以性別預(yù)測(cè)為例，談?wù)?a href='/map/shujuwajue/' style='color:#000;font-size:inherit;'>數(shù)據(jù)挖掘中的分類(lèi)問(wèn)題

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，催生了數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)。面對(duì)海量的數(shù)據(jù)，如何挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值，成為一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。本文首先介紹數(shù)據(jù)挖掘的基本內(nèi)容，然后按照數(shù)據(jù)挖掘基本的處理流程，以性別預(yù)測(cè)實(shí)例來(lái)講解一個(gè)具體的數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)是如何實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)挖掘的基本內(nèi)容

首先，對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘的概念，目前比較廣泛認(rèn)可的一種解釋如下：

Data mining is the use of efficient techniques for the analysis of very large collections of data and the extraction of useful and possibly unexpected patterns in data.

數(shù)據(jù)挖掘是一種通過(guò)分析海量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中提取潛在的但是非常有用的模式的技術(shù)。

主要的數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)

數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)可以分為預(yù)測(cè)性任務(wù)和描述性任務(wù)。預(yù)測(cè)性任務(wù)主要是預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的情況;描述性任務(wù)則是發(fā)現(xiàn)一些人類(lèi)可以解釋的模式或規(guī)律。數(shù)據(jù)挖掘中比較常見(jiàn)的任務(wù)包括分類(lèi)、聚類(lèi)、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、時(shí)間序列挖掘、回歸等，其中分類(lèi)、回歸屬于預(yù)測(cè)性任務(wù)，聚類(lèi)、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、時(shí)間序列分析等則都是解釋性任務(wù)。

按照數(shù)據(jù)挖掘的基本流程，來(lái)談?wù)劮诸?lèi)問(wèn)題

在簡(jiǎn)單介紹了數(shù)據(jù)挖掘的基本內(nèi)容后，我們來(lái)切入主題。以數(shù)據(jù)挖掘的流程為主線，穿插性別預(yù)測(cè)的實(shí)例，來(lái)講解分類(lèi)問(wèn)題。根據(jù)經(jīng)典教科書(shū)和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，數(shù)據(jù)挖掘的基本流程主要包括五部分，首先是明確問(wèn)題，第二是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，第三是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征工程，轉(zhuǎn)化為問(wèn)題所需要的特征，第四是根據(jù)問(wèn)題的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選擇最優(yōu)的模型和算法，最后將訓(xùn)練的模型用于實(shí)際生產(chǎn)，產(chǎn)出所需結(jié)果(如圖1所示)。

圖1 數(shù)據(jù)挖掘的基本流程

下面我們分別介紹各環(huán)節(jié)涉及的主要內(nèi)容：

1.明確問(wèn)題和了解數(shù)據(jù)

這一環(huán)節(jié)最重要的是需求和數(shù)據(jù)的匹配。首先需要明確需求，有著怎樣的需求?是需要做分類(lèi)、聚類(lèi)、推薦還是其他?實(shí)際數(shù)據(jù)是否支持該需求?比如，分類(lèi)問(wèn)題需要有或者可以構(gòu)造出training set，如果沒(méi)有training set，就沒(méi)有辦法按照分類(lèi)問(wèn)題來(lái)解決。此外，數(shù)據(jù)的規(guī)模、重要feature的覆蓋度等，也是需要特別考慮的問(wèn)題。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)冗余，數(shù)值沖突

數(shù)據(jù)挖掘中準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要盡可能地將相關(guān)數(shù)據(jù)集成在一起。如果集成的數(shù)據(jù)中，有兩列或多列值一樣，則不可避免地會(huì)產(chǎn)生數(shù)值沖突或數(shù)據(jù)冗余，可能需要根據(jù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量來(lái)決定保留沖突中的哪一列。

2)數(shù)據(jù)采樣

一般來(lái)說(shuō)，有效的采樣方式如下：如果樣本是有代表性的，則使用樣本數(shù)據(jù)和使用整個(gè)數(shù)據(jù)集的效果幾乎是一樣的。抽樣方法有很多，需要考慮是有放回的采樣，還是無(wú)放回的采樣，以及具體選擇哪種采樣方式。

3)數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理與噪聲數(shù)據(jù)

現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)，是真實(shí)的數(shù)據(jù)，不可避免地會(huì)存在各種各樣的異常情況。比如某列的值缺失，或者某列的值是異常的，所以，我們需要在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，來(lái)減少噪音數(shù)據(jù)對(duì)模型訓(xùn)練和預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。

3.特征工程

數(shù)據(jù)和特征決定了機(jī)器學(xué)習(xí)的上限，而模型和算法只是逼近這個(gè)上限而已。下面的觀點(diǎn)說(shuō)明了特征工程的特點(diǎn)和重要性。

Feature engineering is another topic which doesn’t seem to merit any review papers or books, or even chapters in books, but it is absolutely vital to ML success. […] Much of the success of machine learning is actually success in engineering features that a learner can understand.

