利用sklearn进行特征选择

3种特征选择

Filter

过滤法，按照发散性或者相关性对各个特征进行评分，设定阈值或者待选择阈值的个数，选择特征。
（先对数据集进行特征选择，然后再训练学习器）

Wrapper

包装法，根据目标函数（通常是预测效果评分），每次选择若干特征，或者排除若干特征。
（给定学习器选择最有利于其性能、“量身定做”的特征子集）

Embedded

嵌入法，先使用某些机器学习的算法和模型进行训练，得到各个特征的权值系数，根据系数从大到小选择特征。类似于Filter方法，但是是通过训练来确定特征的优劣。
（将特征选择过程与学习器训练过程融为一体，两者在同一个优化过程中完成，即在学习器训练过程中自动地进行了特征选择）

特征选择的功能

①减少特征数量、降维，使模型泛化能力更强，减少过拟合。
②增强对特征和特征值之间的理解。

一、Filter

1、删除低方差特征 Removing features with low variance

假设某特征的特征值只有0和1，并且在所有输入样本中，95%的实例的该特征取值都是1，那就可以认为这个特征作用不大。如果100%都是1，那这个特征就没意义了，可以对其进行删除。
这种方法简单但不实用。
假设我们想要删除 超过80%的样本数都是0或都是1（假设是boolean features） 的所有特征，由于boolean features是bernoulli随机变量，所以方差为Var[X] = p(1-p)，所以我们可以使用阈值0.8*（1-0.8）：

VarianceThreshold删除了第一列，这列包含0的概率 p=5/6>0.8

2、单变量特征选择 Univariate feature selection

单变量特征选择的原理是分别单独的计算每个变量的某个统计指标，根据该指标来判断哪些指标重要，剔除那些不重要的指标。

这种方法比较简单，易于运行，易于理解，通常对于理解数据有较好的效果（但对特征优化、提高泛化能力来说不一定有效）；这种方法有许多改进的版本、变种。
Scikit-learn执行transform方法作特征选择。

• SelectKBest删除除k个最高分数的特征外的所有特征
• SelectPercentile删除除最高分位数特征外的所有特征
• 使用普遍的单变量统计检验选择特征：假阳性率(false positive rate) SelectFpr, 假发现率(false discovery rate) SelectFdr, 或族系误差率 SelectFwe
• GenericUnivariateSelect 用一个可配置策略作单变量特征选择。它可以使用超参数搜索估计量选择最好的策略。

将特征输入到评分函数，返回一个单变量的f_score(F检验的值)或p-values(P值，假设检验中的一个标准，P-value用来和显著性水平作比较)，注意SelectKBest 和 SelectPercentile只有得分，没有p-value。

对于分类问题(y离散)，可采用：
　　　　卡方检验，f_classif, mutual_info_classif，互信息
对于回归问题(y连续)，可采用：
　　　　皮尔森相关系数，f_regression, mutual_info_regression，最大信息系数

2.1 卡方(Chi2)检验

经典的卡方检验是检验定性自变量对定性因变量的相关性。比如，我们可以对样本进行一次卡方检验来选择最佳的两项特征：

2.2 Pearson相关系数 (Pearson Correlation)

皮尔森相关系数是一种最简单的，能帮助理解特征和因变量之间关系的方法，该方法衡量的是变量之间的线性相关性，结果的取值区间为[-1，1]，-1表示完全的负相关，+1表示完全的正相关，0表示没有线性相关。　
　
Pearson Correlation速度快、易于计算，经常在拿到数据(经过清洗和特征提取之后的)之后第一时间就执行。Scipy的 pearsonr 方法能够同时计算 相关系数 和 p-value.

这个例子中，我们比较了变量在加入噪音之前和之后的差异。当噪音比较小的时候，相关性很强，p-value很低。

Pearson相关系数的一个明显缺陷是，作为特征排序机制，他只对线性关系敏感。如果关系是非线性的，即便两个变量具有一一对应的关系，Pearson相关性也可能会接近0。例如：

另外，如果仅仅根据相关系数这个值来判断的话，有时候会具有很强的误导性，最好把数据可视化出来，以免得出错误的结论。

2.3 互信息和最大信息系数 (Mutual information and maximal information coefficient (MIC)

经典的互信息也是评价定性自变量对定性因变量的相关性的，互信息计算公式如下：

互信息直接用于特征选择其实不是太方便：

• 1、它不属于度量方式，也没有办法归一化，在不同数据及上的结果无法做比较；
• 2、对于连续变量的计算不是很方便（X和Y都是集合，x，y都是离散的取值），通常变量需要先离散化，而互信息的结果对离散化的方式很敏感。

最大信息系数克服了这两个问题。它首先寻找一种最优的离散化方式，然后把互信息取值转换成一种度量方式，取值区间在[0，1]。

继续看y=x^2这个例子，MIC算出来的互信息值为1(最大的取值)。

2.4 距离相关系数 (Distance Correlation)

