特征工程总结
1 特征工程是什么?
2 數(shù)據(jù)預(yù)處理
2.1 無量綱化
2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化
2.1.2 區(qū)間縮放法
2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)化與歸一化的區(qū)別
2.2 對定量特征二值化
2.3 對定性特征啞編碼
2.4 缺失值計(jì)算
2.5 數(shù)據(jù)變換
3 特征選擇
3.1 Filter
3.1.1 方差選擇法
3.1.2 相關(guān)系數(shù)法
3.1.3 卡方檢驗(yàn)
3.1.4 互信息法
3.2 Wrapper
3.2.1 遞歸特征消除法
3.3 Embedded
3.3.1 基于懲罰項(xiàng)的特征選擇法
3.3.2 基于樹模型的特征選擇法
4 降維
4.1 主成分分析法(PCA)
4.2 線性判別分析法(LDA)
5 總結(jié)
6 參考資料
1 特征工程是什么?
有這么一句話在業(yè)界廣泛流傳:數(shù)據(jù)和特征決定了機(jī)器學(xué)習(xí)的上限,而模型和算法只是逼近這個(gè)上限而已。那特征工程到底是什么呢?顧名思義,其本質(zhì)是一項(xiàng)工程活動,目的是最大限度地從原始數(shù)據(jù)中提取特征以供算法和模型使用。通過總結(jié)和歸納,人們認(rèn)為特征工程包括以下方面:
<img src="https://pic3.zhimg.com/20e4522e6104ad71fc543cc21f402b36_b.png" data-rawwidth="875" data-rawheight="967" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="875" data-original="https://pic3.zhimg.com/20e4522e6104ad71fc543cc21f402b36_r.png">特征處理是特征工程的核心部分,sklearn提供了較為完整的特征處理方法,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理,特征選擇,降維等。首次接觸到sklearn,通常會被其豐富且方便的算法模型庫吸引,但是這里介紹的特征處理庫也十分強(qiáng)大!
本文中使用sklearn中的IRIS(鳶尾花)數(shù)據(jù)集來對特征處理功能進(jìn)行說明。IRIS數(shù)據(jù)集由Fisher在1936年整理,包含4個(gè)特征(Sepal.Length(花萼長度)、Sepal.Width(花萼寬度)、Petal.Length(花瓣長度)、Petal.Width(花瓣寬度)),特征值都為正浮點(diǎn)數(shù),單位為厘米。目標(biāo)值為鳶尾花的分類(Iris Setosa(山鳶尾)、Iris Versicolour(雜色鳶尾),Iris Virginica(維吉尼亞鳶尾))。導(dǎo)入IRIS數(shù)據(jù)集的代碼如下:
2 數(shù)據(jù)預(yù)處理
通過特征提取,我們能得到未經(jīng)處理的特征,這時(shí)的特征可能有以下問題:
- 不屬于同一量綱:即特征的規(guī)格不一樣,不能夠放在一起比較。無量綱化可以解決這一問題。
- 信息冗余:對于某些定量特征,其包含的有效信息為區(qū)間劃分,例如學(xué)習(xí)成績,假若只關(guān)心“及格”或不“及格”,那么需要將定量的考分,轉(zhuǎn)換成“1”和“0”表示及格和未及格。二值化可以解決這一問題。
- 定性特征不能直接使用:某些機(jī)器學(xué)習(xí)算法和模型只能接受定量特征的輸入,那么需要將定性特征轉(zhuǎn)換為定量特征。最簡單的方式是為每一種定性值指定一個(gè)定量值,但是這種方式過于靈活,增加了調(diào)參的工作。通常使用啞編碼的方式將定性特征轉(zhuǎn)換為定量特征:假設(shè)有N種定性值,則將這一個(gè)特征擴(kuò)展為N種特征,當(dāng)原始特征值為第i種定性值時(shí),第i個(gè)擴(kuò)展特征賦值為1,其他擴(kuò)展特征賦值為0。啞編碼的方式相比直接指定的方式,不用增加調(diào)參的工作,對于線性模型來說,使用啞編碼后的特征可達(dá)到非線性的效果。
- 存在缺失值:缺失值需要補(bǔ)充。
- 信息利用率低:不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和模型對數(shù)據(jù)中信息的利用是不同的,之前提到在線性模型中,使用對定性特征啞編碼可以達(dá)到非線性的效果。類似地,對定量變量多項(xiàng)式化,或者進(jìn)行其他的轉(zhuǎn)換,都能達(dá)到非線性的效果。
