来源 | blog.paperspace 转自 | 机器之心
大家好，今天向大家推荐一个在金融和工业领域应用十分广泛的异常检测算法——孤立随机森林。异常检测看似是机器学习中一个有些难度的问题，但采用合适的算法也可以很好解决。本文介绍了孤立森林（isolation forest）算法，通过介绍原理和代码教你揪出数据集中的那些异常值。
从银行欺诈到预防性的机器维护，异常检测是机器学习中非常有效且普遍的应用。在该任务中，孤立森林算法是简单而有效的选择。
介绍异常检测；
异常检测的用例；
孤立森林是什么；
用孤立森林进行异常检测；
用 Python 实现。
离群值是在给定数据集中，与其他数据点显著不同的数据点。异常检测是找出数据中离群值（和大多数数据点显著不同的数据点）的过程。真实世界中的大型数据集的模式可能非常复杂，很难通过查看数据就发现其模式。这就是为什么异常检测的研究是机器学习中极其重要的应用。本文要用孤立森林实现异常检测。我们有一个简单的工资数据集，其中一些工资是异常的。目标是要找到这些异常值。可以想象成，公司中的一些雇员挣了一大笔不同寻常的巨额收入，这可能意味着存在不道德的行为。异常检测在业界中应用广泛。下面介绍一场常见的用例：银行：发现不正常的高额存款。每个账户持有人通常都有固定的存款模式。如果这个模式出现了异常值，那么银行就要检测并分析这种异常（比如洗钱）。金融：发现欺诈性购买的模式。每个人通常都有固定的购买模式。如果这种模式出现了异常值，银行需要检测出这种异常，从而分析其潜在的欺诈行为。制造业：可以监测机器的异常行为，从而控制成本。许多公司持续监视着机器的输入和输出参数。众所周知，在出现故障之前，机器的输入或输出参数会有异常。从预防性维护的角度出发，需要对机器进行持续监控。网络：检测网络入侵。任何对外开放的网络都面临这样的威胁。监控网络中的异常活动，可以及早防止入侵。孤立森林是用于异常检测的机器学习算法。这是一种无监督学习算法，通过隔离数据中的离群值识别异常。孤立森林是基于决策树的算法。从给定的特征集合中随机选择特征，然后在特征的最大值和最小值间随机选择一个分割值，来隔离离群值。这种特征的随机划分会使异常数据点在树中生成的路径更短，从而将它们和其他数据分开。一般而言，异常检测的第一步是构造「正常」内容，然后报告任何不能视为正常的异常内容。但孤立森林算法不同于这一原理，首先它不会定义「正常」行为，而且也没有计算基于点的距离。一如其名，孤立森林不通过显式地隔离异常，它隔离了数据集中的异常点。孤立森林的原理是：异常值是少量且不同的观测值，因此更易于识别。孤立森林集成了孤立树，在给定的数据点中隔离异常值。孤立森林通过随机选择特征，然后随机选择特征的分割值，递归地生成数据集的分区。和数据集中「正常」的点相比，要隔离的异常值所需的随机分区更少，因此异常值是树中路径更短的点，路径长度是从根节点经过的边数。用孤立森林，不仅可以更快地检测异常，还需要更少的内存。孤立森林隔离数据点中的异常值，而不是分析正常的数据点。和其他正常的数据点相比，异常数据点的树路径更短，因此在孤立森林中的树不需要太大的深度，所以可以用更小的 max_depth 值，从而降低内存需求。接着我们对数据做一些探索性分析，以了解给定数据的相关信息。先导入所需的库。导入 numpy、pandas、seaborn 和 matplotlib。此外还要从 sklearn.ensemble 中导入孤立森林（IsolationForest）。
import numpy as np
import pandas as pd
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.ensemble import IsolationForest
导入库后，要将 csv 数据读取为 padas 数据框，检查前十行数据。本文所用数据是不同职业的人的年薪（美元）。数据中有一些异常值（比如工资太高或太低），目标是检测这些异常值。
df = pd.read_csv('salary.csv')
df.head(10)
为了更好地了解数据，将工资数据绘制成小提琴图，如下图所示。小提琴图是一种绘制数值数据的方法。通常，小提琴图包含箱图中所有数据——中位数的标记和四分位距的框或标记，如果样本数量不太大，图中可能还包括所有样本点。
