Évaluation des modèles

CSI 4506 - Automne 2024

Marcel Turcotte

Version: sept. 30, 2024 08h54

Préambule

Citation du jour

Rapport d’Impact sur la Sécurité Waymo 2024, 2024-09-05. Waymo est une filiale d’Alphabet Inc., la société mère de Google. Elle exploite des services de robotaxi dans 4 villes américaines.

Objectifs d’apprentissage

• Clarifier les concepts de sous-apprentissage et de surapprentissage en apprentissage automatique.
• Décrire les principales mesures utilisées pour évaluer la performance d’un modèle.
• Contraster les mesures de performance moyennes pondérées (micro) et non pondérées (macro).

Ajustement du modèle

Ajustement du modèle

Pendant nos discussions en classe, nous avons abordé les concepts de sous-apprentissage et de surapprentissage. Pour approfondir ces sujets, examinons-les dans le contexte de la régression polynomiale.

from sklearn.linear_model import LinearRegression

lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X, y)

Cet exemple visait à illustrer qu’en pratique, nous avons souvent une connaissance limitée du modèle sous-jacent qui a généré les données.

Un ensemble de données non linéaire

import numpy as np
np.random.seed(42)

X = 6 * np.random.rand(100, 1) - 3
y = 0.5 * X ** 2 - X + 2 + np.random.randn(100, 1)

Dans les expériences en apprentissage automatique, spécifier la graine du générateur de nombres aléatoires est crucial pour garantir la reproductibilité. En fixant une graine, les programmeurs peuvent s’assurer que la même séquence de nombres aléatoires sera générée à chaque exécution de l’expérience. Cette cohérence est vitale pour plusieurs raisons :

1. Reproductibilité : Elle permet à d’autres programmeurs de répliquer l’expérience dans les mêmes conditions, facilitant ainsi la vérification et la validation des résultats.
2. Analyse comparative : Elle permet de comparer de manière cohérente différents modèles ou algorithmes sous les mêmes conditions initiales, garantissant que les différences observées proviennent des modèles eux-mêmes plutôt que des variations dans l’initialisation aléatoire.
3. Débogage : Elle facilite le débogage en fournissant un environnement stable où les problèmes peuvent être reproduits et étudiés de manière constante.

Attribution: Géron (2022), 4

Régression linéaire

Un modèle linéaire représente mal ce jeu de données

Définition

L’ingénierie des attributs (feature engineering) est le processus de création, transformation et sélection de variables (attributs) à partir de données brutes afin d’améliorer la performance des modèles d’apprentissage automatique.

Ici, nous nous concentrons sur la création de nouveaux attributs à partir de données brutes.

PolynomialFeatures

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures

poly_features = PolynomialFeatures(degree=2, include_bias=False)
X_poly = poly_features.fit_transform(X)

X[0]

array([-0.75275929])

X_poly[0]

array([-0.75275929,  0.56664654])

sklearn.preprocessing.PolynomialFeatures

Génère une nouvelle matrice d’attributs consistant en toutes les combinaisons polynomiales des attributs avec un degré inférieur ou égal au degré spécifié. Par exemple, si un échantillon d’entrée est bidimensionnel et de la forme \([a, b]\), les attributs polynomiales de degré 2 sont \([1, a, b, a^2, ab, b^2]\).

PolynomialFeatures

Avec deux attributs \(a\) et \(b\), PolynomialFeatures avec degree=3 ajouterait \(a^2\), \(a^3\), \(b^2\), \(b^3\), ainsi que \(ab\), \(a^2b\), \(ab^2\)!

Avertissement

PolynomialFeatures(degree=d) ajoute \(\frac{(D+d)!}{d!D!}\) attributs, où \(D\) est le nombre initial de attributs.

De plus, vous avez la possibilité de créer de nouvelles attributs vous-même.

Régression polynomiale

LinearRegression sur PolynomialFeatures

lin_reg = LinearRegression()
lin_reg.fit(X_poly, y)

Régression polynomiale

Les données ont été générées selon l’équation suivante, avec l’inclusion de bruit gaussien.

\[ y = 0.5 x^2 + 1.0 x + 2.0 \]

Le modèle appris est présenté ci-dessous.

\[ \hat{y} = 0.56 x^2 + (-1.06) x + 1.78 \]

lin_reg.coef_, lin_reg.intercept_

(array([[-1.06633107,  0.56456263]]), array([1.78134581]))

Compte tenu du bruit présent dans notre ensemble de données, semblable à ce que l’on peut attendre de données réelles, ce modèle démontre un bon ajustement.

