【R语言】基于多模型的变量重要性图 (Variable Importance Plots)

2024-08-23 00:52
文章标签 语言 模型 变量 重要性 variable importance plots

本文主要是介绍【R语言】基于多模型的变量重要性图 (Variable Importance Plots)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

变量重要性图 Variable Importance Plots

  • 1. 写在前面
  • 2.1数据导入
  • 2.2 模型训练
  • 2.3 变量重要性
  • 2.4 变量重要性图
  • 2.5 模型模拟验证
  • 3.基于caret包计算变量重要性

1. 写在前面

  好久没有更新博客了，正好最近在帮老师做一个项目，里面涉及到了不同环境变量的重要性制图，所以在这里把我的理解进行分享，这应该是大家都可能遇到的问题。笔者水平有限，大家发现什么问题可以给我指出。
  变量重要度图(Variable importance plots) 可以非常直观的展示各个变量在模型中的重要度，从而可以更好的理解和解释所建立的模型。

2.1数据导入

  这里我随机生成了一个数据集，包含了10个x变量

## 基于树模型的变量重要度图(Variable Importance Plots)-------------------------
library(vip) # 制作变量重要度图
library(rpart) # 决策树
library(randomForest) # 随机森林
library(xgboost) # 梯度提升决策树
library(mgcv)
library(caret)
library(ggplot2) # 作图mydata <- gen_friedman( # 创建数据n_samples = 100, # 行数sigma = 1,       # 标准差seed = 123       # 让数据可以重复
)
nrow(mydata)
head(mydata)

数据集结构：
在这里插入图片描述

2.2 模型训练

  这里包括了四个模型：决策树(Decision trees)、随机森林(Random forests)、梯度提升决策树(GBMs)、广义可加模型（GAM）

# 1、拟合回归决策树模型-------------------------------------------
model_tree <- rpart(y ~ ., data = mydata)# 2、拟合随机森林模型---------------------------------------------
model_rf <- randomForest(y ~ .,data = mydata,importance = TRUE)  # 计算变量的重要度   # 3、拟合梯度提升决策树模型(GBMs)---------------------------------
model_gbm <- xgboost(data = data.matrix(subset(mydata, select = -y)), # 剔除y后将数据转化为矩阵格式label = mydata$y, # 指定因变量ynrounds = 100, # 提升迭代的最大次数max_depth = 5, # 树的最大深度为5，默认为6verbose = 0  # 不输出模型的运行信息
)# 4、拟合广义可加模型 (GAM)----------------------------------------
# 自动创建公式字符串：将所有自变量包裹在平滑函数 s() 中
gam_formula <- as.formula(paste("y ~", paste0("s(", names(mydata)[-1], ")", collapse = " + ")))
model_gam <- gam(gam_formula, data = mydata)
# # 拟合广义可加模型 (GAM)
# model_gam <- gam(y ~ s(x1) + s(x2) + s(x3) + s(x4) + s(x5)
#                  + s(x6) + s(x7) + s(x8) + s(x9) + s(x10),
#                  data = mydata)

2.3 变量重要性

  使用vi()函数可以得到不同模型模拟的变量的重要性值

# 决策树
vi(model_tree)
# 随机森林
vi(model_rf)
# GBMs
vi(model_gbm)
# 计算GAM模型的变量重要度
vi_gam <- vi(model_gam, method = "permute", target = "y", metric = "rmse", pred_wrapper = predict)

简单列出其中一个模型的结果：
在这里插入图片描述

2.4 变量重要性图

  这可能是大家最关心的地方

# 制作变量重要度图
p1 <- vip(model_tree) + ggtitle("Single tree")
p2 <- vip(model_rf) + ggtitle("Random forest")
p3 <- vip(model_gbm) + ggtitle("Gradient boosting")
p4 <- vip(vi_gam) + ggtitle("GAM (Generalized Additive Model)")# 将图片合并成1行3列
grid.arrange(p1, p2, p3, p4, nrow = 2)