— Scott Locklin, in “Neglected machine learning ideas”

1)特征：對(duì)所需解決問(wèn)題有用的屬性

特征是對(duì)你所需解決問(wèn)題有用或者有意義的屬性。比如，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，圖片作為研究對(duì)象，可能圖片中的一個(gè)線條就是一個(gè)特征;在自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域中，研究對(duì)象是文檔，文檔中的一個(gè)詞語(yǔ)的出現(xiàn)次數(shù)就是一個(gè)特征;在語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域中，研究對(duì)象是一段話，phoneme(音位)可能就是一個(gè)特征。

2)特征的提取、選擇和構(gòu)造

既然特征是對(duì)我們所解決的問(wèn)題最有用的屬性。首先我們需要處理的是根據(jù)原始數(shù)據(jù)抽取出所需要的特征。亟需注意的是，并不是所有的特征對(duì)所解決的問(wèn)題產(chǎn)生的影響一樣大，有些特征可能對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生特別大的影響，但有些則可能影響甚微，和所解決的問(wèn)題不相關(guān)的特征需要被剔除掉。因此，我們需要針對(duì)所解決的問(wèn)題選擇最有用的特征集合，一般可以通過(guò)相關(guān)系數(shù)等方式來(lái)計(jì)算特征的重要性。當(dāng)然，有些模型本身會(huì)輸出feature重要性，如Random Forest等算法。而對(duì)于圖片、音頻等原始數(shù)據(jù)形態(tài)特別大的對(duì)象，則可能需要采用像PCA這樣的自動(dòng)降維技術(shù)。另外，還可能需要本人對(duì)數(shù)據(jù)和所需解決的問(wèn)題有深入的理解，能夠通過(guò)特征組合等方法構(gòu)造出新的特征，這也正是特征工程被稱(chēng)之為是一門(mén)藝術(shù)的原因之一。

實(shí)例講解(一)

接下來(lái)，我們通過(guò)一個(gè)性別預(yù)測(cè)的實(shí)例來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)挖掘處理流程中的“明確問(wèn)題”、“數(shù)據(jù)預(yù)處理”和“特征工程”三個(gè)部分。

假設(shè)我們有如下兩種數(shù)據(jù)，想根據(jù)數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)預(yù)測(cè)用戶(hù)性別的模型。

數(shù)據(jù)1： 用戶(hù)使用App的行為數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)2： 用戶(hù)瀏覽網(wǎng)頁(yè)的行為數(shù)據(jù);

第一步：明確問(wèn)題

首先明確該問(wèn)題屬于數(shù)據(jù)挖掘常見(jiàn)問(wèn)題中的哪一類(lèi)， 是分類(lèi)、聚類(lèi)，推薦還是其他?假設(shè)本實(shí)例數(shù)據(jù)有部分?jǐn)?shù)據(jù)帶有男女性別，則該問(wèn)題為分類(lèi)問(wèn)題;

數(shù)據(jù)集是否夠大?我們需要足夠大的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練模型，如果數(shù)據(jù)集不夠大，那么所訓(xùn)練的模型和真實(shí)情況偏差會(huì)比較大;

數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足所解決問(wèn)題的假設(shè)?統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)男人和女人使用的App不太一致，瀏覽網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容也不太一致，則說(shuō)明我們通過(guò)數(shù)據(jù)可以提取出對(duì)預(yù)測(cè)性別有用的特征，來(lái)幫助解決問(wèn)題。如果根據(jù)數(shù)據(jù)提取不出有用的特征，那么針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)，問(wèn)題是沒(méi)法處理的。

第二步：數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)際工作中，在數(shù)據(jù)預(yù)處理之前需要確定整個(gè)項(xiàng)目的編程語(yǔ)言(如Python、Java、 Scala)和開(kāi)發(fā)工具(如Pig、Hive、Spark)。通常而言，編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具的選擇都依賴(lài)于所處的數(shù)據(jù)平臺(tái)環(huán)境;

選取多少數(shù)據(jù)做模型訓(xùn)練?這是常說(shuō)的數(shù)據(jù)采樣問(wèn)題。一般認(rèn)為采樣數(shù)據(jù)量越大，對(duì)所解決的任務(wù)幫助越大，但是數(shù)據(jù)量越大，計(jì)算代價(jià)也越大，因此，需要在解決問(wèn)題的效果和計(jì)算代價(jià)之間折中一下;

把所有相關(guān)的數(shù)據(jù)聚合在一起，如果有相同字段則存在數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量剔除掉冗余的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)中可能存在異常值，則需要過(guò)濾掉;數(shù)據(jù)中可能有的值有缺失，則需要填充默認(rèn)值。

