[人工智能]混淆矩阵的概念

混淆矩阵的概念（** Confusion Matrix **）

目录

1 混淆矩阵 1

2 从混淆矩阵得到分类指标 3

2.1 精确率（Accuracy） 3

2.2 正确率或者准确率（Precision） 4

2.3 召回率（Recall） 4

2.4 精确率（Accuracy）和正确率（Precision）的区别 4

2.5 Specificity（特异性） 4

2.6 Fβ_Score 5

3 ROC 曲线 5

3.1 如何画ROC曲线 8

1 混淆矩阵

在机器学习领域，混淆矩阵（Confusion Matrix），又称为可能性矩阵或错误矩阵。混淆矩阵是可视化工具，特别用于监督学习，在无监督学习一般叫做匹配矩阵。在图像精度评价中，主要用于比较分类结果和实际测得值，可以把分类结果的精度显示在一个混淆矩阵里面。

混淆矩阵的结构一般如下图表示的方法。

混淆矩阵要表达的含义：

1. 混淆矩阵的每一列代表了预测类别，每一列的总数表示预测为该类别的数据的数目；
2. [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ppNLpdYY-1632838009416)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_3ecac8759aaac02a.jpg)]每一行代表了数据的真实归属类别，每一行的数据总数表示该类别的数据实例的数目；每一列中的数值表示真实数据被预测为该类的数目。

True Positive（TP）：真正类。样本的真实类别是正类，并且模型识别的结果也是正类。

False Negative（FN）：假负类。样本的真实类别是正类，但是模型将其识别为负类。

False Positive（FP）：假正类。样本的真实类别是负类，但是模型将其识别为正类。

True Negative（TN）：真负类。样本的真实类别是负类，并且模型将其识别为负类。

该矩阵可用于易于理解的二类分类问题，但通过向混淆矩阵添加更多行和列，可轻松应用于具有3个或更多类值的问题。

举例

如有150个样本数据，预测为类I，类II，类III 各为50个。分类结束后得到的混淆矩阵为：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6jUrWOjX-1632838009426)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_2b312e21158afc12.png)]

每一行之和表示该类别的真实样本数量，每一列之和表示被预测为该类别的样本数量。

第一行第一列中的43表示有43个实际归属第一类的实例被预测为第一类，同理，第一行第二列的2表示有2个实际归属为第一类的实例被错误预测为第二类。

混淆矩阵是对分类问题的预测结果的总结。使用计数值汇总正确和不正确预测的数量，并按每个类进行细分，这是混淆矩阵的关键所在。混淆矩阵显示了分类模型的在进行预测时会对哪一部分产生混淆。它不仅可以让您了解分类模型所犯的错误，更重要的是可以了解哪些错误类型正在发生。正是这种对结果的分解克服了仅使用分类准确率所带来的局限性。

2 从混淆矩阵得到分类指标

从混淆矩阵当中，可以得到更高级的分类指标：Accuracy（精确率），Precision（正确率或者准确率），Recall（召回率），Specificity（特异性），Sensitivity（灵敏度）。

2.1 精确率（Accuracy）

精确率是最常用的分类性能指标。可以用来表示模型的精度，即模型识别正确的个数/样本的总个数。一般情况下，模型的精度越高，说明模型的效果越好。

Accuracy = (TP+TN)/(TP+FN+FP+TN)

2.2 正确率或者准确率（Precision）

又称为查准率，表示在模型识别为正类的样本中，真正为正类的样本所占的比例。一般情况下，查准率越高，说明模型的效果越好。

Precision = TP/(TP+FP)

2.3 召回率（Recall）

又称为查全率，召回率表现出在实际正样本中，分类器能预测出多少。

Recall（召回率） = Sensitivity（敏感指标，True Positive Rate，TPR）= 查全率

表示的是，模型正确识别出为正类的样本的数量占总的正类样本数量的比值。一般情况下，Recall越高，说明有更多的正类样本被模型预测正确，模型的效果越好。

Recall = TP/(TP+FN)

