机器学习25：《数据准备和特征工程-III》采样和分隔

news2024/10/7 12:26:42

1.采样和分割数据

1.1 抽样简介

1.2 过滤 PII（个人身份信息）

2.数据不平衡

2.1 下采样和增加权重

3.数据分割示例

3.1 随机分割可能不是最好的方法

4.分割数据

5.随机化

5.1 实际考虑

5.2 散列的注意事项

6.参考文献

1.采样和分割数据-Sampling and Splitting Data

1.1 采样简介

为机器学习项目收集足够的数据通常很困难。然而，有时数据太多，我们必须选择示例子集进行训练。那么，如何选择子集？以 Google 搜索为例，以什么粒度对大量数据进行采样？你会使用随机查询吗？随机会话？随机用户？

最终，答案取决于问题：我们想要预测什么，我们想要什么特征？

要使用上一个查询的特征，需要在会话级别进行采样，因为会话包含一系列查询。
要使用前几天的用户行为特征，则需要在用户级别进行采样。

1.2 过滤 PII（个人身份信息）

如果数据包含 PII（个人身份信息），可能需要将其从数据中过滤掉。例如，策略可能要求你删除不常见的特征。这种过滤通常会改变数据分布，丢失尾部的信息（分布中值非常低的部分，远离平均值）。

这种过滤很有用，因为非常罕见的特征很难学习。但重要的是要认识到你的数据集将偏向头部查询。在服务时，你可以预期从尾部提供示例会做得更糟，因为这些示例是从训练数据中过滤掉的。尽管这种偏差无法避免，但在分析过程中请注意这一点。

2.数据不平衡-Imbalanced Data

构成数据集大部分的类称为多数类。所占比例较小的是少数群体。那么，什么算不平衡？答案可能从温和到极端，如下表所示。

不平衡程度	少数群体比例
温和的	数据集的 20-40%
缓和	数据集的 1-20%
极端	<数据集的1%

为什么要注意不平衡的数据？如果你的分类任务包含不平衡的数据集，则可能需要应用特定的采样技术。举个例子，一个检测欺诈的模型，相关数据集如下图所示：数据集中每 200 笔交易就会发生一次欺诈实例，因此在真实分布中，大约 0.5% 的数据是正的。

由于相对于负面例子来说，正面例子很少，因此训练模型将把大部分时间花在负面例子上，而不能从正面例子中学到足够的东西。例如，如果你的批次大小为 128，则许多批次将没有正例，因此梯度的信息量会较少。

在实践中，如果数据集不平衡，需要首先尝试对真实分布进行训练。如果模型运行良好并且具有概括性，那么自然是最好的结果！反之，则需尝试以下下采样和上加权技术。

2.1 下采样和增加权重

处理不平衡数据的有效方法是对多数类进行下采样和增加权重。让我们首先定义这两个新术语：

下采样：意味着对大多数类示例中不成比例的低子集进行训练。
增加权重：意味着向下采样的类添加一个示例权重，该权重等于下采样的因子。

步骤 1：对多数类别进行下采样。还是以上面介绍的欺诈数据集为例，其中 1 个正例到 200 个负例。下采样 10 倍可将平衡性提高到 1 个正例到 20 个负例 (5%)。虽然得到的训练集仍然是不平衡的，但正例与负例的比例比原来极度不平衡的比例（0.5%）要好得多。

步骤 2：增加下采样类的权重：将示例权重添加到下采样类。由于我们按 10 倍下采样，因此示例权重应为 10。

在之前的文章中，权重一词指代模型参数（例如神经网络中的连接）。在这里，我们讨论的是 示例权重，这意味着在训练过程中更重要的是计算单个示例。示例权重为 10 意味着模型将该示例视为权重为 1 的示例的 10 倍（计算损失时）。

权重应等于您用于下采样的因子：

$\text{ \{example weight\} = \{original example weight\} x \{downsampling factor\} }$

3.数据分割示例

收集数据并根据需要进行采样后，下一步是将数据分为训练集、验证集和测试集。

3.1 随机分割可能不是最好的方法

虽然随机分割是解决许多机器学习问题的最佳方法，但它并不总是正确的解决方案。例如，考虑其中示例自然聚集成相似示例的数据集。如图 1 所示，假设用模型对新闻的主题进行分类，采用随机分割就可能会出现问题。

图 1. 新闻报道是聚集的

原因在于新闻故事一般是成群出现的：关于同一主题的多个故事在同一时间发布。因此，如果我们随机分割数据，测试集和训练集可能会包含相同的故事。实际上，这种方式是行不通的，因为所有故事都会同时进入，所以像这样进行分割会导致倾斜。

图 2. 随机拆分会将集群拆分为多个集合，从而导致倾斜

解决这个问题的一个简单方法是根据故事发布的时间（也许是故事发布的日期）来分割我们的数据。这会导致同一天的故事被放置在同一个分组中。

图 3. 按时间分割可以使集群大部分最终位于同一组中

对于数以万计或更多的新闻报道，一定比例的新闻报道可能会在几天内分配。不过问题不大，事实上，这些故事分布在两天的新闻周期中，或者，我们可以丢弃距离截止点一定范围内的数据，以确保没有任何重叠。例如，可以训练四月份的故事，然后使用五月的第二周作为测试集，周间隙防止重叠。

4.分割数据-Splitting Data

正如上面的 “新闻报道主题分类” 所示，纯粹的随机分割并不总是正确的方法。在线系统的一种常见技术是按时间分割数据，这样就可以：

收集 30 天的数据。
使用第 1-29 天的数据进行训练。
评估第 30 天的数据。

对于在线系统，训练数据比服务数据更旧，因此该技术可确保验证集反映训练和服务之间的滞后。然而，基于时间的分割最适合非常大的数据集，例如具有数千万个示例的数据集。在数据较少的项目中，训练、验证和测试之间的分布最终会有很大不同。

想要为数据设计一种合适的分隔方式，首先需要明确数据代表什么（数据的内涵），只有充分了解数据，才能设计出合适的分隔策略。

5.随机化-Randomization

5.1 实际考虑

假设想要添加一个特征来查看它如何影响模型质量。为了公平的实验，除了这个新特征之外，数据集应该是相同的。如果数据不可重现，则无法制作这些数据集。鉴于此，确保数据生成中的任何随机化都可以是确定性的：

为随机数生成器(RNG) 播种。播种可确保 RNG 在每次运行时以相同的顺序输出相同的值，从而重新创建数据集。
使用不变的哈希键。 散列是分割或采样数据的常用方法。我们可以对每个示例进行散列，并使用生成的整数来决定将示例放置在哪个分割中。每次运行数据生成程序时，哈希函数的输入不应更改。例如，如果想按需重新创建哈希值，请勿在哈希值中使用当前时间或随机数。