如何进行特征选择 实践

在做特征抽取的时候，我们是尽可能地抽取更多的Feature，但过多的 Feature 会造成 冗余（部分特征的相关度太高了，消耗计算性能），噪声（部分特征是对预测结果有负影响），容易过拟合等问题，因此我们需要进行 特征筛选。特征选择可以加快模型的训练速度，甚至还可以提升效果。

接下来，我们了解下各种特征选择的方式。

 

• 过滤型（Filter）

评估 单个特征 和 结果值 之间的相关程度，我们可以排序留下Top相关程度较高 的的特征部分。而计算相关程度可以用相关系数、互信息、卡方检验，距离相关度来 计算。这种方法的缺点是：没有考虑到特征之间的关联作用，可能把有用的关联特征误踢掉（数值为0，并不能说明两个变量不相关，只是线性不相关而已）。

1. 方差选择法

　使用方差选择法，先要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。

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.feature_selection import VarianceThreshold 
from sklearn.feature_selection import SelectKBest  # 根据 k个最高分选择功能。
Data = load_iris()
X, y = Data.data, Data.target
print(X.shape)
X_new = VarianceThreshold(threshold=3).fit_transform(X, y) #参数threshold为方差的阈值
print(X_new.shape)  

>>>(150, 4)
>>>(150, 1)   

 2.相关系数法

import numpy as np
from scipy.stats import pearsonr

np.random.seed(0)
size = 200
X = np.random.normal(0, 1, size)
print("Lower noise", pearsonr(X, X+np.random.normal(0, 1, size)))
print("higher noise", pearsonr(X, X+np.random.normal(0, 10. size)))

>>>Lower noise (0.7579114556127933, 1.3803800258462316e-38)
>>>higher noise (0.04185684491264431, 0.5562015462329835)   

   3.卡方检验

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：

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.datasets import load_iris
from sklearn.feature_selection import chi2  #卡方检验
from sklearn.feature_selection import SelectKBest  # 根据 k个最高分选择功能。
Data = load_iris()
X, y = Data.data, Data.target
print(X.shape)
X_new = SelectKBest(chi2, k=2).fit_transform(X, y)
print(X_new.shape)

  >>>(150, 4)
  >>> (150, 2)

  4.互信息法

互信息是用于评价离散特征对离散目标变量的相关性。

互信息用于特征选择有以下缺点：

1. 它不属于度量方式，无法进行归一化，在不同数据集上的结果无法做比较；
2. 对于连续变量的计算不是很方便（X和Y都是集合，x，y都是离散的取值），通常变量需要先离散化，而互信息的结果对离散化的方式很敏感。

最大信息系数（Maximal Information Coefficient， MIC）克服了这两个问题。它首先寻找一种最优的离散化方式，然后把互信息取值转换成一种度量方式，取值区间在[0，1]。

MIC度量计算的方法

具有两个属性的数据点的集合分布在两维的空间中，使用m乘以n的网格划分数据空间，使落在第(x,y)格子中的数据点的频率作为P(x,y)的估计即，使落在第x行的数据点的频率作为P(x)的估计，同理获得P(y)的估计。然后计算随机变量X、Y的互信息。因为m乘以n的网格划分数据点的方式不止一种，所以我们要获得使互信息最大的网格划分。然后使用归一化因子，将互信息的值转化为(0,1)区间之内。最后，找到能使归一化互信息最大的网格分辨率，作为MIC的度量值。其中网格的分辨率限制为m x n < B，。

将MIC的计算过程概括为公式为：

minepy提供了MIC功能，代码如下：

from minepy import MINE
import numpy as np
m = MINE()
x = np.random.uniform(-1, 1, 10000)
m.compute_score(x, x ** 2)
print(m.mic())