查准率和查全率是一对矛盾的指标。一般来说，查准率高时，查全率旺旺偏低；二查全率高时，查准率往往偏低。

2.4 精确率（Accuracy）和正确率（Precision）的区别

Accuracy，不管是哪个类别，只要预测正确，其数量都放在分子上，而分母是全部数据量，说明这个精确率是对全部数据的判断。

而正确率在分类中对应的是某个类别，分子是预测该类别正确的数量，分母是预测为该类别的全部的数量。

或者说，Accuracy是对分类器整体上的精确率的评价，而Precision是分类器预测为某一个类别的精确的评价。

2.5 Specificity（特异性）

特异性指标，表示的是模型识别为负类的样本的数量，占总的负类样本数量的比值。

负正类率（False Positive Rate, FPR），计算公式为：FPR=FP/(TN+FP)，计算的是模型错识别为正类的负类样本占所有负类样本的比例，一般越低越好。

Specificity = 1 - FPR

2.6 Fβ_Score

Fβ的物理意义就是将正确率和召回率的一种加权平均，在合并的过程中，召回率的权重是正确率的β倍。

F1分数认为召回率和正确率同等重要，F2分数认为召回率的重要程度是正确率的2倍，而F0.5分数认为召回率的重要程度是正确率的一半。比较常用的是F1分数（F1 Score），是统计学中用来衡量二分类模型精确度的一种指标。

F1_Score：数学定义为 F1分数（F1-Score），又称为平衡 F分数（Balanced Score），它被定义为正确率和召回率的调和平均数。在 β=1 的情况，F1-Score的值是从0到1的，1是最好，0是最差。

因此我们知道，计算Precision，Recall，Specificity等只是计算某一分类的特性，而Accuracy和F1-Score是判断分类模型总体的标准。

3 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JSjfCDwk-1632838009428)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_9cf5b4e05fae9b9c.png)]

ROC 曲线

横坐标 ：1-Specificity，伪正类率(False positive rate，FPR)，预测为正但实际为负的样本占所有负例样本的比例。

纵坐标： Sensitivity，真正类率(True positive rate，TPR)，预测为正且实际为正的样本占所有正例样本 的比例。

在一个二分类模型中，假设采用逻辑回归分类器，其给出针对每个实例为正类的概率，那么通过设定一个阈值如0.6，概率大于等于0.6的为正类，小于0.6的为负类。对应的就可以算出一组(FPR,TPR)，在平面中得到对应坐标点。随着阈值的逐渐减小，越来越多的实例被划分为正类，但是这些正类中同样也掺杂着真正的负实例，即TPR和FPR会同时增大。阈值最大时，对应坐标点为(0,0)，阈值最小时，对应坐标点(1,1)。

如下面这幅图，(a)图中实线为ROC曲线，线上每个点对应一个阈值。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-M9aildFQ-1632838009432)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_ea350d5a7fd19c7f.png)]

① 理想情况下，TPR应该接近1，FPR应该接近0。ROC曲线上的每一个点对应于一个threshold，对于一个分类器，每个threshold下会有一个TPR和FPR。比如Threshold最大时，TP=FP=0，对应于原点；Threshold最小时，TN=FN=0，对应于右上角的点(1,1)。

② P和N得分不作为特征间距离d的一个函数，随着阈值theta增加，TP和FP都增加。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SpCYfWvY-1632838009435)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_a73c1cb0ff3775f0.png)]

3.1 如何画ROC曲线

对于一个特定的分类器和测试数据集，显然只能得到一个分类结果，即一组FPR和TPR结果，而要得到一个曲线，我们实际上需要一系列FPR和TPR的值，这又是如何得到的呢？我们先来看一下Wikipedia上对ROC曲线的定义：

In signal detection theory, 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.

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-axS8ZnW9-1632838009437)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_291810a5a52153a2.png)]问题在于"as its discrimination threashold is varied"。如何理解这里的"discrimination threashold"呢？我们忽略了分类器的一个重要功能"概率输出"，即表示分类器认为某个样本具有多大的概率属于正样本（或负样本）。通过更深入地了解各个分类器的内部机理，我们总能想办法得到一种概率输出。通常来说，是将一个实数范围通过某个变换映射到(0,1)区间。

