Realizar classificação com um modelo de árvores otimizadas

Neste tutorial, você vai aprender a usar um modelo de classificador de árvores otimizadas para prever a faixa de renda de indivíduos com base nos dados demográficos deles. O modelo prevê se um valor se enquadra em uma das duas categorias. Nesse caso, se a renda anual de um indivíduo fica acima ou abaixo de US $50.000.

Neste tutorial, usamos o conjunto de dados bigquery-public-data.ml_datasets.census_adult_income. Esse conjunto contém as informações demográficas e de renda de residentes dos EUA entre 2000 e 2010.

Objetivos

Este tutorial vai orientar você nas tarefas a seguir:

• Criar um modelo de árvores otimizadas para prever a faixa de renda dos participantes do censo usando a instrução CREATE MODEL.
• Avalie o modelo usando a função ML.EVALUATE.
• Receber previsões do modelo usando a função ML.PREDICT.

Custos

Neste tutorial, usamos componentes faturáveis do Google Cloud, incluindo:

• BigQuery
• BigQuery ML

Para mais informações sobre os custos do BigQuery, consulte a página de preços.

Para mais informações sobre os custos do BigQuery ML, consulte os preços do BigQuery ML.

Antes de começar

Faça login na sua conta do Google Cloud . Se você começou a usar o Google Cloud, crie uma conta para avaliar o desempenho de nossos produtos em situações reais. Clientes novos também recebem US$ 300 em créditos para executar, testar e implantar cargas de trabalho.

In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

Roles required to select or create a project

• Select a project: Selecting a project doesn't require a specific IAM role—you can select any project that you've been granted a role on.
• Create a project: To create a project, you need the Project Creator role (roles/resourcemanager.projectCreator), which contains the resourcemanager.projects.create permission. Learn how to grant roles.

Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the project.

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Verify that billing is enabled for your Google Cloud project.

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1. O BigQuery é ativado automaticamente em novos projetos. Para ativar o BigQuery em um projeto preexistente, acesse

   Ative a API BigQuery.

   Funções necessárias para ativar APIs

   Para ativar APIs, você precisa da permissão serviceusage.services.enable. Se você criou o projeto, provavelmente já tem essa permissão com o papel de Proprietário (roles/owner). Caso contrário, é possível receber essa permissão com o papel de Administrador do Service Usage (roles/serviceusage.serviceUsageAdmin). Saiba como conceder papéis.

   Ativar a API

Permissões exigidas

• Para criar o conjunto de dados, é preciso ter a permissão de IAM bigquery.datasets.create.

• Para criar o modelo, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.jobs.create
  • bigquery.models.create
  • bigquery.models.getData
  • bigquery.models.updateData

• Para executar a inferência, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.models.getData
  • bigquery.jobs.create

Para mais informações sobre os papéis e as permissões do IAM no BigQuery, consulte Introdução ao IAM.

crie um conjunto de dados

Para criar um conjunto de dados do BigQuery, selecione uma das seguintes opções:

Console

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel à esquerda, clique em Explorer:

   

   Se o painel esquerdo não aparecer, clique em Expandir painel esquerdo para abrir.

3. Em Explorer, expanda seu projeto e clique em Conjuntos de dados.

4. Na página Conjuntos de dados, clique em Criar conjunto de dados.

5. No painel Criar conjunto de dados, faça o seguinte:

   • Para o código do conjunto de dados, insira bqml_tutorial.

   • Em Local dos dados, selecione US.

   Não altere as outras configurações padrão.

6. Clique em Criar conjunto de dados.

bq

Para criar um conjunto de dados, use o comando bq mk --dataset.

