297 KiB
297 KiB
Датасет: Tesla Insider Trading.¶
Описание датасета:¶
Датасет представляет собой выборку операций с ценными бумагами компании Tesla, совершённых инсайдерами, и является частью более крупного проекта "Insider Trading S&P500 – Inside Info". Данные охватывают транзакции с участием крупных акционеров и должностных лиц компании, включая такие операции, как покупка, продажа и опционы, начиная с 10 ноября 2021 года и до 27 июля 2022 года.
Анализ сведений:¶
Проблемная область: Проблемная область данного датасета касается анализа инсайдерских сделок в публичных компаниях, а также их влияния на ценообразование акций. Инсайдерские транзакции, совершаемые людьми с доступом к непубличной информации (такими как руководители, крупные акционеры или члены совета директоров), могут быть индикаторами будущих изменений стоимости акций. Исследование таких транзакций помогает понять, как информация внутри компании отражается в действиях ключевых участников, и может выявить паттерны поведения, которые влияют на рынки.
Актуальность: Анализ инсайдерских сделок становится особенно важным в условиях высокой волатильности рынка и неопределенности. Инвесторы, аналитики и компании используют такие данные, чтобы лучше понимать сигналы от крупных акционеров и должностных лиц. Действия инсайдеров, такие как покупки и продажи акций, нередко рассматриваются как индикаторы доверия к компании, что может оказывать значительное влияние на рыночные ожидания и прогнозы.
Объекты наблюдений: Объектами наблюдений в датасете являются инсайдеры компании Tesla — лица, имеющие значительное влияние на управление и информацию компании. Каждый объект характеризуется различными параметрами, включая должность, тип транзакции, количество акций и общую стоимость сделок.
Атрибуты объектов:
- Insider Trading: ФИО лица, совершившего транзакцию.
- Relationship: Должность или статус данного лица в компании Tesla.
- Date: Дата завершения транзакции.
- Transaction: Тип транзакции.
- Cost: Цена одной акции на момент совершения транзакции.
- Shares: Количество акций, участвующих в транзакции.
- Value ($): Общая стоимость транзакции в долларах США.
- Shares Total: Общее количество акций, принадлежащих этому лицу после завершения данной транзакции.
- SEC Form 4: Дата записи транзакции в форме SEC Form 4, обязательной для отчётности о сделках инсайдеров.
Бизнес-цели:¶
- Для решения задачи регрессии: Цель: предсказать будущую стоимость акций компании Tesla на основе инсайдерских транзакций. Стоимость акций ("Cost") зависит от множества факторов, включая объём и тип транзакций, совершаемых инсайдерами. Если выявить зависимости между параметрами транзакций (количество акций, общий объём сделки, должность инсайдера) и стоимостью акций, это может помочь инвесторам принимать обоснованные решения о покупке или продаже.
- Для решения задачи классификации: Цель: классифицировать тип инсайдерской транзакции (продажа акций или исполнение опционов) на основе характеристик сделки. Тип транзакции ("Transaction") может быть индикатором доверия инсайдера к текущей рыночной цене или будущей прибыльности компании. Модель, которая предсказывает тип транзакции, может помочь в оценке поведения инсайдеров и выявлении аномалий.
Выгрузка данных из файла в DataFrame:¶
In [379]:
from typing import Any, Tuple
from math import ceil
import pandas as pd
from pandas import DataFrame
import matplotlib.pyplot as plt
df: DataFrame = pd.read_csv('..//static//csv//TSLA.csv')
Краткая информация о DataFrame:¶
In [380]:
# Краткая информация о DataFrame
df.info()
# Статистическое описание числовых столбцов
df.describe().transpose()
Out[380]:
Предобработка данных:¶
In [381]:
# Преобразование типов данных
df['Insider Trading'] = df['Insider Trading'].astype('category') # Преобразование в категорию
df['Relationship'] = df['Relationship'].astype('category') # Преобразование в категорию
df['Transaction'] = df['Transaction'].astype('category') # Преобразование в категорию
df['Cost'] = pd.to_numeric(df['Cost'], errors='coerce') # Преобразование в float
df['Shares'] = pd.to_numeric(df['Shares'].str.replace(',', ''), errors='coerce') # Преобразование в float с удалением запятых
df['Value ($)'] = pd.to_numeric(df['Value ($)'].str.replace(',', ''), errors='coerce') # Преобразование в float с удалением запятых
df['Shares Total'] = pd.to_numeric(df['Shares Total'].str.replace(',', ''), errors='coerce') # Преобразование в float с удалением запятых
df['Date'] = pd.to_datetime(df['Date'], errors='coerce') # Преобразование в datetime
df['Year'] = df['Date'].dt.year # Год
df['Month'] = df['Date'].dt.month # Месяц
df['Day'] = df['Date'].dt.day # День
df: DataFrame = df.drop(columns=['Date', 'SEC Form 4']) # Удаление столбцов с датами
print('Выборка данных:')
df.head(10)
Out[381]:
Бизнес-цель №1 (Задача регрессии).¶
Достижимый уровень качества модели:¶
Основные метрики для регрессии:
- Средняя абсолютная ошибка (Mean Absolute Error, MAE) – показывает среднее абсолютное отклонение между предсказанными и фактическими значениями. Легко интерпретируется, особенно в финансовых данных, где каждая ошибка в долларах имеет значение.
