【从零开始学机器学习第 03 篇】

摘要：手写 Sklearn 的 train_test_split 函数。

之前两篇文章以酒吧的红酒故事引出了 kNN 分类算法，根据已倒好的酒（样本），预测新倒的酒（预测）属于哪一类，文章见文末。

预测方法我们使用了两种，一种是根据欧拉公式逐步手写，思路清晰直观。另外一种方法是模仿 Sklearn 中的 kNN 算法，把代码封装起来以调用库的形式使用，更加精简。

然而这样做忽略了一个重要的问题，我们把全部的红酒样本都拿来生成 kNN 模型进行预测。而模型预测的准确率怎么样，并不清楚也无从验证。这在实际运用中有很大问题，比如说，根据股市数据做了一个模型，然后就直接参照这个模型就去投资股票了，结果模型预测趋势跟实际走势大相径庭，那就惨了。

所以我们希望生成一个模型后，能有一个测试集先来测试一下模型，看看效果怎么样，然后进一步地调整并生成一个尽可能好的模型。

这样的话，就需要把原始样本分成一大一小两份，比如 70% 和 30%，大的一份用来训练（train）生成模型，一份用来最后测试（test）模型。因为测试集本身有标签参照，跟模型预测的标签一对比就能知道模型效果如何。

下面我们仍然以葡萄酒数据集为例，把数据集划分为训练集和测试集建立模型，最后测试模型效果。

这份葡萄酒数据集来源于1988 年意大利的葡萄酒产地，属于 sklearn 自带的分类数据集，Sklearn 自带好几个常用的分类和回归数据集，之后会一一拿来做例子。

这份数据集包含 178 个样本，13 个数值型特征：alcohol酒精浓度、color_intensity 颜色深度等（我们在第一课就使用了这两个特征）。
标签（y值） 是葡萄酒的 3 种分类，用 [0,1,2] 表示。

加载数据集

样本 X 是 178 行 13 列的矩阵，标签 y 是一个 178 元素的向量，接下来准备划分训练集和测试集。

Sklearn 调包划分数据集

先来调用 Sklearn 数据集划分函数 train_test_split ：

test_size 是测试集比例，random_state 是一个随机种子，保证每次运行都能得到一样的随机结果

Sklearn 只用两行代码就可以划分好数据集，虽然简单但是它背后是怎么划分的我们并不清楚，为此，下面来手写一下以更好理解。

手写 train_test_split 函数

观察到原始数据集的标签值是从 0 到 2 有序排列的，所以不能直接划分，要先把数据集打乱保证随机抽样。打乱可以用 numpy 的 permutation 函数，它会返回打乱后的数据集的索引，这个函数的妙处就在于根据索引就能同时匹配到 X 和 y。二者是一一对应的。

数据集整体打乱后设置一个划分比例，比如 0.3，表示测试集和训练集的比例是 0.7:0.3，结合索引就分别能得到训练样本和标签的数量。

因 Sklearn 中的 train_test_split 是向上取整，所以为了保持一致使用了向上取整的 ceil 函数，ceil (3.4) = 4；int 虽然也可以取整但它是向下取整的， int (3.4) = 3。

在打乱数据之前，添加了一行 random.seed (321) 函数，它的作用是保证重新运行时能得到相同的随机数，若不加这句代码，每次得到的结果都会不一样，不便于相互比较。

可以看到，手写函数比 Sklearn 调用的代码多很多，可不可以也像 Sklearn 那样只用几行代码完成数据集划分呢？可以的，只需要把上面的函数封装成一个库再调用即可。

封装 train_test_split 函数

封装很简单，只需要两步。

首先，把代码写成一个函数存到一个 .py 程序：

 1import numpy as np 2from math import ceil 3 4def train_test_split(X, y, test_ratio=0.3, seed= None): 5    assert X.shape[0] == y.shape[0], 'X y 的行数要一样' 6    if seed: 7        np.random.seed(seed) 8    shuffle_index = np.random.permutation(len(X)) 9    test_size = ceil(len(X) * test_ratio)10    test_index = shuffle_index[:test_size]11    train_index = shuffle_index[test_size:]12    X_train = X[train_index]13    X_test = X[test_index]14    y_train = y[train_index]15    y_test = y[test_index]16    return X_train, X_test, y_train, y_testimport numpy as np 2from math import ceil 3 4def train_test_split(X, y, test_ratio=0.3, seed= None): 5    assert X.shape[0] == y.shape[0], 'X y 的行数要一样' 6    if seed: 7        np.random.seed(seed) 8    shuffle_index = np.random.permutation(len(X)) 9    test_size = ceil(len(X) * test_ratio)10    test_index = shuffle_index[:test_size]11    train_index = shuffle_index[test_size:]12    X_train = X[train_index]13    X_test = X[test_index]14    y_train = y[train_index]15    y_test = y[test_index]16    return X_train, X_test, y_train, y_test

这里添加了一个 assert 断言保证 X y 的行数一致。train_test_split 函数有四个参数：

test_ratio 是测试集比例，设置了一个默认值 0.3，意思就是当在 jupyter notebook 中调用这个函数的时候如果不指定该参数，它会默认设置为 0.3，如果想换一个比例了，手动设置这个参数就可以了。

seed = None 的意思是提供了一个随机种子选项，如果对随机结果没有要求，那么使用默认的 None 就可以，如果想固定一个随机结果，那么就需要设置该参数，比如前面我们设置了一个 321 ，任何一个数都可以，每个数的得出的随机结果不一样。

接着，将程序命名为 model_selection.py文件（跟 Sklearn 保持一致）存储到 .ipynb 目录的文件夹中，然后调用该函数即可。

可以看到和 Sklearn 一样，也只需要两行代码就可以调用我们自己写的封装函数了。如果你有练习过一些机器学习的案例，就知道这两行代码非常常见，但以前你可能只是机械地完成这个操作，不清楚它背后具体是怎么划分的，现在手写这个函数后，对这两行代码的含义就会有更清晰地认识。

另外说一个小知识点。如何在 jupyter notebook 中调用 .py程序，比较好的选择是把程序做成一个包再调用。

方法很简单，只需要程序同级目录下新建一个 __init__.py的空白程序就可以了。

文件目录层级如下：

1kNN/2    train_test_split.ipynb3    train_test/4        __init__.py5        model_selection.py2    train_test_split.ipynb3    train_test/4        __init__.py5        model_selection.py

__init__.py文件的作用是将程序所在的文件夹变成一个 Python 模块，事实上我们调用的 Python 模块，包中都有这样一个文件。

是不是不难理解？

这样我们把模型划分好了，完成了准备工作，接下来传给 kNN 模型预测出结果 y_predict ，然后跟 y_test 对比，就可以计算出模型分类的准确率如何，即模型能准确预测出多要红酒分类正确。

我们在下一篇文章中用两个实际数据集介绍如何计算 kNN 模型分类的准确率。

本文的 jupyter notebook 代码，可以在公众号后台回复「kNN3」得到，加油！

系列文章：

【从零开始学机器学习02】Sklearn 中的 kNN 封装算法

【从零开始学机器学习01】手写机器学习最简单的 kNN 算法