Surapprentissage et sous-apprentissage

Une faible valeur de perte sur l’ensemble d’entraînement n’indique pas nécessairement un “meilleur” modèle.

Dans cet exemple, le modèle de régression linéaire présente un sous-apprentissage des données d’entraînement, comme en témoigne son erreur quadratique moyenne élevée (perte) sur l’ensemble d’entraînement (ligne rouge). Cela suggère que le modèle fait de nombreuses erreurs même sur les données d’entraînement.

À l’inverse, le modèle polynomial avec un degré=300 présente un surapprentissage des données d’entraînement. Il affiche une faible erreur quadratique moyenne (perte) sur l’ensemble d’entraînement (ligne verte), ce qui implique qu’il commet peu d’erreurs sur les données d’entraînement.

Cependant, le modèle polynomial de degré=300 est susceptible de mal performer lors de futures prédictions. La courbe verte dépasse les limites de l’image sur l’axe des y. Par exemple, pour des valeurs d’entrée comprises entre 2 et 3, le modèle prédit des valeurs supérieures à 10 (ainsi que des valeurs négatives), alors que les valeurs attendues devraient se situer dans une fourchette de 2 à 4.

Cet exemple illustratif peut sembler simpliste puisque les données sont générées à partir d’une équation quadratique et ne comportent qu’un seul attribut, rendant la visualisation simple. Cependant, il permet de souligner un point clé pertinent pour des modèles plus complexes, tels que les réseaux de neurones profonds. À mesure que le nombre de paramètres augmente, la capacité du modèle à ajuster les données d’entraînement augmente également, ce qui peut entraîner un surapprentissage si cela n’est pas correctement géré.

Attribution: 04_training_linear_models.ipynb

Sous-apprentissage et surapprentissage

• Sous-apprentissage (underfitting):
  • Votre modèle est trop simple (ici, linéaire).
  • attributs non informatives.
  • Mauvaises performances à la fois sur les données d’entraînement et sur les données de test.
• Surapprentissage (overfitting):
  • Votre modèle est trop complexe (arbre de décision trop profond, réseaux neuronaux profonds et larges, etc.).
  • Trop de attributs par rapport au nombre d’exemples disponibles.
  • Excellentes performances sur l’ensemble d’entraînement, mais mauvaises performances sur l’ensemble de test.

Dans le cas du sous-apprentissage, ajouter plus de données à l’ensemble d’entraînement ne sera pas utile.

Dans le cas du surapprentissage, ajouter plus de données rapprocherait les courbes d’apprentissage de l’ensemble d’entraînement et de l’ensemble de test.

Courbes d’apprentissage

• Une manière d’évaluer nos modèles est de visualiser les courbes d’apprentissage :
  • Une courbe d’apprentissage montre la performance de notre modèle, ici en utilisant la RMSE, à la fois sur l’ensemble d’entraînement et l’ensemble de test.
  • Plusieurs mesures sont obtenues en formant à plusieurs reprises le modèle sur des sous-ensembles de données de plus en plus grands.

Voir : sklearn.model_selection.learning_curve.

Sous-apprentissage

Mauvaise performance à la fois sur les données d’entraînement et les données de test.

Ce graphique illustre la courbe d’apprentissage pour un modèle de régression linéaire appliqué à des données générées à partir d’une équation quadratique, ce qui sert d’exemple dans notre cours.

L’axe horizontal représente la taille de l’ensemble d’entraînement. Initialement, le modèle de régression linéaire est entraîné sur un très petit ensemble de données, composé d’un ou de quelques exemples seulement, et la Root Mean Square Error (RMSE) est tracée pour les ensembles d’entraînement et de test. La taille de l’ensemble d’entraînement est ensuite augmentée progressivement, un nouveau modèle est formé, et la performance est enregistrée. Cette procédure continue jusqu’à ce que l’ensemble complet de données soit utilisé.

Les principales observations à retenir du graphique sont :

• Avec un ou deux exemples seulement, le modèle ajuste parfaitement l’ensemble d’entraînement, ce qui se traduit par une faible RMSE pour les données d’entraînement.

• À mesure que la taille de l’ensemble d’entraînement augmente, le modèle a du mal à ajuster les données d’entraînement en raison de la nature quadratique du processus de génération des données. En conséquence, la RMSE pour l’ensemble d’entraînement augmente et se stabilise à un niveau plus élevé.