- Среднеквадратичная ошибка (Mean Squared Error, MSE) – показывает, насколько отклоняются прогнозы модели от истинных значений в квадрате. Подходит для оценки общего качества модели.
- Коэффициент детерминации (R²) – указывает, какую долю дисперсии зависимой переменной объясняет модель. R² варьируется от 0 до 1 (чем ближе к 1, тем лучше).
Выбор ориентира:¶
В качестве базовой модели для оценки качества предсказаний выбрано использование среднего значения целевой переменной (Cost) на обучающей выборке. Это простой и интуитивно понятный метод, который служит минимальным ориентиром для сравнения с более сложными моделями. Базовая модель помогает установить начальный уровень ошибок (MAE, MSE) и показатель качества (R²), которые сложные модели должны улучшить, чтобы оправдать своё использование.
Разбиение данных:¶
In [382]:
from pandas.core.frame import DataFrame
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_absolute_error, mean_squared_error, r2_score
# Разбить данные на обучающую и тестовую выборки
def split_into_train_test(
df_input: DataFrame,
stratify_colname: str = "y",
frac_train: float = 0.8,
random_state: int = 42,
) -> Tuple[DataFrame, DataFrame, DataFrame, DataFrame]:
if stratify_colname not in df_input.columns:
raise ValueError("%s is not a column in the dataframe" % (stratify_colname))
if not (0 < frac_train < 1):
raise ValueError("Fraction must be between 0 and 1.")
X: DataFrame = df_input # Contains all columns.
y: DataFrame = df_input[
[stratify_colname]
] # Dataframe of just the column on which to stratify.
# Split original dataframe into train and test dataframes.
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
X, y,
test_size=(1.0 - frac_train),
random_state=random_state
)
return X_train, X_test, y_train, y_test
# Определяем целевой признак и входные признаки
y_feature: str = 'Cost'
X_features: list[str] = df.drop(columns=y_feature, axis=1).columns.tolist()
# Разбиваем данные на обучающую и тестовую выборки
X_df_train, X_df_test, y_df_train, y_df_test = split_into_train_test(
df,
stratify_colname=y_feature,
frac_train=0.8,
random_state=42
)
# Вычисляем предсказания базовой модели (среднее значение целевой переменной)
baseline_predictions: list[float] = [y_df_train.mean()] * len(y_df_test) # type: ignore
# Оцениваем базовую модель
print('Baseline MAE:', mean_absolute_error(y_df_test, baseline_predictions))
print('Baseline MSE:', mean_squared_error(y_df_test, baseline_predictions))
print('Baseline R²:', r2_score(y_df_test, baseline_predictions))
Выбор моделей обучения:¶
Для обучения были выбраны следующие модели:
- Случайный лес (Random Forest): Ансамблевая модель, которая использует множество решающих деревьев. Она хорошо справляется с нелинейными зависимостями и шумом в данных, а также обладает устойчивостью к переобучению.
- Линейная регрессия (Linear Regression): Простая модель, предполагающая линейную зависимость между признаками и целевой переменной. Она быстро обучается и предоставляет легкую интерпретацию результатов.
- Градиентный бустинг (Gradient Boosting): Мощная модель, создающая ансамбль деревьев, которые корректируют ошибки предыдущих. Эта модель эффективна для сложных наборов данных и обеспечивает высокую точность предсказаний.
