机器学习任务的一般流程及必要步骤

今天药忘吃喽~ 2023-06-10 07:26 41阅读 0赞

## 目录 ##

1.数据收集  
2.数据预处理与特征工程  
2.1 数据清理  
2.2 数据集成  
2.3 数据规约  
2.4 数据变换  
3.模型的选择与训练  
4.模型的评估与优化

处理机器学习问题，通常分为以下几步：

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## 1 数据收集 ##

通常，我们拿到一个具体的领域问题后，可以使用网上一些具有代表性的、大众经常会用到的公开数据集。相较于自己整理的数据集，显然大众的数据集更具有代表性，数据处理的结果也更容易得到大家的认可。此外，大众的数据集在数据过拟合、数据偏差、数值缺失等问题上也会处理的更好。但如果在网上找不到现成的数据，那我们只好收集原始数据，再去一步步进行加工、整理，这将是一个漫长的过程，需要我们足够细心。

## 2 数据预处理与特征工程 ##

在真实数据中，我们拿到的数据可能包含了大量的缺失值，可能包含大量的噪音，也可能因为人工录入错误导致有异常点存在，非常不利于算法模型的训练。

数据的质量，直接决定了模型的预测和泛化能力的好坏。它涉及很多因素，包括：准确性、完整性、一致性、时效性、可信性和解释性。

数据预处理的主要步骤分为：数据清理、数据集成、数据规约和数据变换。

## 2.1 数据清理 ##

数据清理(data cleaning) 的主要思想是通过填补缺失值、光滑噪声数据，平滑或删除离群点，并解决数据的不一致性来“清理“数据。

**1、缺失值的处理**

针对这些缺失值的处理方法，主要是基于变量的分布特性和变量的重要性（信息量和预测能力）采用不同的方法。主要分为以下几种：

删除变量：若变量的缺失率较高（大于80%），覆盖率较低，且重要性较低，可以直接将变量删除。

定值填充：工程中常见用-9999进行替代

统计量填充：若缺失率较低（小于95%）且重要性较低，则根据数据分布的情况进行填充。对于数据符合均匀分布，用该变量的均值填补缺失，对于数据存在倾斜分布的情况，采用中位数进行填补。

插值法填充：包括随机插值，多重差补法，热平台插补，拉格朗日插值，牛顿插值等

模型填充：使用回归、贝叶斯、随机森林、决策树等模型对缺失数据进行预测。

哑变量填充：若变量是离散型，且不同值较少，可转换成哑变量，例如性别SEX变量，存在male,fameal,NA三个不同的值，可将该列转换成 IS\_SEX\_MALE, IS\_SEX\_FEMALE, IS\_SEX\_NA。若某个变量存在十几个不同的值，可根据每个值的频数，将频数较小的值归为一类’other’，降低维度。此做法可最大化保留变量的信息。

总结来看，楼主常用的做法是：先用pandas.isnull.sum()检测出变量的缺失比例，考虑删除或者填充，若需要填充的变量是连续型，一般采用均值法和随机差值进行填充，若变量是离散型，通常采用中位数或哑变量进行填充。

**注意**：若对变量进行分箱离散化，一般会将缺失值单独作为一个箱子（离散变量的一个值）

**2、离群点处理**

异常值是数据分布的常态，处于特定分布区域或范围之外的数据通常被定义为异常或噪声。  
异常分为两种：“伪异常”，由于特定的业务运营动作产生，是正常反应业务的状态，而不是数据本身的异常；“真异常”，不是由于特定的业务运营动作产生，而是数据本身分布异常，即离群点。

主要有以下检测离群点的方法：

简单统计分析：根据箱线图、各分位点判断是否存在异常，例如pandas的describe函数可以快速发现异常值。

3σ原则：若数据存在正态分布，偏离均值的3σ之外. 通常定义P(|x-u|>3σ)<=0.003范围内的点为离群点。

基于绝对离差中位数（MAD）：这是一种稳健对抗离群数据的距离值方法，采用计算各观测值与平均值的距离总和的方法。放大了离群值的影响。

基于距离：通过定义对象之间的临近性度量，根据距离判断异常对象是否远离其他对象，缺点是计算复杂度较高，不适用于大数据集和存在不同密度区域的数据集

基于密度：离群点的局部密度显著低于大部分近邻点，适用于非均匀的数据集

基于聚类：利用聚类算法，丢弃远离其他簇的小簇。

总结来看，在数据处理阶段将离群点作为影响数据质量的异常点考虑，而不是作为通常所说的异常检测目标点，因而楼主一般采用较为简单直观的方法，结合箱线图和MAD的统计方法判断变量的离群点。

具体的处理手段：

根据异常点的数量和影响，考虑是否将该条记录删除，信息损失多

若对数据做了log-scale 对数变换后消除了异常值，则此方法生效，且不损失信息

平均值或中位数替代异常点，简单高效，信息的损失较少

在训练树模型时，树模型对离群点的鲁棒性较高，无信息损失，不影响模型训练效果

**3、噪声处理**

噪声是变量的随机误差和方差，是观测点和真实点之间的误差，即obs = xε。通常的处理办法：对数据进行分箱操作，等频或等宽分箱，然后用每个箱的平均数，中位数或者边界值（不同数据分布，处理方法不同）代替箱中所有的数，起到平滑数据的作用。另外一种做法是，建立该变量和预测变量的回归模型，根据回归系数和预测变量，反解出自变量的近似值。