• Pour les petits ensembles d’entraînement, le modèle performe mal sur l’ensemble de test en raison d’une généralisation inadéquate, ce qui entraîne une RMSE élevée.

• À mesure que la taille de l’ensemble d’entraînement augmente, la performance sur l’ensemble de test s’améliore, comme l’indique la diminution de la RMSE, jusqu’à atteindre un point où les augmentations supplémentaires de la taille de l’ensemble d’entraînement n’apportent pas d’améliorations significatives.

Ces courbes d’apprentissage sont indicatives d’un modèle qui présente un sous-apprentissage. Les courbes RMSE des ensembles d’entraînement et de test se stabilisent à des valeurs relativement élevées et restent proches l’une de l’autre, comme mentionné par Géron (2022).

Code source : 04_training_linear_models.ipynb.

Surapprentissage

Excellentes performances sur l’ensemble d’entraînement, mais mauvaises performances sur l’ensemble de test.

• Pour un ensemble d’entraînement comprenant jusqu’à 14 points de données, le polynôme ajuste parfaitement les données d’entraînement, ce qui entraîne une RMSE de zéro.

• L’erreur sur les données d’entraînement est ici significativement plus faible.

• Un écart notable entre les deux courbes indique que le modèle performe beaucoup mieux sur les données d’entraînement que sur les données de test.

Modèle polynomial avec degré=14.

Surapprentissage - réseaux profonds

Nous aborderons les réseaux de neurones en détail plus tard dans notre cours. Le graphique présenté ici illustre la variation de la fonction de perte au fur et à mesure que le modèle d’apprentissage profond est entraîné.

Cet exemple utilise le jeu de données de classification de critiques de films IMDB disponible dans Keras. Le jeu de données contient 25 000 critiques de films provenant de IMDB, chacune étiquetée avec un sentiment (positif ou négatif).

Le modèle se compose de trois couches denses avec des tailles respectives de 16, 16 et 1. Il comprend un total de 160 305 paramètres entraînables.

Le réseau est entraîné en utilisant la descente de gradient stochastique par mini-lots avec une taille de lot de 512. L’axe horizontal représente le nombre d’époques, où chaque époque indique que le modèle a vu l’ensemble d’entraînement complet une fois. Pendant chaque époque, l’algorithme de descente de gradient stochastique met à jour les paramètres du modèle de manière itérative en utilisant des mini-lots de 512 exemples.

J’ai sélectionné cet exemple pour illustrer qu’un réseau de neurones avec une capacité suffisante (nombre de paramètres) peut minimiser les erreurs d’entraînement presque à zéro, car la réduction des erreurs d’entraînement est l’objectif principal de l’optimisation. Cependant, le graphique montre clairement qu’au-delà d’un certain point, les modèles appris deviennent spécifiques à l’ensemble d’entraînement plutôt que de capturer des principes généraux. L’objectif final de l’apprentissage automatique est de généraliser plutôt que de mémoriser.

Le surapprentissage survient lorsqu’un modèle apprend les détails et le bruit des données d’entraînement au point de nuire à sa performance sur des données nouvelles. Cela peut entraîner une frontière de décision qui s’ajuste trop étroitement aux données d’entraînement, capturant le bruit et les détails non pertinents plutôt que des schémas généraux.

Exemple tiré de Chollet (2017) Chapitre 3 (chapter04_getting-started-with-neural-networks.ipynb, ipynb de l’édition 2021).

Surapprentissage - réseaux profonds

Ce graphique illustre de la même manière la variation de l’exactitude pour les ensembles d’entraînement et de test au fur et à mesure que le modèle est entraîné.

Compromis biais/variance

• Biais :
  • Erreur provenant de modèles trop simples
  • Un biais élevé peut entraîner un sous-apprentissage
• Variance :
  • Erreur provenant de modèles trop complexes
  • Sensibilité aux fluctuations dans les données d’entraînement
  • Une variance élevée peut entraîner un surapprentissage
• Compromis :
  • Objectif : un modèle qui généralise bien à de nouvelles données
  • Méthodes : validation croisée, régularisation, apprentissage ensembliste

Hastie, Tibshirani, et Friedman (2009)

Vidéos connexes

Autres vidéos :

• Biais et Variance, StatQuest (excellent résumé visuel)
• Biais/Variance (C2W1L02), Stanford, Andrew Ng
• Intuition derrière le biais et la variance, Sebastian Raschka

Mesures de performance

Matrice de confusion

	Positif (Prédit)	Négatif (Prédit)
Positif (Réel)	Vrai positif (VP)	Faux négatif (FN)
Négatif (Réel)	Faux positif (FP)	Vrai négatif (VN)

• En analyse statistique, les Faux Positifs (FP) sont couramment appelés erreurs de type I, et les Faux Négatifs (FN) sont connus sous le nom d’erreurs de type II.