Построение конвейера:¶
In [383]:
from sklearn.impute import SimpleImputer
from sklearn.discriminant_analysis import StandardScaler
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
from sklearn.compose import ColumnTransformer
from sklearn.pipeline import Pipeline
# Числовые столбцы
num_columns: list[str] = [
column
for column in df.columns
if df[column].dtype not in ("category", "object")
]
# Категориальные столбцы
cat_columns: list[str] = [
column
for column in df.columns
if df[column].dtype in ("category", "object")
]
# Заполнение пропущенных значений
num_imputer = SimpleImputer(strategy="median")
# Стандартизация
num_scaler = StandardScaler()
# Конвейер для обработки числовых данных
preprocessing_num = Pipeline(
[
("imputer", num_imputer),
("scaler", num_scaler),
]
)
# Заполнение пропущенных значений
cat_imputer = SimpleImputer(strategy="constant", fill_value="unknown")
# Унитарное кодирование
cat_encoder = OneHotEncoder(handle_unknown="ignore", sparse_output=False, drop="first")
# Конвейер для обработки категориальных данных
preprocessing_cat = Pipeline(
[
("imputer", cat_imputer),
("encoder", cat_encoder),
]
)
# Трансформер для предобработки признаков
features_preprocessing = ColumnTransformer(
verbose_feature_names_out=False,
transformers=[
("prepocessing_num", preprocessing_num, num_columns),
("prepocessing_cat", preprocessing_cat, cat_columns),
],
remainder="passthrough"
)
# Основной конвейер предобработки данных
pipeline_end = Pipeline(
[
("features_preprocessing", features_preprocessing),
]
)
Демонстрация работы конвейера:¶
In [384]:
# Применение конвейера
preprocessing_result = pipeline_end.fit_transform(X_df_train)
preprocessed_df = pd.DataFrame(
preprocessing_result,
columns=pipeline_end.get_feature_names_out(),
)
preprocessed_df.head(10)
Out[384]:
Обучение моделей:¶
Оценка результатов обучения:
- Случайный лес (Random Forest):
- Показатели:
- Средний балл: 0.9993.
- Стандартное отклонение: 0.00046.
- Вывод: Очень высокая точность, что свидетельствует о хорошей способности модели к обобщению. Низкое значение стандартного отклонения указывает на стабильность модели.
- Показатели:
- Линейная регрессия (Linear Regression):
- Показатели:
- Средний балл: 1.0.
- Стандартное отклонение: 0.0.
- Вывод: Идеальная точность, однако есть вероятность переобучения, так как стандартное отклонение равно 0. Это может указывать на то, что модель идеально подгоняет данные, но может не работать на новых данных.
- Показатели:
- Градиентный бустинг (Gradient Boosting):
- Показатели:
- Средний балл: 0.9998.
- Стандартное отклонение: 0.00014.
- Вывод: Отличные результаты с высокой точностью и низкой вариабельностью. Модель также демонстрирует хорошую устойчивость.
- Показатели:
In [385]:
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor, GradientBoostingRegressor
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.model_selection import cross_val_score
# Обучить модели
def train_models(X: DataFrame, y: DataFrame,
models: dict[str, Any]) -> dict[str, dict[str, Any]]:
results: dict[str, dict[str, Any]] = {}
for model_name, model in models.items():
# Создание конвейера для текущей модели
model_pipeline = Pipeline(
[
("features_preprocessing", features_preprocessing),
("model", model)
]
)
# Обучаем модель и вычисляем кросс-валидацию
scores = cross_val_score(model_pipeline, X, y, cv=5) # 5-кратная кросс-валидация
# Вычисление метрик для текущей модели
metrics_dict: dict[str, Any] = {
"mean_score": scores.mean(),
"std_dev": scores.std()
}
# Сохранениерезультатов
results[model_name] = metrics_dict
return results
# Выбранные модели для регрессии
models_regression: dict[str, Any] = {
"Random Forest": RandomForestRegressor(),
"Linear Regression": LinearRegression(),
"Gradient Boosting": GradientBoostingRegressor(),
}
results: dict[str, Any] = train_models(X_df_train, y_df_train, models_regression)
# Вывод результатов
for model_name, metrics_dict in results.items():
print(f"Модель: {model_name}")
for metric_name, value in metrics_dict.items():
print(f"\t{metric_name}: {value}")
print()
Проверка на тестовом наборе данных:¶
Оценка результатов обучения:
- Случайный лес (Random Forest):
- Показатели:
- MAE (обучение): 1.858
- MAE (тест): 4.489
- MSE (обучение): 10.959
- MSE (тест): 62.649
- R² (обучение): 0.9999
- R² (тест): 0.9997
- STD (обучение): 3.310
- STD (тест): 7.757
- Вывод: Случайный лес показывает великолепные значения R2 на обучающей и тестовой выборках, что свидетельствует о сильной способности к обобщению. Однако MAE и MSE на тестовой выборке значительно выше, чем на обучающей, что может указывать на некоторые проблемы с переобучением.