我們使用sklearn中的preproccessing庫來進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,可以覆蓋以上問題的解決方案。
2.1 無量綱化無量綱化使不同規(guī)格的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一規(guī)格。常見的無量綱化方法有標(biāo)準(zhǔn)化和區(qū)間縮放法。標(biāo)準(zhǔn)化的前提是特征值服從正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)化后,其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。區(qū)間縮放法利用了邊界值信息,將特征的取值區(qū)間縮放到某個(gè)特點(diǎn)的范圍,例如[0, 1]等。
2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化需要計(jì)算特征的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,公式表達(dá)為:
使用preproccessing庫的StandardScaler類對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的代碼如下:
<img src="https://pic2.zhimg.com/c7e852db6bd05b7bb1017b5425ffeec1_b.png" data-rawwidth="81" data-rawheight="48" class="content_image" width="81">區(qū)間縮放法的思路有多種,常見的一種為利用兩個(gè)最值進(jìn)行縮放,公式表達(dá)為:
使用preproccessing庫的MinMaxScaler類對數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間縮放的代碼如下:
<img src="https://pic2.zhimg.com/0f119a8e8f69509c5b95ef6a8a01a809_b.png" data-rawwidth="119" data-rawheight="52" class="content_image" width="119"> from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler#區(qū)間縮放,返回值為縮放到[0, 1]區(qū)間的數(shù)據(jù)
MinMaxScaler().fit_transform(iris.data)
簡單來說,標(biāo)準(zhǔn)化是依照特征矩陣的列處理數(shù)據(jù),其通過求z-score的方法,將樣本的特征值轉(zhuǎn)換到同一量綱下。歸一化是依照特征矩陣的行處理數(shù)據(jù),其目的在于樣本向量在點(diǎn)乘運(yùn)算或其他核函數(shù)計(jì)算相似性時(shí),擁有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),也就是說都轉(zhuǎn)化為“單位向量”。規(guī)則為l2的歸一化公式如下:
<img src="https://pic1.zhimg.com/fbb2fd0a163f2fa211829b735194baac_b.png" data-rawwidth="113" data-rawheight="57" class="content_image" width="113">使用preproccessing庫的Normalizer類對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化的代碼如下:
定量特征二值化的核心在于設(shè)定一個(gè)閾值,大于閾值的賦值為1,小于等于閾值的賦值為0,公式表達(dá)如下:
<img src="https://pic2.zhimg.com/11111244c5b69c1af6c034496a2591ad_b.png" data-rawwidth="159" data-rawheight="41" class="content_image" width="159">使用preproccessing庫的Binarizer類對數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化的代碼如下:
