调整模型预测概率阈值优化性能,是否会影响SHAP值计算?

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本节介绍: 调整模型预测概率阈值优化性能,是否会影响SHAP值计算 ,作者根据个人对机器学习的理解进行代码实现与图表输出,仅供参考。 完整 数据和代码将在稍后上传至交流群,成员可在交流群中获取下载。需要的朋友可关注公众文末提供的获取方式。 获取 前请咨询,避免不必要的问题。

✨ 前言 ✨

假设我们有一个二分类模型,我们可以将整个过程拆解如下:

  • 计算原始分数 :模型内部根据所有规则(如果是树模型就是决策树的结构),为每个样本计算一个原始的、连续的分数。这个分数可以是任何实数(比如-2.5, 0.8, 1.5等)。 这是模型最核心的、可加性的输出。 SHAP值解释的就是每个特征如何贡献于这个原始分数,SHAP_特征A + SHAP_特征B + ... + 模型基准值 = 模型的原始分数
  • 转换为概率 :为了让结果更容易理解,模型会使用一个链接函数(通常是Sigmoid函数)将这个无限范围的原始分数映射到 (0, 1) 区间内,形成我们所说的概率,概率 = Sigmoid(原始分数),这个转换是单调的(原始分数越高,概率越高),但不是线性的
  • 应用阈值进行分类 :最后,应用一个阈值(默认是0.5)来将这个概率转换成一个最终的、离散的类别(0或1)

SHAP 解释的是哪一步(以树模型为例)?

  • shap.TreeExplainer 主要在第1步。计算每个特征对“原始分数”的贡献值。这是最准确、最符合其理论基础的解释
  • SHAP库为了方便我们理解,通常会将这些基于“原始分数”的SHAP值和模型的基准值自动转换到“概率”空间(第 2 步)来展示。所以图上显示的可能是对概率的影响,但其底层计算是基于原始分数的

为什么不解释第 3 步?因为第 3 步(应用阈值)是一个人为设定的、不连续的决策规则(默认0.5) ,它不是模型学习到的复杂关系的一部分,所以调整模型预测概率阈值优化性能,不会影响SHAP值计算,但是会影响模型的预测结果类别,接下来从代码角度来看

✨ 代码实现 ✨

  
import pandas as pd  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt  
plt.rcParams['font.family'] = 'Times New Roman'  
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  
import warnings  
# 忽略所有警告  
warnings.filterwarnings("ignore")  
from sklearn.model_selection import train_test_split  
df = pd.read_excel('2025-1-23公众号Python机器学习AI.xlsx')  
# 划分特征和目标变量  
X = df.drop(['y'], axis=1)  
y = df['y']  
# 划分训练集和测试集  
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3,   
                                                    random_state=42, stratify=df['y'])  
  
from xgboost import XGBClassifier  
from sklearn.model_selection import GridSearchCV, StratifiedKFold  
from sklearn.metrics import accuracy_score  
  
# 定义 XGBoost 二分类模型  
model_xgb = XGBClassifier(use_label_encoder=False, eval_metric='logloss', random_state=8)  
  
# 定义参数网格  
param_grid = {  
    'n_estimators': [50, 100, 200],  
    'max_depth': [3, 5, 7],  
    'learning_rate': [0.01, 0.1, 0.2],  
    'subsample': [0.8, 1.0],  
    'colsample_bytree': [0.8, 1.0]  
}  
  
# 定义 K 折交叉验证 (Stratified K-Fold)  
kfold = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=8)  
  
# 使用网格搜索寻找最佳参数  
grid_search = GridSearchCV(estimator=model_xgb, param_grid=param_grid, scoring='accuracy',  
                           cv=kfold, verbose=1, n_jobs=-1)  
  
# 拟合模型  
grid_search.fit(X_train, y_train)  
# 使用最优参数训练模型  
xgboost = grid_search.best_estimator_

使用XGBoost的网格搜索(GridSearchCV)和5折Stratified K-Fold交叉验证来调优模型超参数,并在默认的0.5概率阈值下训练一个二分类模型,最终选择最佳超参数进行训练

  
# 获取模型对测试集的预测概率  
probabilities = xgboost.predict_proba(X_test)  
  
# 获取真实标签  
true_labels = y_test.values  
# 初始化列表以存储TSS值  
tss_values = []  
  
# 定义阈值范围  
thresholds = np.linspace(0, 1, 101)  
  
# 计算不同阈值下的TSS  
for threshold in thresholds:  
    # 计算预测标签  
    predicted_labels = (probabilities[:, 1] > threshold).astype(int)  
  
    # 计算混淆矩阵  
    tn, fp, fn, tp = confusion_matrix(true_labels, predicted_labels).ravel()  
  
    # 计算灵敏度(Sensitivity)和特异度(Specificity)  
    sensitivity = tp / (tp + fn)  
    specificity = tn / (tn + fp)  
  
    # 计算TSS  
    tss = sensitivity + specificity - 1  
    tss_values.append(tss)  
  
# 转换TSS值为数组  
tss_values = np.array(tss_values)  
  
# 找到最大TSS对应的阈值  
max_tss = tss_values.max()  
optimal_threshold = thresholds[np.argmax(tss_values)]  
  
# 绘制TSS vs 阈值图  
plt.figure(figsize=(8, 6), dpi=1200)  
plt.plot(thresholds, tss_values, color='blue', label='Smoothed TSS')  
plt.axhline(y=max_tss, color='red', linestyle='--', label=f'Max TSS: {max_tss:.4f}')  
plt.axvline(x=optimal_threshold, color='green', linestyle='--', label=f'Optimal Threshold: {optimal_threshold:.4f}')  
  