- Показатели:
- Линейная регрессия (Linear Regression):
- Показатели:
- MAE (обучение): 3.069e-13
- MAE (тест): 2.762e-13
- MSE (обучение): 1.437e-25
- MSE (тест): 1.196e-25
- R² (обучение): 1.0
- R² (тест): 1.0
- STD (обучение): 3.730e-13
- STD (тест): 3.444e-13
- Вывод: Высокие показатели точности и нулевые ошибки (MAE, MSE) указывают на то, что модель идеально подгоняет данные как на обучающей, так и на тестовой выборках. Однако это также может быть признаком переобучения.
- Показатели:
- Градиентный бустинг (Gradient Boosting):
- Показатели:
- MAE (обучение): 0.156
- MAE (тест): 3.027
- MSE (обучение): 0.075
- MSE (тест): 41.360
- R² (обучение): 0.9999996
- R² (тест): 0.9998
- STD (обучение): 0.274
- STD (тест): 6.399
- Вывод: Градиентный бустинг демонстрирует отличные результаты на обучающей выборке, однако MAE и MSE на тестовой выборке довольно высокие, что может указывать на определенное переобучение или необходимость улучшения настройки модели.
- Показатели:
In [386]:
import numpy as np
from sklearn import metrics
# Оценка качества различных моделей на основе метрик
def evaluate_models(models: dict[str, Any],
pipeline_end: Pipeline,
X_train: DataFrame, y_train,
X_test: DataFrame, y_test) -> dict[str, dict[str, Any]]:
results: dict[str, dict[str, Any]] = {}
for model_name, model in models.items():
# Создание конвейера для текущей модели
model_pipeline = Pipeline(
[
("pipeline", pipeline_end),
("model", model),
]
)
# Обучение текущей модели
model_pipeline.fit(X_train, y_train)
# Предсказание для обучающей и тестовой выборки
y_train_predict = model_pipeline.predict(X_train)
y_test_predict = model_pipeline.predict(X_test)
# Вычисление метрик для текущей модели
metrics_dict: dict[str, Any] = {
"MAE_train": metrics.mean_absolute_error(y_train, y_train_predict),
"MAE_test": metrics.mean_absolute_error(y_test, y_test_predict),
"MSE_train": metrics.mean_squared_error(y_train, y_train_predict),
"MSE_test": metrics.mean_squared_error(y_test, y_test_predict),
"R2_train": metrics.r2_score(y_train, y_train_predict),
"R2_test": metrics.r2_score(y_test, y_test_predict),
"STD_train": np.std(y_train - y_train_predict),
"STD_test": np.std(y_test - y_test_predict),
}
# Сохранение результатов
results[model_name] = metrics_dict
return results
y_train = np.ravel(y_df_train)
y_test = np.ravel(y_df_test)
results: dict[str, dict[str, Any]] = evaluate_models(models_regression,
pipeline_end,
X_df_train, y_train,
X_df_test, y_test)
# Вывод результатов
for model_name, metrics_dict in results.items():
print(f"Модель: {model_name}")
for metric_name, value in metrics_dict.items():
print(f"\t{metric_name}: {value}")
print()
Подбор гиперпараметров:¶
In [387]:
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
# Применение конвейера к данным
X_train_processing_result = pipeline_end.fit_transform(X_df_train)
X_test_processing_result = pipeline_end.transform(X_df_test)
# Создание и настройка модели случайного леса
model = RandomForestRegressor()
# Установка параметров для поиска по сетке
param_grid: dict[str, list[int | None]] = {
'n_estimators': [50, 100, 200], # Количество деревьев
'max_depth': [None, 10, 20, 30], # Максимальная глубина дерева
'min_samples_split': [2, 5, 10] # Минимальное количество образцов для разбиения узла
}
# Подбор гиперпараметров с помощью поиска по сетке
grid_search = GridSearchCV(estimator=model,
param_grid=param_grid,
scoring='neg_mean_squared_error', cv=3, n_jobs=-1, verbose=2)
# Обучение модели на тренировочных данных
grid_search.fit(X_train_processing_result, y_train)
# Результаты подбора гиперпараметров
print("Лучшие параметры:", grid_search.best_params_)
# Меняем знак, так как берем отрицательное значение среднеквадратичной ошибки
print("Лучший результат (MSE):", -grid_search.best_score_)
Сравнение наборов гиперпараметров:¶
Результаты анализа показывают, что параметры из старой сетки обеспечивают значительно лучшее качество модели. Среднеквадратическая ошибка (MSE) на кросс-валидации для старых параметров составила 179.369, что существенно ниже, чем для новых параметров (1290.656). На тестовой выборке модель с новыми параметрами показала MSE 172.574, что сопоставимо с результатами модели со старыми параметрами, однако этот результат является случайным, так как новые параметры продемонстрировали плохую кросс-валидационную ошибку, указывая на недообучение. Таким образом, параметры из старой сетки более предпочтительны, так как они обеспечивают лучшее обобщение и меньшую ошибку.