• La matrice de confusion encapsule toutes les informations essentielles nécessaires pour évaluer les performances d’un modèle de classification.

• Bien que la matrice de confusion fournisse une vue complète, des mesures concises telles que l’exactitude, la précision, le rappel, et le score F\(_1\) sont souvent plus intuitives et pratiques pour résumer les performances d’un modèle.

Une matrice de confusion (confusion matrix) est un tableau qui résume les performances d’un algorithme de classification (ici pour une tâche de classification binaire).

sklearn.metrics.confusion_matrix

from sklearn.metrics import confusion_matrix

y_actual = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]

confusion_matrix(y_actual,y_pred)

array([[1, 2],
       [3, 4]])

tn, fp, fn, tp = confusion_matrix(y_actual, y_pred).ravel()
(tn, fp, fn, tp)

(1, 2, 3, 4)

Prédiction parfaite

y_actual = [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1]

confusion_matrix(y_actual,y_pred)

array([[4, 0],
       [0, 6]])

tn, fp, fn, tp = confusion_matrix(y_actual, y_pred).ravel()    
(tn, fp, fn, tp)

(4, 0, 0, 6)

Matrice de confusion - plusieurs classes

L’image montre une carte thermique de la matrice de confusion pour la tâche de classification des chiffres. Cette tâche, un problème de classification multiclasses, a été traitée à l’aide de OneVsRestClassifier et de LogisticRegression.

La matrice de confusion résume les prédictions effectuées sur l’ensemble de test, qui est un sous-ensemble des données qui n’a été utilisé ni pour l’entraînement ni pour la normalisation avec StandardScaler.

La matrice de confusion encapsule tous les résultats issus de l’application du classificateur à l’ensemble de test. Cependant, pour résumer ces informations de manière plus concise, nous faisons souvent référence à des mesures de performance.

Matrice de confusion pour l’exemple des chiffres présenté lors du cours précédent.

Code source

import numpy as np
np.random.seed(42)

from sklearn.datasets import load_digits
digits = load_digits()

X = digits.data
y = digits.target

from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.1)

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.multiclass import OneVsRestClassifier

clf = OneVsRestClassifier(LogisticRegression())

clf = clf.fit(X_train, y_train)

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import ConfusionMatrixDisplay

X_test = scaler.transform(X_test)
y_pred = clf.predict(X_test)

ConfusionMatrixDisplay.from_predictions(y_test, y_pred)

plt.show()

Visualisation des erreurs

mask = (y_test == 9) & (y_pred == 8)

X_9_as_8 = X_test[mask]

y_9_as_8 = y_test[mask]

Dans la matrice de confusion de l’écran précédent, nous avons vu qu’il y avait des exemples pour lesquels l’étiquette réelle était 9, mais la prédiction était 8. Nous pouvons visualiser les exemples pour voir si nous comprenons la nature de ces erreurs.

Matrice de confusion - plusieurs classes

Il est souvent préférable de résumer la performance du classificateur avec une seule métrique.

Exactitude

Quelle est l’exactitude de ce résultat ?

\[ \mathrm{exactitude} = \frac{\mathrm{VP}+\mathrm{VN}}{\mathrm{VP}+\mathrm{VN}+\mathrm{FP}+\mathrm{FN}} = \frac{\mathrm{VP}+\mathrm{VN}}{\mathrm{N}} \]

from sklearn.metrics import accuracy_score

y_actual = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]

accuracy_score(y_actual,y_pred)

0.5

L’exactitude (accuracy) est le rapport entre le nombre de prédictions correctes et le nombre total de prédictions.

Exactitude

y_actual = [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1]
y_pred   = [1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0]

accuracy_score(y_actual,y_pred)

0.0

y_actual = [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1]

accuracy_score(y_actual,y_pred)

1.0

L’exactitude est un nombre compris entre 0 (tout est faux) et 1 (parfait).

