协方差椭球的线性和二次判别分析

这个例子画出了由LDA和QDA学习的每个类的协方差椭球面和决策边界。椭圆显示每个类的双标准偏差。对于LDA,所有类的标准偏差是相同的,然而对于QDA, 而每个类都有自己的标准偏差。

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from scipy import linalg
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl
from matplotlib import colors

from sklearn.discriminant_analysis import LinearDiscriminantAnalysis
from sklearn.discriminant_analysis import QuadraticDiscriminantAnalysis

# #############################################################################
# Colormap
cmap = colors.LinearSegmentedColormap(
    'red_blue_classes',
    {'red': [(011), (10.70.7)],
     'green': [(00.70.7), (10.70.7)],
     'blue': [(00.70.7), (111)]})
plt.cm.register_cmap(cmap=cmap)


# #############################################################################
# Generate datasets
def dataset_fixed_cov():
    '''Generate 2 Gaussians samples with the same covariance matrix'''
    n, dim = 3002
    np.random.seed(0)
    C = np.array([[0.-0.23], [0.83.23]])
    X = np.r_[np.dot(np.random.randn(n, dim), C),
              np.dot(np.random.randn(n, dim), C) + np.array([11])]
    y = np.hstack((np.zeros(n), np.ones(n)))
    return X, y


def dataset_cov():
    '''Generate 2 Gaussians samples with different covariance matrices'''
    n, dim = 3002
    np.random.seed(0)
    C = np.array([[0.-1.], [2.5.7]]) * 2.
    X = np.r_[np.dot(np.random.randn(n, dim), C),
              np.dot(np.random.randn(n, dim), C.T) + np.array([14])]
    y = np.hstack((np.zeros(n), np.ones(n)))
    return X, y


# #############################################################################
# Plot functions
def plot_data(lda, X, y, y_pred, fig_index):
    splot = plt.subplot(22, fig_index)
    if fig_index == 1:
        plt.title('Linear Discriminant Analysis')
        plt.ylabel('Data with\n fixed covariance')
    elif fig_index == 2:
        plt.title('Quadratic Discriminant Analysis')
    elif fig_index == 3:
        plt.ylabel('Data with\n varying covariances')

    tp = (y == y_pred)  # True Positive
    tp0, tp1 = tp[y == 0], tp[y == 1]
    X0, X1 = X[y == 0], X[y == 1]
    X0_tp, X0_fp = X0[tp0], X0[~tp0]
    X1_tp, X1_fp = X1[tp1], X1[~tp1]

    # class 0: dots
    plt.scatter(X0_tp[:, 0], X0_tp[:, 1], marker='.', color='red')
    plt.scatter(X0_fp[:, 0], X0_fp[:, 1], marker='x',
                s=20, color='#990000')  # dark red

    # class 1: dots
    plt.scatter(X1_tp[:, 0], X1_tp[:, 1], marker='.', color='blue')
    plt.scatter(X1_fp[:, 0], X1_fp[:, 1], marker='x',
                s=20, color='#000099')  # dark blue

    # class 0 and 1 : areas
    nx, ny = 200100
    x_min, x_max = plt.xlim()
    y_min, y_max = plt.ylim()
    xx, yy = np.meshgrid(np.linspace(x_min, x_max, nx),
                         np.linspace(y_min, y_max, ny))
    Z = lda.predict_proba(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z[:, 1].reshape(xx.shape)
    plt.pcolormesh(xx, yy, Z, cmap='red_blue_classes',
                   norm=colors.Normalize(0.1.), zorder=0)
    plt.contour(xx, yy, Z, [0.5], linewidths=2., colors='white')

    # means
    plt.plot(lda.means_[0][0], lda.means_[0][1],
             '*', color='yellow', markersize=15, markeredgecolor='grey')
    plt.plot(lda.means_[1][0], lda.means_[1][1],
             '*', color='yellow', markersize=15, markeredgecolor='grey')

    return splot


def plot_ellipse(splot, mean, cov, color):
    v, w = linalg.eigh(cov)
    u = w[0] / linalg.norm(w[0])
    angle = np.arctan(u[1] / u[0])
    angle = 180 * angle / np.pi  # convert to degrees
    # filled Gaussian at 2 standard deviation
    ell = mpl.patches.Ellipse(mean, 2 * v[0] ** 0.52 * v[1] ** 0.5,
                              180 + angle, facecolor=color,
                              edgecolor='black', linewidth=2)
    ell.set_clip_box(splot.bbox)
    ell.set_alpha(0.2)
    splot.add_artist(ell)
    splot.set_xticks(())
    splot.set_yticks(())


def plot_lda_cov(lda, splot):
    plot_ellipse(splot, lda.means_[0], lda.covariance_, 'red')
    plot_ellipse(splot, lda.means_[1], lda.covariance_, 'blue')


def plot_qda_cov(qda, splot):
    plot_ellipse(splot, qda.means_[0], qda.covariance_[0], 'red')
    plot_ellipse(splot, qda.means_[1], qda.covariance_[1], 'blue')


plt.figure(figsize=(108), facecolor='white')
plt.suptitle('Linear Discriminant Analysis vs Quadratic Discriminant Analysis',
             y=0.98, fontsize=15)
for i, (X, y) in enumerate([dataset_fixed_cov(), dataset_cov()]):
    # Linear Discriminant Analysis
    lda = LinearDiscriminantAnalysis(solver="svd", store_covariance=True)
    y_pred = lda.fit(X, y).predict(X)
    splot = plot_data(lda, X, y, y_pred, fig_index=2 * i + 1)
    plot_lda_cov(lda, splot)
    plt.axis('tight')

    # Quadratic Discriminant Analysis
    qda = QuadraticDiscriminantAnalysis(store_covariance=True)
    y_pred = qda.fit(X, y).predict(X)
    splot = plot_data(qda, X, y, y_pred, fig_index=2 * i + 2)
    plot_qda_cov(qda, splot)
    plt.axis('tight')
plt.tight_layout()
plt.subplots_adjust(top=0.92)
plt.show()

脚本的总运行时间:(0分0.402秒)

Download Python source code: plot_lda_qda.py

Download Jupyter notebook: plot_lda_qda.ipynb