数据特征选择（二）-轻识

4 随机森林

随机森林具有准确率高、鲁棒性好、易于使用等优点，这使得它成为了目前最流行的机器学习算法之一。随机森林提供了两种特征选择的方法：mean decrease impurity和mean decrease accuracy。

4.1 平均不纯度减少 mean decrease impurity

随机森林由多个决策树构成。决策树中的每一个节点都是关于某个特征的条件，为的是将数据集按照不同的响应变量一分为二。利用不纯度可以确定节点（最优条件），对于分类问题，通常采用基尼不纯度或者信息增益，对于回归问题，通常采用的是方差或者最小二乘拟合。当训练决策树的时候，可以计算出每个特征减少了多少树的不纯度。对于一个决策树森林来说，可以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值。

下边的例子是sklearn中基于随机森林的特征重要度度量方法：

from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
import numpy as np
#Load boston housing dataset as an example
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: [(0.5298, ‘LSTAT’), (0.4116, ‘RM’), (0.0252, ‘DIS’), (0.0172, ‘CRIM’), (0.0065, ‘NOX’), (0.0035, ‘PTRATIO’), (0.0021, ‘TAX’), (0.0017, ‘AGE’), (0.0012, ‘B’), (0.0008, ‘INDUS’), (0.0004, ‘RAD’), (0.0001, ‘CHAS’), (0.0, ‘ZN’)]

这里特征得分实际上采用的是 Gini Importance 。使用基于不纯度的方法的时候，要记住：1、这种方法存在偏向，对具有更多类别的变量会更有利；2、对于存在关联的多个特征，其中任意一个都可以作为指示器（优秀的特征），并且一旦某个特征被选择之后，其他特征的重要度就会急剧下降，因为不纯度已经被选中的那个特征降下来了，其他的特征就很难再降低那么多不纯度了，这样一来，只有先被选中的那个特征重要度很高，其他的关联特征重要度往往较低。在理解数据时，这就会造成误解，导致错误的认为先被选中的特征是很重要的，而其余的特征是不重要的，但实际上这些特征对响应变量的作用确实非常接近的（这跟Lasso是很像的）。

特征随机选择方法稍微缓解了这个问题，但总的来说并没有完全解决。下面的例子中，X0、X1、X2是三个互相关联的变量，在没有噪音的情况下，输出变量是三者之和。

size = 10000
np.random.seed(seed=10)
X_seed = np.random.normal(0, 1, size)
X0 = X_seed + np.random.normal(0, .1, size)
X1 = X_seed + np.random.normal(0, .1, size)
X2 = X_seed + np.random.normal(0, .1, size)
X = np.array([X0, X1, X2]).T
Y = X0 + X1 + X2

rf = RandomForestRegressor(n_estimators=20, max_features=2)
rf.fit(X, Y);
print "Scores for X0, X1, X2:", map(lambda x:round (x,3),
                                    rf.feature_importances_)

Scores for X0, X1, X2: [0.278, 0.66, 0.062]

当计算特征重要性时，可以看到X1的重要度比X2的重要度要高出10倍，但实际上他们真正的重要度是一样的。尽管数据量已经很大且没有噪音，且用了20棵树来做随机选择，但这个问题还是会存在。

需要注意的一点是，关联特征的打分存在不稳定的现象，这不仅仅是随机森林特有的，大多数基于模型的特征选择方法都存在这个问题。

4.2 平均精确率减少 Mean decrease accuracy

另一种常用的特征选择方法就是直接度量每个特征对模型精确率的影响。主要思路是打乱每个特征的特征值顺序，并且度量顺序变动对模型的精确率的影响。很明显，对于不重要的变量来说，打乱顺序对模型的精确率影响不会太大，但是对于重要的变量来说，打乱顺序就会降低模型的精确率。

这个方法sklearn中没有直接提供，但是很容易实现，下面继续在波士顿房价数据集上进行实现。

from sklearn.cross_validation import ShuffleSplit
from sklearn.metrics import r2_score
from collections import defaultdict
X = boston["data"]
Y = boston["target"]
rf = RandomForestRegressor()
scores = defaultdict(list)
#crossvalidate the scores on a number of different random splits of the data
for train_idx, test_idx in ShuffleSplit(len(X), 100, .3):
  X_train, X_test = X[train_idx], X[test_idx]
  Y_train, Y_test = Y[train_idx], Y[test_idx]
  r = rf.fit(X_train, Y_train)
  acc = r2_score(Y_test, rf.predict(X_test))
  for i in range(X.shape[1]):
    X_t = X_test.copy()
    np.random.shuffle(X_t[:, i])
    shuff_acc = r2_score(Y_test, rf.predict(X_t))
    scores[names[i]].append((acc-shuff_acc)/acc)
print "Features sorted by their score:"
print sorted([(round(np.mean(score), 4), feat) for
        feat, score in scores.items()], reverse=True)

