終于把機器學(xué)習(xí)中的特征工程搞懂了！
特征工程是機器學(xué)習(xí)中極為關(guān)鍵的一部分，涉及到如何通過預(yù)處理、轉(zhuǎn)換和組合原始數(shù)據(jù)來創(chuàng)建更適合模型訓(xùn)練的特征，以提高模型的表現(xiàn)和預(yù)測能力。特征工程的主要目的是從數(shù)據(jù)中提取出有助于模型更好理解和學(xué)習(xí)規(guī)律的特征。
在本文中，我們將探討關(guān)鍵的特征工程技術(shù)，解釋其重要性，并提供具有實際應(yīng)用的 Python 代碼示例，以展示這些技術(shù)如何改進你的機器學(xué)習(xí)模型。
為什么特征工程至關(guān)重要
特征工程可以
- 提高模型準確性
精心設(shè)計的特征有助于模型更好地理解問題，從而做出更準確的預(yù)測。 - 減少過度擬合
通過選擇相關(guān)特征，模型避免從噪聲中學(xué)習(xí)。 - 使模型更易于解釋
對人類理解更直觀的特征可以幫助解釋模型如何得出預(yù)測。
關(guān)鍵特征工程技術(shù)
現(xiàn)在，讓我們通過真實示例和 Python 代碼來了解幾種基本的特征工程技術(shù)。
1.處理缺失數(shù)據(jù)
現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)集通常包含缺失值。如何處理這些缺失值會極大地影響模型的性能。
真實示例
在醫(yī)療保健領(lǐng)域，患者記錄中可能會缺少年齡或病史條目。
填充缺失值有助于保留有價值的數(shù)據(jù)。
import pandas as pd
from sklearn.impute import SimpleImputer
# Sample healthcare data
data = {'age': [25, None, 45, None], 'blood_pressure': [120, 130, None, 140]}
df = pd.DataFrame(data)
# Impute missing values with mean
imputer = SimpleImputer(strategy='mean')
df_imputed = pd.DataFrame(imputer.fit_transform(df), columns=df.columns)
print(df_imputed)2.特征縮放
特征縮放可確保量級較大的特征不會超過量級較小的特征。
這對于基于距離的算法（如 k-最近鄰和支持向量機）至關(guān)重要。
真實示例
在財務(wù)數(shù)據(jù)中，收入和貸款金額等特征差異很大。
如果不進行縮放，模型可能會因為貸款金額的值較大而賦予其更大的權(quán)重。
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
# Sample financial data (income in thousands, loan in thousands)
df = pd.DataFrame({'income': [50, 100, 150], 'loan_amount': [200, 300, 400]})
# Standardize the features
scaler = StandardScaler()
df_scaled = pd.DataFrame(scaler.fit_transform(df), columns=df.columns)
print(df_scaled)3.特征編碼
許多機器學(xué)習(xí)算法無法直接處理分類數(shù)據(jù)（例如顏色或國家）。特征編碼將分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模型可以理解的數(shù)字格式。
真實示例：
在電子商務(wù)數(shù)據(jù)集中，電子產(chǎn)品、家具和服裝等產(chǎn)品類別需要編碼為數(shù)字格式，以便機器學(xué)習(xí)模型進行處理。
df = pd.DataFrame({'product_category': ['electronics', 'clothing', 'furniture']})
# One-hot encoding for product categories
df_encoded = pd.get_dummies(df)
print(df_encoded)4.特征轉(zhuǎn)換
有時，數(shù)據(jù)分布會出現(xiàn)偏差，這會影響機器學(xué)習(xí)模型的性能。
對數(shù)變換等特征變換技術(shù)可以減少偏差并使數(shù)據(jù)更加正常。
真實示例：
在房地產(chǎn)行業(yè)，房價可能會有很大差異，當數(shù)據(jù)偏差較小時，大多數(shù)模型的表現(xiàn)會更好。對數(shù)變換有助于規(guī)范這些分布。
import numpy as np
# Sample real estate prices
df = pd.DataFrame({'price': [100000, 300000, 500000, 1000000]})
# Apply log transformation to reduce skewness
df['log_price'] = np.log(df['price'])