由于IRIS數(shù)據(jù)集的特征皆為定量特征,故使用其目標(biāo)值進(jìn)行啞編碼(實(shí)際上是不需要的)。使用preproccessing庫的OneHotEncoder類對數(shù)據(jù)進(jìn)行啞編碼的代碼如下:
由于IRIS數(shù)據(jù)集沒有缺失值,故對數(shù)據(jù)集新增一個(gè)樣本,4個(gè)特征均賦值為NaN,表示數(shù)據(jù)缺失。使用preproccessing庫的Imputer類對數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值計(jì)算的代碼如下:
常見的數(shù)據(jù)變換有基于多項(xiàng)式的、基于指數(shù)函數(shù)的、基于對數(shù)函數(shù)的。4個(gè)特征,度為2的多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換公式如下:
<img src="https://pic4.zhimg.com/d1c57a66fad39df90b87cea330efb3f3_b.png" data-rawwidth="571" data-rawheight="57" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="571" data-original="https://pic4.zhimg.com/d1c57a66fad39df90b87cea330efb3f3_r.png">使用preproccessing庫的PolynomialFeatures類對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換的代碼如下:
基于單變元函數(shù)的數(shù)據(jù)變換可以使用一個(gè)統(tǒng)一的方式完成,使用preproccessing庫的FunctionTransformer對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)換的代碼如下:
3 特征選擇
當(dāng)數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后,我們需要選擇有意義的特征輸入機(jī)器學(xué)習(xí)的算法和模型進(jìn)行訓(xùn)練。通常來說,從兩個(gè)方面考慮來選擇特征:
- 特征是否發(fā)散:如果一個(gè)特征不發(fā)散,例如方差接近于0,也就是說樣本在這個(gè)特征上基本上沒有差異,這個(gè)特征對于樣本的區(qū)分并沒有什么用。
- 特征與目標(biāo)的相關(guān)性:這點(diǎn)比較顯見,與目標(biāo)相關(guān)性高的特征,應(yīng)當(dāng)優(yōu)選選擇。除方差法外,本文介紹的其他方法均從相關(guān)性考慮。
根據(jù)特征選擇的形式又可以將特征選擇方法分為3種:
- Filter:過濾法,按照發(fā)散性或者相關(guān)性對各個(gè)特征進(jìn)行評分,設(shè)定閾值或者待選擇閾值的個(gè)數(shù),選擇特征。
- Wrapper:包裝法,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)(通常是預(yù)測效果評分),每次選擇若干特征,或者排除若干特征。
- Embedded:嵌入法,先使用某些機(jī)器學(xué)習(xí)的算法和模型進(jìn)行訓(xùn)練,得到各個(gè)特征的權(quán)值系數(shù),根據(jù)系數(shù)從大到小選擇特征。類似于Filter方法,但是是通過訓(xùn)練來確定特征的優(yōu)劣。
我們使用sklearn中的feature_selection庫來進(jìn)行特征選擇。
3.1 Filter3.1.1 方差選擇法
使用方差選擇法,先要計(jì)算各個(gè)特征的方差,然后根據(jù)閾值,選擇方差大于閾值的特征。使用feature_selection庫的VarianceThreshold類來選擇特征的代碼如下:
使用相關(guān)系數(shù)法,先要計(jì)算各個(gè)特征對目標(biāo)值的相關(guān)系數(shù)以及相關(guān)系數(shù)的P值。用feature_selection庫的SelectKBest類結(jié)合相關(guān)系數(shù)來選擇特征的代碼如下:
經(jīng)典的卡方檢驗(yàn)是檢驗(yàn)定性自變量對定性因變量的相關(guān)性。假設(shè)自變量有N種取值,因變量有M種取值,考慮自變量等于i且因變量等于j的樣本頻數(shù)的觀察值與期望的差距,構(gòu)建統(tǒng)計(jì)量:
