机器学习之特征工程-特征选择

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jacksu在简书
2017.08.09 00:18* 字数 1252

一个基本的数据挖掘场景如下:


数据挖掘.jpg

从上面的数据挖掘场景可知,当数据预处理完成后,我们需要选择有意义的特征,输入机器学习的算法模型进行训练。通常来说,从两个方面考虑来选择特征:

特征是否发散:如果一个特征不发散,例如方差接近于0,也就是说样本在这个特征上基本上没有差异,这个特征对于样本的区分并没有什么用。

特征与目标的相关性:这点比较显见,与目标相关性高的特征,应当优选选择。除方差法外,本文介绍的其他方法均从相关性考虑。

根据特征选择的形式又可以将特征选择方法分为3种:

  • Filter:过滤法,按照发散性或者相关性对各个特征进行评分,设定阈值或者待选择阈值的个数,选择特征。
  • Wrapper:包装法,根据目标函数(通常是预测效果评分),每次选择若干特征,或者排除若干特征。
  • Embedded:集成法,先使用某些机器学习的算法和模型进行训练,得到各个特征的权值系数,根据系数从大到小选择特征。类似于Filter方法,但是是通过训练来确定特征的优劣。

我们使用sklearn中的feature_selection库来进行特征选择。

Filter

方差法

使用方差法,要先计算各个特征的方差,然后根据阈值,选择方差大于阈值的特征。使用feature_selection库的VarianceThreshold类来选择特征的代码如下:

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.feature_selection import VarianceThreshold

#方差选择法,返回值为特征选择后的数据
#参数threshold为方差的阈值
iris = load_iris()
print(iris.data[0])
print(iris.target[0])
print(VarianceThreshold(threshold=3).fit_transform(iris.data)[0])

从结果看,只有第三个属性符合,结果如下:

[ 5.1  3.5  1.4  0.2]
0
[ 1.4]

皮尔逊系数

皮尔逊系数只能衡量线性相关性,先要计算各个特征对目标值的相关系数以及相关系数的P值。用feature_selection库的SelectKBest类结合皮尔逊系数来选择特征的代码如下:

from sklearn.feature_selection import SelectKBest
from scipy.stats import pearsonr
from sklearn.datasets import load_iris

iris=load_iris()
#选择K个最好的特征,返回选择特征后的数据

#第一个参数为计算评估特征是否好的函数,该函数输入特征矩阵和目标向量,输出二元组(评分,P值)的数组,数组第i项为第i个特征的评分和P值。在此定义为计算相关系数
#参数k为选择的特征个数
# 定义函数
def multivariate_pearsonr(X, y):
    scores, pvalues = [], []
    for ret in map(lambda x:pearsonr(x, y), X.T):
        scores.append(abs(ret[0]))
        pvalues.append(ret[1])
    return (np.array(scores), np.array(pvalues))

transformer = SelectKBest(score_func=multivariate_pearsonr, k=2)
Xt_pearson = transformer.fit_transform(iris.data, iris.target)
print(Xt_pearson)

卡方检验

只能用于二分类,经典的卡方检验是检验定性自变量对定性因变量的相关性。假设自变量有N种取值,因变量有M种取值,考虑自变量等于i且因变量等于j的样本频数的观察值与期望的差距,构建统计量:


  
不难发现,这个统计量的含义简而言之就是自变量对因变量的相关性。用feature_selection库的SelectKBest类结合卡方检验来选择特征的代码如下:

from sklearn.feature_selection import SelectKBestfrom 
sklearn.feature_selection import chi2

#选择K个最好的特征,返回选择特征后的数据
SelectKBest(chi2, k=2).fit_transform(iris.data, iris.target)

互信息法

互信息系数能够很好地度量各种相关性,但是计算相对复杂一些,互信息计算公式如下:


  
使用feature_selection库的SelectKBest类结合最大信息系数法来选择特征的代码如下

from sklearn.feature_selection import SelectKBest
from sklearn.feature_selection import mutual_info_classif

#选择K个最好的特征,返回选择特征后的数据
SelectKBest(mutual_info_classif, k=2).fit_transform(iris.data, iris.target)

Wrapper

包装法,根据目标函数(通常是预测效果评分),每次选择若干特征,或者排除若干特征。

递归特征消除法

递归消除特征法使用一个基模型来进行多轮训练,每轮训练后,消除若干权值系数的特征,再基于新的特征集进行下一轮训练。使用feature_selection库的RFE类来选择特征的代码如下:

from sklearn.feature_selection import RFE
from sklearn.linear_model import LogisticRegression

#递归特征消除法,返回特征选择后的数据
#参数estimator为基模型
#参数n_features_to_select为选择的特征个数
RFE(estimator=LogisticRegression(), n_features_to_select=2).fit_transform(iris.data,iris.target)

Embedded

集成法,先使用某些机器学习的算法和模型进行训练,得到各个特征的权值系数,根据系数从大到小选择特征。类似于Filter方法,但是是通过训练来确定特征的优劣。

基于树模型的特征选择法

树模型中GBDT也可用来作为基模型进行特征选择,使用feature_selection库的SelectFromModel类结合GBDT模型,来选择特征的代码如下:

from sklearn.feature_selection import SelectFromModel
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier

#GBDT作为基模型的特征选择
SelectFromModel(GradientBoostingClassifier()).fit_transform(iris.data, iris.target)

当然还有别的方法:
通过特征组合后再来选择特征:如对用户id和用户特征组合来获得较大的特征集再来选择特征,这种做法在推荐系统和广告系统中比较常见,这也是所谓亿级甚至十亿级特征的主要来源,原因是用户数据比较稀疏,组合特征能够同时兼顾全局模型和个性化模型。
通过深度学习来进行特征选择:目前这种手段正在随着深度学习的流行而成为一种手段,尤其是在计算机视觉领域,原因是深度学习具有自动学习特征的能力,这也是深度学习又叫unsupervised feature learning的原因。从深度学习模型中选择某一神经层的特征后就可以用来进行最终目标模型的训练了。

文中涉及源码在此:源码

参考

皮尔逊系数
普通数据挖掘场景
https://www.zhihu.com/question/29316149
sklearn feature selection

人工智能
Gupao