Features sorted by their score: [(0.7276, ‘LSTAT’), (0.5675, ‘RM’), (0.0867, ‘DIS’), (0.0407, ‘NOX’), (0.0351, ‘CRIM’), (0.0233, ‘PTRATIO’), (0.0168, ‘TAX’), (0.0122, ‘AGE’), (0.005, ‘B’), (0.0048, ‘INDUS’), (0.0043, ‘RAD’), (0.0004, ‘ZN’), (0.0001, ‘CHAS’)]

在这个例子当中，LSTAT和RM这两个特征对模型的性能有着很大的影响，打乱这两个特征的特征值使得模型的性能下降了73%和57%。注意，尽管这些我们是在所有特征上进行了训练得到了模型，然后才得到了每个特征的重要性测试，这并不意味着我们扔掉某个或者某些重要特征后模型的性能就一定会下降很多，因为即便某个特征删掉之后，其关联特征一样可以发挥作用，让模型性能基本上不变。

5 两种顶层特征选择算法

之所以叫做顶层，是因为他们都是建立在基于模型的特征选择方法基础之上的，例如回归和SVM，在不同的子集上建立模型，然后汇总最终确定特征得分。

5.1 稳定性选择 Stability selection

稳定性选择是一种基于二次抽样和选择算法相结合较新的方法，选择算法可以是回归、SVM或其他类似的方法。它的主要思想是在不同的数据子集和特征子集上运行特征选择算法，不断的重复，最终汇总特征选择结果，比如可以统计某个特征被认为是重要特征的频率（被选为重要特征的次数除以它所在的子集被测试的次数）。理想情况下，重要特征的得分会接近100%。稍微弱一点的特征得分会是非0的数，而最无用的特征得分将会接近于0。

sklearn在随机lasso 和随机逻辑回归中有对稳定性选择的实现。

from sklearn.linear_model import RandomizedLasso
from sklearn.datasets import load_boston
boston = load_boston()

#using the Boston housing data.
#Data gets scaled automatically by sklearn's implementation
X = boston["data"]
Y = boston["target"]
names = boston["feature_names"]

rlasso = RandomizedLasso(alpha=0.025)
rlasso.fit(X, Y)

print "Features sorted by their score:"
print sorted(zip(map(lambda x: round(x, 4), rlasso.scores_), 
                 names), reverse=True)

Features sorted by their score: [(1.0, ‘RM’), (1.0, ‘PTRATIO’), (1.0, ‘LSTAT’), (0.62, ‘CHAS’), (0.595, ‘B’), (0.39, ‘TAX’), (0.385, ‘CRIM’), (0.25, ‘DIS’), (0.22, ‘NOX’), (0.125, ‘INDUS’), (0.045, ‘ZN’), (0.02, ‘RAD’), (0.015, ‘AGE’)]

在上边这个例子当中，最高的3个特征得分是1.0，这表示他们总会被选作有用的特征（当然，得分会收到正则化参数alpha的影响，但是sklearn的随机lasso能够自动选择最优的alpha）。接下来的几个特征得分就开始下降，但是下降的不是特别急剧，这跟纯lasso的方法和随机森林的结果不一样。能够看出稳定性选择对于克服过拟合和对数据理解来说都是有帮助的：总的来说，好的特征不会因为有相似的特征、关联特征而得分为0，这跟Lasso是不同的。对于特征选择任务，在许多数据集和环境下，稳定性选择往往是性能最好的方法之一。

5.2 递归特征消除 Recursive feature elimination (RFE)

递归特征消除的主要思想是反复的构建模型（如SVM或者回归模型）然后选出最好的（或者最差的）的特征（可以根据系数来选），把选出来的特征放到一遍，然后在剩余的特征上重复这个过程，直到所有特征都遍历了。这个过程中特征被消除的次序就是特征的排序。因此，这是一种寻找最优特征子集的贪心算法。