L’exactitude peut induire en erreur

y_actual = [0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0]
y_pred   = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

accuracy_score(y_actual,y_pred)

0.8

L’exactitude peut induire en erreur en présence de déséquilibre de classes, car elle reflète de manière disproportionnée la performance sur la classe majoritaire, masquant ainsi la mauvaise performance sur la classe minoritaire.

À mesure que le déséquilibre des classes augmente, la métrique d’exactitude devient de plus en plus trompeuse.

Pourquoi est-ce problématique ?

Précision

Aussi appelée valeur prédictive positive (PPV).

\[ \mathrm{précision} = \frac{\mathrm{VP}}{\mathrm{VP}+\mathrm{FP}} \]

from sklearn.metrics import precision_score

y_actual = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]

precision_score(y_actual, y_pred)

0.6666666666666666

La précision est la proportion de prédictions positives correctes parmi toutes les prédictions positives.

La précision seule ne suffit pas

y_actual = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
y_pred   = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0]

precision_score(y_actual,y_pred)

1.0

Un algorithme qui fait un petit nombre de prédictions à haute confiance peut obtenir un score de précision élevé, mais cela ne signifie pas nécessairement qu’il est utile.

Rappel

Aussi appelé sensibilité ou taux de vrais positifs (TVP). \[ \mathrm{rappel} = \frac{\mathrm{VP}}{\mathrm{VP}+\mathrm{FN}} \]

from sklearn.metrics import recall_score

y_actual = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]

recall_score(y_actual,y_pred)

0.5714285714285714

Le rappel (recall) est la proportion de vrais positifs correctement identifiés parmi tous les cas positifs réels.

Score F\(_1\)

\[ \begin{align*} F_1~\mathrm{score} &= \frac{2}{\frac{1}{\mathrm{précision}}+\frac{1}{\mathrm{rappel}}} = 2 \times \frac{\mathrm{précision}\times\mathrm{rappel}}{\mathrm{précision}+\mathrm{rappel}} \\ &= \frac{\mathrm{VP}}{\mathrm{FP}+\frac{\mathrm{FN}+\mathrm{FP}}{2}} \end{align*} \]

from sklearn.metrics import f1_score

y_actual = [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
y_pred   = [0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]

f1_score(y_actual,y_pred)

0.6153846153846154

• La moyenne harmonique donne plus de poids aux valeurs faibles, tandis que la moyenne arithmétique traite toutes les valeurs de manière égale.
• L’utilisation de la moyenne harmonique garantit qu’un score élevé n’est atteint que lorsque la précision et le rappel sont tous deux élevés, ce qui fournit une mesure plus holistique des performances d’un classificateur dans les scénarios où les jeux de données sont déséquilibrés.
• Le score F\(_1\) favorise les classificateurs qui atteignent un équilibre entre la précision et le rappel.
• Augmenter le rappel se fait souvent au détriment de la précision, et vice versa. Ce phénomène est connu sous le nom de compromis précision/rappel.

Le score F\(_1\) est la moyenne harmonique entre la précision et le rappel.

Mesures de performance micro

Les mesures de performance micro agrègent les contributions de toutes les classes pour calculer la moyenne des mesures de performance, telles que la précision, le rappel ou le score F1. Cette approche considère chaque prédiction individuelle de manière égale, ce qui permet une évaluation équilibrée en mettant l’accent sur la performance des classes fréquentes.

Mesures de performance macro

Les mesures de performance macro calculent les mesures de performance indépendamment pour chaque classe et ensuite les moyennent. Cette approche considère chaque classe de manière égale, quelle que soit sa fréquence, fournissant une évaluation qui accorde la même importance aux performances sur les classes fréquentes et rares.

Précision micro/macro

from sklearn.metrics import ConfusionMatrixDisplay

# Données d'exemple
y_true = ['Chat'] * 42 + ['Chien'] *  7 + ['Renard'] * 11
y_pred = ['Chat'] * 39 + ['Chien'] *  1 + ['Renard'] *  2 + \
         ['Chat'] *  4 + ['Chien'] *  3 + ['Renard'] *  0 + \
         ['Chat'] *  5 + ['Chien'] *  1 + ['Renard'] *  5

ConfusionMatrixDisplay.from_predictions(y_true, y_pred)

Le jeu de données peut être conceptualisé comme résultant d’une tâche de classification d’images, impliquant des images de chats, chiens, et renards. Comme cela est souvent le cas sur internet, les images de chats sont disproportionnellement représentées, ce qui conduit à un problème de déséquilibre des classes.

