【機器學習】一文讀懂分類算法常用評價指標

評價指標是針對將相同的數據，輸入不同的算法模型，或者輸入不同參數的同一種算法模型，而給出這個算法或者參數好壞的定量指標。

在模型評估過程中，往往需要使用多種不同的指標進行評估，在諸多的評價指標中，大部分指標只能片面的反應模型的一部分性能，如果不能合理的運用評估指標，不僅不能發現模型本身的問題，而且會得出錯誤的結論。

最近恰好在做文本分類的工作，所以把機器學習分類任務的評價指標又過了一遍。本文將詳細介紹機器學習分類任務的常用評價指標：准確率（Accuracy）、精確率（Precision）、召回率（Recall）、P-R曲線（Precision-Recall Curve）、F1 Score、混淆矩陣（Confuse Matrix）、ROC、AUC。

准確率（Accuracy）

准確率是分類問題中最為原始的評價指標，准確率的定義是預測正確的結果占總樣本的百分比，其公式如下：

\[Accuracy = \frac{TP+TN}{TP+TN+FP+FN} \]

其中：

• 真正例(True Positive, TP)：被模型預測為正的正樣本；
• 假正例(False Positive, FP)：被模型預測為正的負樣本；
• 假負例(False Negative, FN)：被模型預測為負的正樣本；
• 真負例(True Negative, TN)：被模型預測為負的負樣本；

但是，准確率評價算法有一個明顯的弊端問題，就是在數據的類別不均衡，特別是有極偏的數據存在的情況下，准確率這個評價指標是不能客觀評價算法的優劣的。例如下面這個例子：

在測試集里，有100個sample，99個反例，只有1個正例。如果我的模型不分青紅皂白對任意一個sample都預測是反例，那么我的模型的准確率就為0.99，從數值上看是非常不錯的，但事實上，這樣的算法沒有任何的預測能力，於是我們就應該考慮是不是評價指標出了問題，這時就需要使用其他的評價指標綜合評判了。

精確率（Precision）、召回率（Recall）

精准率（Precision）又叫查准率，它是針對預測結果而言的，它的含義是在所有被預測為正的樣本中實際為正的樣本的概率，意思就是在預測為正樣本的結果中，我們有多少把握可以預測正確，其公式如下：

\[Precision = \frac{TP}{TP+FP} \]

精准率和准確率看上去有些類似，但是完全不同的兩個概念。精准率代表對正樣本結果中的預測准確程度，而准確率則代表整體的預測准確程度，既包括正樣本，也包括負樣本。

召回率（Recall）又叫查全率，它是針對原樣本而言的，它的含義是在實際為正的樣本中被預測為正樣本的概率，其公式如下：

\[Recall = \frac{TP}{TP+FN} \]

引用Wiki中的圖，幫助說明下二者的關系。

在不同的應用場景下，我們的關注點不同，例如，在預測股票的時候，我們更關心精准率，即我們預測升的那些股票里，真的升了有多少，因為那些我們預測升的股票都是我們投錢的。而在預測病患的場景下，我們更關注召回率，即真的患病的那些人里我們預測錯了情況應該越少越好。

精確率和召回率是一對此消彼長的度量。例如在推薦系統中，我們想讓推送的內容盡可能用戶全都感興趣，那只能推送我們把握高的內容，這樣就漏掉了一些用戶感興趣的內容，召回率就低了；如果想讓用戶感興趣的內容都被推送，那只有將所有內容都推送上，寧可錯殺一千，不可放過一個，這樣准確率就很低了。

在實際工程中，我們往往需要結合兩個指標的結果，去尋找一個平衡點，使綜合性能最大化。

P-R曲線

P-R曲線（Precision Recall Curve）正是描述精確率/召回率變化的曲線，P-R曲線定義如下：根據學習器的預測結果（一般為一個實值或概率）對測試樣本進行排序，將最可能是“正例”的樣本排在前面，最不可能是“正例”的排在后面，按此順序逐個把樣本作為“正例”進行預測，每次計算出當前的P值和R值，如下圖所示：

P-R曲線如何評估呢？若一個學習器A的P-R曲線被另一個學習器B的P-R曲線完全包住，則稱：B的性能優於A。若A和B的曲線發生了交叉，則誰的曲線下的面積大，誰的性能更優。但一般來說，曲線下的面積是很難進行估算的，所以衍生出了“平衡點”（Break-Event Point，簡稱BEP），即當P=R時的取值，平衡點的取值越高，性能更優。

