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title: "Tidymodels y machine learning en R"
author: "Rocío Joo"
date: "Abril 2021"
output:
xaringan::moon_reader:
lib_dir: libs
css: ["xaringan-themer.css", "chocolate-fonts", "default"]
nature:
highlightStyle: github
highlightLines: true
countIncrementalSlides: false
---
```{r setup, include=FALSE}
options(htmltools.dir.version = FALSE)
```
```{r xaringan-themer, include=FALSE, warning=FALSE}
library(xaringanthemer)
style_mono_accent(
base_color = "#1c5253",
header_font_google = google_font("Lato"),
# text_font_google = google_font("Montserrat", "300", "300i"),
# code_font_google = google_font("Fira Mono")
)
```
# Plan para este módulo
* Introducción a tidymodels
* Ajuste de un modelo de aprendizaje automático con tidymodels
* Calibración de hiperparámetros del modelo
* Gráficos para la interpretación del modelo
---
# ¿Qué es tidymodels?
--
Metapaquete para modelar de manera ordenada.
--
tidy data --> datos ordenados
```{r, out.width = "80%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt = "tidy data graph from Allison Horst"}
knitr::include_graphics("./img/tidydata_5.jpg")
```
Artwork by @allison_horst
---
# ¿Qué es tidymodels?
```{r, out.width = "100%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt = "esquema de tidy universe"}
knitr::include_graphics("./img/flujo-ciencia-datos-ml.png")
```
Imagen de https://github.com/data-datum/curso-r-analisis-datos
---
# ¿Por qué tidymodels?
Las funciones de aprendizaje automático en R varían respecto al formato de los
datos de entrada, dependiendo del paquete a utilizar.
Ejm:
```{r, eval = FALSE}
randomForest::randomForest(x = x, y = y, data = data)
```
```{r, eval = FALSE}
ranger::ranger(y ~ x, data = data)
```
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* <span style = "color:grey">Dividir en sets de entrenamiento y test</span>
* <span style = "color:grey">Definir una "receta" para el pre-procesamiento de datos</span>
* <span style = "color:grey">Especificar el modelo</span>
* <span style = "color:grey">Calibrar los hiperparámetros</span>
* <span style = "color:grey">Evaluar y comparar modelos</span>
* <span style = "color:grey">Generar predicciones con el modelo final</span>
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="workflows hex"}
knitr::include_graphics("./img/workflows.png")
```
]
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* Dividir en sets de **entrenamiento** y **test**
* <span style = "color:grey">Definir una "receta" para el pre-procesamiento de datos</span>
* <span style = "color:grey">Especificar el modelo</span>
* <span style = "color:grey">Calibrar los hiperparámetros</span>
* <span style = "color:grey">Evaluar y comparar modelos</span>
* <span style = "color:grey">Generar predicciones con el modelo final</span>
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="rsample hex"}
knitr::include_graphics("./img/rsample.png")
```
]
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* Dividir en sets de **entrenamiento** y **test**
* Definir una "receta" para el **pre-procesamiento** de datos
* <span style = "color:grey">Especificar el modelo</span>
* <span style = "color:grey">Calibrar los hiperparámetros</span>
* <span style = "color:grey">Evaluar y comparar modelos</span>
* <span style = "color:grey">Generar predicciones con el modelo final</span>
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt= "recipes hex"}
knitr::include_graphics("./img/recipes.png")
```
]
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* Dividir en sets de **entrenamiento** y **test**
* Definir una "receta" para el **pre-procesamiento** de datos
* Especificar el **modelo**
* <span style = "color:grey">Calibrar los hiperparámetros</span>
* <span style = "color:grey">Evaluar y comparar modelos</span>
* <span style = "color:grey">Generar predicciones con el modelo final</span>
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="parsnip hex"}
knitr::include_graphics("./img/parsnip.png")
```
]
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* Dividir en sets de **entrenamiento** y **test**
* Definir una "receta" para el **pre-procesamiento** de datos
* Especificar el **modelo**
* **Calibrar** los hiperparámetros
* <span style = "color:grey">Evaluar y comparar modelos</span>
* <span style = "color:grey">Generar predicciones con el modelo final</span>
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="tune hex"}
knitr::include_graphics("./img/tune.png")
```
]
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* Dividir en sets de **entrenamiento** y **test**
* Definir una "receta" para el **pre-procesamiento** de datos
* Especificar el **modelo**
* **Calibrar** los hiperparámetros
* **Evaluar** y comparar modelos
* <span style = "color:grey">Generar predicciones con el modelo final</span>
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="yardstick hex"}
knitr::include_graphics("./img/yardstick.jpeg")
```
]