为了更好地了解离群值，可能还会查看箱图。箱图一般也称为箱线图。箱图中的箱子显示了数据集的四分位数，线表示剩余的分布。线不表示确定为离群值的点。我们通过 interquartile range, 的函数检测离群值。在统计数据中，interquartile range，（也称为 midspread 或 middle 50%）是度量统计学分散度的指标，等于第 75% 个数和第 25% 个数的差。
我们要创建一个模型变量，并实例化 IsolationForest（孤立森林）类。将这四个参数的值传递到孤立森林方法中，如下所示。
评估器数量：n_estimators 表示集成的基评估器或树的数量，即孤立森林中树的数量。这是一个可调的整数参数，默认值是 100；
最大样本：max_samples 是训练每个基评估器的样本的数量。如果 max_samples 比样本量更大，那么会用所用样本训练所有树。max_samples 的默认值是『auto』。如果值为『auto』的话，那么 max_samples=min(256, n_samples)；
数据污染问题：算法对这个参数非常敏感，它指的是数据集中离群值的期望比例，根据样本得分拟合定义阈值时使用。默认值是『auto』。如果取『auto』值，则根据孤立森林的原始论文定义阈值；
最大特征：所有基评估器都不是用数据集中所有特征训练的。这是从所有特征中提出的、用于训练每个基评估器或树的特征数量。该参数的默认值是 1。
model=IsolationForest(n_estimators=50, max_samples='auto', contamination=float(0.1),max_features=1.0)
model.fit(df[['salary']])
模型定义完后，就要用给定的数据训练模型了，这是用 fit() 方法实现的。这个方法要传入一个参数——使用的数据（在本例中，是数据集中的工资列）。正确训练模型后，将会输出孤立森林实例（如图所示）。现在可以添加分数和数据集的异常列了。在定义和拟合完模型后，找到分数和异常列。对训练后的模型调用 decision_function()，并传入工资作为参数，找出分数列的值。类似的，可以对训练后的模型调用 predict() 函数，并传入工资作为参数，找到异常列的值。将这两列添加到数据框 df 中。添加完这两列后，查看数据框。如我们所料，数据框现在有三列：工资、分数和异常值。分数列中的负值和异常列中的 -1 表示出现异常。异常列中的 1 表示正常数据。这个算法给训练集中的每个数据点都分配了异常分数。可以定义阈值，根据异常分数，如果分数高于预定义的阈值，就可以将这个数据点标记为异常。
df['scores']=model.decision_function(df[['salary']])
df['anomaly']=model.predict(df[['salary']])
df.head(20)
给数据的每一行中都添加了分数和异常值后，就可以打印预测的异常了。为了打印数据中预测得到的异常，在添加分数列和异常列后要分析数据。如前文所述，预测的异常在预测列中的值为 -1，分数为负数。根据这一信息，将预测的异常（本例中是两个数据点）打印如下。
anomaly=df.loc[df['anomaly']==-1]
anomaly_index=list(anomaly.index)
print(anomaly)
注意，这样不仅能打印异常值，还能打印异常值在数据集中的索引，这对于进一步处理是很有用的。为了评估模型，将阈值设置为工资>99999 的为离群值。用以下代码找出数据中存在的离群值：
outliers_counter = len(df[df['salary'] > 99999])
outliers_counter
计算模型找到的离群值数量除以数据中的离群值数量，得到模型的准确率。
print("Accuracy percentage:", 100*list(df['anomaly']).count(-1)/(outliers_counter))
本教程内容包括：什么是离群值以及如何用孤立森林算法检测离群值。还讨论了针对该问题的不同的探索性数据分析图，比如小提琴图和箱图。最终我们实现了孤立森林算法，并打印出了数据中真正的离群值。希望你喜欢这篇文章，并希望这篇文章能在未来的项目中帮到你。推荐阅读
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