F1-Score

正如上文所述，Precision和Recall指標有時是此消彼長的，即精准率高了，召回率就下降，在一些場景下要兼顧精准率和召回率，最常見的方法就是F-Measure，又稱F-Score。F-Measure是P和R的加權調和平均，即：

\[\frac{1}{F_{\beta}}=\frac{1}{1+\beta^{2}} \cdot\left(\frac{1}{P}+\frac{\beta^{2}}{R}\right) \]

\[F_{\beta}=\frac{\left(1+\beta^{2}\right) \times P \times R}{\left(\beta^{2} \times P\right)+R} \]

特別地，當β=1時，也就是常見的F1-Score，是P和R的調和平均，當F1較高時，模型的性能越好。

\[\frac{1}{F 1}=\frac{1}{2} \cdot\left(\frac{1}{P}+\frac{1}{R}\right) \]

\[F1=\frac{2 \times P \times R}{P+R} = \frac{2 \times TP}{樣例總數+TP-TN} \]

ROC曲線

ROC以及后面要講到的AUC，是分類任務中非常常用的評價指標，本文將詳細闡述。可能有人會有疑問，既然已經這么多評價標准，為什么還要使用ROC和AUC呢？

因為ROC曲線有個很好的特性：當測試集中的正負樣本的分布變化的時候，ROC曲線能夠保持不變。在實際的數據集中經常會出現類別不平衡（Class Imbalance）現象，即負樣本比正樣本多很多（或者相反），而且測試數據中的正負樣本的分布也可能隨着時間變化，ROC以及AUC可以很好的消除樣本類別不平衡對指標結果產生的影響。

另一個原因是，ROC和上面做提到的P-R曲線一樣，是一種不依賴於閾值（Threshold）的評價指標，在輸出為概率分布的分類模型中，如果僅使用准確率、精確率、召回率作為評價指標進行模型對比時，都必須時基於某一個給定閾值的，對於不同的閾值，各模型的Metrics結果也會有所不同，這樣就很難得出一個很置信的結果。

在正式介紹ROC之前，我們還要再介紹兩個指標，這兩個指標的選擇使得ROC可以無視樣本的不平衡。這兩個指標分別是：靈敏度（sensitivity）和特異度（specificity），也叫做真正率（TPR）和假正率（FPR），具體公式如下。

• 真正率(True Positive Rate , TPR)，又稱靈敏度：

\[TPR = \frac{正樣本預測正確數}{正樣本總數} = \frac{TP}{TP+FN} \]

​ 其實我們可以發現靈敏度和召回率是一模一樣的，只是名字換了而已

• 假負率(False Negative Rate , FNR) ：

\[FNR = \frac{正樣本預測錯誤數}{正樣本總數} = \frac{FN}{TP+FN} \]

• 假正率(False Positive Rate , FPR) ：

\[FPR = \frac{負樣本預測錯誤數}{負樣本總數} = \frac{FP}{TN+FP} \]

• 真負率(True Negative Rate , TNR)，又稱特異度：

\[TNR = \frac{負樣本預測正確數}{負樣本總數} = \frac{TN}{TN+FP} \]

細分析上述公式，我們可以可看出，靈敏度（真正率）TPR是正樣本的召回率，特異度（真負率）TNR是負樣本的召回率，而假負率\(FNR=1-TPR\)、假正率\(FPR=1-TNR\)，上述四個量都是針對單一類別的預測結果而言的，所以對整體樣本是否均衡並不敏感。舉個例子：假設總樣本中，90%是正樣本，10%是負樣本。在這種情況下我們如果使用准確率進行評價是不科學的，但是用TPR和TNR卻是可以的，因為TPR只關注90%正樣本中有多少是被預測正確的，而與那10%負樣本毫無關系，同理，FPR只關注10%負樣本中有多少是被預測錯誤的，也與那90%正樣本毫無關系。這樣就避免了樣本不平衡的問題。

ROC（Receiver Operating Characteristic）曲線，又稱接受者操作特征曲線。該曲線最早應用於雷達信號檢測領域，用於區分信號與噪聲。后來人們將其用於評價模型的預測能力。ROC曲線中的主要兩個指標就是真正率TPR和假正率FPR，上面已經解釋了這么選擇的好處所在。其中橫坐標為假正率（FPR），縱坐標為真正率（TPR），下面就是一個標准的ROC曲線圖。