print(df)5.分箱或離散化
分箱將連續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為離散類別或箱。
當特征和目標變量之間沒有線性關(guān)系時，這尤其有用。
真實示例：
在營銷中，可以將年齡分為不同的組別（例如 18-25 歲、26-35 歲等），從而創(chuàng)建有助于細分客戶以進行有針對性的廣告的類別。
df = pd.DataFrame({'age': [20, 35, 45, 65]})
# Bin ages into categories
df['age_group'] = pd.cut(df['age'], bins=[0, 25, 45, 65, 100], labels=['Young', 'Adult', 'Middle-aged', 'Senior'])
print(df)6.降維
高維數(shù)據(jù)集可能會使機器學(xué)習(xí)模型不堪重負，導(dǎo)致過度擬合。
降維技術(shù)（如 PCA）可以減少特征數(shù)量，同時保留大部分信息。
真實示例：
在遺傳學(xué)中，需要測量數(shù)千個基因，降維有助于識別最具信息量的基因，同時忽略冗余基因。
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
# Sample genetics data
df = pd.DataFrame({'gene1': [1.5, 2.5, 3.5], 'gene2': [2.1, 3.2, 4.5], 'gene3': [3.1, 4.1, 5.2], 'gene4': [1.2, 1.8, 2.5]})
# Standardize the data
scaler = StandardScaler()
df_scaled = scaler.fit_transform(df)
# Apply PCA to reduce dimensions from 4 to 2
pca = PCA(n_compnotallow=2)
df_pca = pd.DataFrame(pca.fit_transform(df_scaled))
print(df_pca)7.特征選擇
并非所有特征都對預(yù)測有用。
特征選擇技術(shù)有助于識別最相關(guān)的特征，減少噪音并提高模型的性能。
真實示例：
在客戶行為分析中，年齡和購買歷史等特征可能比電子郵件點擊等其他特征更重要。
特征選擇有助于關(guān)注最具預(yù)測性的特征。
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.feature_selection import RFE
# Sample data
X = pd.DataFrame({'age': [25, 30, 35, 40], 'purchase_history': [1, 0, 1, 0], 'click_rate': [0.1, 0.2, 0.15, 0.3]})
y = [1, 0, 1, 0]
# Logistic Regression model for feature selection
model = LogisticRegression()
# Recursive Feature Elimination (RFE)
rfe = RFE(model, n_features_to_select=2)
fit = rfe.fit(X, y)
# Get selected features
print(f"Selected Features: {X.columns[fit.support_]}")8.基于領(lǐng)域知識的特征創(chuàng)建
有時，最具預(yù)測性的特征來自領(lǐng)域知識。根據(jù)行業(yè)見解結(jié)合原始特征可以得到更好的模型。
真實示例：
在銀行業(yè)，通過將貸款金額除以收入來創(chuàng)建債務(wù)收入比，可以為信用評分模型提供比單獨使用任何一個特征更強大的預(yù)測能力。
df = pd.DataFrame({'income': [50000, 80000, 120000], 'loan_amount': [20000, 40000, 50000]})
# Create a debt-to-income ratio feature
df['debt_to_income_ratio'] = df['loan_amount'] / df['income']
print(df)9.時間特征工程
通過提取時間序列數(shù)據(jù)中有關(guān)時間的日、月或季節(jié)等特征，我們可以捕捉重要的時間相關(guān)趨勢。
真實示例
在零售業(yè)，可以通過從銷售數(shù)據(jù)中提取基于時間的特征來捕捉季節(jié)性購物趨勢。
df = pd.DataFrame({'date': pd.to_datetime(['2021-01-01', '2022-05-15', '2023-08-23'])})
# Extract year, month, and day of week
df['year'] = df['date'].dt.year
df['month'] = df['date'].dt.month
df['day_of_week'] = df['date'].dt.dayofweek
print(df)