<img src="https://pic1.zhimg.com/7bc586c806b9b8bf1e74433a2e1976bc_b.png" data-rawwidth="162" data-rawheight="48" class="content_image" width="162">不難發(fā)現(xiàn),這個(gè)統(tǒng)計(jì)量的含義簡而言之就是自變量對因變量的相關(guān)性。用feature_selection庫的SelectKBest類結(jié)合卡方檢驗(yàn)來選擇特征的代碼如下:
經(jīng)典的互信息也是評價(jià)定性自變量對定性因變量的相關(guān)性的,互信息計(jì)算公式如下:
<img src="https://pic3.zhimg.com/6af9a077b49f587a5d149f5dc51073ba_b.png" data-rawwidth="274" data-rawheight="50" class="content_image" width="274">為了處理定量數(shù)據(jù),最大信息系數(shù)法被提出,使用feature_selection庫的SelectKBest類結(jié)合最大信息系數(shù)法來選擇特征的代碼如下:
3.2.1 遞歸特征消除法
遞歸消除特征法使用一個(gè)基模型來進(jìn)行多輪訓(xùn)練,每輪訓(xùn)練后,消除若干權(quán)值系數(shù)的特征,再基于新的特征集進(jìn)行下一輪訓(xùn)練。使用feature_selection庫的RFE類來選擇特征的代碼如下:
3.3.1 基于懲罰項(xiàng)的特征選擇法
使用帶懲罰項(xiàng)的基模型,除了篩選出特征外,同時(shí)也進(jìn)行了降維。使用feature_selection庫的SelectFromModel類結(jié)合帶L1懲罰項(xiàng)的邏輯回歸模型,來選擇特征的代碼如下:
實(shí)際上,L1懲罰項(xiàng)降維的原理在于保留多個(gè)對目標(biāo)值具有同等相關(guān)性的特征中的一個(gè),所以沒選到的特征不代表不重要。故,可結(jié)合L2懲罰項(xiàng)來優(yōu)化。具體操作為:若一個(gè)特征在L1中的權(quán)值為1,選擇在L2中權(quán)值差別不大且在L1中權(quán)值為0的特征構(gòu)成同類集合,將這一集合中的特征平分L1中的權(quán)值,故需要構(gòu)建一個(gè)新的邏輯回歸模型:
使用feature_selection庫的SelectFromModel類結(jié)合帶L1以及L2懲罰項(xiàng)的邏輯回歸模型,來選擇特征的代碼如下:
樹模型中GBDT也可用來作為基模型進(jìn)行特征選擇,使用feature_selection庫的SelectFromModel類結(jié)合GBDT模型,來選擇特征的代碼如下:
4 降維
當(dāng)特征選擇完成后,可以直接訓(xùn)練模型了,但是可能由于特征矩陣過大,導(dǎo)致計(jì)算量大,訓(xùn)練時(shí)間長的問題,因此降低特征矩陣維度也是必不可少的。常見的降維方法除了以上提到的基于L1懲罰項(xiàng)的模型以外,另外還有主成分分析法(PCA)和線性判別分析(LDA),線性判別分析本身也是一個(gè)分類模型。PCA和LDA有很多的相似點(diǎn),其本質(zhì)是要將原始的樣本映射到維度更低的樣本空間中,但是PCA和LDA的映射目標(biāo)不一樣:PCA是為了讓映射后的樣本具有最大的發(fā)散性;而LDA是為了讓映射后的樣本有最好的分類性能。所以說PCA是一種無監(jiān)督的降維方法,而LDA是一種有監(jiān)督的降維方法。
4.1 主成分分析法(PCA)使用decomposition庫的PCA類選擇特征的代碼如下:
使用lda庫的LDA類選擇特征的代碼如下:
5 總結(jié)
再讓我們回歸一下本文開始的特征工程的思維導(dǎo)圖,我們可以使用sklearn完成幾乎所有特征處理的工作,而且不管是數(shù)據(jù)預(yù)處理,還是特征選擇,抑或降維,它們都是通過某個(gè)類的方法fit_transform完成的,fit_transform要不只帶一個(gè)參數(shù):特征矩陣,要不帶兩個(gè)參數(shù):特征矩陣加目標(biāo)向量。這些難道都是巧合嗎?還是故意設(shè)計(jì)成這樣?方法fit_transform中有fit這一單詞,它和訓(xùn)練模型的fit方法有關(guān)聯(lián)嗎?接下來,我將在《使用sklearn優(yōu)雅地進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘》中闡述其中的奧妙!
總結(jié)
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