Stata-Python交互-7：在Stata中实现机器学习-支持向量机

发布时间：2021-02-22 阅读 3596

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作者:吕卓阳（厦门大学）
E-Mail：lvzy20@163.com

致谢： 本文摘自以下文章，特此感谢！
Source： Chuck Huber, 2020, Stata/Python integration part 7: Machine learning with support vector machines, -Link-

Stata/Python 交互系列推文 源自 Stata 公司的统计项目总监 Chuck Huber 博士发表于 Stata 官网的系列博文，一共 9 篇。较为系统地介绍了 Stata 与 Python 的交互方式，包括：如何配置你的软件、如何实现 Stata 与 Python 数据集互通、如何调用 Python 工具包、如何进行机器学习分析等。

Part 1: Setting up Stata to use Python -Link-
Part 2: Three ways to use Python in Stata -Link-
Part 3: How to install Python packages -Link-
Part 4: How to use Python packages -Link-
Part 5: Three-dimensional surface plots of marginal predictions -Link-
Part 6: Working with APIs and JSON data -Link-
Part 7: Machine learning with support vector machines, -Link-
Part 8: Using the Stata Function Interface to copy data from Stata to Python, -Link-
Part 9: Using the Stata Function Interface to copy data from Python to Stata, -Link-

中文编译稿列表如下：

Stata16 已具有和 python 交互的功能，由此，我们可以在 Stata 中调用 python，也可以在 python 中读取 Stata 数据，从而实现“他山之石，可以攻玉”。本节我们将向大家介绍在 stata 中实现机器学习，我们将使用一个支持向量机（SVM）的栗子进行说明。

支持向量机（SVM）是一类按照监督学习方式进行二元分类的线性分类器，主要原理是求解最大间隔超平面，从而对样本进行二元分类。我们拟使用美国国家健康与营养调查数据（ NHANES）,调用 python 的 sklearn 模块在 stata 中应用机器学习以区分糖尿病患者。

1. 数据探索性分析

我们主要使用人口统计数据的年龄（age）、糖化血红蛋白（HbA1c）作为特征，使用是否是糖尿病（diabetes）作为因变量，经过数据的预处理与合并后，我们得到样本的初步描述。

. list in 1/5

     +------------------------+
     | diabetes   HbA1c   age |
     |------------------------|
  1. |        1       7    62 |
  2. |        0     5.5    53 |
  3. |        1     5.8    78 |
  4. |        0     5.6    56 |
  5. |        0     5.6    42 |
     +------------------------+

我们按照因变量分组统计，得到样本的初步描述，87.49%的患者未患有糖尿病，12.51%的患者患有糖尿病。

. tabulate diabetes

Doctor told |
   you have |
   diabetes |      Freq.     Percent        Cum.
------------+-----------------------------------
          0 |      5,531       87.49       87.49
          1 |        791       12.51      100.00
------------+-----------------------------------
      Total |      6,322      100.00

接下来，我们对原始数据进行绘制，我们试图探查不同特征是否可以区分患者是否有糖尿病，由此，我们调用 python 的 matplotlib 模块进行绘图。在 stata 中调用 python 可以参见stata 的代码文档,安装好之后，在命令窗口内输入 python 即可调用 python，以 end 作为 python 代码的结束。我们使用 python 来进行绘图，我们将糖化血红蛋白作为 y 轴、年龄作为 x 轴，蓝色点为未患有糖尿病的样本点，红色点为患有糖尿病的样本点。

python:
# Import the necessary packages
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.colors as mcolors

# Read the Stata dataset into Python
data = pd.read_stata('diabetes.dta',
convert_categoricals=False,
preserve_dtypes=True,
convert_missing=False)

# Define the feature matrix (independent variables)
# and the target variable (dependent variable)
X = data[['age','HbA1c']]
y = data['diabetes']

