2012年12月8日土曜日

Rで線形判別分析

フィッシャーの線形判別分析(LDA:Linear Discriminant Analysis)と呼ばれる手法についての簡単な紹介。

2群(実際には3つ以上のときもあるが)の線形判別分析というのは、あるデータに対し、それが2群のどちらに属するかを正負により判定する線形式で与えるというものである。正なら群1、負なら群2というように分けられる。今回は、Rのirisデータにある「がく幅、がく長」の2つが与えられたときに、それがSetosa、Versicolorのどちらに属するか判定するという、一番基本的な線形判別のコードを試してみた。

アルゴリズムに関しては、Wikipedia(信頼しすぎてはいけないが)の判別分析の項目に見ることができる。さて、RのMASSパッケージには線形判別のための関数が用意されているので、これを利用することにする。

library(MASS)

set.seed(1)
iris2 <- iris[1:100,c(1,2,5)] # がく長、がく幅列とsetosaとversicolorが含まれる行のみを使う
# 学習用データと検証用データにデータを分ける
mdl.idx <- sample(1:100, 50, rep=F)
# iris2の種類の水準にvirginicaが残っているため警告がでる
mdl <- lda(Species~., data=iris2[mdl.idx,]) # 線形判別モデル
# モデルに検証用データを突っ込む
result <- predict(mdl, iris2[-mdl.idx,])

xr <- range(iris2[,1]) # 描画範囲の設定
yr <- range(iris2[,2])
# 学習用データの描画
plot(iris2[mdl.idx,1], iris2[mdl.idx,2], col=iris2[mdl.idx,3], 
     xlim=xr, ylim=yr, xlab=names(iris)[1], ylab=names(iris)[2])
par(new=T)
# 検証用データの描画
plot(iris2[-mdl.idx,1], iris2[-mdl.idx,2], col=iris2[-mdl.idx,3],
     xlim=xr, ylim=yr, xlab="", ylab="", pch=2)
title("irisデータの線形判別")
# グラフに凡例を追加
leg <- c("train:setosa", "train:versicolor", "test:setosa", "test:versicolor")
legend(6.4, 4.3, leg, pch=c(1,1,2,2), col=c(1,2,1,2))
# 線形判別直線の描画範囲設定
xc <- seq(min(xr), 6.3, length=100)
# 判別直線の定数項は計算が必要(applyの結果が定数に相当する)
yc <- (apply(mdl$means %*% mdl$scaling, 2, mean)/mdl$scaling[2] 
       - mdl$scaling[1]/mdl$scaling[2] * xc )
points(x=xc, y=yc, type="l", col="green", lwd=2) # 判別の境界線描画
par(new=F)

注意しなければいけないのは、線形判別直線を引くところである。単純に実行すると、

y = -apply(mdl$means %*% mdl$scaling, 2, mean) + mdl$scaling[1]*がく長 + mdl$scaling[2]*がく幅

という判別式が作成されるので、がく幅=の形に変形してxc(がく長)からyc(がく幅)を計算している。変形する際は、境界を考えているので、y=0になることにも注意。

上のコードを実行すると次のような結果が得られる。ちょっと際どいデータもあるが、概ね完全な分離ができているといっても良いであろう。 線形判別分析結果

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