结果展示：
在这里插入图片描述
可以看出，不同模型模拟的结果基本上是一致的。

2.5 模型模拟验证

  这里用到了三个指标：R2、MAE和RMSE，具体公式如下，这里我没有使用Adjusted R2：
在这里插入图片描述

## 模型模拟效果----------------------------------------------------------------
# 定义计算 R2的函数
calc_r2 <- function(actual, predicted) {ss_res <- sum((actual - predicted) ^ 2)ss_tot <- sum((actual - mean(actual)) ^ 2)1 - (ss_res / ss_tot)
}# 定义计算 MAE 的函数
calc_mae <- function(actual, predicted) {mean(abs(actual - predicted))
}# 定义计算 RMSE 的函数
calc_rmse <- function(actual, predicted) {sqrt(mean((actual - predicted) ^ 2))
}# 获取实际值
actual_values <- mydata$y# 计算每个模型的预测值
pred_tree <- predict(model_tree, mydata)
pred_rf <- predict(model_rf, mydata)
pred_gbm <- predict(model_gbm, data.matrix(subset(mydata, select = -y)))
pred_gam <- predict(model_gam, mydata)# 计算 R2
r2_tree <- calc_r2(actual_values, pred_tree)
r2_rf <- calc_r2(actual_values, pred_rf)
r2_gbm <- calc_r2(actual_values, pred_gbm)
r2_gam <- calc_r2(actual_values, pred_gam)# 计算 MAE
mae_tree <- calc_mae(actual_values, pred_tree)
mae_rf <- calc_mae(actual_values, pred_rf)
mae_gbm <- calc_mae(actual_values, pred_gbm)
mae_gam <- calc_mae(actual_values, pred_gam)# 计算 RMSE
rmse_tree <- calc_rmse(actual_values, pred_tree)
rmse_rf <- calc_rmse(actual_values, pred_rf)
rmse_gbm <- calc_rmse(actual_values, pred_gbm)
rmse_gam <- calc_rmse(actual_values, pred_gam)# 输出结果
cat("Decision Tree:               R2 =", r2_tree,  "MAE =", mae_tree, "RMSE =", rmse_tree, "\n","Random Forest:              R2 =", r2_rf,  "MAE =", mae_rf, "RMSE =", rmse_rf, "\n","Gradient Boosting:          R2 =", r2_gbm,  "MAE =", mae_gbm, "RMSE =", rmse_gbm, "\n","Generalized Additive Model: R2 =", r2_gam,  "MAE =", mae_gam, "RMSE =", rmse_gam, "\n"
)

结果展示：
在这里插入图片描述

3.基于caret包计算变量重要性

  以上内容没有涉及到交叉验证，并且所有的模型评价指标都是手动计算的，现在我将使用caret包提供的函数进行计算。
  caret（Classification and Regression Ensemble Training）包 是 R 语言中一个非常强大的工具，用于分类和回归模型的训练和评估。它提供了一个统一的接口来实现不同的机器学习算法，并支持模型的调参、训练、预测和评估。
主要功能和特点

