特征工程實(shí)施步驟

來源：Coggle數(shù)據(jù)科學(xué)

入門特征工程

1. 為什么特征工程很重要？

對于不同的數(shù)據(jù)科學(xué)家，特征工程可能呈現(xiàn)不同的意義。對于一些數(shù)據(jù)科學(xué)家，特征工程是我們?nèi)绾慰s減用于監(jiān)督模型的特征（例如，試圖預(yù)測響應(yīng)或結(jié)果變量）。

對于其他人，它是從非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取數(shù)值表示以供無監(jiān)督模型使用的方法（例如，試圖從之前非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)集中提取結(jié)構(gòu)）。特征工程包括這兩種情況，以及更多內(nèi)容。數(shù)據(jù)從業(yè)者通常依賴ML和深度學(xué)習(xí)算法，即使所使用的數(shù)據(jù)格式不良且非最佳。如果我們不構(gòu)建適當(dāng)?shù)奶卣?，依賴?fù)雜而耗時(shí)的ML模型來解決問題，我們可能會(huì)得到糟糕的ML模型。如果我們花時(shí)間了解我們的數(shù)據(jù)，并為我們的ML模型構(gòu)建特征，使其能夠?qū)W習(xí)，那么我們最終可以得到更小、更快的模型，其性能可以與甚至優(yōu)于復(fù)雜的模型相媲美。

2. 特征工程的局限性

特征工程并不是解決所有問題的靈丹妙藥。例如，在數(shù)據(jù)量過小的情況下，特征工程無法解決機(jī)器學(xué)習(xí)模型面臨的數(shù)據(jù)不足問題。對于包含少于1000行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，在特征工程方面的努力有限，很難從這些數(shù)據(jù)觀察中提取更多信息。

特征工程也不能在特征和響應(yīng)之間創(chuàng)建本來不存在的聯(lián)系。如果最初的特征在隱含上對于響應(yīng)變量沒有任何預(yù)測能力，那么再多的特征工程也無法創(chuàng)造這種聯(lián)系?？梢栽谛阅苌先〉靡恍┬》鹊奶嵘?，但不能指望特征工程或機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠奇跡般地在特征和響應(yīng)之間創(chuàng)造關(guān)系。

3. 特征工程的步驟特征工程是指將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠理解的數(shù)據(jù)表示的過程，它是整個(gè)ML流水線的關(guān)鍵一環(huán)。以下是文本中提到的主要概念和步驟：機(jī)器學(xué)習(xí)流水線的五個(gè)步驟：

定義問題領(lǐng)域（Defining the problem domain）：這一步驟涉及明確我們想要通過機(jī)器學(xué)習(xí)解決的問題，同時(shí)考慮模型預(yù)測速度或可解釋性等特點(diǎn)。這些考慮將在模型評估階段起到關(guān)鍵作用。

獲取準(zhǔn)確代表問題的數(shù)據(jù)（Obtaining data）：考慮并實(shí)施數(shù)據(jù)收集方法，確保數(shù)據(jù)收集公平、安全，并尊重?cái)?shù)據(jù)提供者的隱私。此時(shí)還可以進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析（EDA），以更好地了解正在處理的數(shù)據(jù)。

特征工程（Feature engineering）：這是文本中重點(diǎn)介紹的部分。特征工程涵蓋了將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合輸入機(jī)器學(xué)習(xí)模型的最佳表示的所有工作。

模型選擇和訓(xùn)練（Model selection and training）：在這個(gè)階段，選擇適合數(shù)據(jù)和問題的模型，并進(jìn)行仔細(xì)的訓(xùn)練。如果在第一步中強(qiáng)調(diào)模型的可解釋性，可能會(huì)選擇基于樹的模型而不是深度學(xué)習(xí)模型。

模型部署和評估（Model deployment and evaluation）：在這個(gè)階段，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，模型已經(jīng)訓(xùn)練完畢，可以將模型投入生產(chǎn)。同時(shí)需要考慮模型版本控制和預(yù)測速度等因素。必須部署評估過程，以跟蹤模型隨時(shí)間的性能變化，并注意模型的衰退情況。