# Plot the raw data
plt.scatter(X['age'], X['HbA1c'],
c=y,
cmap = mcolors.ListedColormap(["navy", "darkred"]))
plt.xlabel('Age (years)')
plt.ylabel('HbA1c')
plt.xticks((12,20,30,40,50,60,70,80))
plt.yticks((4,6,8,10,12,14,16))
plt.title('Diabetes status by Age and HbA1c')
plt.show()
# Save the graph
plt.savefig("scatterplot.png")
end

按照年龄与糖化血红蛋白区分的糖尿病患者由图中显示，患有糖尿病的人往往年龄较大、糖化血红蛋白的水平较高。

2. 使用交叉验证来拟合最优 SVM 模型

接下来，我们使用 python 的 sklearn 模块来进行机器学习建模，我们首先按照 40%与 60%的比例随机划分测试集与训练集。

python:
from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.4,
random_state=0)
end

其次，我们使用交叉验证的方法来拟合最优的 SVM 模型，我们需要寻找到最优的核函数（kernel）、度（degree）和正则化参数（regularization parameter C），我们在此对 SVM 模型的基本概念不加以赘述，可以参加过往的推送来更深入的了解 SVM 模型。

我们使用“k-折交叉验证”的技术，把训练组划分为 k 个子组，在 k-1 个子组上训练 SVM 模型，在第 k 个子组上测试模式，我们重复 k 次使每个子组都作为测试组，然后，我们将计算的结果计算平均值，选择拟合度度最好的模型参数作为真正拟合的参数。调用 python 的 sklearn 模块代码如下：

python:
from sklearn import svm
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

# Do a grid search for the parameters "degree" and "C" using 10-fold
# cross-validation
model = svm.SVC(kernel='poly')
parameters = {'degree':[1,2,3], 'C':[1,2,3]}
poly_svc = GridSearchCV(model,
parameters,
cv=10,
scoring='accuracy').fit(X_train, y_train)

# Display the parameters that yield the best-fitting model
poly_svc.fit(X_train,y_train)
print(poly_svc.best_params_)
end

由结果可知，我们选取正则化参数（C）为 3、度（degree）为 3 的 SVM 拟合效果最好，由此，我们将 poly_svc 的模型作为拟合测试集的模型。

>>> poly_svc.fit(X_train,y_train)
GridSearchCV(cv=10, estimator=SVC(kernel='poly'),
             param_grid={'C': [1, 2, 3], 'degree': [1, 2, 3]},
             scoring='accuracy')
>>> print(poly_svc.best_params_)
{'C': 3, 'degree': 3}

3. 在测试集上拟合模型

通过交叉验证法拟合到最优的 SVM 模型后，我们在测试集上进行拟合，并展示模型的准确性。

# Fit the SVM model using the parameters selected from the grid search
poly_svc = svm.SVC(kernel='poly', degree=3, C=3).fit(X_train, y_train)
scores = cross_val_score(poly_svc, X_test, y_test, cv=10, scoring='accuracy')
print("Accuracy: %0.2f (+/- %0.2f)" % (scores.mean(), scores.std() * 2))

>>> Accuracy: 0.93 (+/- 0.03)

由结果可知，使用 SVM 模型拟合的准确度为 93%。接下来我们对拟合结果进行绘图。

4. 结论

我们通过在 stata 中调用 python，实现了使用 SVM 算法将样本划分为糖尿病患者与非糖尿病患者，我们将测试集数据按照 93%的正确率来分类，我们也可以调用 python 的其他模型来进行机器学习，譬如随机森林、logi 回归等，总之，stata16 与 python 的交互实现了软件间功能的互通，为我们的学习与研究增添了一大有利工具。

5. 参考资料

Chuck Huber, 2020, Stata/Python integration part 7: Machine learning with support vector machines, -Link-
田原，连享会推文，支持向量机：Stata 和 Python 实现.

6. 相关推文

Note：产生如下推文列表的命令为：
lianxh Stata Python +
安装最新版 lianxh 命令：
ssc install lianxh, replace

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Stata-Python交互-7：在Stata中实现机器学习-支持向量机

1. 数据探索性分析

2. 使用交叉验证来拟合最优 SVM 模型

3. 在测试集上拟合模型

4. 结论

5. 参考资料

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