現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)可能十分混亂復雜，不論它是相關(guān)的SQL數(shù)據(jù)庫、Excel文件或是其它任何數(shù)據(jù)源。盡管這些數(shù)據(jù)通常都是表格的結(jié)構(gòu)，即每一行(樣本)相對于每一列(特征)都有其對應的值，但是這些數(shù)據(jù)可能很難理解和處理。為了讓機器學習模型能夠更輕松地讀取數(shù)據(jù)，我們可以運用特征工程來提升模型的性能。

什么是特征工程？

特征工程是指將給定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為更易解析的形式的過程。本文中，我們希望能使機器學習模型更加透明，同時也能夠生成一些特征，讓沒有相關(guān)背景知識的人能夠更好的理解提供給他們的可視化數(shù)據(jù)內(nèi)容。然而，機器學習模型中透明的概念是很復雜的，因為針對不同種類的數(shù)據(jù)，不同的模型需要使用不同的方法。

示例：坐標

為了理解特征工程的概念，我們可以舉一個簡單的例子。在下面的圖中，我們能夠看見兩種點。想象一下，現(xiàn)在有一座靠近這些點的倉庫，它只能為一些距離有限的客戶提供服務。從人類的角度來看，很容易就能理解我們需要考慮距離倉庫有限半徑內(nèi)的點。這就需要兩種已知特征的組合。

但是這對算法來說并不是顯而易見的。例如，基于決策樹(decision tree)的算法一次只會考慮一個特征，并將數(shù)據(jù)集分為兩個部分，其中一個的特征值高于任意閾值，另一個低于閾值。如上所述劃分空間需要大量地進行這種拆分。

坐標轉(zhuǎn)換

但是，我們可以進行一個高中學過的簡單坐標轉(zhuǎn)化。也就是從所謂的笛卡爾坐標系(x,y)轉(zhuǎn)換為極坐標系(r,0)。這里我們使用如下轉(zhuǎn)換：

現(xiàn)在，任何算法都更容易對數(shù)據(jù)進行分析。將數(shù)據(jù)集按照r軸進行拆分，閾值設(shè)為r split=2。顯然這個例子并沒有什么價值，現(xiàn)實中的數(shù)據(jù)很少會如此簡單，但是它展示了適當?shù)奶卣鞴こ痰臐摿Α?/p>

連續(xù)數(shù)據(jù)

連續(xù)數(shù)據(jù)是最常見的數(shù)據(jù)類型。它有可能包含給定范圍中的任意值。比如，它可以是產(chǎn)品的價格、工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度，或是地圖中對象的坐標。這里主要通過領(lǐng)域數(shù)據(jù)來生成特征。例如，你可以用售價減去進價得到利潤，或者可以計算地圖上兩地之間的距離。新的可生成特征只受可用特征和已知的數(shù)學運算的限制。

分類特征

第二種最常見的數(shù)據(jù)類型是分類特征，指能從一組有限的值中獲取值的特征。通常該特征只能有一個單一的值。還有另一種情況，但是在這種情況下，這種特征常常被拆分為一組特征。例如依據(jù)ISO/IEC 5218標準，性別可被分為下列四種值之一：未知、男性、女性和不適用。

編碼和獨熱(one-hots)

這種數(shù)據(jù)的問題在于算法并不是設(shè)計用來處理文本數(shù)據(jù)的。處理這個問題的標準變通方法是分類編碼。引入一個整數(shù)來代表每一個類別。例如，之前提到的性別的標準分類編碼分別為0、1、2和9。但是有時候為了可視化或模型效率，可以使用不同的編碼。我們可以用數(shù)個布爾特征來代替含有多個層級的單一特征，這些布爾特征中只有一個能夠取True值。這叫做獨熱編碼(one-hot encoding)，尤其流行于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

缺失值

在現(xiàn)實世界中，有時候無法獲取一些數(shù)據(jù)，或者該數(shù)據(jù)在處理過程中發(fā)生了丟失。因此，數(shù)據(jù)中經(jīng)常會含有缺失值。