1. Crie um conjunto de dados chamado bqml_tutorial com o local dos dados definido como US:

   bq mk --dataset \
     --location=US \
     --description "BigQuery ML tutorial dataset." \
     bqml_tutorial

2. Confirme se o conjunto de dados foi criado:

   bq ls

API

Chame o método datasets.insert com um recurso de conjunto de dados definido:

{
  "datasetReference": {
     "datasetId": "bqml_tutorial"
  }
}

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

import google.cloud.bigquery

bqclient = google.cloud.bigquery.Client()
bqclient.create_dataset("bqml_tutorial", exists_ok=True)

Preparar os dados de amostra

O modelo criado neste tutorial prevê a faixa de renda dos entrevistados do censo com base nos seguintes recursos:

• Idade
• Tipo de trabalho realizado
• Estado civil
• Grau de escolaridade
• Profissão
• Horas trabalhadas por semana

A coluna education não está incluída nos dados de treinamento porque as colunas education e education_num expressam o grau de escolaridade do entrevistado em formatos diferentes.

Separe os dados em conjuntos de treinamento, avaliação e previsão criando uma nova coluna dataframe derivada da coluna functional_weight. Oitenta por cento dos dados são usados para treinar o modelo, e os 20% restantes são usados para avaliação e previsão.

SQL

Para preparar os dados de amostra, crie uma visualização para conter os dados de treinamento. Essa visualização é usada pela instrução CREATE MODEL posteriormente neste tutorial.

Execute a consulta que prepara os dados de amostra:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No Editor de consultas, execute esta consulta:

   CREATE OR REPLACE VIEW
     `bqml_tutorial.input_data` AS
   SELECT
     age,
     workclass,
     marital_status,
     education_num,
     occupation,
     hours_per_week,
     income_bracket,
     CASE
       WHEN MOD(functional_weight, 10) < 8 THEN 'training'
       WHEN MOD(functional_weight, 10) = 8 THEN 'evaluation'
       WHEN MOD(functional_weight, 10) = 9 THEN 'prediction'
     END AS dataframe
   FROM
     `bigquery-public-data.ml_datasets.census_adult_income`;

3. No painel à esquerda, clique em Explorer:

   

   Se o painel esquerdo não aparecer, clique em Expandir painel esquerdo para abrir.

4. No painel Explorador, pesquise o conjunto de dados bqml_tutorial.

5. Clique no conjunto de dados e em Visão geral > Tabelas.

6. Clique na visualização input_data para abrir o painel de informações. O esquema de visualização aparece na guia Esquema.

BigQuery DataFrames

Crie um DataFrame chamado input_data. Você usará input_data posteriormente neste tutorial para treinar o modelo, avaliá-lo e fazer previsões.

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

import bigframes.pandas as bpd

input_data = bpd.read_gbq(
    "bigquery-public-data.ml_datasets.census_adult_income",
    columns=(
        "age",
        "workclass",
        "marital_status",
        "education_num",
        "occupation",
        "hours_per_week",
        "income_bracket",
        "functional_weight",
    ),
)
input_data["dataframe"] = bpd.Series("training", index=input_data.index,).case_when(
    [
        (((input_data["functional_weight"] % 10) == 8), "evaluation"),
        (((input_data["functional_weight"] % 10) == 9), "prediction"),
    ]
)
del input_data["functional_weight"]

Criar o modelo de árvores otimizadas

Crie um modelo de árvores otimizadas para prever a faixa de renda dos entrevistados do censo e treine-o com os dados do censo. A consulta leva cerca de 30 minutos para ser concluída.

SQL

Siga estas etapas para criar o modelo:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   CREATE MODEL `bqml_tutorial.tree_model`
   OPTIONS(MODEL_TYPE='BOOSTED_TREE_CLASSIFIER',
           BOOSTER_TYPE = 'GBTREE',
           NUM_PARALLEL_TREE = 1,
           MAX_ITERATIONS = 50,
           TREE_METHOD = 'HIST',
           EARLY_STOP = FALSE,
           SUBSAMPLE = 0.85,
           INPUT_LABEL_COLS = ['income_bracket'])
   AS SELECT * EXCEPT(dataframe)
   FROM `bqml_tutorial.input_data`
   WHERE dataframe = 'training';

   Depois que a consulta for concluída, o modelo tree_model poderá ser acessado pelo painel Explorer. Como a consulta usa uma instrução CREATE MODEL para criar um modelo, não é possível ver os resultados dela.