距离相关系数是为了克服Pearson相关系数的弱点而生的。在x和x2这个例子中，即便Pearson相关系数是0，我们也不能断定这两个变量是独立的（有可能是非线性相关）；但如果距离相关系数是0，那么我们就可以说这两个变量是独立的。

尽管有 MIC 和 距离相关系数 在了，但当变量之间的关系接近线性相关的时候，Pearson相关系数仍然是不可替代的。

• 第一，Pearson相关系数计算速度快，这在处理大规模数据的时候很重要。
• 第二，Pearson相关系数的取值区间是[-1，1]，而MIC和距离相关系数都是[0，1]。这个特点使得Pearson相关系数能够表征更丰富的关系，符号表示关系的正负，绝对值能够表示强度。当然，Pearson相关性有效的前提是两个变量的变化关系是单调的。

2.5 基于模型的特征排序 (Model based ranking)

这种方法的思路是直接使用你要用的机器学习算法，针对 每个单独的特征 和 响应变量 建立预测模型。假如 特征 和 响应变量 之间的关系是非线性的，可以用基于树的方法(决策树、随机森林)、或者 扩展的线性模型 等。基于树的方法比较易于使用，因为他们对非线性关系的建模比较好，并且不需要太多的调试。但要注意过拟合问题，因此树的深度最好不要太大，再就是运用交叉验证。

在 波士顿房价数据集 上使用sklearn的 随机森林回归 给出一个_单变量选择_的例子(这里使用了交叉验证)：

二、Wrapper

1、 递归特征消除 (Recursive Feature Elimination)

递归特征消除的主要思想是反复的构建模型（如SVM或者回归模型）然后选出最好的（或者最差的）的特征（可以根据系数来选），把选出来的特征放到一边，然后在剩余的特征上重复这个过程，直到所有特征都遍历了。这个过程中特征被消除的次序就是特征的排序。因此，这是一种寻找最优特征子集的贪心算法。

RFE的稳定性很大程度上取决于在迭代的时候底层用哪种模型。例如，假如RFE采用的普通的回归，没有经过正则化的回归是不稳定的，那么RFE就是不稳定的；假如采用的是Ridge，而用Ridge正则化的回归是稳定的，那么RFE就是稳定的。

Sklearn提供了RFE包，可以用于特征消除，还提供了RFECV，可以通过交叉验证来对的特征进行排序。

三、Embedded

1、使用SelectFromModel选择特征 (Feature selection using SelectFromModel)

单变量特征选择方法独立的衡量每个特征与响应变量之间的关系，另一种主流的特征选择方法是基于机器学习模型的方法。有些机器学习方法本身就具有对特征进行打分的机制，或者很容易将其运用到特征选择任务中，例如回归模型，SVM，决策树，随机森林等等。其实Pearson相关系数等价于线性回归里的标准化回归系数。

SelectFromModel 作为meta-transformer，能够用于拟合后任何拥有coef_或feature_importances_ 属性的预测模型。 如果特征对应的coef_ 或 feature_importances_ 值低于设定的阈值threshold，那么这些特征将被移除。除了手动设置阈值，也可通过字符串参数调用内置的启发式算法(heuristics)来设置阈值，包括：平均值(“mean”), 中位数(“median”)以及他们与浮点数的乘积，如”0.1*mean”。

1.1 基于L1的特征选择 (L1-based feature selection)

使用L1范数作为惩罚项的线性模型(Linear models)会得到稀疏解：大部分特征对应的系数为0。当你希望减少特征的维度以用于其它分类器时，可以通过 feature_selection.SelectFromModel 来选择不为0的系数。特别指出，常用于此目的的稀疏预测模型有 linear_model.Lasso（回归）， linear_model.LogisticRegression 和 svm.LinearSVC（分类）。

对于SVM和逻辑回归，参数C控制稀疏性：C越小，被选中的特征越少。
对于Lasso，参数alpha越大，被选中的特征越少。

1.2 L2正则化/Ridge regression

L2正则化将系数向量的L2范数添加到了损失函数中。由于L2惩罚项中系数是二次方的，这使得L2和L1有着诸多差异，最明显的一点就是，L2正则化会让系数的取值变得平均。对于关联特征，这意味着他们能够获得更相近的对应系数。还是以Y=X1+X2为例，假设X1和X2具有很强的关联，如果用L1正则化，不论学到的模型是Y=X1+X2还是Y=2X1，惩罚都是一样的，都是2alpha。但是对于L2来说，第一个模型的惩罚项是2alpha，但第二个模型的是4*alpha。可以看出，系数之和为常数时，各系数相等时惩罚是最小的，所以才有了L2会让各个系数趋于相同的特点。