閾值問題

與前面的P-R曲線類似，ROC曲線也是通過遍歷所有閾值來繪制整條曲線的。如果我們不斷的遍歷所有閾值，預測的正樣本和負樣本是在不斷變化的，相應的在ROC曲線圖中也會沿着曲線滑動。

我們看到改變閾值只是不斷地改變預測的正負樣本數，即TPR和FPR，但是曲線本身並沒有改變。這是有道理的，閾值並不會改變模型的性能。

判斷模型性能

那么如何判斷一個模型的ROC曲線是好的呢？這個還是要回歸到我們的目的：FPR表示模型對於負樣本誤判的程度，而TPR表示模型對正樣本召回的程度。我們所希望的當然是：負樣本誤判的越少越好，正樣本召回的越多越好。所以總結一下就是TPR越高，同時FPR越低（即ROC曲線越陡），那么模型的性能就越好。參考如下動態圖進行理解。

即：進行模型的性能比較時，與PR曲線類似，若一個模型A的ROC曲線被另一個模型B的ROC曲線完全包住，則稱B的性能優於A。若A和B的曲線發生了交叉，則誰的曲線下的面積大，誰的性能更優。

無視樣本不平衡

前面已經對ROC曲線為什么可以無視樣本不平衡做了解釋，下面我們用動態圖的形式再次展示一下它是如何工作的。我們發現：無論紅藍色樣本比例如何改變，ROC曲線都沒有影響。

AUC

AUC(Area Under Curve)又稱為曲線下面積，是處於ROC Curve下方的那部分面積的大小。上文中我們已經提到，對於ROC曲線下方面積越大表明模型性能越好，於是AUC就是由此產生的評價指標。通常，AUC的值介於0.5到1.0之間，較大的AUC代表了較好的Performance。如果模型是完美的，那么它的AUC = 1，證明所有正例排在了負例的前面，如果模型是個簡單的二類隨機猜測模型，那么它的AUC = 0.5，如果一個模型好於另一個，則它的曲線下方面積相對較大，對應的AUC值也會較大。

物理意義

AUC對所有可能的分類閾值的效果進行綜合衡量。首先AUC值是一個概率值，可以理解為隨機挑選一個正樣本以及一個負樣本，分類器判定正樣本分值高於負樣本分值的概率就是AUC值。簡言之，AUC值越大，當前的分類算法越有可能將正樣本分值高於負樣本分值，即能夠更好的分類。

混淆矩陣

混淆矩陣（Confusion Matrix）又被稱為錯誤矩陣，通過它可以直觀地觀察到算法的效果。它的每一列是樣本的預測分類，每一行是樣本的真實分類（反過來也可以），顧名思義，它反映了分類結果的混淆程度。混淆矩陣\(i\)行\(j\)列的原始是原本是類別\(i\)卻被分為類別\(j\)的樣本個數，計算完之后還可以對之進行可視化：

多分類問題

對於多分類問題，或者在二分類問題中，我們有時候會有多組混淆矩陣，例如：多次訓練或者在多個數據集上訓練的結果，那么估算全局性能的方法有兩種，分為宏平均（macro-average）和微平均（micro-average）。簡單理解，宏平均就是先算出每個混淆矩陣的P值和R值，然后取得平均P值macro-P和平均R值macro-R，再算出\(Fβ\)或\(F1\)，而微平均則是計算出混淆矩陣的平均TP、FP、TN、FN，接着進行計算P、R，進而求出\(Fβ\)或\(F1\)。其它分類指標同理，均可以通過宏平均/微平均計算得出。

\[\operatorname{macro}P=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} P_{i} \]

\[\operatorname{macro}R=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} R_{i} \]

\[\operatorname{macro} F 1=\frac{2 \times \operatorname{macro} P \times \operatorname{macro} R}{\operatorname{macro} P+\operatorname{macro}R} \]

\[\operatorname{micro} P=\frac{\overline{T P}}{\overline{T P}+\overline{F P}} \]

\[\operatorname{micro}R=\frac{\overline{T P}}{\overline{T P}+\overline{F N}} \]

\[\operatorname{micro} F 1=\frac{2 \times \operatorname{micro} P \times \operatorname{micro} R}{\operatorname{micro} P+\operatorname{micro}R} \]

需要注意的是，在多分類任務場景中，如果非要用一個綜合考量的metric的話，宏平均會比微平均更好一些，因為宏平均受稀有類別影響更大。宏平均平等對待每一個類別，所以它的值主要受到稀有類別的影響，而微平均平等考慮數據集中的每一個樣本，所以它的值受到常見類別的影響比較大。