De la qualité d’un classifieur

On va profiter de la quarantaine pour mettre en ligne un billet sur la courbe ROC, la receiver operating characteristic. Considérons une petite base de données avec n=10 observations, deux variables continues, x_1 et x_2, et la variable d’intérêt binaire y\in\{0,1\}. On peut représenter les points dans le plan (x_1,x_2), et on utilise une couleur différente pour y\in\{0,1\}.

x1 = c(.4,.55,.65,.9,.1,.35,.5,.15,.2,.85)
x2 = c(.85,.95,.8,.87,.5,.55,.5,.2,.1,.3)
y = c(1,1,1,1,1,0,0,1,0,0)
df = data.frame(x1=x1,x2=x2,y=as.factor(y))
plot(x1,x2,col=c("red","blue")[1+y],pch=19,cex=1.5)

On peut alors faire une régression logistique, de telle sorte que \mathbb{P}(Y=1|x_1,x_2)=\frac{e^{\beta_0+\beta_1x_1+\beta_2x_2}}{1+e^{\beta_0+\beta_1x_1+\beta_2x_2}}On peut visualiser l’ensemble des points (x_1,x_2) pour lesquels \mathbb{P}(Y=0|x_1,x_2)=\mathbb{P}(Y=1|x_1,x_2)(on a alors autant de chance d’être rouge et bleu) soit \beta_0+\beta_1x_1+\beta_2x_2=0 qui correspond à une droite,

reg = glm(y~x1+x2,data=df,family=binomial(link = "logit"))
b = coefficients(reg)
abline(a=-b[1]/b[3],b=-b[2]/b[3])

On peut alors représenter y_i en fonction du score, i.e. l’estimation de \mathbb{P}(Y=1|x_{1,i},x_{2,i}),

Y = df$y
S = predict(reg,type="response")
plot(S,y,xlab="probabilité prédite",ylab="y")

On va alors se donner un seuil (par exemple 50\%) : si la probabilité que Y prenne la valeur 1 excède le seuil, on prédit 1 (et sinon 0). Sur la figure ci-dessus, on a alors 4 sortes de points : ceux à gauche du seuil (et qui sont prédits 0), qui sont bien classés s’ils sont en bas, et mal classés en haut; à droite du seuil (et qui sont prédits 1), ils sont bien classés s’ils sont en haut, et mal classés en bas [dans le code ci-dessous, le symbole &gt désigne l’opérateur “supérieur“, qui malheureusement ne passe pas dans cet éditeur]

seuil = .5
Yhat = (S>seuil)*1
plot(S,y,xlab="probabilité prédite",ylab="y",pch=19,
     col=c("red","blue")[1+(y==Yhat)])
abline(v=seuil,lty=2)

Les couleurs reflètent le bon ou mauvais classement : les points rouges correspondent à des erreurs de classement. On peut retrouver tout ça dans le tableau de contingence ci-dessous,  qui correspond au tableau standard d’un test d’hypothèse

table(Yhat,Y)
    Y
Yhat 0 1
   0 3 1
   1 1 5

Ce qui va nous intéresser ici à deux grandeurs particulières : le taux de faux positifs et le taux de vrais positifs,

  FP=sum((Ps==1)*(Y==0))/sum(Y==0)    
  TP=sum((Ps==1)*(Y==1))/sum(Y==1)

On a obtenu ce tableau à un seuil donné (ici 50\%) mais on peut regarder ce qui se passe lors que le seuil change, comme sur l’animation ci-dessous, où on trace, à droite, le taux de vrais positifs (sur l’axe y) en fonction du taux de faux positifs (sur l’axe x

L’ensemble des points donne la courbe ROC.

roc.curve=function(s,print=FALSE){
  Ps=(S>s)*1 
  FP=sum((Ps==1)*(Y==0))/sum(Y==0)    
  TP=sum((Ps==1)*(Y==1))/sum(Y==1)   
  if(print==TRUE){  
    print(table(Observed=Y,Predicted=Ps))   
  }
  vect=c(FP,TP)
  names(vect)=c("FPR","TPR") 
  return(vect)}
u = seq(0,1,length=251)
V = Vectorize(roc.curve)(u)
plot(t(V),type="s",xlab="Faux Positifs",ylab="Vrais Positifs")
segments(0,0,1,1,col="light blue")