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

from bigframes.ml import ensemble

# input_data is defined in an earlier step.
training_data = input_data[input_data["dataframe"] == "training"]
X = training_data.drop(columns=["income_bracket", "dataframe"])
y = training_data["income_bracket"]

# create and train the model
tree_model = ensemble.XGBClassifier(
    n_estimators=1,
    booster="gbtree",
    tree_method="hist",
    max_iterations=1,  # For a more accurate model, try 50 iterations.
    subsample=0.85,
)
tree_model.fit(X, y)

tree_model.to_gbq(
    your_model_id,  # For example: "your-project.bqml_tutorial.tree_model"
    replace=True,
)

Avaliar o modelo

SQL

Siga estas etapas para avaliar o modelo:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

     SELECT
       *
     FROM
       ML.EVALUATE (MODEL `bqml_tutorial.tree_model`,
         (
         SELECT
           *
         FROM
           `bqml_tutorial.input_data`
         WHERE
           dataframe = 'evaluation'
         )
       );

   A resposta deve ficar assim:

   +---------------------+---------------------+---------------------+-------------------+---------------------+---------------------+
   | precision           | recall              | accuracy            | f1_score          | log_loss            | roc_auc             |
   +---------------------+---------------------+---------------------+-------------------+-------------------------------------------+
   | 0.67192429022082023 | 0.57880434782608692 | 0.83942963422194672 | 0.621897810218978 | 0.34405456040833338 | 0.88733566433566435 |
   +---------------------+---------------------+ --------------------+-------------------+---------------------+---------------------+
   

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

# Select model you'll use for predictions. `read_gbq_model` loads model
# data from BigQuery, but you could also use the `tree_model` object
# from the previous step.
tree_model = bpd.read_gbq_model(
    your_model_id,  # For example: "your-project.bqml_tutorial.tree_model"
)

# input_data is defined in an earlier step.
evaluation_data = input_data[input_data["dataframe"] == "evaluation"]
X = evaluation_data.drop(columns=["income_bracket", "dataframe"])
y = evaluation_data["income_bracket"]

# The score() method evaluates how the model performs compared to the
# actual data. Output DataFrame matches that of ML.EVALUATE().
score = tree_model.score(X, y)
score.peek()
# Output:
#    precision    recall  accuracy  f1_score  log_loss   roc_auc
# 0   0.671924  0.578804  0.839429  0.621897  0.344054  0.887335

As métricas de avaliação indicam um bom desempenho do modelo, principalmente o fato de que a pontuação roc_auc é maior que 0.8.

Para mais informações sobre as métricas de avaliação, consulte Saída.

Usar o modelo para prever classificações

SQL

Siga estas etapas para prever dados com o modelo:

1. No console do Google Cloud , acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

     SELECT
       *
     FROM
       ML.PREDICT (MODEL `bqml_tutorial.tree_model`,
         (
         SELECT
           *
         FROM
           `bqml_tutorial.input_data`
         WHERE
           dataframe = 'prediction'
         )
       );

As primeiras colunas dos resultados serão semelhantes a estas:

  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  | predicted_income_bracket  | predicted_income_bracket_probs.label | predicted_income_bracket_probs.prob |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  |  <=50K                    |  >50K                                | 0.05183430016040802                 |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  |                           |  <50K                                | 0.94816571474075317                 |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  |  <=50K                    |  >50K                                | 0.00365859130397439                 |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  |                           |  <50K                                | 0.99634140729904175                 |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  |  <=50K                    |  >50K                                | 0.037775970995426178                |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  |                           |  <50K                                | 0.96222406625747681                 |
  +---------------------------+--------------------------------------+-------------------------------------+
  

BigQuery DataFrames

Antes de testar esta amostra, siga as instruções de configuração dos BigQuery DataFrames no Guia de início rápido do BigQuery: como usar os BigQuery DataFrames. Para mais informações, consulte a documentação de referência do BigQuery DataFrames.

