[Python]머신러닝 기초: Scikit-learn 시작하기

오늘날 머신러닝은 데이터 과학 및 인공지능의 중심에 있는 기술로, 다양한 산업에서 활용되고 있습니다. 이를 위해 Python은 가장 널리 사용되는 프로그래밍 언어 중 하나이며, Scikit-learn은 Python 기반의 대표적인 머신러닝 라이브러리입니다. 이번 글에서는 Scikit-learn을 활용하여 머신러닝을 시작하는 방법을 소개하겠습니다.

1. Scikit-learn 소개

Scikit-learn은 데이터 마이닝과 데이터 분석을 위한 간단하고 효율적인 도구를 제공하는 오픈 소스 라이브러리입니다. 이 라이브러리는 다양한 분류, 회귀, 클러스터링 알고리즘을 포함하고 있으며, 통합된 인터페이스를 통해 쉽게 접근할 수 있습니다.

주요 특징:
  • 간편한 사용: 일관된 API와 풍부한 문서화로 학습 곡선을 줄여줍니다.
  • 풍부한 알고리즘: 선형 회귀, 로지스틱 회귀, SVM, K-최근접 이웃, 랜덤 포레스트 등 다양한 알고리즘을 지원합니다.
  • 통합 도구: 데이터 전처리, 모델 평가, 교차 검증 등 머신러닝의 전 과정을 아우르는 도구를 제공합니다.

2. 설치 및 기본 사용법

Scikit-learn을 사용하려면 먼저 Python과 필수 라이브러리를 설치해야 합니다. Anaconda 배포판을 사용하면 손쉽게 환경을 설정할 수 있습니다.

pip install numpy scipy scikit-learn

설치가 완료되면, 간단한 예제를 통해 Scikit-learn의 기본 사용법을 익혀보겠습니다. 이번 예제에서는 붓꽃(Iris) 데이터셋을 사용하여 간단한 분류 문제를 해결해 보겠습니다.

import numpy as np
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 데이터셋 로드
iris = datasets.load_iris()
X = iris.data
y = iris.target

# 데이터셋 분할
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42)

# 데이터 스케일링
scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)

# 모델 학습
model = SVC(kernel='linear', random_state=42)
model.fit(X_train, y_train)

# 예측 및 평가
y_pred = model.predict(X_test)
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)

print(f'Accuracy: {accuracy:.2f}')

위 코드는 데이터셋 로드부터 학습, 평가까지의 전체 과정을 보여줍니다. 각 단계는 다음과 같습니다.

  1. 데이터셋 로드: datasets.load_iris()를 사용하여 붓꽃 데이터를 로드합니다.
  2. 데이터셋 분할: train_test_split을 사용하여 학습 데이터와 테스트 데이터로 분할합니다.
  3. 데이터 스케일링: StandardScaler를 사용하여 데이터의 스케일을 조정합니다.
  4. 모델 학습: SVC를 사용하여 선형 SVM 모델을 학습합니다.
  5. 예측 및 평가: 학습된 모델로 예측을 수행하고, accuracy_score를 사용하여 정확도를 평가합니다.

3. 주요 개념과 기법

Scikit-learn을 효과적으로 사용하기 위해 몇 가지 주요 개념과 기법을 이해해야 합니다.

3.1. 데이터 전처리

데이터 전처리는 머신러닝의 성능에 큰 영향을 미칩니다. Scikit-learn은 다양한 전처리 도구를 제공하여 데이터를 정규화, 표준화, 결측값 처리 등을 할 수 있게 합니다.

from sklearn.impute import SimpleImputer

# 결측값 처리
imputer = SimpleImputer(strategy='mean')
X_train = imputer.fit_transform(X_train)
X_test = imputer.transform(X_test)

3.2. 모델 선택 및 평가

적절한 모델을 선택하고 평가하는 것은 매우 중요합니다. Scikit-learn은 교차 검증, 하이퍼파라미터 튜닝 등의 도구를 제공합니다.

from sklearn.model_selection import GridSearchCV

# 하이퍼파라미터 튜닝
param_grid = {'C': [0.1, 1, 10], 'kernel': ['linear', 'rbf']}
grid = GridSearchCV(SVC(), param_grid, refit=True, verbose=2)
grid.fit(X_train, y_train)

print(f'Best parameters: {grid.best_params_}')

3.3. 모델 평가 지표

분류 문제의 경우, 정확도 외에도 정밀도, 재현율, F1 점수 등의 다양한 평가 지표를 사용하여 모델을 평가할 수 있습니다.

from sklearn.metrics import classification_report

# 평가 리포트
print(classification_report(y_test, y_pred))

4. 결론

이번 글에서는 Python과 Scikit-learn을 사용하여 머신러닝을 시작하는 방법을 소개했습니다. 데이터 전처리, 모델 선택 및 평가의 기본 개념을 이해하는 것은 머신러닝 프로젝트의 성공에 필수적입니다. Scikit-learn은 강력한 기능과 사용의 용이성 덕분에 초보자부터 전문가까지 널리 사용되고 있으며, 다양한 데이터 과학 및 머신러닝 프로젝트에 유용한 도구가 될 것입니다.

Python과 Scikit-learn으로 머신러닝을 시작해보세요. 실습을 통해 경험을 쌓고, 다양한 데이터셋과 알고리즘을 실험하면서 머신러닝의 세계를 탐험해보시기 바랍니다.

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