## 2.2 数据集成 ##

数据分析任务多半涉及数据集成。数据集成将多个数据源中的数据结合成、存放在一个一致的数据存储，如数据仓库中。这些源可能包括多个数据库、数据方或一般文件。

1.实体识别问题：例如，数据分析者或计算机如何才能确信一个数 据库中的 customer\_id 和另一个数据库中的 cust\_number 指的是同一实体?通常，数据库和数据仓库 有元数据——关于数据的数据。这种元数据可以帮助避免模式集成中的错误。

2.冗余问题。一个属性是冗余的，如果它能由另一个表“导出”;如年薪。属性或 维命名的不一致也可能导致数据集中的冗余。用相关性检测冗余：数值型变量可计算相关系数矩阵，标称型变量可计算卡方检验。

3.数据值的冲突和处理：不同数据源，在统一合并时，保持规范化，去重。

## 2.3 数据规约 ##

数据归约技术可以用来得到数据集的归约表示，它小得多，但仍接近地保持原数据的完整性。这样，在归约后的数据集上挖掘将更有效，并产生相同(或几乎相同)的分析结果。一般有如下策略：

**1.维度规约**

用于数据分析的数据可能包含数以百计的属性，其中大部分属性与挖掘任务不相关，是冗余的。维度归约通过删除不相关的属性，来减少数据量，并保证信息的损失最小。

**属性子集选择**：目标是找出最小属性集，使得数据类的概率分布尽可能地接近使用所有属性的原分布。在压缩 的属性集上挖掘还有其它的优点。它减少了出现在发现模式上的属性的数目，使得模式更易于理解。

逐步向前选择：该过程由空属性集开始，选择原属性集中最好的属性，并将它添加到该集合中。在其后的每一次迭代，将原属性集剩下的属性中的最好的属性添加到该集合中。

逐步向后删除：该过程由整个属性集开始。在每一步，删除掉尚在属性集中的最坏属性。

向前选择和向后删除的结合：向前选择和向后删除方法可以结合在一起，每一步选择一个最 好的属性，并在剩余属性中删除一个最坏的属性。

python scikit-learn 中的递归特征消除算法Recursive feature elimination (RFE)，就是利用这样的思想进行特征子集筛选的，一般考虑建立SVM或回归模型。

**单变量重要性**：分析单变量和目标变量的相关性，删除预测能力较低的变量。这种方法不同于属性子集选择，通常从统计学和信息的角度去分析。

pearson相关系数和卡方检验，分析目标变量和单变量的相关性。

回归系数：训练线性回归或逻辑回归，提取每个变量的表决系数，进行重要性排序。

树模型的Gini指数：训练决策树模型，提取每个变量的重要度，即Gini指数进行排序。

Lasso正则化：训练回归模型时，加入L1正则化参数，将特征向量稀疏化。

IV指标：风控模型中，通常求解每个变量的IV值，来定义变量的重要度，一般将阀值设定在0.02以上。

以上提到的方法，没有讲解具体的理论知识和实现方法，需要同学们自己去熟悉掌握。楼主通常的做法是根据业务需求来定，如果基于业务的用户或商品特征，需要较多的解释性，考虑采用统计上的一些方法，如变量的分布曲线，直方图等，再计算相关性指标，最后去考虑一些模型方法。如果建模需要，则通常采用模型方法去筛选特征，如果用一些更为复杂的GBDT，DNN等模型，建议不做特征选择，而做特征交叉。

**2.维度变换**：

维度变换是将现有数据降低到更小的维度，尽量保证数据信息的完整性。楼主将介绍常用的几种有损失的维度变换方法，将大大地提高实践中建模的效率

主成分分析（PCA）和因子分析（FA）：PCA通过空间映射的方式，将当前维度映射到更低的维度，使得每个变量在新空间的方差最大。FA则是找到当前特征向量的公因子（维度更小），用公因子的线性组合来描述当前的特征向量。

奇异值分解（SVD）：SVD的降维可解释性较低，且计算量比PCA大，一般用在稀疏矩阵上降维，例如图片压缩，推荐系统。

聚类：将某一类具有相似性的特征聚到单个变量，从而大大降低维度。

线性组合：将多个变量做线性回归，根据每个变量的表决系数，赋予变量权重，可将该类变量根据权重组合成一个变量。

流行学习：流行学习中一些复杂的非线性方法，可参考skearn：LLE Example

## 2.4 数据变换 ##

数据变换包括对数据进行规范化，离散化，稀疏化处理，达到适用于挖掘的目的。

**1.规范化处理**：数据中不同特征的量纲可能不一致，数值间的差别可能很大，不进行处理可能会影响到数据分析的结果，因此，需要对数据按照一定比例进行缩放，使之落在一个特定的区域，便于进行综合分析。特别是基于距离的挖掘方法，聚类，KNN，SVM一定要做规范化处理。

最大 - 最小规范化：将数据映射到\[0,1\]区间，

Z-Score标准化：处理后的数据均值为0，方差为1，

Log变换：在时间序列数据中，对于数据量级相差较大的变量，通常做Log函数的变换， .