概念漂移和數(shù)據(jù)漂移：

• 概念漂移（Concept Drift）：這是指隨著時(shí)間推移，特征或響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生變化。模型訓(xùn)練時(shí)的數(shù)據(jù)代表了某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的快照，隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)所代表的環(huán)境可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致我們對特征和響應(yīng)的認(rèn)識也發(fā)生變化。這可能需要更新模型以適應(yīng)新的概念。
• 數(shù)據(jù)漂移（Data Drift）：這是指數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)分布因某種原因發(fā)生了變化，但我們對特征的解釋保持不變。例如，在全球大流行病爆發(fā)后，人們的觀影習(xí)慣發(fā)生了變化，觀影時(shí)間的分布可能會(huì)發(fā)生顯著變化。這需要我們調(diào)整模型以適應(yīng)新的數(shù)據(jù)分布。

特征工程細(xì)分的步驟：

1. 特征理解（Feature understanding）：理解正在處理的數(shù)據(jù)的層級結(jié)構(gòu)對選擇適當(dāng)?shù)奶卣鞴こ谭椒ㄖ陵P(guān)重要。
2. 特征結(jié)構(gòu)化（Feature structuring）：如果數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的（如文本、圖像、視頻等），需要將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化格式，以便機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠理解。這可能需要應(yīng)用特征提取或?qū)W習(xí)方法。
3. 特征優(yōu)化（Feature optimization）：一旦數(shù)據(jù)被結(jié)構(gòu)化，可以應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)，如特征改進(jìn)、提取、構(gòu)建和選擇，以獲得最適合模型的數(shù)據(jù)表示。
4. 特征評估（Feature evaluation）：在嘗試不同特征工程方案時(shí)，可以選擇一個(gè)學(xué)習(xí)算法和一些參數(shù)選項(xiàng)進(jìn)行快速調(diào)整，以評估應(yīng)用不同特征工程技術(shù)的效果。

數(shù)據(jù)類型1. 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是按照嚴(yán)格的數(shù)據(jù)模型或設(shè)計(jì)組織起來的，通常以表格（行/列）格式表示，其中行代表個(gè)體觀察，列代表特征。

而非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則沒有預(yù)定義的設(shè)計(jì)，不遵循特定的數(shù)據(jù)模型，例如客戶服務(wù)對話的轉(zhuǎn)錄、YouTube 視頻、播客音頻等。2. 數(shù)據(jù)的四個(gè)級別

名義級別、序數(shù)級別、間隔級別和比例級別。名義級別是純粹的定性數(shù)據(jù)，沒有順序和數(shù)值含義。序數(shù)級別在定性數(shù)據(jù)中具有一定的順序，但值之間的差異沒有實(shí)際意義。間隔級別中，數(shù)據(jù)之間的差異有一致的意義，可以進(jìn)行加法和減法操作。比例級別是最高級別，除了有一致的差異意義外，還存在真正的零點(diǎn)，允許進(jìn)行乘法和除法操作。

特征工程的類型

特征工程是指在機(jī)器學(xué)習(xí)流程中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和轉(zhuǎn)換，以便更好地適應(yīng)模型的需求，提高模型的性能和效果。