Précision micro/macro

from sklearn.metrics import classification_report, precision_score

print(classification_report(y_true, y_pred), "\n")

print("Précision micro : {:.2f}".format(precision_score(y_true, y_pred, average='micro')))
print("Précision macro : {:.2f}".format(precision_score(y_true, y_pred, average='macro')))

              precision    recall  f1-score   support

        Chat       0.81      0.93      0.87        42
       Chien       0.60      0.43      0.50         7
      Renard       0.71      0.45      0.56        11

    accuracy                           0.78        60
   macro avg       0.71      0.60      0.64        60
weighted avg       0.77      0.78      0.77        60
 

Précision micro : 0.78
Précision macro : 0.71

La précision macro-pondérée est calculée comme la moyenne des scores de précision pour chaque classe : \(\frac{0.81 + 0.60 + 0.71}{3} = 0.71\).

Alors que la précision micro-pondérée est calculée en utilisant la formule \(\frac{VP}{VP+FP}\) et les données provenant de toute la matrice de confusion \(\frac{39+3+5}{39+3+5+9+2+2} = \frac{47}{60} = 0.78\)

La haute précision micro observée ici est principalement due à la haute précision et au grand nombre d’exemples dans la classe majoritaire, le chat. Cela masque la performance relativement faible du classificateur sur les classes minoritaires, le chien et le renard.

Dans un jeu de données équilibré, les mesures micro et macro produisent des scores similaires.

Cependant, dans un jeu de données déséquilibré, des différences significatives dans les performances du classificateur entre la classe majoritaire et les classes minoritaires se traduiront par des écarts entre les scores micro et macro. En particulier, le classificateur a tendance à sous-performer sur la/les classe(s) minoritaire(s), ce qui entraîne ces divergences.

Dans les mesures macro, chaque classe contribue de manière égale au calcul de la mesure globale, indépendamment du nombre d’exemples qu’elle contient. Cela signifie que la mesure de performance pour chaque classe est calculée indépendamment puis moyennée, sans tenir compte de la proportion d’instances que chaque classe représente dans le jeu de données. Par conséquent, la macro-moyenne garantit que chaque classe a un impact égal sur la mesure globale, ce qui peut être particulièrement utile dans les cas où la distribution des classes est déséquilibrée.

Rappel micro/macro

              precision    recall  f1-score   support

        Chat       0.81      0.93      0.87        42
       Chien       0.60      0.43      0.50         7
      Renard       0.71      0.45      0.56        11

    accuracy                           0.78        60
   macro avg       0.71      0.60      0.64        60
weighted avg       0.77      0.78      0.77        60
 

Rappel micro : 0.78
Rappel macro : 0.60

Le rappel macro-moyen est calculé comme la moyenne des scores de rappel pour chaque classe : \(\frac{0.93 + 0.43 + 0.45}{3} = 0.60\).

Alors que le rappel micro-moyen est calculé en utilisant la formule \(\frac{VP}{VP+FN}\) et les données provenant de toute la matrice de confusion \(\frac{39+3+5}{39+3+5+3+4+6} = \frac{47}{60} = 0.78\)

Mesures micro/macro (données médicales)

Considérons un jeu de données médical, tel que ceux impliquant des tests de diagnostic ou d’imagerie, composé de 990 échantillons normaux et 10 échantillons anormaux (tumeurs). Cela représente la vérité terrain.

Mesures micro/macro (données médicales)

              precision    recall  f1-score   support

      Normal       1.00      0.99      1.00       990
      Tumeur       0.55      0.60      0.57        10

    accuracy                           0.99      1000
   macro avg       0.77      0.80      0.78      1000
weighted avg       0.99      0.99      0.99      1000
 

Précision micro : 0.99
Précision macro : 0.77


Rappel micro : 0.99
Rappel macro : 0.80

Chiffres manuscrits (réexaminés)

Chargement du jeu de données

import numpy as np
np.random.seed(42)

from sklearn.datasets import fetch_openml

digits = fetch_openml('mnist_784', as_frame=False)
X, y = digits.data, digits.target

Affichage des cinq premiers exemples

Ces images ont des dimensions de ( 28 ) pixels.