---
# ¿Por qué tidymodels?
.pull-left[
**Flujo de trabajo** consistente para:
* Dividir en sets de **entrenamiento** y **test**
* Definir una "receta" para el **pre-procesamiento** de datos
* Especificar el **modelo**
* **Calibrar** los hiperparámetros
* **Evaluar** y comparar modelos
* Generar **predicciones** con el modelo final
]
.pull-right[
```{r, out.width = "50%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="workflows hex"}
knitr::include_graphics("./img/workflows.png")
```
]
---
# Primer caso:
# Ajustando un modelo de aprendizaje automático y predecir con `tidymodels`.
--
* Ejercicio de clasificación
* Bosques aleatorios
* Entrenamiento y test
* Parametrización por defecto
* Flujo de trabajo simple
* Matriz de confusión
---
# Los datos
Imaginemos que queremos crear un modelo para predecir **especie** de pingüinos en
la Antártida en base a su morfología u otras variables disponibles.
```{r penguin-data}
library(datos)
pinguinos
```
---
# Explorando los datos
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
summary(pinguinos)
```
---
# Explorando los datos
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
library(magrittr) #pipes
library(tidyr) #drop_na
pinguinos <- pinguinos %>%
drop_na()
summary(pinguinos)
```
---
# Explorando los datos
```{r, message=FALSE, warning=FALSE, fig.height = 5}
library(ggplot2)
pinguinos %>%
ggplot(aes(x = largo_pico_mm, y = largo_aleta_mm, color = especie)) +
geom_point() +
theme_classic()
```
---
# Explorando los datos
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
library(dplyr)
pinguinos %>%
select(-especie, -isla, -sexo, -anio) %>%
cor(use = "pairwise.complete.obs") %>%
round(digits = 2)
```
---
# Explorando los datos
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
library(GGally)
ggpairs(pinguinos)
```
---
# Dividiendo entre datos de entrenamiento y test
Usamos el paquete `rsample`
```{r}
library(rsample)
set.seed(4563) # for traceability
pinguinos_div <- initial_split(data = pinguinos, prop = 0.75)
pinguinos_div
```
```{r}
pinguinos_entren <- training(pinguinos_div)
pinguinos_test <- testing(pinguinos_div)
```
---
# Especificando el modelo
En general, hay que especificar:
* El tipo de modelo
* El modo (clasificación o regresión)
* El motor ("engine") o paquete
El [motor de búsqueda de tidymodels](https://www.tidymodels.org/find/parsnip/)
ofrece muchas opciones.
Digamos que usaremos bosques aleatorios.
--
* El tipo de modelo es `rand_forest`
* El modo es `classification`
* El motor que usaremos es `ranger`
---
# Especificando el modelo
```{r}
library(parsnip)
rf_espec <-
# tipo de modelo
rand_forest() %>%
# modo
set_mode("classification") %>%
# motor
set_engine("ranger")
rf_espec
```
---
# Creando una receta de pre-procesamiento
```{r, out.width = "90%", fig.align='center', echo=FALSE, fig.alt="Allison Horst's graph of the recipes package"}
knitr::include_graphics("./img/recipes_AH.png")
```
Artwork by @allison_horst
---
# Creando una receta de pre-procesamiento
```{r, warning=FALSE, message=FALSE}
library(recipes)
receta <- recipe(especie ~ ., # modelar especie usando todas las otras variables
data = pinguinos) %>%
# cambié de opinión respecto a anio
update_role(anio, new_role = "no usar") %>%
# remover variables con correlaciones > 0.8
step_corr(all_predictors() & all_numeric(), threshold = 0.8)
summary(receta)
```
---
# Armando el flujo de trabajo
```{r}
library(workflows)
# generando el flujo de trabajo con workflow
rf_flujo <- workflow() %>%
# añadir la receta
add_recipe(receta) %>%
# añadir las especificaciones del modelo
add_model(rf_espec)
```
---
# Armando el flujo de trabajo
```{r}
rf_flujo
```
---
# Aplicando la receta y ajustando el modelo a los datos
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
rf_ajuste <- fit(object = rf_flujo,
data = pinguinos_entren)
```
---
<!-- # Aplicando la receta y ajustando el modelo a los datos -->
```{r, echo = FALSE}
rf_ajuste
```
---
# Prediciendo sobre los datos de test
```{r}
predict(object = rf_ajuste,
new_data = pinguinos_test)
```
---
# Prediciendo sobre los datos de test
```{r}
(predict(object = rf_ajuste,
new_data = pinguinos_test) %>%
transmute(pred = .pred_class,
real = pinguinos_test$especie) -> pinguinos_test_pred)
```
---
# Calculando la matriz de confusión
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
library(yardstick)
pinguinos_test_pred %>%
conf_mat(truth = real, estimate = pred,
dnn = c("Predicción", "Real"))
```
Resultado perfecto.