In [388]:
# Установка параметров для поиска по сетке для старых значений
old_param_grid: dict[str, list[int | None]] = {
'n_estimators': [50, 100, 200], # Количество деревьев
'max_depth': [None, 10, 20, 30], # Максимальная глубина дерева
'min_samples_split': [2, 5, 10] # Минимальное количество образцов для разбиения узла
}
# Подбор гиперпараметров с помощью поиска по сетке для старых параметров
old_grid_search = GridSearchCV(estimator=model,
param_grid=old_param_grid,
scoring='neg_mean_squared_error', cv=3, n_jobs=-1, verbose=2)
# Обучение модели на тренировочных данных
old_grid_search.fit(X_train_processing_result, y_train)
# Результаты подбора для старых параметров
old_best_params = old_grid_search.best_params_
# Меняем знак, так как берем отрицательное значение MSE
old_best_mse = -old_grid_search.best_score_
# Установка параметров для поиска по сетке для новых значений
new_param_grid: dict[str, list[int]] = {
'n_estimators': [50],
'max_depth': [5],
'min_samples_split': [10]
}
# Подбор гиперпараметров с помощью поиска по сетке для новых параметров
new_grid_search = GridSearchCV(estimator=model,
param_grid=new_param_grid,
scoring='neg_mean_squared_error', cv=2)
# Обучение модели на тренировочных данных
new_grid_search.fit(X_train_processing_result, y_train)
# Результаты подбора для новых параметров
new_best_params = new_grid_search.best_params_
# Меняем знак, так как берем отрицательное значение MSE
new_best_mse = -new_grid_search.best_score_
# Обучение модели с лучшими параметрами для новых значений
model_best = RandomForestRegressor(**new_best_params)
model_best.fit(X_train_processing_result, y_train)
# Прогнозирование на тестовой выборке
y_pred = model_best.predict(X_test_processing_result)
# Оценка производительности модели
mse = metrics.mean_squared_error(y_test, y_pred)
rmse = np.sqrt(mse)
# Вывод результатов
print("Старые параметры:", old_best_params)
print("Лучший результат (MSE) на старых параметрах:", old_best_mse)
print("\nНовые параметры:", new_best_params)
print("Лучший результат (MSE) на новых параметрах:", new_best_mse)
print("Среднеквадратическая ошибка (MSE) на тестовых данных:", mse)
print("Корень среднеквадратичной ошибки (RMSE) на тестовых данных:", rmse)
# Обучение модели с лучшими параметрами для старых значений
model_old = RandomForestRegressor(**old_best_params)
model_old.fit(X_train_processing_result, y_train)
# Прогнозирование на тестовой выборке для старых параметров
y_pred_old = model_old.predict(X_test_processing_result)
# Визуализация ошибок
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(y_test, label='Реальные значения', marker='o', linestyle='-', color='black')
plt.plot(y_pred_old, label='Предсказанные значения (старые параметры)', marker='x', linestyle='--', color='blue')
plt.plot(y_pred, label='Предсказанные значения (новые параметры)', marker='s', linestyle='--', color='orange')
plt.xlabel('Объекты')
plt.ylabel('Значения')
plt.title('Сравнение реальных и предсказанных значений')
plt.legend()
plt.show()
Бизес-цель №2 (Задача классификации).¶
Достижимый уровень качества модели:¶
Основные метрики для классификации:
- Accuracy (точность) – показывает долю правильно классифицированных примеров среди всех наблюдений. Легко интерпретируется, но может быть недостаточно информативной для несбалансированных классов.
- F1-Score – гармоническое среднее между точностью (precision) и полнотой (recall). Подходит для задач, где важно одновременно учитывать как ложные положительные, так и ложные отрицательные ошибки, особенно при несбалансированных классах.
- ROC AUC (Area Under the ROC Curve) – отражает способность модели различать положительные и отрицательные классы на всех уровнях порога вероятности. Значение от 0.5 (случайное угадывание) до 1.0 (идеальная модель). Полезна для оценки модели на несбалансированных данных.