1. 特征改進(jìn)（Feature Improvement）：特征改進(jìn)技術(shù)通過各種數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換來增強(qiáng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)化特征。通常是對數(shù)值特征應(yīng)用轉(zhuǎn)換，如填充缺失數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化。這可以包括應(yīng)用z-score轉(zhuǎn)換、使用統(tǒng)計(jì)中位數(shù)來填充缺失值等。特征改進(jìn)在早期的案例研究中扮演著重要角色。它適用于不同層級的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的層級可以選擇不同的改進(jìn)方式。
2. 特征構(gòu)建（Feature Construction）：特征構(gòu)建是通過直接轉(zhuǎn)換現(xiàn)有特征或?qū)⒃紨?shù)據(jù)與新數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，從而手動(dòng)創(chuàng)建新特征的過程。這可以包括從新數(shù)據(jù)源中提取信息，創(chuàng)建新的特征。例如，從住房數(shù)據(jù)集中提取戶主總收入以及家庭人數(shù)作為新特征。特征構(gòu)建可以涉及將分類特征轉(zhuǎn)換為數(shù)值特征，或者將數(shù)值特征通過分桶轉(zhuǎn)換為分類特征。
3. 特征選擇（Feature Selection）：特征選擇涉及從現(xiàn)有特征集中選擇最佳特征，以減少模型需要學(xué)習(xí)的特征數(shù)量，同時(shí)減少特征之間的依賴關(guān)系。這可以防止模型中出現(xiàn)特征之間的混淆，從而提高模型的性能。特征選擇適用于處理維度災(zāi)難、特征之間存在依賴性以及需要提高模型速度的情況。
4. 特征提取（Feature Extraction）：特征提取是自動(dòng)生成新特征的過程，基于對數(shù)據(jù)的潛在形狀做出假設(shè)。這可以涉及應(yīng)用線性代數(shù)技術(shù)來執(zhí)行主成分分析（PCA）和奇異值分解（SVD）等。在自然語言處理（NLP）案例研究中，可以通過學(xué)習(xí)詞匯并將原始文本轉(zhuǎn)換為詞頻向量來執(zhí)行特征提取。

特征學(xué)習(xí)（Feature Learning）：特征學(xué)習(xí)類似于特征提取，但不同之處在于它是通過應(yīng)用非參數(shù)（不對原始數(shù)據(jù)的形狀做出假設(shè)）的深度學(xué)習(xí)模型來自動(dòng)生成一組特征，從而自動(dòng)發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的潛在表示。特征學(xué)習(xí)適用于處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如文本、圖像和視頻。但它也可能需要更多的數(shù)據(jù)，并且生成的特征可能難以解釋。

特征工程的評估方法

在特征工程中，需要采用多種評估方法來確保模型的質(zhì)量。以下將介紹幾種評估特征工程成果的指標(biāo)。

1. 機(jī)器學(xué)習(xí)指標(biāo)

與基準(zhǔn)相比，機(jī)器學(xué)習(xí)指標(biāo)可能是最直接的評估方法。這包括在應(yīng)用特征工程方法之前和之后查看模型性能。具體步驟如下：

在應(yīng)用任何特征工程之前，獲取計(jì)劃使用的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的基準(zhǔn)性能。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征工程處理。

從機(jī)器學(xué)習(xí)模型中獲取新的性能指標(biāo)值，并將其與第一步得到的值進(jìn)行比較。如果性能有所提升，并且超過了數(shù)據(jù)科學(xué)家定義的某個(gè)閾值，則表明特征工程取得了成功。

2. 解釋性指標(biāo)

數(shù)據(jù)科學(xué)家和其他模型相關(guān)者應(yīng)該深刻關(guān)注管道的可解釋性，因?yàn)樗赡軙?huì)影響業(yè)務(wù)和工程決策?？山忉屝钥梢远x為我們能夠多好地詢問我們的模型“為什么”做出了特定的決策，并將該決策與用于做出模型決策的個(gè)別特征或特征組聯(lián)系起來。

3. 公平性和偏見評估指標(biāo)為了確保模型不會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)中固有的偏見產(chǎn)生預(yù)測，必須根據(jù)公平性標(biāo)準(zhǔn)來評估模型。這在涉及個(gè)人高度影響的領(lǐng)域特別重要，比如金融貸款授予系統(tǒng)、識別算法、欺詐檢測和學(xué)術(shù)表現(xiàn)預(yù)測。在同一份2020年的數(shù)據(jù)科學(xué)調(diào)查中，超過一半的受訪者表示已經(jīng)實(shí)施或計(jì)劃實(shí)施解釋性更強(qiáng)（可解釋性）的解決方案，而只有38%的受訪者表示對公平性和偏見緩解的情況也是如此。