Création d’une tâche de classification binaire

# Création d'une tâche de classification binaire (un contre le reste)

some_digit = X[0]
some_digit_y = y[0]

y = (y == some_digit_y)
y

array([ True, False, False, ..., False,  True, False])

# Création des ensembles d'entraînement et de test
from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.1)

SGDClassifier

from sklearn.linear_model import SGDClassifier

clf = SGDClassifier()
clf.fit(X_train, y_train)

clf.predict(X[0:5]) # petite vérification de cohérence

array([ True, False, False, False, False])

Le SGDClassifier est un classificateur linéaire qui utilise la descente de gradient stochastique (SGD) pour l’entraînement. Comparé à LogisticRegression, il peut offrir des temps d’entraînement plus rapides, en particulier pour les grands jeux de données. De plus, SGDClassifier permet d’ajuster le seuil de décision dans les exemples suivants.

Performance

from sklearn.metrics import accuracy_score

y_pred = clf.predict(X_test)

accuracy_score(y_test, y_pred)

0.9572857142857143

Wow !

Pas si vite

y_pred = dummy_clf.predict(X_test)

accuracy_score(y_test, y_pred)

0.906

Pourquoi l’exactitude est-elle si élevée alors que ce classificateur ignore les données d’entrée ?

La haute exactitude est due à la distribution des classes dans le jeu de données. Environ 10 % des échantillons correspondent au chiffre ‘5’, qui est la classe positive dans notre tâche de classification binaire. Par conséquent, environ 90 % des échantillons sont “non 5” et appartiennent à la classe négative. Étant donné que le DummyClassifier prédit toujours la classe majoritaire, son exactitude est censée être autour de 90 %.

Cela souligne le fait que l’exactitude n’est souvent pas la meilleure mesure, en particulier lorsque les jeux de données sont déséquilibrés.

Le DummyClassifier dans scikit-learn génère des prédictions sans prendre en compte les attributs d’entrée. Par défaut, il prédit toujours l’étiquette de classe la plus fréquente dans les données d’entraînement. Il s’agit d’un classificateur de base simple.

Compromis précision-rappel

Attribution : Géron (2022) Figure 3.4

Compromis précision-rappel

À mesure que le seuil de décision diminue, un plus grand nombre d’exemples sont prédits comme positifs, ce qui peut amener le classificateur à finalement étiqueter tous les exemples comme positifs.

À l’inverse, à mesure que le seuil de décision augmente, moins d’exemples sont classés comme positifs, ce qui peut entraîner un classificateur qui ne prédit aucun cas positif.

Dans certaines applications, un classificateur avec une haute précision est essentiel. Par exemple, considérons un scénario où chaque prédiction nécessite une expérience en laboratoire coûteuse pour vérifier son exactitude, comme dans une entreprise pharmaceutique qui cherche à découvrir de nouveaux médicaments. Ici, le classificateur prédit si un composé est actif. Compte tenu du coût élevé des expériences pour valider les candidats, l’entreprise privilégierait la focalisation sur les composés les plus prometteurs en premier.

En revanche, dans un scénario de dépistage du cancer, tel que l’utilisation de mammographies pour détecter le cancer du sein, il peut être préférable d’abaisser le seuil de décision, augmentant ainsi le nombre de faux positifs. Bien que cela entraîne plus de patients à subir des tests supplémentaires, comme des biopsies, cela peut potentiellement sauver plus de vies en veillant à ce que moins de cas de cancer passent inaperçus.

J’ai utilisé SGDClassifier car il permet de faire varier le seuil de décision (frontière) pour produire un graphique illustrant le compromis précision-rappel.

Courbe précision/rappel

Courbe ROC

Receiver Operating Characteristics (ROC) curve

• Taux de vrais positifs (TVP) contre taux de faux positifs (TFP)
• Un classificateur idéal a un TVP proche de 1.0 et un TFP proche de 0.0
• \(\mathrm{TVP} = \frac{\mathrm{VP}}{\mathrm{VP}+\mathrm{FN}}\) (rappel, sensibilité)
• TVP approche de 1 lorsque le nombre de faux négatifs est faible
• \(\mathrm{TFP} = \frac{\mathrm{FP}}{\mathrm{FP}+\mathrm{VN}}\) (aussi appelé~[1-spécificité])
• TFP approche de 0 lorsque le nombre de faux positifs est faible

Les courbes ROC (Receiver Operating Characteristic) sont populaires en apprentissage automatique et en statistiques pour plusieurs raisons :

1. Évaluation complète des performances : Les courbes ROC offrent une représentation visuelle des performances d’un classificateur sur tous les seuils possibles. En traçant le Taux de Vrais Positifs (TVP) contre le Taux de Faux Positifs (TFP), elles permettent aux praticiens d’évaluer le compromis entre la sensibilité (rappel) et la spécificité.