- Cohen's Kappa – измеряет степень согласия между предсказаниями модели и истинными метками с учётом случайного угадывания. Значения варьируются от -1 (полное несогласие) до 1 (идеальное согласие). Удобна для оценки на несбалансированных данных.
- MCC (Matthews Correlation Coefficient) – метрика корреляции между предсказаниями и истинными классами, учитывающая все типы ошибок (TP, TN, FP, FN). Значение варьируется от -1 (полная несоответствие) до 1 (идеальное совпадение). Отлично подходит для задач с несбалансированными классами.
- Confusion Matrix (матрица ошибок) – матрица ошибок отражает распределение предсказаний модели по каждому из классов.
Выбор ориентира:¶
В качестве базовой модели для оценки качества предсказаний выбрано использование самой распространённой категории целевой переменной ("Transaction") в обучающей выборке. Этот подход, известный как "most frequent class baseline", заключается в том, что модель всегда предсказывает наиболее часто встречающийся тип транзакции.
Разбиение данных:¶
In [389]:
from sklearn.metrics import accuracy_score, f1_score
# Определяем целевой признак и входные признаки
y_feature: str = 'Transaction'
X_features: list[str] = df.drop(columns=y_feature, axis=1).columns.tolist()
# Разбиваем данные на обучающую и тестовую выборки
X_df_train, X_df_test, y_df_train, y_df_test = split_into_train_test(
df,
stratify_colname=y_feature,
frac_train=0.8,
random_state=42
)
# Определяем самый частый класс
most_frequent_class = y_df_train.mode().values[0][0]
print(f"Самый частый класс: {most_frequent_class}")
# Вычисляем предсказания базовой модели (все предсказания равны самому частому классу)
baseline_predictions: list[str] = [most_frequent_class] * len(y_df_test)
# Оцениваем базовую модель
print('Baseline Accuracy:', accuracy_score(y_df_test, baseline_predictions))
print('Baseline F1:', f1_score(y_df_test, baseline_predictions, average='weighted'))
# Унитарное кодирование для целевого признака
y_df_train = y_df_train['Transaction'].map({'Sale': 1, 'Option Exercise': 0})
y_df_test = y_df_test['Transaction'].map({'Sale': 1, 'Option Exercise': 0})
Выбор моделей обучения:¶
Для обучения были выбраны следующие модели:
- Случайный лес (Random Forest): Ансамблевая модель, которая использует множество решающих деревьев. Она хорошо справляется с нелинейными зависимостями и шумом в данных, а также обладает устойчивостью к переобучению.
- Логистическая регрессия (Logistic Regression): Статистический метод для бинарной классификации, который моделирует зависимость между целевой переменной и независимыми признаками, используя логистическую функцию. Она проста в интерпретации и быстра в обучении.
- Метод ближайших соседей (KNN): Алгоритм классификации, который предсказывает класс на основе ближайших k обучающих примеров. KNN интуитивно понятен и не требует обучения, но может быть медленным на больших данных и чувствительным к выбору параметров.
Построение конвейера:¶
Конвейеры для обработки числовых и категориальных значений, а так же основной конвейер уже были построены ранее при решении задачи регрессии.
Демонстрация работы конвейера:¶
In [390]:
# Применение конвейера
preprocessing_result = pipeline_end.fit_transform(X_df_train)
preprocessed_df = pd.DataFrame(
preprocessing_result,
columns=pipeline_end.get_feature_names_out(),
)
preprocessed_df.head(10)
Out[390]:
Проверка моделей:¶
Оценка результатов обучения:
- Случайный лес (Random Forest):
- Показатели:
- Precision (обучение): 1.0
- Precision (тест): 1.0
- Recall (обучение): 1.0
- Recall (тест): 1.0
- Accuracy (обучение): 1.0
- Accuracy (тест): 1.0
- F1 Score (обучение): 1.0
- F1 Score (тест): 1.0
- ROC AUC (тест): 1.0
- Cohen Kappa (тест): 1.0
- MCC (тест): 1.0
- Confusion Matrix (тест):
[[13, 0], [ 0, 19]]
- Вывод: Случайный лес идеально справляется с задачей на обеих выборках. Однако столь высокие значения метрик на обучении и тесте могут указывать на переобучение модели.
