ROC曲线与AUC

ROC(Receiver Operating Characteristic)

AUC(Area Under Curve)

ROC与AUC常用来评价一个二值分类器(binary classifier)的优劣

1.ROC曲线：

只讨论二值分类器。对于分类器，或者说分类算法，评价指标主要有precision，recall，F-score，以及ROC和AUC。下图是一个ROC曲线的示例

ROC曲线的横坐标为false positive rate（FPR），纵坐标为true positive rate（TPR）

FPR：实例标签为0，被预测为错误的比例

TPR：实例标签为1，被预测为正确的比例

混淆矩阵：

TN：真实值为negative预测为正确（0，0）

FP：真实值为positive预测错误（0，1）

FN：真实值为negative预测错误（1，0）

TP：真实值为positive预测正确（1，1）

ROC曲线图中的四个点和一条线：

第一个点，(0,1)，即FPR=0, TPR=1，这意味着FN（false negative）=0，并且FP（false positive）=0，这是一个完美的分类器，它将所有的样本都正确分类

第二个点，(1,0)，即FPR=1，TPR=0，类似地分析可以发现这是一个最糟糕的分类器，因为它成功避开了所有的正确答案

第三个点，(0,0)，即FPR=TPR=0，即FP（false positive）=TP（true positive）=0，可以发现该分类器预测所有的样本都为负样本（negative）

第四个点（1,1），分类器实际上预测所有的样本都为正样本。

ROC曲线越接近左上角，该分类器的性能越好。

2.绘制ROC曲线

对于一个特定的分类器和测试数据集，显然只能得到一个分类结果，即一组FPR和TPR结果，而要得到一个曲线，我们实际上需要一系列FPR和TPR的值。

示例：

5个样本，真实的类别（标签）是y=c(1,1,0,0,1)

一个分类器预测样本为1的概率p=c(0.5,0.6,0.55,0.4,0.7)

我们需要选定阈值才能把概率转化为类别，如果我们选定阈值为0.1，那么5个样本被分进1的类别，如果选定0.3，结果仍然一样，如果选了0.45作为阈值那么只有样本4被分进0，其余的都进入1类，就可以计算FTR,PTR，把所有得到的所有FTR,PTR绘成线，就可以得到ROC曲线

我们根据每个测试样本属于正样本的概率值从大到小排序。下图是一个示例，图中共有20个测试样本，“Class”一栏表示每个测试样本真正的标签（p表示正样本，n表示负样本），“Score”表示每个测试样本属于正样本的概率

我们从高到低，依次将“Score”值作为阈值threshold，当测试样本属于正样本的概率大于或等于这个threshold时，我们认为它为正样本，否则为负样本。举例来说，对于图中的第4个样本，其“Score”值为0.6，那么样本1，2，3，4都被认为是正样本，因为它们的“Score”值都大于等于0.6，而其他样本则都认为是负样本。每次选取一个不同的threshold，我们就可以得到一组FPR和TPR，即ROC曲线上的一点。这样一来，我们一共得到了20组FPR和TPR的值，将它们画在ROC曲线的结果如下图：

当我们将threshold设置为1和0时，分别可以得到ROC曲线上的(0,0)和(1,1)两个点。将这些(FPR,TPR)对连接起来，就得到了ROC曲线。当threshold取值越多，ROC曲线越平滑。

3.AUC

AUC被定义为ROC曲线下的面积，显然这个面积的数值不会大于1。又由于ROC曲线一般都处于y=x这条直线的上方，所以AUC的取值范围在0.5和1之间。

使用AUC值作为评价标准是因为很多时候ROC曲线并不能清晰的说明哪个分类器的效果更好，而作为一个数值，对应AUC更大的分类器效果更好。

ROC曲线有个很好的特性：当测试集中的正负样本的分布变化的时候，ROC曲线能够保持不变。在实际的数据集中经常会出现类不平衡（class imbalance）现象，即负样本比正样本多很多（或者相反），而且测试数据中的正负样本的分布也可能随着时间变化。

a)和(c)为ROC曲线，(b)和(d)为Precision-Recall曲线。(a)和(b)展示的是分类其在原始测试集（正负样本分布平衡）的结果，(c)和(d)是将测试集中负样本的数量增加到原来的10倍后，分类器的结果。可以明显的看出，ROC曲线基本保持原貌，而Precision-Recall曲线则变化较大。

4.计算代码

import numpy as npimport pandas as pdimport matplotlib.pyplot as plt%matplotlib inlineparameter = 30data = pd.DataFrame(index = range(0,parameter),columns = ('probability','The true label'))data['The true label'] = np.random.randint(0,2,size = len(data))data['probability'] = np.random.choice(np.arange(0.1,1,0.1),len(data['probability']))data#random库随机生成数据cm = np.arange(4).reshape(2,2)cm[0,0] = len(data[data['The true label']==0][data['probability']<0.5])#TNcm[0,1] = len(data[data['The true label']==0][data['probability']>=0.5])#FPcm[1,0] = len(data[data['The true label']==1][data['probability']<0.5])#FNcm[1,1] = len(data[data['The true label']==1][data['probability']>=0.5])#TPimport itertools#自带classes = [0,1]plt.figure()plt.imshow(cm,interpolation='nearest',cmap=plt.cm.Blues)plt.title('Confusion matrix')#画方块tick_marks = np.arange(len(classes))plt.xticks(tick_marks,classes,rotation = 0)plt.yticks(tick_marks,classes)thresh = cm.max()/2for i,j in itertools.product(range(cm.shape[0]),range(cm.shape[1])):    plt.text(j,i,cm[i,j],horizontalalignment='center',color='white' if cm[i,j]>thresh else 'black')plt.tight_layout()plt.ylabel('True label')plt.xlabel('Predicted label')

data.sort_values('probability',inplace=True, ascending=False)#排序data

TPRandFPR = pd.DataFrame(index=range(len(data)),columns=('TP','FP'))for j in range(len(data)):    data1 = data.head(n=j+1)    FP=len(data1[data1['The true label']==0][data1['probability']>=data1.head(len(data1))['probability']])/float(len(data[data['The true label']==0]))    TP=len(data1[data1['The true label']==1][data1['probability']>=data1.head(len(data1))['probability']])/float(len(data[data['The true label']==1]))    TPRandFPR.iloc[j]=[TP,FP]TPRandFPR    

from sklearn.metrics import auc#threshold依次取0.9,0.9,0.9,0.8……AUC = auc(TPRandFPR['FP'],TPRandFPR['TP'])plt.scatter(x=TPRandFPR['FP'],y=TPRandFPR['TP'],label='(FPR,TPR)',color='b')plt.plot(TPRandFPR['FP'],TPRandFPR['TP'],'k',label='AUC=%0.2f'%AUC)plt.legend(loc='lower right')plt.title('Receiver Operting Characteristic')plt.plot((0,0),(1,1),'r--')plt.xlim([-0.01,1.01])plt.ylim([-0.01,1.01])plt.ylabel('True Positive Rate')plt.xlabel('False Positive Rate')plt.show()