  • 统一的接口 : caret 提供了一个统一的接口来训练和评估各种机器学习模型，无论是分类模型还是回归模型。这样，你可以在不同的算法之间进行比较和选择。
  • 模型训练 : 使用 train() 函数可以训练模型，支持多种模型算法，如决策树、随机森林、支持向量机（SVM）、梯度提升、线性回归、广义可加模型（GAM）等。
  • 调参（Tuning）: caret 允许你通过网格搜索（grid search）和随机搜索（random search）来调节模型的超参数，以找到最佳的参数组合。使用 train() 函数时，可以通过 tuneGrid 或 tuneLength 参数来指定需要调节的参数范围。
  • 交叉验证（Cross-Validation）: 提供了多种交叉验证方法，如 k 折交叉验证（k-fold cross-validation）来评估模型的性能。你可以通过 trainControl() 函数设置交叉验证的参数。
  • 性能评估 : caret 可以计算模型的性能指标，如准确率（accuracy）、均方根误差（RMSE）、均方误差（MSE）、调整后的 R²（Adjusted R²）等。可以通过 postResample() 函数来提取模型的性能度量。
  • 数据预处理 : 支持数据预处理操作，如数据标准化（standardization）、归一化（normalization）、特征选择（feature selection）等。这些操作可以通过 preProcess() 函数实现。
  • 模型集成 : 支持多种模型集成方法，如堆叠（stacking）和集成（ensembling），以提高模型的预测性能。
## caret ----------------------------------------------------------------------
# Set up 10-fold cross-validation
train_control <- trainControl(method = "cv", number = 10)# glm with 10-fold cross-validation
model_glm_cv <- train(y ~ .,data = mydata,method = "glm",trControl = train_control,metric = "RMSE"
)# GAM with 10-fold cross-validation
model_gam_cv <- train(y ~ .,data = mydata,method = "gamSpline",trControl = train_control,metric = "RMSE"
)# Random Forest with 10-fold cross-validation
model_rf_cv <- train(y ~ .,data = mydata,method = "rf",trControl = train_control,metric = "RMSE"
)# Gradient Boosting with 10-fold cross-validation
model_gbm_cv <- train(y ~ .,data = mydata,method = "xgbTree",trControl = train_control,metric = "RMSE"
)# 计算并绘制变量重要性
vip(model_glm_cv)
vip(model_gam_cv)
vip(model_rf_cv)
vip(model_gbm_cv)# make Variable Importance Plots
p11 <- vip(model_glm_cv) + ggtitle("Generalized linear Model")
p21 <- vip(model_gam_cv) + ggtitle("Random forest")
p31 <- vip(model_rf_cv) + ggtitle("Gradient boosting")
p41 <- vip(model_gbm_cv) + ggtitle("Generalized Additive Model")grid.arrange(p11, p21, p31, p41, nrow = 2)# Extract the results
results_glm <- model_glm_cv$results
results_rf <- model_rf_cv$results
results_gbm <- model_gbm_cv$results
results_gam <- model_gam_cv$results# Print results
cat("Generalized linear Model (GLM):   R2 =", max(results_glm$Rsquared), "MAE =", min(results_tree$MAE), "RMSE =", min(results_tree$RMSE), "\n","Random Forest (RF):              R2 =", max(results_rf$Rsquared), "MAE =", min(results_rf$MAE), "RMSE =", min(results_rf$RMSE), "\n","Gradient Boosting (GBM):         R2 =", max(results_gbm$Rsquared), "MAE =", min(results_gbm$MAE), "RMSE =", min(results_gbm$RMSE), "\n","Generalized Additive Model(GAM): R2 =", max(results_gam$Rsquared), "MAE =", min(results_gam$MAE), "RMSE =", min(results_gam$RMSE), "\n"
)

结果展示：
在这里插入图片描述

模型模拟精度验证：
在这里插入图片描述

这篇关于【R语言】基于多模型的变量重要性图 (Variable Importance Plots)的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1097892。

相关文章

Java的IO模型、Netty原理解析

Java的IO模型、Netty原理解析

《Java的IO模型、Netty原理解析》Java的I/O是以流的方式进行数据输入输出的,Java的类库涉及很多领域的IO内容：标准的输入输出,文件的操作、网络上的数据传输流、字符串流、对象流等,这篇... 目录1.什么是IO2.同步与异步、阻塞与非阻塞3.三种IO模型BIO（blocking I/O）NI
阅读更多...
基于Flask框架添加多个AI模型的API并进行交互

基于Flask框架添加多个AI模型的API并进行交互

《基于Flask框架添加多个AI模型的API并进行交互》：本文主要介绍如何基于Flask框架开发AI模型API管理系统,允许用户添加、删除不同AI模型的API密钥,感兴趣的可以了解下... 目录1. 概述2. 后端代码说明2.1 依赖库导入2.2 应用初始化2.3 API 存储字典2.4 路由函数2.5 应
阅读更多...
C语言中的数据类型强制转换