可以看出，L2正则化对于特征选择来说一种稳定的模型，不像L1正则化那样，系数会因为细微的数据变化而波动。所以L2正则化和L1正则化提供的价值是不同的，L2正则化对于特征理解来说更加有用：表示能力强的特征对应的系数是非零。

1.3 随机稀疏模型 (Randomized sparse models)

基于L1的稀疏模型的局限在于，当面对一组互相关的特征时，它们只会选择其中一项特征。为了减轻该问题的影响可以使用随机化技术，通过多次重新估计稀疏模型来扰乱设计矩阵，或通过多次下采样数据来统计一个给定的回归量被选中的次数。——稳定性选择 (Stability Selection)

RandomizedLasso 实现了使用这项策略的Lasso，RandomizedLogisticRegression 使用逻辑回归，适用于分类任务。要得到整个迭代过程的稳定分数，你可以使用 lasso_stability_path。

注意到对于非零特征的检测，要使随机稀疏模型比标准F统计量更有效， 那么模型的参考标准需要是稀疏的，换句话说，非零特征应当只占一小部分。

1.4 基于树的特征选择 (Tree-based feature selection)

基于树的预测模型（见 sklearn.tree 模块，森林见 sklearn.ensemble 模块）能够用来计算特征的重要程度，因此能用来去除不相关的特征（结合 sklearn.feature_selection.SelectFromModel）：

1.4.1 平均不纯度减少 mean decrease impurity

随机森林由多个决策树构成。决策树中的每一个节点都是关于某个特征的条件，为的是将数据集按照不同的响应变量一分为二。利用不纯度可以确定节点（最优条件），对于分类问题，通常采用基尼不纯度或者信息增益，对于回归问题，通常采用的是方差或者最小二乘拟合。当训练决策树的时候，可以计算出每个特征减少了多少树的不纯度。对于一个决策树森林来说，可以算出每个特征平均减少了多少不纯度，并把它平均减少的不纯度作为特征选择的值。

下边的例子是sklearn中基于随机森林的特征重要度度量方法：

这里特征得分实际上采用的是Gini Importance。使用基于不纯度的方法的时候，要记住：1、这种方法存在偏向，对具有更多类别的变量会更有利；2、对于存在关联的多个特征，其中任意一个都可以作为指示器（优秀的特征），并且一旦某个特征被选择之后，其他特征的重要度就会急剧下降，因为不纯度已经被选中的那个特征降下来了，其他的特征就很难再降低那么多不纯度了，这样一来，只有先被选中的那个特征重要度很高，其他的关联特征重要度往往较低。在理解数据时，这就会造成误解，导致错误的认为先被选中的特征是很重要的，而其余的特征是不重要的，但实际上这些特征对响应变量的作用确实非常接近的（这跟Lasso是很像的）。

特征随机选择方法稍微缓解了这个问题，但总的来说并没有完全解决。
下面的例子中，X0、X1、X2是三个互相关联的变量，在没有噪音的情况下，输出变量是三者之和。

当计算特征重要性时，可以看到X1的重要度比X2的重要度要高出10倍，但实际上他们真正的重要度是一样的。尽管数据量已经很大且没有噪音，且用了20棵树来做随机选择，但这个问题还是会存在。

需要注意的一点是，关联特征的打分存在不稳定的现象，这不仅仅是随机森林特有的，大多数基于模型的特征选择方法都存在这个问题。

1.4.2 平均精确率减少 Mean decrease accuracy

另一种常用的特征选择方法就是直接度量每个特征对模型精确率的影响。主要思路是打乱每个特征的特征值顺序，并且度量顺序变动对模型的精确率的影响。很明显，对于不重要的变量来说，打乱顺序对模型的精确率影响不会太大，但是对于重要的变量来说，打乱顺序就会降低模型的精确率。

1.5 将特征选择过程融入pipeline (Feature selection as part of a pipeline)

特征选择常常被当作学习之前的一项预处理。在scikit-learn中推荐使用
sklearn.pipeline.Pipeline:

clf = Pipeline([
  ('feature_selection', SelectFromModel(LinearSVC(penalty="l1"))),
  ('classification', RandomForestClassifier())
])
clf.fit(X, y)

在此代码片段中，将 sklearn.svm.LinearSVC 和 sklearn.feature_selection.SelectFromModel 结合来评估特征的重要性，并选择最相关的特征。之后 sklearn.ensemble.RandomForestClassifier 模型使用转换后的输出训练，即只使用被选出的相关特征。你可以选择其它特征选择方法，或是其它提供特征重要性评估的分类器。

参考链接

https://www.cnblogs.com/hhh5460/p/5186226.html
https://blog.csdn.net/weixin_41521681/article/details/86500616

来源：CSDN

作者：又笨又懒的猪

链接：https://blog.csdn.net/weixin_43496455/article/details/103637967