處理這些值是單獨的一門藝術(shù)。這部分數(shù)據(jù)處理被稱為數(shù)據(jù)清洗，且通常被認為是一個單獨的步驟。然而在創(chuàng)建一些新的特征時，需要牢記缺失值有可能隱藏在不同的名字和值背后。

一些編程語言和庫中含有特殊的對象與缺失值對應。通常它由“NaN”表示-并不是數(shù)字，而是用任意的可用值代替。例如，在一列正整數(shù)中，缺失值可以被編碼為“-1”。但是如果不預先對它的值進行分析，在計算該特征的平均值時就會遭遇不便。其它時候，缺失值可以用“0”代替，這樣就能夠輕松地進行求和，但是卻無法生成一個需要除操作的新特征。

另一種更常見的選擇是用當前值的平均值或中位數(shù)來填補缺失值。但是同樣，再次計算平均值時會得到不同的結(jié)果，所以根據(jù)真實平均值和錯誤平均值生成的新特征之間會有明顯差異。這些例子都顯示出一個不變的事實，理解你的數(shù)據(jù)！這在進行特征工程時也很重要。

這里有缺失！

一個常見的方法是引入一個布朗特征，指示出給定樣本中的給定特征是否含有缺失值。若有缺失則布朗特征會顯示為True，若一切正常則顯示False。它讓機器學習模型能夠判斷是否應當將給定值視為可信的，或是否應當另行處理。

歸一化

另一個常見的特征工程方法是將數(shù)據(jù)置入一個給定的區(qū)間。為什么要這么做呢？第一個原因很簡單，即對有限范圍內(nèi)的數(shù)字進行運算會避免一些數(shù)值誤差，同時限制所需的計算性能。第二個原因是一些機器學習算法能夠更好的處理歸一化的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)歸一化的方法有多種。

標準歸一化

在自然和人類社會中，許多事物都服從于正太(高斯)分布。這就是為什么會向分布中引入歸一特征。它由如下等式表示：

這里X表示新的特征，它等于舊特征的每個樣本減去舊特征的平均值后再除以標準偏差。標準偏差表示特征值的離散程度。這樣，X的取值范圍會在[-1,1]的區(qū)間內(nèi)。

特征縮放

另一種歸一化是用特征值減去最小值Xmin，再除以它的取值范圍Xmax – Xmin，得到入下表達式：

這種歸一化會將給定的特征歸入[0,1]的區(qū)間內(nèi)。

正確的模型歸一化

正如之前提到的，不同的模型需要不同的歸一化來實現(xiàn)高效運行。舉個例子，在k-近鄰的案例中，特定的特征范圍表示權(quán)重。值越大特征就越重要。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的案例中，歸一化對于最終運行結(jié)果本身來說并不重要，但是它能夠加快訓練速度。另一方面，基于決策樹的算法并不會從歸一化中獲益，也不會受到歸一化的不良影響。

問題的正確歸一化

有時正確的歸一化并不源自一般的數(shù)據(jù)或計算考量，而是來自領(lǐng)域知識。例如，在根據(jù)溫度對一些物理系統(tǒng)進行建模時，引入開氏溫標無疑是大有裨益的，它能夠使數(shù)據(jù)間的關(guān)系簡單化。在數(shù)據(jù)科學中，領(lǐng)域知識總是十分有用的。

日期與時間

下一種常見的數(shù)據(jù)類型集合是所有不同格式的日期和時間。

這里的問題在于日期時間的格式多種多樣。例如，數(shù)據(jù)可能是帶格式的字符串，或是存在于給定的語言或庫中的標準化日期類別。在世界上不同的組織和地區(qū)之間，其標準與格式可能存在差異。