On peut vérifier que le point qu’on avait obtenu avec un seuil de 50\% est bien sur la courbe

table(Yhat,Y)
    Y
Yhat 0 1
   0 3 1
   1 1 5
(FP = sum((Yhat)*(Y==0))/sum(Y==0))
[1] 0.25
(TP = sum((Yhat==1)*(Y==1))/sum(Y==1))
[1] 0.8333333
abline(v=FP,lty=2,col="blue")
abline(h=TP,lty=2,col="blue")
points(FP,TP,pch=19,cex=1.5)

Bien entendu, il y a (beaucoup) de packages R qui permettent d’avoir cette courbe,

library(ROCR)
pred = prediction(S,Y)
plot(performance(pred,"tpr","fpr"))

Une grandeur intéressante est appelée aire sous la courbe (ou AUC) qu’on peut calculer ici à la main (on a une simple fonction en escalier)

p1 = roc.curve(1/3)
p2 = roc.curve(.7)
p2[1]*p2[2]+(p1[1]-p2[1])*p1[2]+(1-p1[1]) 
[1] 0.875


mais qu’on peut avoir automatiquement

auc.perf = performance(pred, measure = "auc")
auc.perf@y.values[[1]]
[1] 0.875

Allez, tentons un autre classifieur : toujours une régression logistique, mais sur un facteur obtenu en coupant la seconde variable en deux, \boldsymbol{1}_{[s,\infty)}(x_2)

reg = glm(y~I(x2>.525),data=df,family=binomial(link = "logit"))
abline(h=.525)

La droite horizontale n’est plus la droite qui donne autant de chance d’être rouge que bleu, mais qui coupe la variable x_2. Ici, on prédit juste deux valeurs : 40\% de chance d’être bleu en bas, et 80\% de chance d’être bleu, en haut. Si on représente observations y_i en fonction des probabilités prédites, on obtient

Y = df$y
S = predict(reg,type="response")
plot(S,y,xlab="probabilité prédite",ylab="y",xlim=0:1)

Avec un seuil à 50\%, on obtient le tableau de contingence suivant (avec 3 erreurs, contre 2 auparavant)

seuil = .5
Yhat = (S>seuil)*1
table(Yhat,Y)
    Y
Yhat 0 1
   0 3 2
   1 1 4

Si on trace la courbe ROC, on obtient

roc.curve=function(s,print=FALSE){
  Ps=(S>s)*1 
  FP=sum((Ps==1)*(Y==0))/sum(Y==0)    
  TP=sum((Ps==1)*(Y==1))/sum(Y==1)   
  if(print==TRUE){  
    print(table(Observed=Y,Predicted=Ps))   
  }
  vect=c(FP,TP)
  names(vect)=c("FPR","TPR") 
  return(vect)}
u = seq(0,1,length=251)
V = Vectorize(roc.curve)(u)
plot(t(V),type="l",xlab="Faux Positifs",ylab="Vrais Positifs")
segments(0,0,1,1,col="light blue")

Cette fois, la courbe n’est plus constante par morceaux, mais linéaire par morceaux, et continue… L’interprétation est un peu plus subtile: cette fois, on a deux régions de l’espace, et dans chaque région, on ne sait pas trop comment distinguer (la probabilité est plate partout ici, contraitement à la régression précédante). Autrement dit, dans cette région, on a une proba constante, par exemple 40\% (en bas) : quand on doit prévoir pour un individu dans cette région, on lui attribue les valeurs \{0,1\} respectivement avec les probabilités \{40\%,60\%\}. Quand on a une probabilité constante, on parle de classifieur aléatoire… La diagonale bleue sur la figure ci-dessus est justement un classifieur aléatoire… C’est ce qu’on obtient si on prédit au hasard

pred = prediction(S,Y)
plot(performance(pred,"tpr","fpr"))

Le point est obtenu avec un seuil de 50\% (ou en fait, n’importe quelle valeur entre 40\% et 80\%). On peut là encore calculer l’aire sous la courbe, cette fois à l’aide de trapèzes (ou de triangles)

p1 = roc.curve(.5)
p2[1]*p2[2]/2+(1-p1[1])*p1[2]+(1-p1[1])*(1-p1[2])/2
[1] 0.7083333
auc.perf = performance(pred, measure = "auc")
auc.perf@y.values[[1]]
[1] 0.7083333


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