假如我们已经得到了所有样本的概率输出（属于正样本的概率），现在的问题是如何改变"discrimination threashold"？我们根据每个测试样本属于正样本的概率值从大到小排序。下图是一个示例，图中共有20个测试样本，"Class"一栏表示每个测试样本真正的标签（p表示正样本，n表示负样本），"Score"表示每个测试样本属于正样本的概率。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZUgpMgi5-1632838009439)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_c686a3de8572b920.png)]接下来，我们从高到低，依次将"Score"值作为阈值threshold，当测试样本属于正样本的概率大于或等于这个threshold时，我们认为它为正样本，否则为负样本。举例来说，对于图中的第4个样本，其"Score"值为0.6，那么样本1，2，3，4都被认为是正样本，因为它们的"Score"值都大于等于0.6，而其他样本则都认为是负样本。每次选取一个不同的threshold，我们就可以得到一组FPR和TPR，即ROC曲线上的一点。这样一来，我们一共得到了20组FPR和TPR的值，将它们画在ROC曲线的结果如下图：

当我们将threshold设置为1和0时，分别可以得到ROC曲线上的(0,0)和(1,1)两个点。将这些(FPR,TPR)对连接起来，就得到了ROC曲线。当threshold取值越多，ROC曲线越平滑。

其实，我们并不一定要得到每个测试样本是正样本的概率值，只要得到这个分类器对该测试样本的"评分值"即可（评分值并不一定在(0,1)区间）。评分越高，表示分类器越肯定地认为这个测试样本是正样本，而且同时使用各个评分值作为threshold。我认为将评分值转化为概率更易于理解一些。

4 AUC

4.1 AUC** 值的计算**

AUC (Area Under Curve) 被定义为ROC曲线下的面积，显然这个面积的数值不会大于1。又由于ROC曲线一般都处于y=x这条直线的上方，所以AUC的取值范围一般在0.5和1之间。使用AUC值作为评价标准是因为很多时候ROC曲线并不能清晰的说明哪个分类器的效果更好，而作为一个数值，对应AUC更大的分类器效果更好。

AUC的计算有两种方式，梯形法和ROC AUCH法，都是以逼近法求近似值，具体见wikipedia。

4.2 AUC** 意味着什么**

那么AUC值的含义是什么呢？根据(Fawcett, 2006)，AUC的值的含义是：

The AUC value is equivalent to the probability that a randomly chosen positive example is ranked higher than a randomly chosen negative example.

这句话有些绕，我尝试解释一下：首先AUC值是一个概率值，当你随机挑选一个正样本以及一个负样本，当前的分类算法根据计算得到的Score值将这个正样本排在负样本前面的概率就是AUC值。当然，AUC值越大，当前的分类算法越有可能将正样本排在负样本前面，即能够更好的分类。

从AUC判断分类器（预测模型）优劣的标准：

AUC = 1，是完美分类器，采用这个预测模型时，存在至少一个阈值能得出完美预测。绝大多数预测的场合，不存在完美分类器。

0.5 < AUC < 1，优于随机猜测。这个分类器（模型）妥善设定阈值的话，能有预测价值。

AUC = 0.5，跟随机猜测一样（例：丢铜板），模型没有预测价值。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aCqnjvbp-1632838009440)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_6e1b23ac0145f1dd.png)]AUC < 0.5，比随机猜测还差；但只要总是反预测而行，就优于随机猜测。

4.3 三种** AUC **值示例：
简单说：AUC值越大的分类器，正确率越高。

为什么使用** ROC **曲线

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Jl4zjGVl-1632838009442)(RackMultipart20210928-4-7q27bq_html_a59d68aa4a0d7715.png)]既然已经这么多评价标准，为什么还要使用ROC和AUC呢？因为ROC曲线有个很好的特性：当测试集中的正负样本的分布变化的时候，ROC曲线能够保持不变。在实际的数据集中经常会出现类不平衡(class imbalance)现象，即负样本比正样本多很多(或者相反)，而且测试数据中的正负样本的分布也可能随着时间变化。下图是ROC曲线和Precision-Recall曲线的对比：

标准，为什么还要使用ROC和AUC呢？因为ROC曲线有个很好的特性：当测试集中的正负样本的分布变化的时候，ROC曲线能够保持不变。在实际的数据集中经常会出现类不平衡(class imbalance)现象，即负样本比正样本多很多(或者相反)，而且测试数据中的正负样本的分布也可能随着时间变化。下图是ROC曲线和Precision-Recall曲线的对比：

在上图中，(a)和?为ROC曲线，(b)和(d)为Precision-Recall曲线。(a)和(b)展示的是分类其在原始测试集(正负样本分布平衡)的结果，?和(d)是将测试集中负样本的数量增加到原来的10倍后，分类器的结果。可以明显的看出，ROC曲线基本保持原貌，而Precision-Recall曲线则变化较大。