4. 機(jī)器學(xué)習(xí)復(fù)雜性和速度評估指標(biāo)機(jī)器學(xué)習(xí)流程的復(fù)雜性、規(guī)模和速度通常是一個(gè)被忽視的方面，但有時(shí)可能決定部署的成敗。正如之前提到的，有時(shí)數(shù)據(jù)科學(xué)家會(huì)轉(zhuǎn)向大型學(xué)習(xí)算法，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或集成模型，而不是進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶卣鞴こ?，希望模型能夠自己解決問題。

建議1：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)工程在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)上進(jìn)行特征工程是提高模型性能和泛化能力的關(guān)鍵步驟，在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)上進(jìn)行特征工程的步驟：

查看字段類型、確定字段的噪音和分布：

1. 計(jì)算字段與標(biāo)簽的相關(guān)性：
2. 對字段進(jìn)行編碼，找到新特征：

建議2：文本數(shù)據(jù)特征工程

將原始文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供機(jī)器學(xué)習(xí)算法使用的特征，有多種方式：

1. 文本向量化：對于定量特征，可以考慮使用諸如TF-IDF（詞頻-逆文檔頻率）等技術(shù)將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值特征。TF-IDF可以將文本中的每個(gè)詞轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)值，表示該詞在文本中的重要性。

2. 清洗和分詞：對原始文本進(jìn)行清洗，去除特殊字符、標(biāo)點(diǎn)符號和無關(guān)信息。然后，將清洗后的文本進(jìn)行分詞，將文本劃分為詞語或標(biāo)記?？梢允褂酶鞣N文本處理庫（如NLTK、spaCy）來實(shí)現(xiàn)。

3. 特征提?。涸谏疃葘W(xué)習(xí)方面，可以使用詞嵌入技術(shù)（如Word2Vec、GloVe）來將每個(gè)詞轉(zhuǎn)化為具有語義信息的向量表示。

4. 遷移學(xué)習(xí)：使用預(yù)訓(xùn)練的大型模型（如BERT、T5、ChatGPT等）來進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)。這些模型在大規(guī)模文本數(shù)據(jù)上進(jìn)行了預(yù)訓(xùn)練，可以捕捉豐富的語義信息。

建議3：圖像數(shù)據(jù)特征工程

深度學(xué)習(xí)模型特別是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），已經(jīng)在圖像處理領(lǐng)域取得了顯著的成功?？梢允褂妙A(yù)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)模型（如VGG、ResNet、Inception等）作為特征提取器，通過去掉最后的分類層，將模型用作特征提取器。然后可以對這些提取的特征進(jìn)行降維（如PCA或t-SNE）或直接用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

建議4：時(shí)序數(shù)據(jù)特征工程

1. 理解時(shí)序數(shù)據(jù)：首先需要理解你的時(shí)序數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。了解時(shí)間戳、觀測頻率、時(shí)間間隔等信息。

2. 構(gòu)建自定義特征集和響應(yīng)變量：根據(jù)問題的需求，你可能需要構(gòu)建自定義的特征集和響應(yīng)變量。這可能包括計(jì)算滾動(dòng)統(tǒng)計(jì)量（如移動(dòng)平均、滾動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差）、創(chuàng)建時(shí)間窗口特征、構(gòu)建滯后特征等。

3. 使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序特征類型：在時(shí)序數(shù)據(jù)中，有一些常見的特征類型，如趨勢、季節(jié)性、周期性等。你可以嘗試提取這些特征，并將它們作為模型的輸入。

4. 添加領(lǐng)域特定的特征：在一些情況下，你可能有領(lǐng)域特定的知識，可以用于構(gòu)建有用的特征。例如，在股票市場數(shù)據(jù)中，你可以添加技術(shù)指標(biāo)（如移動(dòng)平均線、相對強(qiáng)弱指標(biāo)等）作為特征。