數(shù)據(jù)預(yù)處理后可能的結(jié)果(如表1、表2所示)：

表1 數(shù)據(jù)1預(yù)處理后結(jié)果

表2 數(shù)據(jù)2預(yù)處理后結(jié)果

第三步：特征工程

由于數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2的類(lèi)型不太一樣，所以進(jìn)行特征工程時(shí)，所采用的方法也不太一樣，下面分別介紹一下：

數(shù)據(jù)1的特征工程

數(shù)據(jù)1的單個(gè)特征的分析主要包括以下內(nèi)容：

數(shù)值型特征的處理，比如App的啟動(dòng)次數(shù)是個(gè)連續(xù)值，可以按照低、中、高三個(gè)檔次將啟動(dòng)次數(shù)分段成離散值;

類(lèi)別型特征的處理，比如用戶(hù)使用的設(shè)備是三星或者聯(lián)想，這是一個(gè)類(lèi)別特征，可以采用0-1編碼來(lái)處理;

需要考慮特征是否需要?dú)w一化。

數(shù)據(jù)1的多個(gè)特征的分析主要包括以下內(nèi)容：

使用的設(shè)備類(lèi)型是否決定了性別?需要做相關(guān)性分析，通常計(jì)算相關(guān)系數(shù);

App的啟動(dòng)次數(shù)和停留時(shí)長(zhǎng)是否完全正相關(guān)，結(jié)果表明特別相關(guān)，則說(shuō)明App的停留時(shí)長(zhǎng)是無(wú)用特征，將App的停留時(shí)長(zhǎng)這個(gè)特征過(guò)濾掉;

如果特征太多，可能需要做降維處理。

2.數(shù)據(jù)2的特征工程

數(shù)據(jù)2是典型的文本數(shù)據(jù)，文本數(shù)據(jù)常用的處理步驟包含以下幾個(gè)部分：

網(wǎng)頁(yè) → 分詞 → 去停用詞 → 向量化

分詞?？梢圆捎肑ieba分詞(Python庫(kù))或張華平老師的ICTCLAS;

去除停用詞。停用詞表除了加入常規(guī)的停用詞外，還可以將DF(Document Frequency)比較高的詞加入停用詞表，作為領(lǐng)域停用詞;

向量化。一般是將文本轉(zhuǎn)化為T(mén)F或TF-IDF向量。

特征工程后數(shù)據(jù)1的結(jié)果(如表3所示，A1低表示啟動(dòng)App1的次數(shù)比較低，以此類(lèi)推，is_hx表示設(shè)備是否是華為，Label為1表示Male)。

表3 數(shù)據(jù)1特征工程后結(jié)果

特征工程后數(shù)據(jù)2的結(jié)果(如表4所示，term1=5表示user1瀏覽的網(wǎng)頁(yè)中出現(xiàn)詞1的頻率，以此類(lèi)推)。

表4 數(shù)據(jù)2特征工程后結(jié)果

第四步：算法和模型

做完特征工程后，下一步就是選擇合適的模型和算法。算法和模型的選擇主要考慮一下幾個(gè)方面：

訓(xùn)練集的大小;

特征的維度大小;

所解決問(wèn)題是否是線性可分的;

所有的特征是獨(dú)立的嗎?

需要不需要考慮過(guò)擬合的問(wèn)題;

對(duì)性能有哪些要求?

上面中提到的很多問(wèn)題沒(méi)法直接回答，可能我們還是不知道該選擇哪種模型和算法，但是奧卡姆剃刀原理給出了模型和算法的選擇方法：

Occam’s Razor principle: use the least complicated algorithm that can address your needs and only go for something more complicated if strictly necessary.

業(yè)界比較通用的算法選擇一般是這樣的規(guī)律：如果LR可以，則使用LR;如果LR不適合，則選擇Ensemble的方式;如果Ensemble方式不適合，則考慮是否嘗試Deep Learning。下面主要介紹一下LR算法和Ensemble方法的相關(guān)內(nèi)容。

LR算法(Logistic Regression，邏輯回歸算法)

只要認(rèn)為問(wèn)題是線性可分的，就可采用LR，通過(guò)特征工程將一些非線性特征轉(zhuǎn)化為線性特征。 模型比較抗噪，而且可以通過(guò)L1、L2范數(shù)來(lái)做參數(shù)選擇。LR可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)特別大的場(chǎng)景，因?yàn)樗乃惴ㄐ侍貏e高，且很容易分布式實(shí)現(xiàn)。

區(qū)別于其他大多數(shù)模型，LR比較特別的一點(diǎn)是結(jié)果可以解釋為概率，能將問(wèn)題轉(zhuǎn)為排序問(wèn)題而不是分類(lèi)問(wèn)題。

Ensemble方法(組合方法)

