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【机器学习】超参数调优指南：交叉验证，网格搜索，混淆矩阵——基于鸢尾花与数字识别案例的深度解析

news 来源：原创 2025/5/10 1:17:15

一、前言：为何要学交叉验证与网格搜索？

大家好！在机器学习的道路上，我们经常面临一个难题：模型调参。比如在 KNN 算法中，选择多少个邻居（n_neighbors）直接影响预测效果。

• 蛮力猜测：就像在厨房随便“加盐加辣椒”，不仅费时费力，还可能把菜搞砸。

• 交叉验证 + 网格搜索：更像是让你请来一位“大厨”，提前试好所有配方，帮你挑选出最完美的“调料搭配”。

交叉验证与网格搜索的组合，能让你在众多超参数组合中自动挑选出最佳方案，从而让模型预测达到“哇塞，这也太准了吧！”的境界。

二、概念扫盲：交叉验证 & 网格搜索

1. 交叉验证（Cross-Validation）

核心思路：

• 分组品尝：将整个数据集平均分成若干份（比如分成 5 份，即“5折交叉验证”）。

• 轮流担任评委：每次选取其中一份作为“验证集”（就像让这部分数据来“评委打分”），剩下的作为“训练集”来训练模型。

• 集体评定：重复多次，每一份都轮流担任验证集，然后把所有“评分”取平均，作为模型在数据集上的最终表现。

好处：

• 每个样本都有机会既当“选手”又当“评委”，使得评估结果更稳定、可靠。

• 避免单一划分带来的偶然性，确保你调出来的参数在不同数据切分下都表现良好。

2. 网格搜索（Grid Search）

核心思路：

• 列出所有可能：将你想尝试的超参数组合“罗列成一个表格（网格）”。

• 自动试菜：每种组合都进行一次完整的模型训练和评估，记录下它们的表现。

• 选出最佳配方：最后找出在交叉验证中表现最好的超参数组合。

好处：

• 自动化、系统化地寻找最佳参数组合，避免你手动“胡乱猜测”。

• 和交叉验证结合后，每个参数组合都经过了多次评估，结果更稳健。

3. 网格搜索 + 交叉验证

这两者结合就像“炼丹”高手的秘诀：

• 交叉验证解决了“数据切分”的问题，让评估更准确；

• 网格搜索解决了“超参数组合”问题，帮你遍历所有可能性。

合体后，你就能轻松找到最优超参数，让模型发挥出最佳性能！

三、案例一：鸢尾花数据集 + KNN + 交叉验证网格搜索

3.1 数据集介绍

• 数据来源：scikit-learn 内置的 load_iris

• 特征：萼片长度、萼片宽度、花瓣长度、花瓣宽度

• 目标：根据花的外部特征预测其所属的鸢尾花种类

3.2 代码示例

下面代码展示如何在鸢尾花数据集上使用 KNN 算法，并通过 GridSearchCV（交叉验证+网格搜索）自动调优 n_neighbors 参数：

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split, GridSearchCV
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score

def iris_knn_cv():
    """
    使用KNN算法在鸢尾花数据集上进行分类，并通过网格搜索+交叉验证寻找最优超参数。
    """
    # 1. 加载数据
    iris = load_iris()
    X = iris.data      # 特征矩阵，包含四个特征
    y = iris.target    # 标签，分别代表三种鸢尾花

    # 2. 划分训练集和测试集
    # test_size=0.2 表示 20% 的数据用于测试，保证测试结果具有代表性
    # random_state=22 固定随机数种子，确保每次运行划分一致
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
        X, y, test_size=0.2, random_state=22
    )

    # 3. 数据标准化
    # 标准化可使各特征均值为0、方差为1，消除量纲影响（对于基于距离的KNN非常重要）
    scaler = StandardScaler()
    X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
    X_test_scaled = scaler.transform(X_test)

    # 4. 构建KNN模型及参数调优
    knn = KNeighborsClassifier()  # 初始化KNN模型

    # 4.1 设置网格搜索参数范围：尝试不同的邻居数
    param_grid = {
        'n_neighbors': [1, 3, 5, 7, 9]
    }

    # 4.2 进行网格搜索 + 交叉验证（5折交叉验证）
    grid_search = GridSearchCV(
        estimator=knn,        # 待调参的模型
        param_grid=param_grid,  # 超参数候选列表
        cv=5,                 # 5折交叉验证：将训练集分为5个子集，每次用1个子集验证，其余4个训练
        scoring='accuracy',   # 以准确率作为评估指标
        n_jobs=-1             # 使用所有CPU核心并行计算
    )
    grid_search.fit(X_train_scaled, y_train)  # 自动遍历各参数组合并评估

    # 4.3 输出网格搜索结果
    print("最佳交叉验证分数：", grid_search.best_score_)
    print("最优超参数组合：", grid_search.best_params_)
    print("最优模型：", grid_search.best_estimator_)

    # 5. 模型评估：用测试集评估最优模型的泛化能力
    best_model = grid_search.best_estimator_
    y_pred = best_model.predict(X_test_scaled)
    acc = accuracy_score(y_test, y_pred)
    print("在测试集上的准确率：{:.2f}%".format(acc * 100))