- Показатели:
- Логистическая регрессия (Logistic Regression):
- Показатели:
- Precision (обучение): 1.0
- Precision (тест): 1.0
- Recall (обучение): 1.0
- Recall (тест): 1.0
- Accuracy (обучение): 1.0
- Accuracy (тест): 1.0
- F1 Score (обучение): 1.0
- F1 Score (тест): 1.0
- ROC AUC (тест): 1.0
- Cohen Kappa (тест): 1.0
- MCC (тест): 1.0
- Confusion Matrix (тест):
[[13, 0], [ 0, 19]]
- Вывод: Логистическая регрессия также показывает идеальные результаты. Это может быть связано с линейной разделимостью данных.
- Показатели:
- Метод ближайших соседей (KNN):
- Показатели:
- Precision (обучение): 1.0
- Precision (тест): 1.0
- Recall (обучение): 0.95
- Recall (тест): 0.947
- Accuracy (обучение): 0.968
- Accuracy (тест): 0.969
- F1 Score (обучение): 0.974
- F1 Score (тест): 0.973
- ROC AUC (тест): 0.974
- Cohen Kappa (тест): 0.936
- MCC (тест): 0.938
- Confusion Matrix (тест):
[[13, 0], [ 1, 18]]
- Вывод: Метод ближайших соседей показывает хорошие результаты, с небольшим снижением полноты на тестовой выборке. Это связано с особенностями алгоритма, который может быть чувствителен к выбросам и распределению данных.
- Показатели:
In [391]:
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn import metrics
# Оценка качества различных моделей на основе метрик
def evaluate_models(models: dict[str, Any],
pipeline_end: Pipeline,
X_train: DataFrame, y_train,
X_test: DataFrame, y_test) -> dict[str, dict[str, Any]]:
results: dict[str, dict[str, Any]] = {}
for model_name, model in models.items():
# Создание конвейера для текущей модели
model_pipeline = Pipeline(
[
("pipeline", pipeline_end),
("model", model),
]
)
# Обучение модели
model_pipeline.fit(X_train, y_train)
# Предсказание для обучающей и тестовой выборки
y_train_predict = model_pipeline.predict(X_train)
y_test_predict = model_pipeline.predict(X_test)
# Вычисление метрик для текущей модели
metrics_dict: dict[str, Any] = {
"Precision_train": metrics.precision_score(y_train, y_train_predict),
"Precision_test": metrics.precision_score(y_test, y_test_predict),
"Recall_train": metrics.recall_score(y_train, y_train_predict),
"Recall_test": metrics.recall_score(y_test, y_test_predict),
"Accuracy_train": metrics.accuracy_score(y_train, y_train_predict),
"Accuracy_test": metrics.accuracy_score(y_test, y_test_predict),
"F1_train": metrics.f1_score(y_train, y_train_predict),
"F1_test": metrics.f1_score(y_test, y_test_predict),
"ROC_AUC_test": metrics.roc_auc_score(y_test, y_test_predict),
"Cohen_kappa_test": metrics.cohen_kappa_score(y_test, y_test_predict),
"MCC_test": metrics.matthews_corrcoef(y_test, y_test_predict),
"Confusion_matrix": metrics.confusion_matrix(y_test, y_test_predict),
}
# Сохранение результатов
results[model_name] = metrics_dict
return results
# Выбранные модели для классификации
models_classification: dict[str, Any] = {
"RandomForestClassifier": RandomForestClassifier(random_state=42),
"LogisticRegression": LogisticRegression(max_iter=1000),
"KNN": KNeighborsClassifier(),
}
results: dict[str, dict[str, Any]] = evaluate_models(models_classification,
pipeline_end,
X_df_train, y_df_train,
X_df_test, y_df_test)
# Вывод результатов
for model_name, metrics_dict in results.items():
print(f"Модель: {model_name}")
for metric_name, value in metrics_dict.items():
print(f"\t{metric_name}: {value}")
print()
Матрица ошибок:¶
In [392]:
from sklearn.metrics import ConfusionMatrixDisplay
_, ax = plt.subplots(ceil(len(models_classification) / 2), 2, figsize=(12, 10), sharex=False, sharey=False)
for index, key in enumerate(models_classification.keys()):
c_matrix = results[key]["Confusion_matrix"]
disp = ConfusionMatrixDisplay(
confusion_matrix=c_matrix, display_labels=["Sale", "Option Exercise"]
).plot(ax=ax.flat[index])
disp.ax_.set_title(key)
plt.subplots_adjust(top=1, bottom=0, hspace=0.4, wspace=0.1)
plt.show()
Подбор гиперпараметров:¶
In [ ]:
# Создание конвейера
pipeline = Pipeline([
("processing", pipeline_end),
("model", RandomForestClassifier(random_state=42))
])
# Установка параметров для поиска по сетке
param_grid: dict[str, Any] = {
"model__n_estimators": [10, 50, 100],
"model__max_features": ["sqrt", "log2"],
"model__max_depth": [5, 7, 10],
"model__criterion": ["gini", "entropy"],
}
# Подбор гиперпараметров с помощью поиска по сетке
grid_search = GridSearchCV(estimator=pipeline,
param_grid=param_grid,
n_jobs=-1)
# Обучение модели на тренировочных данных
grid_search.fit(X_df_train, y_df_train)
# Результаты подбора гиперпараметров
print("Лучшие параметры:", grid_search.best_params_)
Сравнение наборов гиперпараметров:¶
Результаты анализа показывают, что как стоковая модель, так и оптимизированная модель демонстрируют идентичные показатели качества, включая абсолютные значения всех ключевых метрик (Precision, Recall, Accuracy, F1-Score и другие), равные 1.0 на обеих выборках (обучающей и тестовой). Это указывает на то, что обе модели идеально справляются с задачей классификации.
