多分类性能评估方法

在评估多分类模型性能时，我们经常会使用一些指标来衡量其表现。其中，micro-averaging、macro-averaging 和 weighted-averaging 是常见的评估指标之一。它们在衡量分类器的精确度、召回率和 F1 分数时发挥着重要作用。

假设：三分类的真实标签和预测标签如下：

y_true = ['好评', '好评', '好评', '中评', '中评', '差评', '差评', '差评', '差评', '差评']
y_pred = ['好评', '好评', '好评', '好评', '中评', '差评', '好评', '中评', '差评', '中评']

对应的混淆矩阵：

    好评  中评  差评
好评   3   0   0
中评   1   1   0
差评   1   2   2

每个类别的评估分数：

精确率:         [0.6        0.33333333      1.        ]
召回率:         [1.         0.5             0.4       ]
f1-score:     [0.75       0.4             0.57142857]

from sklearn.metrics import precision_score
from sklearn.metrics import recall_score
from sklearn.metrics import f1_score
from sklearn.metrics import confusion_matrix
import pandas as pdif __name__ == '__main__':y_true = ['好评', '好评', '好评', '中评', '中评', '差评', '差评', '差评', '差评', '差评']y_pred = ['好评', '好评', '好评', '好评', '中评', '差评', '好评', '中评', '差评', '中评']# 混淆矩阵labels = ['好评', '中评', '差评']matrix = confusion_matrix(y_true, y_pred, labels=labels)matrix = pd.DataFrame(matrix, columns=labels, index=labels)print(matrix)print()# 返回所有类别分数result = precision_score(y_true, y_pred, average=None, labels=['好评', '中评', '差评'])print('精确率:\t\t', result)result = recall_score(y_true, y_pred, average=None, labels=['好评', '中评', '差评'])print('召回率:\t\t', result)result = f1_score(y_true, y_pred, average=None, labels=['好评', '中评', '差评'])print('f1-score:\t', result)

输出即是以上结果

缩写	全称	含义
TP	True Positive（真正）	实际为正类，模型也预测为正类（正确地预测为正）
FN	False Negative（假负）	实际为正类，但模型预测为负类（错把正类判为负类）
FP	False Positive（假正）	实际为负类，但模型预测为正类（错把负类判为正类）
TN	True Negative（真负）	实际为负类，模型也预测为负类（正确地预测为负）

1. micro-averaging(微平均)

做法：将所有类别的 TP、FP、FN 累加，然后再计算 Precision、Recall、F1。

特点：对每个样本等权处理，更关注整体表现。

适用场景：当你希望模型整体上表现好（尤其在样本数差异大时）。

$$Precisio{n}_{micro}=\frac{{\sum }_{i=1}^{N}T{P}_i}{{\sum }_{i=1}^N(T{P}_i+F{P}_i)}$$

$$Recal{l}_{micro}=\frac{{\sum }_{i=1}^{N}T{P}_i}{{\sum }_{i=1}^N(T{P}_i+F{N}_i)}$$

$$F{1}_{micro}=\frac{2\cdot Precisio{n}_{micro}\cdot Recal{l}_{mirco}}{Precisio{n}_{micro}+Recal{l}_{micro}}$$

• $N$是类别总数
• $T{P}_i$是第$i$个类的$TP$之和
• $F{P}_i$是第$i$个类的$FP$之和
• $F{N}_i$是第$i$个类的$FN$之和

我们以前面例子为例：

好评：
TP = 3 （预测为好评且实际为好评）
FP = 1+1 = 2 （预测为好评但实际为中评和差评）
TN = 1+2+2 = 5 （预测不是好评且实际也不是好评，包括中评和差评）
FN = 0+0 = 0 （实际为好评但预测不是好评）中评：
TP = 1 （预测为中评且实际为中评）
FP = 0+2 = 2 （预测为中评但实际为好评和差评）
TN = 3+2+1+0 = 6 （预测不是中评且实际也不是中评，包括好评和差评）
FN = 1+0 = 1 （实际为中评但预测不是中评）差评：
TP = 2 （预测为差评且实际为差评）
FP = 0+0 = 0 （没有将其他类别预测为差评）
TN = 3+1+1 = 5 （预测不是差评且实际也不是差评，包括好评和中评）
FN = 1+2 = 3 （实际为差评但预测不是差评）每个类别的 TP、FP、TN、FN 值分别是：
好评：TP=3, FP=2, TN=5, FN=0
中评：TP=1, FP=2, TN=6, FN=1
差评：TP=2, FP=0, TN=6, FN=3此时：
TP = 3 + 1 + 2 = 6
FP = 2 + 2 + 0 = 4
TN = 5 + 7 + 6 = 18
FN = 0 + 1 + 3 = 4

使用上述计算得到的 TP、FP、TN、FN 值：

• micro-averaged precision：TP/(TP+FP) = 6/(6+4) = 0.6
• micro-averaged recall：TP/(TP+FN) = 6/(6+4) = 0.6
• micro-averaged f1-score：2*(micro-averaged precision * micro-averaged recall) / (micro-averaged precision+micro-averaged recall) = 2*(0.6*0.6)/(0.6+0.6) = 0.6