>>>1.0000000000000009

MIC的不足：当零假设不成立时，MIC的统计就会受到影响。在有的数据集上不存在这个问题，但有的数据集上就存在这个问题。

• 包裹型（Wrapper）

包裹型是指把特征选择看做一个特征子集搜索问题，筛选各种特征子集，用模型评估效果。典型的包裹型算法为 “递归特征删除算法”REF(recursive feature elimination algorithm)。

比如用逻辑回归，怎么做这个事情呢？

1、用全量特征跑一个模型

2、根据线性模型的系数(体现相关性)，删掉5-10%的弱特征，观察 准确率/auc的变化

3、逐步进行，直至准确率/auc出现大的下滑停止

from sklearn.feature_selection import RFE # 递归特征删除算法,通过递归地删除越来越小来弱特征
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.datasets import load_boston
data = load_boston()
X = data["data"]
y = data["target"]
names = data["feature_names"]

LR = LinearRegression()
rfe = RFE(LR, n_features_to_select=1) #对所有特征排序，持续消除直到最后一个
rfe.fit(X, y)
print("通过排序后得到特征分类")

# 在 Python 3.x 中为了减少内存，zip() 返回的是一个对象。如需展示列表，需手动 list() 转换。
print(sorted(zip(map(lambda x: round(x, 3), rfe.ranking_), names), reverse=True))# 返回最接近于参数x的数，其值保留到小数点后面3位

>>>[(13, 'AGE'), (12, 'B'), (11, 'TAX'), (10, 'ZN'), (9, 'INDUS'), (8, 'CRIM'), (7, 'RAD'), (6, 'LSTAT'), (5, 'DIS'), (4, 'PTRATIO'), (3, 'CHAS'), (2, 'RM'), (1, 'NOX')]

• 嵌入型（Embedded）

嵌入型特征选择是指根据模型来分析 特征的重要性（有别于上面的方式， 是从产生的模型权重等.  最常见的方式为用正则化方式来做特征选择。

正则化一般分为两种：L1正则化 和 L2正则化。

一般回归分析中 回归w 表示 特征的系数，从下式可以看到正则化项是对 系数做了处理（限制）。

L1正则化和L2正则化的说明如下：

•  L1正则化是指权值向量w中 各个元素的绝对值之和，通常表示为

•  L2正则化是指权值向量w中 各个元素的平方和（可以看到Ridge回归的L2正则化项有平方符号），通常表示为

一般都会在正则化项之前添加一个系数，Python中用 α 表示，一些文章也用 λ 表示，主要用来 权衡正则项与C0项的比重。另外L2正则化项须要再乘以1/2，要是为了后面求导的结果方便，后面那一项求导会产生一个2, 与1/2相乘刚好凑整。

L2正则化项是怎么避免overfitting的呢？

我们推导一下看看，先求导：

能够发现 L2正则化项 对 b 的更新没有影响，可是对于 w 的更新有影响:

在不使用L2正则化时，求导结果中 w 前系数为 1，经变化后w前面系数为 1−ηλ/n ，由于η、λ、n都是正的。所以 1−ηλ/n小于1，它的效果是减小w，这也就是权重衰减（weight decay）的由来。

更小的权值w，从某种意义上说，表示网络的复杂度更低，对数据的拟合刚刚好（这个法则也叫做奥卡姆剃刀）

那添加L1和L2正则化有什么用？

• L1正则化可以产生 稀疏权值矩阵，即产生一个稀疏模型，可以用于特征选择
• L2正则化可以防止模型 过拟合（overfitting）。当然，一定程度上，L1也可以防止过拟合。

稀疏模型与特征选择

上面提到 L1正则化b 有助于生成一个稀疏权值矩阵，进而可以用于特征选择。为什么要生成一个稀疏矩阵？

稀疏矩阵指的是很多元素为0，只有少数元素是非零值的矩阵，即得到的线性回归模型的大部分系数都是0。通常机器学习中特征数量很多，例如文本处理时，如果将一个词组（term）作为一个特征，那么特征数量会达到上万个（bigram）。
在预测或分类时，那么多特征显然难以选择，而且模型复杂。但是,如果 代入这些特征 得到的模型是一个 稀疏模型，表示只有少数特征对这个模型有贡献，绝大部分特征是没有贡献的，或者贡献微小（因为它们前面的系数是0或者是很小的值，即使去掉对模型也没有什么影响），此时我们就可以只关注系数是非零值的特征，大大减少模型复杂度，这就是稀疏模型与特征选择的关系。