---
# Segundo caso:
# Calibrando los hiperparámetros del modelo.
--
* Ejercicio de clasificación
* Bosques aleatorios
* Remuestreo en el set de entrenamiento
* Calibración de hiperparámetros
* Matriz de confusión e indicadores
---
Ahora buscaremos predecir el sexo de los pingüinos a partir morfológicos y otros.
--
# Cambiando la receta
```{r}
receta2 <- recipe(sexo ~ .,
data = pinguinos) %>%
update_role(anio, new_role = "no usar") %>%
update_role(isla, new_role = "no usar") %>%
step_corr(all_predictors() & all_numeric(), threshold = 0.8)
```
---
# Especificando el modelo
Esta vez, especificando los hiperparámetros a calibrar para el tipo de modelo.
Los hiperparámetros a especificar se pueden ver con
```{r}
show_model_info("rand_forest")
```
---
# Especificando el modelo
```{r}
library(tune)
rf_espec2 <- rand_forest(
mtry = tune(), # número de predictores a usar en cada división
min_n = tune() # número de observaciones necesarias para seguir dividiendo en nodos
) %>%
set_mode("classification") %>%
set_engine("ranger")
```
---
# Entrenamiento y test
Usamos las particiones anteriores `pinguinos_entren` y `pinguinos_test` a partir
de `pinguinos_div`.
--
```{r}
pinguinos_div
```
--
* Esta vez no nos conformaremos con una sola división en entrenamiento y test
para probar modelos con parametrizaciones distintas.
* Haremos bootstrapping de los datos de entrenamiento para calibrar hiperparámetros
* Luego haremos la evaluación final del modelo sobre los datos de test.
---
# Entrenamiento y test
```{r}
set.seed(8723)
pinguinos_boot <- bootstraps(pinguinos_entren, strata = sexo)
pinguinos_boot
```
---
# Armando el flujo de trabajo
```{r}
rf_flujo2 <- workflow() %>%
add_recipe(receta2) %>%
add_model(rf_espec2)
```
---
# Armando el flujo de trabajo
```{r}
rf_flujo2
```
---
# Calibrando hiperparámetros
* Haremos cálculo en paralelo para optimizar procesos (opcional).
* Si no tenemos idea de los valores a probar, fijamos un número de valores y
el algoritmo internamente los fija
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
library(parallel)
all_cores <- parallel::detectCores(logical = FALSE) # paralelo
cl <- makePSOCKcluster(all_cores-3) # paralelo
doParallel::registerDoParallel(cl) # paralelo
set.seed(345)
calibrar_res <- tune_grid(
rf_flujo2,
resamples = pinguinos_boot,
grid = 10 # 10 combinaciones de valores de hiperparámetros
)
stopCluster(cl) # paralelo
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los valores probados y sus resultados respecto a la exactitud (*accuracy*)
```{r}
calibrar_res %>%
collect_metrics()
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los valores probados y sus resultados respecto a la exactitud (*accuracy*)
```{r}
calibrar_res %>%
collect_metrics() %>%
filter(.metric == "accuracy")
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los valores probados y sus resultados respecto a la exactitud (*accuracy*)
```{r}
calibrar_res %>%
collect_metrics() %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean)
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los valores probados y sus resultados respecto a la exactitud (*accuracy*)
```{r}
calibrar_res %>%
collect_metrics() %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean) %>%
pivot_longer(mtry:min_n,
values_to = "valor",
names_to = "hiperparámetro")
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los valores probados y sus resultados respecto a la exactitud (*accuracy*)
```{r, eval = FALSE}
calibrar_res %>%
collect_metrics() %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean) %>%
pivot_longer(mtry:min_n,
values_to = "valor",
names_to = "hiperparametro") %>%
ggplot(aes(x = valor, y = mean)) +
geom_point(show.legend = FALSE) +
ylab("exactitud") +
facet_wrap(~hiperparametro, scales = "free_x") +
theme_light()
```
---
# Calibrando hiperparámetros
```{r, echo = FALSE, fig.width= 8}
calibrar_res %>%
collect_metrics() %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean) %>%
pivot_longer(mtry:min_n,
values_to = "valor",
names_to = "hiperparametro") %>%
ggplot(aes(x = valor, y = mean)) +
geom_point(show.legend = FALSE) +
ylab("exactitud") +
facet_wrap(~hiperparametro, scales = "free_x") +
theme_light()
```
---
# Calibrando hiperparámetros
A partir de estos resultados podemos hacer una búsqueda de combinaciones de
valores más sistemática.