2. Indépendance par rapport au seuil : Contrairement à des métriques comme l’exactitude, les courbes ROC évaluent les performances du classificateur sans dépendre d’un seuil de décision spécifique. Cela les rend particulièrement utiles pour comparer des modèles à différents seuils.

3. Gestion des ensembles de données déséquilibrés : Pour les ensembles de données avec un déséquilibre des classes (où une classe est beaucoup plus fréquente que l’autre), les courbes ROC sont plus informatives que l’exactitude, qui peut être trompeuse. La courbe capture la capacité du modèle à distinguer les classes indépendamment de leur distribution.

4. Surface sous la courbe (AUC) : La Surface Sous la Courbe ROC (AUC) fournit un résumé unique des performances du modèle. L’AUC-ROC est souvent utilisée comme une métrique de référence pour comparer différents modèles, avec des valeurs allant de 0.5 (devinette aléatoire) à 1.0 (classification parfaite).

5. Applicabilité large : Les courbes ROC peuvent être utilisées pour toute tâche de classification binaire et sont facilement étendues aux problèmes multiclasses avec des techniques comme la classification un-contre-tous, ce qui les rend polyvalentes pour évaluer les classificateurs.

Dans l’ensemble, leur capacité à offrir une vue large des performances d’un modèle, indépendante des seuils, notamment dans des scénarios de déséquilibre, fait des courbes ROC un choix populaire pour évaluer les classificateurs.

Courbe ROC

Il est courant de mesurer la surface sous la courbe, représentée par AUC, qui est spécifiquement la surface sous la courbe ROC. Cela permet de comparer les modèles de manière plus quantitative.

Attribution : 03_classification.ipynb

AUC/ROC

Les courbes ROC fournissent une représentation visuelle des performances d’un classificateur à travers tous les seuils possibles. En traçant le Taux de Vrais Positifs (TPR) contre le Taux de Faux Positifs (FPR), elles permettent aux praticiens d’évaluer le compromis entre sensibilité (rappel) et spécificité.

Contrairement à des métriques telles que l’exactitude, les courbes ROC évaluent les performances du classificateur sans se baser sur un seuil de décision spécifique. Cela les rend particulièrement utiles pour comparer des modèles à travers différents seuils.

Le modèle a été entraîné en utilisant le jeu de données Pima Indians Diabetes tel que décrit par Knowler et al. (1981) [PubMed]. Des détails supplémentaires sur le jeu de données seront discutés lors du prochain cours.

Les 7 étapes de l’apprentissage automatique

Prologue

Lectures complémentaires

Ce livre, qui examine divers aspects du processus d’évaluation avec un accent sur les algorithmes de classification, est très bien noté sur Amazon !

Nathalie Japkowicz était auparavant professeure à l’Université d’Ottawa. Elle travaille désormais à l’American University à Washington.

Mohak Shah a terminé son doctorat à l’Université d’Ottawa. Il a occupé plusieurs postes dans l’industrie, notamment Vice-Président pour l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique chez LG Electronics.

Japkowicz et Shah (2011)

Prochain cours

• Nous examinerons la validation croisée et le réglage des hyperparamètres.

Références

Chollet, François. 2017. Deep learning with Python. Manning Publications.

Géron, Aurélien. 2022. Hands-on Machine Learning with Scikit-Learn, Keras, and TensorFlow. 3ᵉ éd. O’Reilly Media, Inc.

Hastie, Trevor, Robert Tibshirani, et Jerome H. Friedman. 2009. The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction, 2nd Edition. Springer Series in Statistics. Springer. https://doi.org/10.1007/978-0-387-84858-7.

Japkowicz, Nathalie, et Mohak Shah. 2011. Evaluating Learning Algorithms: a classification perspective. Cambridge: Cambridge University Press. http://assets.cambridge.org/97805211/96000/cover/9780521196000.jpg.

Russell, Stuart, et Peter Norvig. 2020. Artificial Intelligence: A Modern Approach. 4ᵉ éd. Pearson. http://aima.cs.berkeley.edu/.

Marcel Turcotte

[email protected]

École de science informatique et de génie électrique (SIGE)

Université d’Ottawa