C语言中的数据类型强制转换

《C语言中的数据类型强制转换》：本文主要介绍C语言中的数据类型强制转换方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录C语言数据类型强制转换自动转换强制转换类型总结C语言数据类型强制转换强制类型转换：是通过类型转换运算来实现的，主要的数据类型转换分为自动转换
阅读更多...
利用Go语言开发文件操作工具轻松处理所有文件

利用Go语言开发文件操作工具轻松处理所有文件

《利用Go语言开发文件操作工具轻松处理所有文件》在后端开发中,文件操作是一个非常常见但又容易出错的场景,本文小编要向大家介绍一个强大的Go语言文件操作工具库,它能帮你轻松处理各种文件操作场景... 目录为什么需要这个工具？核心功能详解1. 文件/目录存javascript在性检查2. 批量创建目录3. 文件
阅读更多...
C语言实现两个变量值交换的三种方式

C语言实现两个变量值交换的三种方式

《C语言实现两个变量值交换的三种方式》两个变量值的交换是编程中最常见的问题之一,以下将介绍三种变量的交换方式,其中第一种方式是最常用也是最实用的,后两种方式一般只在特殊限制下使用,需要的朋友可以参考下... 目录1.使用临时变量（推荐）2.相加和相减的方式（值较大时可能丢失数据）3.按位异或运算1.使用临时
阅读更多...
使用C语言实现交换整数的奇数位和偶数位

使用C语言实现交换整数的奇数位和偶数位

《使用C语言实现交换整数的奇数位和偶数位》在C语言中,要交换一个整数的二进制位中的奇数位和偶数位,重点需要理解位操作,当我们谈论二进制位的奇数位和偶数位时,我们是指从右到左数的位置,本文给大家介绍了使... 目录一、问题描述二、解决思路三、函数实现四、宏实现五、总结一、问题描述使用C语言代码实现：将一个整
阅读更多...
C语言字符函数和字符串函数示例详解

C语言字符函数和字符串函数示例详解

《C语言字符函数和字符串函数示例详解》本文详细介绍了C语言中字符分类函数、字符转换函数及字符串操作函数的使用方法,并通过示例代码展示了如何实现这些功能,通过这些内容,读者可以深入理解并掌握C语言中的字... 目录一、字符分类函数二、字符转换函数三、strlen的使用和模拟实现3.1strlen函数3.2st
阅读更多...
Go语言中最便捷的http请求包resty的使用详解

Go语言中最便捷的http请求包resty的使用详解

《Go语言中最便捷的http请求包resty的使用详解》go语言虽然自身就有net/http包,但是说实话用起来没那么好用,resty包是go语言中一个非常受欢迎的http请求处理包,下面我们一起来学... 目录安装一、一个简单的get二、带查询参数三、设置请求头、body四、设置表单数据五、处理响应六、超
阅读更多...
C语言中的浮点数存储详解

C语言中的浮点数存储详解

《C语言中的浮点数存储详解》：本文主要介绍C语言中的浮点数存储详解,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录1、首先明确一个概念2、接下来，讲解C语言中浮点型数存储的规则2.1、可以将上述公式分为两部分来看2.2、问：十进制小数0.5该如何存储？2.3 浮点
阅读更多...
基于Python实现多语言朗读与单词选择测验

基于Python实现多语言朗读与单词选择测验

《基于Python实现多语言朗读与单词选择测验》在数字化教育日益普及的今天,开发一款能够支持多语言朗读和单词选择测验的程序,对于语言学习者来说无疑是一个巨大的福音,下面我们就来用Python实现一个这... 目录一、项目概述二、环境准备三、实现朗读功能四、实现单词选择测验五、创建图形用户界面六、运行程序七、
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2