# 在最佳阈值的位置标出交点  
plt.scatter(optimal_threshold, max_tss, color='green', zorder=5)  
plt.text(optimal_threshold, max_tss, f'({optimal_threshold:.4f}, {max_tss:.4f})',   
         color='green', horizontalalignment='left', verticalalignment='bottom')  
  
plt.xlabel('Threshold', fontsize=14, fontweight='bold')  
plt.ylabel('TSS', fontsize=14, fontweight='bold')  
plt.title('TSS vs Threshold', fontsize=16, fontweight='bold')  
plt.legend(fontsize=12)  
plt.savefig("2.pdf", format='pdf', bbox_inches='tight')  
plt.show()

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这里计算并绘制TSS (True Skill Statistic)随着不同概率阈值变化的曲线,从而找到最佳的分类阈值。TSS是一个评估二分类模型性能的指标,结合了 灵敏度(Sensitivity)和 特异度(Specificity),它通常用于评估模型的分类能力,尤其是在不均衡数据集中,最终的图形显示不同阈值下的 TSS 值,并标出了最大TSS 对应的阈值和该点的坐标。这可以帮助选择最合适的阈值,以便获得最佳的分类性能,这里最佳的阈值为0.14

  
# best_model_from_grid_search 是通过网格搜索获得的最佳模型  
best_model_from_grid_search = grid_search.best_estimator_  
  
# 定义 CustomXGBClassifier 类  
class CustomXGBClassifier(XGBClassifier):  
    def __init__(self, best_model, optimal_threshold=0.5, *args, **kwargs):  
        super().__init__(*args, **kwargs)  
        self.best_model = best_model  
        self.optimal_threshold = optimal_threshold  # 设置最优阈值  
  
    def fit(self, X, y, *args, **kwargs):  
        # 训练模型  
        self.best_model.fit(X, y, *args, **kwargs)  
        return self  # 返回训练后的模型  
  
    def predict(self, X):  
        # 使用训练好的模型预测概率,并应用最优阈值  
        probabilities = self.best_model.predict_proba(X)  
        return (probabilities[:, 1] > self.optimal_threshold).astype(int)  
  
    def predict_proba(self, X):  
        return self.best_model.predict_proba(X)  
  
# 初始化自定义 XGB 模型,并传入最佳模型和最优阈值  
custom_xgb = CustomXGBClassifier(best_model=best_model_from_grid_search, optimal_threshold=optimal_threshold)  
# 训练模型,并确保训练时模型使用的是 optimal_threshold  
custom_xgb.fit(X_train, y_train)

定义一个自定义的CustomXGBClassifier类,通过传入网格搜索获得的最佳模型和最优阈值,使得在使用custom_xgb进行预测时,预测的概率阈值为0.14,而不是默认的0.5,意味着当预测概率大于0.14时,模型预测为类别1;否则预测为类别0,接下来绘制不同阈值下两个模型的混淆矩阵

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两个混淆矩阵展示XGBoost模型在不同阈值下的分类表现。使用默认的0.5阈值时,模型在对于少数类样本预测精确度为64%;而使用较低的0.14阈值时,模型倾向于预测更多的少数类样本,提升了少数类样本的灵敏度,但也增加了假正例的数量,导致特异度下降。阈值的选择直接影响模型的分类效果,需根据背景需求做出调整,当然除了这种方法还有其它方法来衡量这个阈值的确定,这里主要是想说明

整模型预测概率阈值优化性能,不会影响SHAP值计算,但是会影响模型的预测结果类别,接下来简单进行一个SHAP可视化

  
import shap  
explainer = shap.TreeExplainer(xgboost)  
shap_values = explainer.shap_values(X_test)  
shap_values_for_first_sample = shap_values[0]  # 从 SHAP 值数组中选择第1个样本的 SHAP 值  
feature_names = X_test.columns  # 获取 X_test 数据集的列名,即特征名称  
original_values = X_test.iloc[1]  # 获取 X_test 中第 1 行的数据作为原始特征值  
# 获取 SHAP 解释器的基准值(expected_value)  
base_value = explainer.expected_value  # 这是 SHAP 模型的期望值,通常是背景分布的平均值  
# 绘制 SHAP 决策图  
plt.figure(figsize=(10, 5), dpi=1200)    
shap.decision_plot(base_value, shap_values_for_first_sample, original_values, show=False, link='logit')  
plt.savefig("4.pdf", format='pdf', bbox_inches='tight')  
plt.tight_layout()  
plt.show()

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使用 SHAP 库的 TreeExplainer 来解释XGBoost模型对测试集样本的预测,并绘制SHAP 决策图 。通过决策图,可以看到模型输出的预测概率与每个特征的SHAP值的贡献之间的关系。在这个图中,顶部的颜色映射条表示模型预测的概率,遵循 SHAP 的加法模型形式:SHAP_特征A + SHAP_特征B + ... + 基准值 = 模型原始分数 ,其中原始分数是指预测概率,而非最终的分类输出(0 或 1)。因此,调整预测阈值只会影响最终的分类结果(0 或 1),而不会影响预测概率,也不会影响 SHAP 值的计算,当然这里有个参数link='logit',为什么使用这个参数可以参考往期文章——理解 SHAP 值:如何根据模型性质正确解释 XGBoost 与随机森林的结果

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