In [401]:
# Обучение модели со старыми гипермараметрами
pipeline.fit(X_df_train, y_df_train)
# Предсказание для обучающей и тестовой выборки
y_train_predict = pipeline.predict(X_df_train)
y_test_predict = pipeline.predict(X_df_test)
# Вычисление метрик для модели со старыми гипермараметрами
base_model_metrics: dict[str, Any] = {
"Precision_train": metrics.precision_score(y_df_train, y_train_predict),
"Precision_test": metrics.precision_score(y_df_test, y_test_predict),
"Recall_train": metrics.recall_score(y_df_train, y_train_predict),
"Recall_test": metrics.recall_score(y_df_test, y_test_predict),
"Accuracy_train": metrics.accuracy_score(y_df_train, y_train_predict),
"Accuracy_test": metrics.accuracy_score(y_df_test, y_test_predict),
"F1_train": metrics.f1_score(y_df_train, y_train_predict),
"F1_test": metrics.f1_score(y_df_test, y_test_predict),
"ROC_AUC_test": metrics.roc_auc_score(y_df_test, y_test_predict),
"Cohen_kappa_test": metrics.cohen_kappa_score(y_df_test, y_test_predict),
"MCC_test": metrics.matthews_corrcoef(y_df_test, y_test_predict),
"Confusion_matrix": metrics.confusion_matrix(y_df_test, y_test_predict),
}
# Модель с новыми гипермараметрами
optimized_model = RandomForestClassifier(
random_state=42,
criterion="gini",
max_depth=5,
max_features="sqrt",
n_estimators=10,
)
# Создание конвейера для модели с новыми гипермараметрами
optimized_model_pipeline = Pipeline(
[
("pipeline", pipeline_end),
("model", optimized_model),
]
)
# Обучение модели с новыми гипермараметрами
optimized_model_pipeline.fit(X_df_train, y_df_train)
# Предсказание для обучающей и тестовой выборки
y_train_predict = optimized_model_pipeline.predict(X_df_train)
y_test_predict = optimized_model_pipeline.predict(X_df_test)
# Вычисление метрик для модели с новыми гипермараметрами
optimized_model_metrics: dict[str, Any] = {
"Precision_train": metrics.precision_score(y_df_train, y_train_predict),
"Precision_test": metrics.precision_score(y_df_test, y_test_predict),
"Recall_train": metrics.recall_score(y_df_train, y_train_predict),
"Recall_test": metrics.recall_score(y_df_test, y_test_predict),
"Accuracy_train": metrics.accuracy_score(y_df_train, y_train_predict),
"Accuracy_test": metrics.accuracy_score(y_df_test, y_test_predict),
"F1_train": metrics.f1_score(y_df_train, y_train_predict),
"F1_test": metrics.f1_score(y_df_test, y_test_predict),
"ROC_AUC_test": metrics.roc_auc_score(y_df_test, y_test_predict),
"Cohen_kappa_test": metrics.cohen_kappa_score(y_df_test, y_test_predict),
"MCC_test": metrics.matthews_corrcoef(y_df_test, y_test_predict),
"Confusion_matrix": metrics.confusion_matrix(y_df_test, y_test_predict),
}
# Вывод информации
print('Стоковая модель:')
for metric_name, value in base_model_metrics.items():
print(f"\t{metric_name}: {value}")
print('\nОптимизированная модель:')
for metric_name, value in optimized_model_metrics.items():
print(f"\t{metric_name}: {value}")