举个例子，最早在电商用LR做CTR预估，在3-5亿维的系数 特征上用L1正则化的LR模型。剩余2-3千万的feature，意味着其他的feature重要度不够。

在什么情况下使用L1,什么情况下使用L2？

L1和L2的差别，为什么一个让绝对值最小，一个让平方最小，会有那么大的差别呢？我看到的有两种几何上直观的解析：

（1）下降速度：

我们知道，L1和L2都是规则化的方式，我们将 权值参数 以 L1 或者 L2 的方式放到代价函数里面去。然后模型就会尝试去最小化这些权值参数。而这个最小化就像一个下坡的过程，L1和L2的差别就在于这个“坡”不同，如下图：L1就是按绝对值函数的“坡”下降的，而L2是按二次函数的“坡”下降。所以实际上在0附近，L1的下降速度比L2的下降速度要快，所以会非常快得降到0。不过我觉得这里解释的不太中肯，当然了也不知道是不是自己理解的问题.

L1称Lasso，L2称Ridge

L1会趋向于产生少量的特征，而其他的特征都是0，而L2会选择更多的特征，这些特征都会接近于0。

L1(Lasso)在 特征选择 时候非常有用，而L2(Ridge)就只是一种规则化而已.

通过训练带L1或L2惩罚项的Linear Model模型来筛选特征

from sklearn.svm import LinearSVC
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.feature_selection import SelectFromModel
data = load_iris()
X, y = data.data, data.target
LSVC_L1 = LinearSVC(C=0.01, penalty="l1", dual=False).fit(X, y)
LSVC_L2 = LinearSVC(C=0.01, penalty="l2", dual=False).fit(X, y)
#如果prefit=为True，则必须直接调用``transform``, 否则使用``fit``然后``transform``来训练模型
model_L1 = SelectFromModel(LSVC_L1, prefit=True)
model_L2 = SelectFromModel(LSVC_L2, prefit=True)
# model.fit(X, y)
X_L1 = model_L1.transform(X)
X_L2 = model_L2.transform(X)
print(X.shape)
print(X_L1.shape)
print(X_L2.shape)

>>>(150, 4)

>>>(150, 2)

基于随机森林的特征选择法

随机森林由多个决策树构成。决策树中的每一个节点都是基于某个特征的将数据集按照不同的label一分为二。利用随机森林提供的不纯度可以进行特征选择，对于分类问题，通常采用 基尼指数Gini 或者 信息增益IG；对于回归问题，通常采用的是 方差 或者最小二乘拟合。当训练随机森林时，可算出每个特征平均减少了多少不纯度，并把它平均减少的不纯度作为特征选择的依据。基于随机森林的特征选择代码如下：

from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
boston = load_boston()
X = boston["data"]
Y = boston["target"]
names = boston["feature_names"]
rf = RandomForestRegressor()
rf.fit(X, Y)
print("Features sorted by their score:")
print(sorted(zip(map(lambda x: round(x, 4), rf.feature_importances_), names), reverse=True))

>>>Features sorted by their score:
>>>[(0.4761, 'LSTAT'), (0.3321, 'RM'), (0.0649, 'DIS'), (0.0361, 'CRIM'), (0.0245, 'NOX'), (0.0178, 'TAX'), (0.0144, 'AGE'), (0.0119, 'PTRATIO'), (0.0097, 'B'), (0.0059, 'INDUS'), (0.0048, 'RAD'), (0.0014, 'CHAS'), (0.0004, 'ZN')]
 

总结