下面用代码来实现一下

from sklearn.metrics import precision_score
from sklearn.metrics import recall_score
from sklearn.metrics import f1_scoreif __name__ == '__main__':y_true = ['好评', '好评', '好评', '中评', '中评', '差评', '差评', '差评', '差评', '差评']y_pred = ['好评', '好评', '好评', '好评', '中评', '差评', '好评', '中评', '差评', '中评']result = precision_score(y_true, y_pred, average='micro')print('精确率:\t\t', result)result = recall_score(y_true, y_pred, average='micro')print('召回率:\t\t', result)result = f1_score(y_true, y_pred, average='micro')print('f1-score:\t', result)

可以看到

精确率:		 0.6
召回率:		 0.6
f1-score:	 0.6

2. macro-averaging(宏平均)

做法：先分别计算每个类别的 Precision、Recall、F1，然后对这些类别的指标 取平均。

特点：每个类别权重相同，忽略类别不平衡问题。

适用场景：当你希望模型对所有类别都一样重视时（比如类别数量差不多，但样本数量可能差很多）。

$$Precisio{n}_{macro}=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N\frac{T{P}_i}{T{P}_i+F{P}_i}$$

$$Recal{l}_{macro}=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N\frac{T{P}_i}{T{P}_i+F{N}_i}$$

$$F{1}_{macro}=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N\frac{2\cdot Precisio{n}_i\cdot Recal{l}_i}{Precisio{n}_i+Recal{l}_i}$$

macro-averaging 计算每个类别的精确度、召回率和 F1 分数，然后对它们取算术平均值。

好评：
精确率：0.6
召回率：1.0
f1-score：0.75中评：
精确率：0.33
召回率：0.5
f1-score：0.4差评：
精确率：1
召回率：0.4
f1-score：0.57

• macro-averaged precision: (0.6 + 0.33 + 1) / 3 = 0.64
• macro-averaged recall：(1.0 + 0.5 + 0.4) / 3 = 0.63
• macro-averaged f1-score：(0.75 + 0.4 + 0.57) / 3 = 0.57

from sklearn.metrics import precision_score
from sklearn.metrics import recall_score
from sklearn.metrics import f1_scoreif __name__ == '__main__':y_true = ['好评', '好评', '好评', '中评', '中评', '差评', '差评', '差评', '差评', '差评']y_pred = ['好评', '好评', '好评', '好评', '中评', '差评', '好评', '中评', '差评', '中评']result = precision_score(y_true, y_pred, average='macro')print('精确率:\t\t', result)result = recall_score(y_true, y_pred, average='macro')print('召回率:\t\t', result)result = f1_score(y_true, y_pred, average='macro')print('f1-score:\t', result)

精确率:		 0.6444444444444445
召回率:		 0.6333333333333333
f1-score:	 0.5738095238095238

3. weighted-averaging(加权平均)

做法：先计算每个类别的指标，然后按该类别的样本数占比进行加权平均。

特点：兼顾类别表现和样本分布，适合处理样本不均衡。

适用场景：样本分布不均时，比 macro 更合理；但仍保留对每类评估的透明度。

假设：共有 100 个样本：

好评：70，精度为：0.3
中评：20，精度为：0.6
差评：10，精度为：0.9

宏平均 = (0.3 + 0.6 + 0.9) / 3 = 0.6

在大多数样本上，模型只有 0.3 的精度，但是宏平均的精度却达到了 0.6。所以，宏平均不能真实的反映出模型在大多数样本上的表现。

weighted-averaging 计算每个类别的精确度、召回率和 F1 分数，然后将它们乘以每个类别的样本数或权重，最后将所有类别的加权平均值。它能够反应出样本在大多数样本上的表现。

加权平均：0.3 * 0.7 + 0.6 * 0.2 + 0.9 * 0.1 = 0.42，由此可以看到加权平均更加能够反映出模型在大多数样本上的表现。

接着前面的例子：

由 y_true = ['好评', '好评', '好评', '中评', '中评', '差评', '差评', '差评', '差评', '差评']
可知每个类别的权重分别为：0.3、0.2、0.5

• weighted-averaged precision：0.6 * 0.3 + 0.33 * 0.2 + 1 * 0.5 = 0.746
• weighted-averaged recall：1 * 0.3 + 0.5 * 0.2 + 0.4 * 0.5 = 0.6
• weighted-averaged f1-score：0.75 * 0.3 + 0.4 * 0.2 + 0.57 * 0.5 = 0.59

from sklearn.metrics import precision_score
from sklearn.metrics import recall_score
from sklearn.metrics import f1_scoreif __name__ == '__main__':y_true = ['好评', '好评', '好评', '中评', '中评', '差评', '差评', '差评', '差评', '差评']y_pred = ['好评', '好评', '好评', '好评', '中评', '差评', '好评', '中评', '差评', '中评']result = precision_score(y_true, y_pred, average='weighted')print('精确率:\t\t', result)result = recall_score(y_true, y_pred, average='weighted')print('召回率:\t\t', result)result = f1_score(y_true, y_pred, average='weighted')print('f1-score:\t', result)

精确率:		 0.7466666666666667
召回率:		 0.6
f1-score:	 0.5907142857142856