1、特征工程與意義

特征就是從數(shù)據(jù)中抽取出來的對結(jié)果預(yù)測有用的信息。

特征工程是使用專業(yè)知識背景知識和技巧處理數(shù)據(jù)，是得特征能在機(jī)器學(xué)習(xí)算法上發(fā)揮更好的作用的過程。

2、基本數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集

• 需要思考那些數(shù)據(jù)有用
• 數(shù)據(jù)是否容易采集到
• 線上實(shí)時(shí)計(jì)算的時(shí)候獲取是否快捷

數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗做的事情：洗掉臟數(shù)據(jù)

思考角度：

1、單維度考量

身高3m的人？顯然不可能

一個(gè)月買臉盆墩布花了10w的人？也不太可能

組合或統(tǒng)計(jì)屬性判定

號稱在美國但I(xiàn)P卻一直在大陸的新聞閱讀用戶？

要統(tǒng)計(jì)一個(gè)人是否會去買籃球鞋，然而你的樣本中女性占80%？

2、統(tǒng)計(jì)方法

使用箱線圖/boxplot上下界

取出缺省值多的字段

不可信的樣本要去掉，缺省值極多的字段考慮不用

數(shù)據(jù)采樣

分類問題中，很多情況下正負(fù)樣本是不均衡的。比如患某些疾病的患者和健康人。

大多數(shù)模型對正負(fù)樣本比是敏感的（如邏輯回歸LR）

解決方法：隨機(jī)采樣、分層采樣
如果是正樣本>>負(fù)樣本，而且量都很大：在正樣本下采樣。（如正樣本200萬個(gè)，負(fù)樣本20萬個(gè)，此時(shí)在正樣本中隨機(jī)采樣20萬個(gè)，正負(fù)樣本1:1構(gòu)建分類器）
如果是正樣本>>負(fù)樣本，量不大：1、采集更多數(shù)據(jù)；2、可以oversampling，即過采樣（如有10萬正樣本，1000負(fù)樣本，最簡單的方法是將1000負(fù)樣本多重復(fù)幾遍。然而這樣做可能會加大過擬合風(fēng)險(xiǎn)，故會將負(fù)樣本經(jīng)過一些小的處理。如圖像識別里面判斷是否為貓，可將圖片旋轉(zhuǎn)？鏡像處理？加上一些噪聲？均可）；3、修改損失函數(shù)。

3、常見特征工程

數(shù)值型

1、幅度調(diào)整/歸一化
- 幅度縮放Scaling
- 標(biāo)準(zhǔn)化Standardization
- 歸一化Normalization

2、將數(shù)值進(jìn)行Log等變化

3、統(tǒng)計(jì)值max、min、mean、std

4、離散化

對連續(xù)值可以將其離散化，按照一個(gè)區(qū)間來分（分箱、分桶）

下面代碼生成滿足標(biāo)準(zhǔn)高斯分布的20個(gè)隨機(jī)數(shù)，使用pandas的cut函數(shù)可以將數(shù)據(jù)劃分。

import numpy as np
import pandas as pd
arr = np.random.randn(20)
factor = pd.cut(arr,4)

factor
Out[5]: 
[(-0.643, 0.329], (0.329, 1.302], (-1.616, -0.643], (-1.616, -0.643], (-0.643, 0.329], ..., (-0.643, 0.329], (-0.643, 0.329], (-0.643, 0.329], (0.329, 1.302], (-1.616, -0.643]]
Length: 20
Categories (4, interval[float64]): [(-2.593, -1.616] < (-1.616, -0.643] < (-0.643, 0.329] < (0.329, 1.302]]

5、高次與四則運(yùn)算特征

通過高次多項(xiàng)式或四則運(yùn)算來將數(shù)據(jù)升維。

6、數(shù)值轉(zhuǎn)為類別

類別型

1、one_hot編碼/啞變量

原數(shù)據(jù)

做one_hot編碼之后

注：不適合類別特別多的字段

2、Hash技巧

如上圖，將文本型映射成向量

時(shí)間型

時(shí)間型數(shù)據(jù)既可以看成連續(xù)值，又可以看成離散值。

其他類型

1、文本型

詞袋模型/bag of words

word2vec

文本數(shù)據(jù)預(yù)處理后，去掉停用詞，剩下的詞組成的list，在詞庫中的映射稀疏向量。

上述向量沒有加上詞的順序，可以將詞袋中的詞擴(kuò)充到n-gram。下圖即為將“Bi-grams are cool！”這句話映射成1個(gè)單詞和兩個(gè)單詞。