**2.离散化处理**：数据离散化是指将连续的数据进行分段，使其变为一段段离散化的区间。分段的原则有基于等距离、等频率或优化的方法。数据离散化的原因主要有以下几点：

模型需要：比如决策树、朴素贝叶斯等算法，都是基于离散型的数据展开的。如果要使用该类算法，必须将离散型的数据进行。有效的离散化能减小算法的时间和空间开销，提高系统对样本的分类聚类能力和抗噪声能力。

离散化的特征相对于连续型特征更易理解。

可以有效的克服数据中隐藏的缺陷，使模型结果更加稳定。

等频法：使得每个箱中的样本数量相等，例如总样本n=100，分成k=5个箱，则分箱原则是保证落入每个箱的样本量=20。

等宽法：使得属性的箱宽度相等，例如年龄变量（0-100之间），可分成 \[0,20\]，\[20,40\]，\[40,60\]，\[60,80\]，\[80,100\]五个等宽的箱。

聚类法：根据聚类出来的簇，每个簇中的数据为一个箱，簇的数量模型给定。

**3.稀疏化处理**：针对离散型且标称变量，无法进行有序的LabelEncoder时，通常考虑将变量做0，1哑变量的稀疏化处理，例如动物类型变量中含有猫，狗，猪，羊四个不同值，将该变量转换成is\_猪，is\_猫，is\_狗，is\_羊四个哑变量。若是变量的不同值较多，则根据频数，将出现次数较少的值统一归为一类’rare’。稀疏化处理既有利于模型快速收敛，又能提升模型的抗噪能力。

## 3.模型的选择与训练 ##

首先我们要对处理好的数据进行分析，判断训练数据有没有类标，若是有类标则应该考虑监督学习的模型，否则可以划分为非监督学习问题。

其次分析问题的类型是属于分类问题还是回归问题，当我们确定好问题的类型之后再去选择具体的模型。在模型的实际选择时，通常会考虑尝试不同的模型对数据进行训练，然后比较输出的结果，选择最佳的那个。

此外，我们还会考虑到数据集的大小。若是数据集样本较少，训练的时间较短，通常考虑朴素贝叶斯等一些轻量级的算法，否则的话就要考虑SVM等一些重量级算法。

## 4.模型的评估与优化 ##

我们可以选择查准率、查全率、AUC指标表现更好的模型；  
还可以通过的交叉验证法用验证集来评估模型性能的好坏；  
当然，也可以针对一种模型采用多种不同的方法，每种方法给予不同的权重值，来对该模型进行综合“评分”。

在模型评估的过程中，我们可以判断模型的“过拟合”和“欠拟合”。若是存在数据过度拟合的现象，说明我们可能在训练过程中把噪声也当作了数据的一般特征，可以通过增大训练集的比例或是正则化的方法来解决过拟合的问题；

若是存在数据拟合不到位的情况，说明我们数据训练的不到位，未能提取出数据的一般特征，要通过增加多项式维度、减少正则化参数等方法来解决欠拟合问题。

最后，为了使模型的训练效果更优，我们还要对所选的模型进行调参，这就需要我们对模型的实现原理有更深的理解。

此外，在实际项目中，我们还会对机器学习的模型进行模型的融合，根据模型的重要程度对每个模型设置不同的权重等，以调高模型的准确率。

关于模型的选择和预处理这一块，我们可以参阅sklearn官方手册：https://scikit-learn.org。

参考：  
1.[解决机器学习问题的一般流程][Link 1]  
2.[整理一份详细的数据预处理方法][Link 2]  
3.

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[Link 1]: http://blog.itpub.net/31555081/viewspace-2216042/
[Link 2]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNjM2MzQyNg==&mid=2247486611&idx=1&sn=86e90f1796650df4b6ca2300a25c3a96&chksm=e870dddedf0754c8ea79e1a495ed5e3f14841a11f285809499ca71ac5b269f063b39b785cb7d&mpshare=1&scene=1&srcid=&sharer_sharetime=1572055773296&sharer_shareid=834fd6ee41a221cb0ca352bc9e195e98&key=afedd6efd5387c691c3a3d664eeb14394455393fb52a02409549d179870276350cc5fb8fbe6caab037ee25362523f5573af4544eb12539a883a30dd4177417de643c48f1b2b07aa44f51745ef3bb0005&ascene=1&uin=MTU0ODA1Njk3Nw==&devicetype=Windows%2010&version=62060841&lang=zh_CN&pass_ticket=/30eLQ4KuYSsmo3acQt677E53pPjV4kgggdRGq3IXx9ptMLIO/jEBoDmfeIKBWPe