Para autenticar no BigQuery, configure o Application Default Credentials. Para mais informações, consulte Configurar o ADC para um ambiente de desenvolvimento local.

# Select model you'll use for predictions. `read_gbq_model` loads model
# data from BigQuery, but you could also use the `tree_model` object
# from previous steps.
tree_model = bpd.read_gbq_model(
    your_model_id,  # For example: "your-project.bqml_tutorial.tree_model"
)

# input_data is defined in an earlier step.
prediction_data = input_data[input_data["dataframe"] == "prediction"]

predictions = tree_model.predict(prediction_data)
predictions.peek()
# Output:
# predicted_income_bracket   predicted_income_bracket_probs.label  predicted_income_bracket_probs.prob
#                   <=50K                                   >50K                   0.05183430016040802
#                                                           <50K                   0.94816571474075317
#                   <=50K                                   >50K                   0.00365859130397439
#                                                           <50K                   0.99634140729904175
#                   <=50K                                   >50K                   0.037775970995426178
#                                                           <50K                   0.96222406625747681

O predicted_income_bracket contém o valor previsto do modelo. O predicted_income_bracket_probs.label mostra os dois rótulos entre os quais o modelo teve que escolher, e a coluna predicted_income_bracket_probs.prob mostra a probabilidade de o rótulo fornecido ser o correto.

Para mais informações sobre as colunas de saída, consulte Modelos de classificação.

Limpar

Para evitar cobranças na sua conta do Google Cloud pelos recursos usados no tutorial, exclua o projeto que os contém ou mantenha o projeto e exclua os recursos individuais.

• exclua o projeto que você criou; ou
• Mantenha o projeto e exclua o conjunto de dados.

Excluir o conjunto de dados

A exclusão do seu projeto removerá todos os conjuntos de dados e tabelas no projeto. Caso prefira reutilizá-lo, exclua o conjunto de dados criado neste tutorial:

1. Se necessário, abra a página do BigQuery no consoleGoogle Cloud .

   Acesse a página do BigQuery

2. Na navegação, clique no conjunto de dados bqml_tutorial criado.

3. Clique em Excluir conjunto de dados no lado direito da janela. Essa ação exclui o conjunto, a tabela e todos os dados.

4. Na caixa de diálogo Excluir conjunto de dados, confirme o comando de exclusão digitando o nome do seu conjunto de dados (bqml_tutorial). Em seguida, clique em Excluir.

Excluir o projeto

Para excluir o projeto:

Cuidado: excluir um projeto tem os seguintes efeitos:

• Tudo no projeto é excluído. Se você tiver usado um projeto atual para as tarefas neste documento, a exclusão dele incluirá a exclusão de quaisquer outros trabalhos feitos nele.
• Os IDs do projeto personalizados são perdidos. Ao criar o projeto, você pode ter criado um ID do projeto personalizado para ser usado no futuro. Para preservar os URLs que usam o ID do projeto, como um URL appspot.com, exclua recursos específicos do projeto, em vez de excluir o projeto inteiro.

Se você planeja explorar várias arquiteturas, tutoriais e guias de início rápido, a reutilização de projetos pode evitar que você exceda limites da cota.

1. No console Google Cloud , acesse a página Gerenciar recursos.

   Acessar "Gerenciar recursos"

2. Na lista de projetos, selecione o projeto que você quer excluir e clique em Excluir .
3. Na caixa de diálogo, digite o ID do projeto e clique em Encerrar para excluí-lo.

A seguir

• Saiba como criar um modelo de classificação de regressão logística.
• Para uma visão geral do BigQuery ML, consulte Introdução à IA e ao ML no BigQuery.