    # 6. 可视化（选做）：可进一步绘制混淆矩阵或学习曲线

# 直接调用函数进行测试
if __name__ == "__main__":
    iris_knn_cv()

输出：

3.3 结果解读

• 最佳交叉验证分数：表示在5折交叉验证过程中，所有参数组合中平均准确率最高的值。

• 最优超参数组合：显示在候选参数 [1, 3, 5, 7, 9] 中哪个 n_neighbors 的效果最好。

• 测试集准确率：验证模型在未见数据上的表现，反映其泛化能力。

通过这个案例，你可以看到交叉验证网格搜索如何自动帮你“挑菜”选料，让 KNN 模型在鸢尾花分类任务上达到最佳表现。

四、案例二：手写数字数据集 + KNN + 交叉验证网格搜索

4.1 数据集介绍

• 数据来源：scikit-learn 内置的 load_digits

• 特征：每张 8×8 像素的手写数字图像被拉伸成64维特征向量

• 目标：识别图片中数字所属类别（0～9）

4.2 代码示例

下面代码展示如何在手写数字数据集上使用 KNN 算法，并通过交叉验证网格搜索调优参数：

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import load_digits        # 导入手写数字数据集（内置于 scikit-learn）
from sklearn.model_selection import train_test_split, GridSearchCV
from sklearn.preprocessing import StandardScaler  # 导入数据标准化工具
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  # 导入KNN分类器
from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix
import seaborn as sns  # 导入 seaborn，用于绘制更美观的图表

def digits_knn_cv():
    """
    使用KNN算法在手写数字数据集上进行分类，并通过网格搜索+交叉验证寻找最优超参数。
    """
    # 1. 加载数据
    digits = load_digits()  # 从scikit-learn加载内置手写数字数据集
    X = digits.data         # 特征数据，形状为 (1797, 64)，每一行对应一张图片的64个像素值
    y = digits.target       # 目标标签，共10个类别（数字 0 到 9）
    
    # 2. 数据可视化：展示前5张图片及其标签
    # 创建一个1行5列的子图区域，图像尺寸为10x2英寸
    fig, axes = plt.subplots(1, 5, figsize=(10, 2))
    for i in range(5):
        # 显示第 i 张图片，使用灰度图（cmap='gray'）
        axes[i].imshow(digits.images[i], cmap='gray')
        # 设置每个子图的标题，显示该图片对应的标签
        axes[i].set_title("Label: {}".format(digits.target[i]))
        # 关闭坐标轴显示（避免坐标信息干扰视觉效果）
        axes[i].axis('off')
    plt.suptitle("手写数字数据集示例")  # 为整个图表添加一个总标题
    plt.show()  # 显示图表
    
    # 3. 数据划分 + 标准化
    # 将数据划分为训练集和测试集，其中测试集占20%，random_state保证每次划分一致
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
        X, y, test_size=0.2, random_state=42
    )
    # 初始化标准化工具，将特征数据转换为均值为0、方差为1的标准正态分布
    scaler = StandardScaler()
    # 仅在训练集上拟合标准化参数，并转换训练集数据
    X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
    # 使用相同的转换参数转换测试集数据（避免数据泄露）
    X_test_scaled = scaler.transform(X_test)
    
    # 4. 构建KNN模型及网格搜索调参
    knn = KNeighborsClassifier()  # 初始化KNN分类器，暂未指定 n_neighbors 参数
    # 定义一个字典，列出希望尝试的超参数组合
    # 这里我们测试不同邻居数的效果：[1, 3, 5, 7, 9]
    param_grid = {
        'n_neighbors': [1, 3, 5, 7, 9]
    }
    # 初始化网格搜索对象，结合交叉验证
    grid_search = GridSearchCV(
        estimator=knn,         # 需要调参的KNN模型
        param_grid=param_grid, # 超参数候选组合
        cv=5,                  # 5折交叉验证，将训练数据分成5份，每次用4份训练，1份验证
        scoring='accuracy',    # 使用准确率作为模型评估指标
        n_jobs=-1              # 并行计算，使用所有可用的CPU核心加速计算
    )
    # 在标准化后的训练集上进行网格搜索，自动尝试所有参数组合，并进行交叉验证
    grid_search.fit(X_train_scaled, y_train)
    
    # 5. 输出网格搜索调参结果
    # 打印在交叉验证中获得的最佳平均准确率
    print("手写数字 - 最佳交叉验证分数：", grid_search.best_score_)
    # 打印获得最佳结果时所使用的超参数组合，例如 {'n_neighbors': 3}
    print("手写数字 - 最优超参数组合：", grid_search.best_params_)
    # 打印最佳模型对象，该模型已使用最优参数重新训练
    best_model = grid_search.best_estimator_
    
    # 6. 模型评估：用测试集评估模型效果
    # 使用最优模型对测试集进行预测
    y_pred = best_model.predict(X_test_scaled)
    # 计算测试集上的准确率
    acc = accuracy_score(y_test, y_pred)
    print("手写数字 - 测试集准确率：{:.2f}%".format(acc * 100))
    
    # 7. 可视化混淆矩阵（直观展示各数字分类效果）
    # 混淆矩阵能够显示真实标签与预测标签之间的对应关系
    cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)
    plt.figure(figsize=(6, 5))
    # 使用 seaborn 的 heatmap 绘制混淆矩阵，annot=True 表示在每个单元格中显示数字
    sns.heatmap(cm, annot=True, cmap='Blues', fmt='d')
    plt.title("手写数字 - 混淆矩阵")
    plt.xlabel("预测值")
    plt.ylabel("真实值")
    plt.show()

# 直接调用函数进行测试
if __name__ == "__main__":
    digits_knn_cv()

输出：