Обнаружение новизны с помощью Local Outlier Factor (LOF)

Алгоритм Local Outlier Factor (LOF) — это метод неконтролируемого обнаружения аномалий, который вычисляет отклонение локальной плотности заданной точки данных относительно её соседей. Выбросами считаются образцы, плотность которых значительно ниже плотности их соседей. В этом примере показано, как использовать LOF для обнаружения новизны. Обратите внимание: при использовании LOF для обнаружения новизны НЕЛЬЗЯ применять predict, decision_function и score_samples к обучающей выборке, поскольку это приведёт к неверным результатам. Используйте эти методы только для новых, ранее не встречавшихся данных (не входящих в обучающую выборку). Подробнее о различиях между обнаружением выбросов и обнаружением новизны, а также об использовании LOF для обнаружения выбросов см. в руководстве пользователя.

Количество учитываемых соседей (параметр n_neighbors) обычно выбирают так, чтобы оно 1) было больше минимального числа образцов, которое должно входить в кластер, чтобы другие образцы могли считаться локальными выбросами относительно этого кластера, и 2) было меньше максимального числа близких образцов, которые потенциально могут быть локальными выбросами. На практике такая информация, как правило, недоступна, и значение n_neighbors=20 обычно хорошо работает.

# Authors: The scikit-learn developers
# SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause

import matplotlib
import matplotlib.lines as mlines
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from sklearn.neighbors import LocalOutlierFactor

np.random.seed(42)

xx, yy = np.meshgrid(np.linspace(-5, 5, 500), np.linspace(-5, 5, 500))
# Generate normal (not abnormal) training observations
X = 0.3 * np.random.randn(100, 2)
X_train = np.r_[X + 2, X - 2]
# Generate new normal (not abnormal) observations
X = 0.3 * np.random.randn(20, 2)
X_test = np.r_[X + 2, X - 2]
# Generate some abnormal novel observations
X_outliers = np.random.uniform(low=-4, high=4, size=(20, 2))

# fit the model for novelty detection (novelty=True)
clf = LocalOutlierFactor(n_neighbors=20, novelty=True, contamination=0.1)
clf.fit(X_train)
# DO NOT use predict, decision_function and score_samples on X_train as this
# would give wrong results but only on new unseen data (not used in X_train),
# e.g. X_test, X_outliers or the meshgrid
y_pred_test = clf.predict(X_test)
y_pred_outliers = clf.predict(X_outliers)
n_error_test = y_pred_test[y_pred_test == -1].size
n_error_outliers = y_pred_outliers[y_pred_outliers == 1].size

# plot the learned frontier, the points, and the nearest vectors to the plane
Z = clf.decision_function(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)

plt.title("Novelty Detection with LOF")
plt.contourf(xx, yy, Z, levels=np.linspace(Z.min(), 0, 7), cmap=plt.cm.PuBu)
a = plt.contour(xx, yy, Z, levels=[0], linewidths=2, colors="darkred")
plt.contourf(xx, yy, Z, levels=[0, Z.max()], colors="palevioletred")

s = 40
b1 = plt.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c="white", s=s, edgecolors="k")
b2 = plt.scatter(X_test[:, 0], X_test[:, 1], c="blueviolet", s=s, edgecolors="k")
c = plt.scatter(X_outliers[:, 0], X_outliers[:, 1], c="gold", s=s, edgecolors="k")
plt.axis("tight")
plt.xlim((-5, 5))
plt.ylim((-5, 5))
plt.legend(
    [mlines.Line2D([], [], color="darkred"), b1, b2, c],
    [
        "learned frontier",
        "training observations",
        "new regular observations",
        "new abnormal observations",
    ],
    loc=(1.05, 0.4),
    prop=matplotlib.font_manager.FontProperties(size=11),
)
plt.xlabel(
    "errors novel regular: %d/40 ; errors novel abnormal: %d/40"
    % (n_error_test, n_error_outliers)
)
plt.tight_layout()
plt.show()

Общее время выполнения скрипта: (0 минут 0.806 секунды)

Download Jupyter notebook: plot_lof_novelty_detection.ipynb

Download Python source code: plot_lof_novelty_detection.py

Download zipped: plot_lof_novelty_detection.zip

Связанные примеры

Обнаружение выбросов с помощью Local Outlier Factor (LOF)

Одноклассовый SVM с нелинейным ядром (RBF)

Сравнение алгоритмов обнаружения аномалий для выявления выбросов на искусственных наборах данных

Одноклассовый SVM и одноклассовый SVM со стохастическим градиентным спуском