Tf-idf特征

Tf-idf是一種統(tǒng)計(jì)方法，用以評估一個(gè)字詞對于一個(gè)文件集或一個(gè)語料庫中的其中一份文件的重要程度。字詞的重要性隨著它在文件中出現(xiàn)的次數(shù)成正比增加，但同時(shí)會隨它在語料庫中出現(xiàn)的頻率成反比下降。

TF：Term Frequency

TF(t) = (詞t在當(dāng)前文中出現(xiàn)的次數(shù))/(t在全部語料庫中出現(xiàn)的次數(shù))

IDF:

IDF(t)=ln(總文檔數(shù)/含t的文檔數(shù))

TF-IDF權(quán)重 = TF(t)*IDF(t)

2、統(tǒng)計(jì)特征

加減平均

分位線

次序型

比例型

特征處理示例

4、特征選擇方法

特征選擇意義：

冗余：部分特征相關(guān)度太高了，消耗計(jì)算性能

噪聲：部分特征是對預(yù)測結(jié)果有負(fù)影響

特征選擇VS降維：

前者剔除原本特征里和結(jié)果預(yù)測關(guān)系不大的，后者做降維操作，但是保存大部分信息

SVD或PCA確實(shí)也能解決一定的高維問題

過濾式特征選擇

評估單個(gè)特征和結(jié)果值之間的相關(guān)程度，排序留下Top相關(guān)的特征部分

Pearson系數(shù)，互信息，距離相關(guān)度

缺點(diǎn)：沒有考慮到特征之間的關(guān)聯(lián)作用，可能把有用的關(guān)聯(lián)特征誤剔除

相關(guān)的Python包：

#SelectKBest選擇排名前k個(gè)的特征
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.feature_selection import SelectKBest
#chi2是卡方統(tǒng)計(jì)量
from sklearn.feature_selection import chi2

iris = load_iris()
X,y = iris.data,iris.target
# 之前的X數(shù)據(jù)集是有4個(gè)特征的
X.shape
Out[13]: (150, 4)
# 使用SelectKBest，使用卡方統(tǒng)計(jì)量，選出top2的兩個(gè)特征    
X_new = SelectKBest(chi2,k=2).fit_transform(X,y)
X_new.shape
Out[15]: (150, 2)

包裹式（wrapper）特征選擇

把特征選擇看做一個(gè)特征子集搜索問題，篩選出各種特征子集，用模型評估結(jié)果。

典型的包裹式算法為“遞歸特征刪除算法”（recusive feature elimination algorithm）
如用邏輯回歸，如何去做？

用全量跑一個(gè)模型

根據(jù)線性模型系數(shù)（體現(xiàn)相關(guān)性），刪掉5%-10%的特征，觀察準(zhǔn)確率/AUC的變化

逐步進(jìn)行，直至準(zhǔn)確率/AUC出現(xiàn)大的下滑停止
相關(guān)python包

幾個(gè)參數(shù)estimato為選擇的模型，n_features_to_select為迭代到最后幾個(gè)特征值。

from sklearn.feature_selection import RFE
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.datasets import load_boston

boston = load_boston()
lr= LinearRegression()
rfe = RFE(lr,n_features_to_select=1)
X = boston["data"]
# 數(shù)據(jù)有13個(gè)特征
X.shape
Out[27]: (506, 13)

Y = boston["target"]
names = boston["feature_names"]
rfe.fit(X,Y)
Out[28]: 
RFE(estimator=LinearRegression(copy_X=True, fit_intercept=True, n_jobs=1, normalize=False),
  n_features_to_select=1, step=1, verbose=)

# 使用遞歸特征刪除算法，將數(shù)據(jù)的13個(gè)特征排序，數(shù)字為對應(yīng)特征的序號
rfe.ranking_
Out[29]: array([ 8, 10,  9,  3,  1,  2, 13,  5,  7, 11,  4, 12,  6])

嵌入式特征選擇

根據(jù)模型來分析特征的重要性（有別于上面的方式，是從生產(chǎn)的模型權(quán)重等）

最常見的方式為正則化方法來做特征選擇

一般用L1正則化來進(jìn)行特征選擇，用L2正則化來防止過擬合。

from sklearn.svm import LinearSVC
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.feature_selection import SelectFromModel
iris = load_iris()
X,y = iris.data,iris.target
# 之前的特征數(shù)為4
X.shape
Out[6]: (150, 4)
# 使用線性SVM分類器，正則化選L1正則化
lsvc = LinearSVC(C=0.01,penalty='l1',dual=False).fit(X,y)
model = SelectFromModel(lsvc,prefit=True)
X_new = model.transform(X)
# L1正則化后選擇的特征數(shù)為3
X_new.shape
Out[10]: (150, 3)