舉個例子，每個歐洲人在處理美國格式的日期時都會炸毛，即10.27.2018。如果DD/MM/YYYY和MM/DD/YYYY格式的日期被作為簡單字符串導入同一個數(shù)據(jù)集，可能很容易導致一些誤會或是模型運行不佳。該問題在于數(shù)據(jù)并不是簡單的數(shù)值數(shù)據(jù)。它并不能直接導入機器學習模型。最簡單的方法是將該數(shù)據(jù)拆分為3個整數(shù)特征，分別代表日、月和年。但這并不是全部。我們還可以構(gòu)建一些文化相關(guān)的特征。例如，這一天是不是周末或是節(jié)假日。其它選項還有特定大事件開始的時間或日期，或者連續(xù)活動之間的間隔。此外，時間也一樣。它可以用時、分、秒來表示。但是也可以只按秒計時，或是從一個特定的大事件開始計算。例如，實際上大多數(shù)軟件都以標準時間1970年1月1日00:00:00作為時間的開始，這也可以很好地應用于特征工程中。

示例：修補時間

我們可以拿一個日期起到重要作用的數(shù)據(jù)集舉例。這是一個來自the Blue Book for Bulldozers competition的數(shù)據(jù)集。

在這里，我們借助Python中的Pandas庫載入這個數(shù)據(jù)集。為了便于說明，我們只取三個特征。SalesID表示交易編號，需要預測的是SalePrice。另外，在該數(shù)據(jù)集中能夠找到售出機器的更多信息和售出日期。我們可以稍稍利用日期。

通過幾行簡單的代碼，日期列轉(zhuǎn)換成了6個可被模型讀取的特征，可以利用它們來提取更多銷售信息。

文本

在計算機中，文本是以數(shù)字表示的ASCII代碼進行編碼的。這聽起來可能是個很好處理的東西，但是大錯特錯！從文本中提取信息需要借助語言結(jié)構(gòu)，也就是單詞中字母之間的關(guān)系和句子中的單詞本身。這跨越了一整個交叉學科領(lǐng)域的分支，叫做自然語言處理(NLP)。許多開發(fā)都是為了更輕松地提取這些信息。因為這至少需要另一篇文章或一整本書來闡釋，所以在這里不再贅述。

從文本中分類

除了處理整個文本，還可以將其拆分成為單個單詞，并嘗試查找出現(xiàn)率最高的那一個。舉個例子，我們可能有權(quán)進入一些人力資源部門的數(shù)據(jù)庫。其中一個字段可能是學術(shù)頭銜。在這之中可能查找出許多類似于工科學士、理學碩士、哲學博士的字段。但是字段的數(shù)量會很龐大。可以從中提取的是例如學士、碩士、博士之類的詞語，省略特定的領(lǐng)域。這里包含了一個含有4級(包括不含頭銜的)教育水平的分類特征。一個相似的例子是帶稱謂的全名。在這個字段中會出現(xiàn)像Mr. Alan Turing、Mrs. Ada Lovelace、Miss Sk?odowska之類的詞組。我們可以提取Mr.、Mrs.、Miss.等表示性別和婚姻狀況的稱謂。如你所見，利用文本數(shù)據(jù)的方法很多，并且無需使用NLP昂貴的全部計算性能。

圖表

如果不重新撰寫一整本專刊，可視化數(shù)據(jù)是第二種至少需要一篇單獨的文章進行討論的數(shù)據(jù)。分析這種數(shù)據(jù)的問題困擾了科學家們數(shù)十年之久。一整個計算機視覺領(lǐng)域應運而生。但值得一提的是，由于數(shù)年前深度學習革命，一種簡單的圖像分析方法隨之出現(xiàn)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNNs)可以通過使用其中一個通用的框架和顯卡強勁的計算性能，為沒有太多的計算機視覺(CV)或是特定科目領(lǐng)域知識的用戶提供一個合理的解決方案。

如你所見，在創(chuàng)建新的特征方面存在許多可能性。其真實的目的是設(shè)計能夠促進數(shù)據(jù)科學過程的特征。但是除了之前提及的方法，還有更多。例如，通過混合連續(xù)特征和分類特征來生成新的特征。NLP和CV賦予了我們更多的特征，但這并不是全部。全部掌握它們的唯一方法就是不斷地練習與實驗。因其巨大的多元性，特征工程常常被稱為一門藝術(shù)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的按某列获取几行_机器学习获取数据难？别忘记特征工程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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