RFE的稳定性很大程度上取决于在迭代的时候底层用哪种模型。例如，假如RFE采用的普通的回归，没有经过正则化的回归是不稳定的，那么RFE就是不稳定的；假如采用的是Ridge，而用Ridge正则化的回归是稳定的，那么RFE就是稳定的。

Sklearn提供了 RFE 包，可以用于特征消除，还提供了 RFECV ，可以通过交叉验证来对的特征进行排序。

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

boston = load_boston()
X = boston["data"]
Y = boston["target"]
names = boston["feature_names"]

#use linear regression as the model
lr = LinearRegression()
#rank all features, i.e continue the elimination until the last one
rfe = RFE(lr, n_features_to_select=1)
rfe.fit(X,Y)

print "Features sorted by their rank:"
print sorted(zip(map(lambda x: round(x, 4), rfe.ranking_), names))

Features sorted by their rank: [(1.0, ‘NOX’), (2.0, ‘RM’), (3.0, ‘CHAS’), (4.0, ‘PTRATIO’), (5.0, ‘DIS’), (6.0, ‘LSTAT’), (7.0, ‘RAD’), (8.0, ‘CRIM’), (9.0, ‘INDUS’), (10.0, ‘ZN’), (11.0, ‘TAX’), (12.0, ‘B’), (13.0, ‘AGE’)]

总结

对于理解数据、数据的结构、特点来说，单变量特征选择是个非常好的选择。尽管可以用它对特征进行排序来优化模型，但由于它不能发现冗余（例如假如一个特征子集，其中的特征之间具有很强的关联，那么从中选择最优的特征时就很难考虑到冗余的问题）。

正则化的线性模型对于特征理解和特征选择来说是非常强大的工具。L1正则化能够生成稀疏的模型，对于选择特征子集来说非常有用；相比起L1正则化，L2正则化的表现更加稳定，由于有用的特征往往对应系数非零，因此L2正则化对于数据的理解来说很合适。由于响应变量和特征之间往往是非线性关系，可以采用basis expansion的方式将特征转换到一个更加合适的空间当中，在此基础上再考虑运用简单的线性模型。

随机森林是一种非常流行的特征选择方法，它易于使用，一般不需要feature engineering、调参等繁琐的步骤，并且很多工具包都提供了平均不纯度下降方法。它的两个主要问题，1是重要的特征有可能得分很低（关联特征问题），2是这种方法对特征变量类别多的特征越有利（偏向问题）。尽管如此，这种方法仍然非常值得在你的应用中试一试。

特征选择在很多机器学习和数据挖掘场景中都是非常有用的。在使用的时候要弄清楚自己的目标是什么，然后找到哪种方法适用于自己的任务。当选择最优特征以提升模型性能的时候，可以采用交叉验证的方法来验证某种方法是否比其他方法要好。当用特征选择的方法来理解数据的时候要留心，特征选择模型的稳定性非常重要，稳定性差的模型很容易就会导致错误的结论。对数据进行二次采样然后在子集上运行特征选择算法能够有所帮助，如果在各个子集上的结果是一致的，那就可以说在这个数据集上得出来的结论是可信的，可以用这种特征选择模型的结果来理解数据。

Tips

什么是卡方检验？用方差来衡量某个观测频率和理论频率之间差异性的方法。

什么是皮尔森卡方检验？这是一种最常用的卡方检验方法，它有两个用途：1是计算某个变量对某种分布的拟合程度，2是根据两个观测变量的 Contingency table 来计算这两个变量是否是独立的。主要有三个步骤：第一步用方差和的方式来计算观测频率和理论频率之间卡方值；第二步算出卡方检验的自由度（行数-1乘以列数-1）；第三步比较卡方值和对应自由度的卡方分布，判断显著性。

什么是 p-value ？简单地说，p-value就是为了验证假设和实际之间一致性的统计学意义的值，即假设检验。有些地方叫右尾概率，根据卡方值和自由度可以算出一个固定的p-value。

什么是响应变量(response value) ？简单地说，模型的输入叫做explanatroy variables，模型的输出叫做response variables，其实就是要验证该特征对结果造成了什么样的影响。

什么是零假设(null hypothesis) ?在相关性检验中，一般会取“两者之间无关联”作为零假设，而在独立性检验中，一般会取“两者之间是独立”作为零假设。与零假设相对的是备择假设（对立假设），即希望证明是正确的另一种可能。

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