицу, с 3,0 до 4,0, повышает вероятность с 41 до 92 %; здесь разница составляет целых 51 %! Обратите внимание на то, что при использовании моделей логистической регрессии влияние дополнительного балла на вероятность приглашения не является постоянным. В этом заключается еще одно отличие логистической регрессии от линейной: в случае линейной регрессии увеличение входной переменной на одну единицу всегда одинаково влияет на результат, каким бы ни было начальное значение.

Рис. 10.2. Применение модели логистической регрессии для прогнозирования вероятности приглашения при среднем балле равном 2, 3 и 4

Сама по себе логистическая регрессия не скажет вам, следует ли пригласить на собеседование того или иного человека или нет. Скорее она сообщает вам вероятность такого приглашения. Если вы хотите автоматизировать процесс принятия решений с помощью логистической регрессии, вам необходимо задать точку отсечения (пороговое значение), также известное как решающее правило; оно определяет реализацию того, чему научилась ваша модель. Если вы зададите точку отсечения на отметке 90 %, то есть будете рассматривать только те заявки, средний балл в которых предполагает 90 %-ную вероятность приглашения на собеседование, то, скорее всего, сделаете меньше предложений. С другой стороны, если вы готовы рассматривать заявки соискателей, шанс на приглашение которых, исходя из прошлых данных, составляет 60 %, то увидите гораздо больше кандидатов. Задание точек отсечения требует участия экспертов в предметной области.

Как говорилось ранее, коэффициент любой регрессионной функции говорит о взаимосвязях между входными и выходными данными. С первого взгляда понятно, что значение коэффициента для среднего балла в уравнении (2) является положительным и составляет 2,9. Это говорит о том, что более высокий средний балл повышает шансы человека на получение приглашения. В данном случае это не столь уж сногсшибательная новость, однако для исследователей, предсказывающих вероятность развития рака на основе определенных биомаркеров, это может иметь большое значение[96].

На что следует обратить внимание при работе с логистической регрессией

Моделям логистической регрессии свойственны те же проблемы, что и моделям линейной регрессии, которые мы подробно рассмотрели в предыдущей главе, а именно:

• Пропущенные переменные. Алгоритм не может учиться на данных, которых нет.

• Мультиколлинеарность. Коррелированные входные признаки могут сильно исказить вашу интерпретацию коэффициентов модели, а иногда даже сделать положительный коэффициент отрицательным (или наоборот).

• Экстраполяция. В случае с логистической регрессией проблема с экстраполяцией стоит не столь остро, как в случае с линейной, потому что ее выходные данные всегда находятся в пределах диапазона от 0 до 1. Однако расслабляться все-таки не следует. Предсказание значений за пределами диапазона обучающих данных может привести к чрезмерно уверенным оценкам вероятностей, поскольку эти прогнозные значения асимптотически приближаются к единице.

Разумеется, при использовании логистической регрессии следует избегать и других ошибок, которые мы обсудим в конце главы.

Деревья решений

Некоторых людей отталкивает (и, возможно, пугает) математика, связанная с использованием логистической регрессии. Кроме того, далеко не каждую взаимосвязь между входными и выходными данными можно описать с помощью линейной модели y = mx + b. Альтернативный, более понятный и простой для визуализации подход – дерево решений. Деревья решений разбивают набор данных на несколько частей, предоставляя список правил наподобие блок-схемы, которыми можно руководствоваться при прогнозировании.

Возьмем, к примеру, набор данных, приведенных в табл. 10.2. Здесь вы видите выборку данных о десяти студентах (из 300), которые подали заявку и были приглашены на собеседование в вашу компанию. Вместо того чтобы использовать средний балл в качестве единственного входного параметра для своей модели, вы решаете проанализировать все признаки, чтобы выяснить, как приглашения на интервью делались в прошлом. Обратите внимание на то, что в этом наборе данных на собеседование были приглашены 120 студентов (то есть 40 %).

Табл. 10.2. Фрагмент набора данных о стажерах. Специализации студентов таковы: Инф. = Информатика, Экон. = Экономика, Стат. = Статистика и Биз. = Бизнес.

Если вы хотите использовать эти признаки, чтобы понять, кто получил приглашение, а кто нет, вы можете самостоятельно вывести несколько правил. Например, студенты с высоким средним баллом, участвующие во внеклассных занятиях, вероятно, имеют больше шансов получить приглашение. Но какой средний балл вы использовали бы для «разделения» совокупности студентов? 3,0? 3,5? И с помощью какой информации вы бы обосновали свое решение? Как вы уже, вероятно, поняли, самостоятельное выведение правил – чрезвычайно сложная задача. К счастью, алгоритм для создания дерева решений может позаботиться об этом за вас. Он ищет входной признак и его значение, которое наилучшим образом отличает студентов, получивших приглашение на интервью, от тех, кто его не получил. Затем он находит следующий признак, позволяющий разделить уже эти две группы и так далее.

Мы прогнали наш набор данных