特征选择

Feature Selection

特征选择：从特征集合中选择最具统计意义的特征子集

• 特征分类

  • relevant feature：相关特征，对当前学习任务有用的属性、特征
    • 特征选择最重要的是确保不丢失重要特征
  • irrelevant feature：无关特征，对当前学习任务无用的属性、特征
  • redundant feature：冗余特征，包含的信息可以由其他特征中推演出来
    • 冗余特征通常不起作用，剔除可以减轻模型训练负担
    • 若冗余特征恰好对应完成学习任务所需要的中间概念，则是有益的，可以降低学习任务的难度

• 特征选择会降低模型预测能力，因为被剔除特征中可能包含有效信息

  • 保留尽可能多特征，模型性能会提升，模型更复杂、计算复杂度同样提升
  • 剔除尽可能多特征，模型性能会下降，模型更简单、降低计算复杂度

• 特征选择原因

  • 维数灾难问题：仅需要选择一部分特征构建模型，可以减轻 维数灾难问题，从此意义上特征选择和降维技术有相似动机
  • 剔除无关特征可以降低学习任务难度，简化模型、降低计算复杂度

• 特征选择方法可以分解为

  • 特征子集搜索
  • 特征子集评价：能判断划分之间差异的机制都能作为特征子集的准则

特征选择过程

• generation procedure：产生过程，搜索特征子集
• evaluation function：评价函数，评价特征子集优劣
• stopping criterion：停止准则，与评价函数相关的阈值，评价函数达到与阈值后可以停止搜索
• validation procedure：验证过程，在验证数据集上验证选择特征子集的有效性

特征子集搜索

• 遍历：从初始特征集合选择包含所有重要信息的特征子集

  • 适合没有先验（问题相关领域）知识的情况
  • 特征数量稍多会出现组合爆炸

• 迭代：产生候选子集、评价优劣，基于评价结果产生下个候选子集

  • 不断迭代，直至无法找到更好的后续子集
  • 需要评价得子集数量较少
  • 可能无法找到最优子集

迭代搜索

• 给定特征 $A={A_1, A_2, \cdots, A_d}$，将每个特征视为候选子集（每个子集只有一个元素），对 $d$ 个候选子集进行评价

• 在上轮选定子集中加入特征，选择包含两个特征的最优候选子集

• 假定在 $k+1$ 轮时，最优特征子集不如上轮最优的特征子集，则停止生成候选子集，将上轮选定特征子集作为特征选择结果

• Forward Feature Elimination：前向特征选择，逐渐增加相关特征
• Backward Feature Elimination：后向特征选择，从完整特征集合开始，每次尝试去掉无关特征，逐渐剔除特征
• Bidirectional Feature Elimination：双向特征选择，结合前向、后向搜索

  • 每轮逐渐增加选定的相关特征，特征在后续迭代中确定不会被去除，同时减少无关特征

特征子集评价

特征子集评价：能判断划分之间差异的机制都能作为特征子集的选择准则

• 方差

  • 方差越大，特征对预测值区分能力越强

• 相关系数

  • Pearson 积矩相关系数
  • Kendell 秩相关系数
  • Spearman 秩相关系数
  • 卡方统计量

• 距离指标

• 划分增益

  • Gini 指数
  • IG 信息增益/互信息
  • 信息增益比

• 排序指标

  • AUC

特征问题定位

• 模型出现过拟合问题时，可能是特征工程步骤中出现信息泄露（数据穿越、标签入特征），一般通过单变量特征评价指标定位有问题的特征

• 数据泄露涉及的特征的定位（经验）
  • 线性模型
    • 单变量 AUC 值：超过 0.8 则高度可疑
  • 非线性模型（树）
    • 基于信息增益的特征重要性

Filter

过滤式：对数据集进行的特征选择过程与后续学习器无关，即设计统计量过滤特征，不考虑后续学习器问题

• 通过分析特征子集内部特点衡量特征优劣，描述自变量、目标变量的关联

• 特点

  • 时间效率高
  • 对过拟合问题较稳健
  • 倾向于选择单个、冗余特征，没有考虑特征之间相关性

单特征过滤

单特征过滤：直接选择合适特征子集评价标准处理各特征，选择满足要求特征

Relief: Relavant Features

Relief 方法：设置相关统计量度量特征重要性

• 特征子集对应统计量中每个分量对应一个初始特征，特征子集重要性由子集中每个特征对应的相关统计量分量之和决定

• 特征选择方法

  • 指定阈值 $k$：选择比 $k$ 大的相关统计量分量对应特征
  • 指定特征个数 $m$：选择相关统计量分量最大的 $m$ 个特征

• 只适合二分类问题，扩展变体 Relief-F 可以处理多分类问题

Wrapper

包裹式：把最终要使用的学习器性能作为特征子集评价标准，为给定学习器选择最有利其性能、特化的特征子集

• 优点
  • 直接针对特定学习器进行优化
  • 考虑了特征之间的关联性，通常训练效果较过滤式好
• 缺点
  • 特征选择过程中需要多次训练学习器，计算效率较低
  • 观测数据较少时容易过拟合

Las Vegas Wrapper

LVW：在 Las Vegas Method 框架下使用随机策略进行子集搜索，以最终分类器误差作为特征子集评价标准

• 包含停止条件控制参数T，避免每次子集评价训练特征子集开销过大
• 若初始特征数量很多、T设置较大、每轮训练时间较长，算法执行很长时间都不会停止
  • LVM 可能无法得到解（拉斯维加斯算法本身性质）

递归特征消除法

递归特征消除法：使用基模型进行多轮训练，每轮训练消除若干权值系数的特征，再基于特征集进行下一轮训练

Stepwise变量选择

• 前向变量选择
• 后向变量选择
• 前向-后向变量选择
• 最优子集选择

Embedded

嵌入式：将特征选择、学习器训练过程融合，在同一优化过程中同时完成，即学习器训练过程中自动进行特征选择

• 优点：兼具筛选器、封装器的优点
• 缺点：需要明确好的选择

正则化约束

$L_1$、$L_2$ 范数：主要用于线性回归、逻辑回归、SVM 等算法

• Ridge：$L_2$ 范数
• Lasso：$L_1$ 范数
  • 除降低过拟合风险，还容易获得稀疏解
  • 参数 $\lambda$ 越大，稀疏性越大，被选择特征越少
• SVM、逻辑回归
  • 超参参数范数权重越大，稀疏性越大，被选择特征越少

决策树

决策树思想：决策树自上而下选择分裂特征就是特征选择

• 所有树结点划分属性根据先后顺序组成的集合就是选择出来的特征子集

• 参见ml_models/unlinear_models/decision_tree

神经网络

神经网络：训练时同时处理贡献度问题，不重要特征权重被剔除