[人工智能]机器学习中的性能指标：精度、召回率，PR曲线，ROC曲线和AUC，及示例代码

精度、召回率

基本概念

可以通过下图来帮助理解

• 精度$（Precision）$:预测为阳性样本的准确程度。在信息检索领域也叫查准率。换句话理解：判定为阳性的正确个数除以所有判定为阳性的总素。

• 召回率$(Recall)$:也称作敏感度（sensitivity），全部阳性样本中被预测为阳性的比例。在信息检索领域也称作查全率。

  其中精度和召回率同时越高，说明模型性能越好。但精度和召回率在某些情况下是相互矛盾。例如：
  阳性/阴性=50/50，模型只识别出一个为阳性，其余被识别为阴性。此时precision=1/(1+0)=100%, recall=1/(1+49)=2%.

F-Score

通过加权平均综合precision和recall，可以得到F-Score：
$$FScore=\frac{(1+a^2)?Recall?Precision}{a^2?Precision+Recall}$$
设置$a=1$，可以得到F1-Score:
$$F1?score=\frac{2?Recall?Precision}{Recall+Precision}$$

度量曲线

PR曲线

PR曲线(Precision-Recall Curve):

• 横轴：召回率；
• 纵轴：精度。

理想性能是右上角（1，1）处。PR曲线越往右上凸，说明模型性能越好。

PR曲线绘制方法：

• 根据模型的预测数值，对样本进行从高到低排序，排在前面的样本是正例的可能性更高。
• 按此顺序逐个样本作为正例进行预测（或设置阈值截断正例和负例），则每次可以计算一个召回率和精度。
• 将这些值连成（拟合）一条曲线。

使用scikit-learn官方代码示例：
使用鸢尾花数据集来绘制PR曲线。

from sklearn.metrics import PrecisionRecallDisplay
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.svm import LinearSVC
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split

X, y = load_iris(return_X_y=True)

# Add noisy features
random_state = np.random.RandomState(0)
n_samples, n_features = X.shape
X = np.concatenate([X, random_state.randn(n_samples, 200 * n_features)], axis=1)

# Limit to the two first classes, and split into training and test
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    X[y < 2], y[y < 2], test_size=0.5, random_state=random_state
)
classifier = make_pipeline(StandardScaler(), LinearSVC(random_state=random_state))
classifier.fit(X_train, y_train)
display = PrecisionRecallDisplay.from_estimator(
    classifier, X_test, y_test, name="LinearSVC"
)
_ = display.ax_.set_title("2-class Precision-Recall curve")

ROC曲线

ROC曲线(Receiver-operating-characteristic curve):

• 横轴：False Positive rate(FPR)，度量所有阴性样本中被错误识别为阳性的比率。$FPR=1?Specificity$。
  $$FPR=\frac{FP}{FP+TN}$$
• 纵轴：True positive rate(TPR),即recall。度量所有阳性样本被识别为阳性的比例。

理想性能在左上角(0,1)处。ROC曲线越往左上凸，说明模型性能越好。对角线为随机识别的ROC曲线。绘制方法与PR曲线相似。

PR曲线和ROC曲线的比较

• ROC曲线：对于各类别之间样本分布比例不敏感，因为FPR和TPR各自只跟真值为负或真值为正的样本相关。
• PR曲线：对于各类别样本分布比例敏感，因为precision同时和真值正负的样本都相关。

AUC

曲线下方面积（Area under the Curve, AUC）：将曲线度量所表达的信息浓缩到一个标量表达。

• $AUC=1$，是完美分类起
• $0.5<AUC<1$:优于随机猜测。模型妥善设定阈值，能有预测价值
• $AUC=0.5$:跟随机猜测一样，模型没有预测价值
• $AUC<0.5$：比随机猜想还差。

使用scikit-learn官方示例代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from itertools import cycle

from sklearn import svm, datasets
from sklearn.metrics import roc_curve, auc
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import label_binarize
from sklearn.multiclass import OneVsRestClassifier
from sklearn.metrics import roc_auc_score

# Import some data to play with
iris = datasets.load_iris()
X = iris.data
y = iris.target

# Binarize the output
y = label_binarize(y, classes=[0, 1, 2])
n_classes = y.shape[1]

# Add noisy features to make the problem harder
random_state = np.random.RandomState(0)
n_samples, n_features = X.shape
X = np.c_[X, random_state.randn(n_samples, 200 * n_features)]

# shuffle and split training and test sets
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.5, random_state=0)

# Learn to predict each class against the other
classifier = OneVsRestClassifier(
    svm.SVC(kernel="linear", probability=True, random_state=random_state)
)
y_score = classifier.fit(X_train, y_train).decision_function(X_test)

# Compute ROC curve and ROC area for each class
fpr = dict()
tpr = dict()
roc_auc = dict()
for i in range(n_classes):
    fpr[i], tpr[i], _ = roc_curve(y_test[:, i], y_score[:, i])
    roc_auc[i] = auc(fpr[i], tpr[i])

# Compute micro-average ROC curve and ROC area
fpr["micro"], tpr["micro"], _ = roc_curve(y_test.ravel(), y_score.ravel())
roc_auc["micro"] = auc(fpr["micro"], tpr["micro"])

plt.figure(dpi=100)
lw = 2
plt.plot(
    fpr[2],
    tpr[2],
    color="darkorange",
    lw=lw,
    label="ROC curve (area = %0.2f)" % roc_auc[2],
)
plt.plot([0, 1], [0, 1], color="navy", lw=lw, linestyle="--")
plt.xlim([0.0, 1.0])
plt.ylim([0.0, 1.05])
plt.xlabel("False Positive Rate")
plt.ylabel("True Positive Rate")
plt.title("Receiver operating characteristic example")
plt.legend(loc="lower right")
plt.show()

如图

参考文献
[1]: 中国大学慕课-模式识别与机器学习
[2]: scikit-learn