```{r}
grilla <- expand.grid(
mtry = c(1,2),
min_n = seq(from = 10, to = 40, by=5)
)
grilla
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Y calibramos otra vez
```{r, message=FALSE, warning=FALSE}
cl <- makePSOCKcluster(all_cores-3) # paralelo
doParallel::registerDoParallel(cl) # paralelo
set.seed(543)
calibrar2_res <- tune_grid(
rf_flujo2,
resamples = pinguinos_boot,
grid = grilla
)
stopCluster(cl) # paralelo
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los resultados
```{r}
calibrar2_res %>%
collect_metrics %>%
filter(.metric == "accuracy")
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los resultados
```{r}
calibrar2_res %>%
collect_metrics %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean, std_err)
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los resultados
```{r, eval = FALSE}
calibrar2_res %>%
collect_metrics %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean, std_err) %>%
mutate(min_n = factor(min_n)) %>%
ggplot(aes(x = mtry, y = mean, color = min_n)) +
geom_line() +
geom_point() +
ylab("exactitud") +
scale_color_brewer(type = "qual", palette = "Set1" ) +
theme_bw()
```
---
# Calibrando hiperparámetros
Veamos los resultados
.pull-left[
```{r, echo = FALSE, height = 5.5}
calibrar2_res %>%
collect_metrics %>%
filter(.metric == "accuracy") %>%
select(mtry, min_n, mean, std_err) %>%
mutate(min_n = factor(min_n)) %>%
ggplot(aes(x = mtry, y = mean, color = min_n)) +
geom_line() +
geom_point() +
ylab("exactitud") +
scale_color_brewer(type = "qual", palette = "Set1" ) +
theme_bw()
```
]
--
.pull-right[
Es obvio que mtry=1 da mejores resultados. No hay mucha diferencia en min_n;
nos quedamos con min_n=20.
]
---
# Actualizando las especificaciones del modelo
Lo podemos hacer directamente en nuestro flujo de trabajo
```{r, eval = FALSE}
rf_flujo2_cal <- finalize_workflow(
x = rf_flujo2,
parameters = list(mtry = 1, min_n = 20) # select_best(calibrar_res, "accuracy")
)
rf_flujo2_cal
```
---
# Actualizando las especificaciones del modelo
```{r, echo = FALSE}
rf_flujo2_cal <- finalize_workflow(
x = rf_flujo2,
parameters = list(mtry = 1, min_n = 20) # select_best(calibrar_res, "accuracy")
)
rf_flujo2_cal
```
---
# Ajustando a los datos y prediciendo
```{r}
rf_ajuste2_cal <- rf_flujo2_cal %>%
fit(data = pinguinos_entren)
predict(object = rf_ajuste2_cal, new_data = pinguinos_test) %>%
transmute(pred = .pred_class,
real = pinguinos_test$sexo) -> pinguinos_sex_pred
```
---
# Calculando la matriz de confusión e indicadores
```{r}
pinguinos_sex_pred %>%
conf_mat(truth = real, estimate = pred,
dnn = c("Predicción", "Real"))
```
--
```{r}
multi_metric <- metric_set(accuracy, recall, precision)
multi_metric(data = pinguinos_sex_pred, truth = real, estimate = pred)
```
---
# Tercer caso:
# Interpretando el modelo
* Ejercicio de clasificación
* Bosques aleatorios
* Hiperparametrización anterior
* Importancia de variables
* Dependencia parcial
---
# Especificando el modelo
Cuando nos interesa la interpretación, es mejor pedir el cálculo de
la importancia al especificar el modelo.
Ahora usaremos los valores de hiperparámetros del caso anterior.
--
```{r}
rf_espec3 <- rand_forest() %>%
set_args(mtry = 1,
min_n = 20) %>%
set_mode("classification") %>%
set_engine("ranger", importance = "permutation")
rf_flujo3 <- workflow() %>%
add_recipe(receta2) %>%
add_model(rf_espec3)
```
Esta vez ajustamos a todos los datos
```{r}
rf_ajuste3 <- fit(object = rf_flujo3,
data = pinguinos)
```
---