組合方法的原理主要是根據(jù)training set訓(xùn)練多個(gè)分類(lèi)器，然后綜合多個(gè)分類(lèi)器的結(jié)果，做出預(yù)測(cè)(如圖2所示)。

圖2 組合方法的基本流程

組合方式主要分為Bagging和Boosting。Bagging是Bootstrap Aggregating的縮寫(xiě)，基本原理是讓學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練多輪，每輪的訓(xùn)練集由從初始的訓(xùn)練集中隨機(jī)取出的n個(gè)訓(xùn)練樣本組成(有放回的隨機(jī)抽樣)，訓(xùn)練之后可得到一個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù)集合，通過(guò)投票方式?jīng)Q定預(yù)測(cè)結(jié)果。

而B(niǎo)oosting中主要的是AdaBoost(Adaptive Boosting)?；驹硎浅跏蓟瘯r(shí)對(duì)每一個(gè)訓(xùn)練樣本賦相等的權(quán)重1/n，然后用學(xué)習(xí)算法對(duì)訓(xùn)練集訓(xùn)練多輪，每輪結(jié)束后，對(duì)訓(xùn)練失敗的訓(xùn)練樣本賦以較大的權(quán)重。也就是讓學(xué)習(xí)算法在后續(xù)的學(xué)習(xí)中集中對(duì)比較難的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而得到一個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù)集合。每個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù)都有一定的權(quán)重，預(yù)測(cè)效果好的預(yù)測(cè)函數(shù)權(quán)重較大，反之較小，最終通過(guò)有權(quán)重的投票方式來(lái)決定預(yù)測(cè)結(jié)果。

Bagging和Boosting的主要區(qū)別如下：

取樣方式不同。Bagging采用均勻取樣，而B(niǎo)oosting根據(jù)錯(cuò)誤率來(lái)取樣，因此理論上來(lái)講Boosting的分類(lèi)精度要優(yōu)于Bagging;

訓(xùn)練集的選擇方式不同。Bagging的訓(xùn)練集的選擇是隨機(jī)的，各輪訓(xùn)練集之間相互獨(dú)立，而B(niǎo)oostng的各輪訓(xùn)練集的選擇與前面的學(xué)習(xí)結(jié)果有關(guān);

預(yù)測(cè)函數(shù)不同。Bagging的各預(yù)測(cè)函數(shù)沒(méi)有權(quán)重，而B(niǎo)oosting是有權(quán)重的。Bagging的各個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù)可以并行生成，而B(niǎo)oosting的各個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù)只能順序生成。

對(duì)于像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣極其耗時(shí)的學(xué)習(xí)方法，Bagging可通過(guò)并行訓(xùn)練節(jié)省大量時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。Bagging和Boosting都可以有效地提高分類(lèi)的準(zhǔn)確性。在大多數(shù)數(shù)據(jù)集中，Boosting的準(zhǔn)確性比Bagging要高。

分類(lèi)算法的評(píng)價(jià)

上一部分介紹了常用的模型和算法，不同的算法在不同的數(shù)據(jù)集上會(huì)產(chǎn)生不同的效果，我們需要量化算法的好壞，這就是分類(lèi)算法的評(píng)價(jià)。在本文中，筆者將主要介紹一下混淆矩陣和主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.混淆矩陣(如圖3所示)

圖3 混淆矩陣

1)True positives(TP)：即實(shí)際為正例且被分類(lèi)器劃分為正例的樣本數(shù);

2)False positives(FP)：即實(shí)際為負(fù)例但被分類(lèi)器劃分為正例的樣本數(shù);

3)False negatives(FN)：即實(shí)際為正例但被分類(lèi)器劃分為負(fù)例的樣本數(shù);

4)True negatives(TN)：即實(shí)際為負(fù)例且被分類(lèi)器劃分為負(fù)例的樣本數(shù)。

2.主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)準(zhǔn)確率accuracy=(TP+TN)/(P+N)。這個(gè)很容易理解，就是被分對(duì)的樣本數(shù)除以所有的樣本數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確率越高，分類(lèi)器越好;

2)召回率recall=TP/(TP+FN)。召回率是覆蓋面的度量，度量有多少個(gè)正例被分為正例。

3)ROC和AUC。

實(shí)例講解(二)

實(shí)例(一)產(chǎn)出的特征數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)“模型和算法”以及“算法的評(píng)價(jià)”兩部分所涉及的代碼實(shí)例如圖4所示。

圖4 模型訓(xùn)練示例代碼

總結(jié)

本文以數(shù)據(jù)挖掘的基本處理流程為主線，以性別預(yù)測(cè)為具體實(shí)例，介紹了處理一個(gè)數(shù)據(jù)挖掘的分類(lèi)問(wèn)題所涉及的方方面面。對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題，首先要明確問(wèn)題，確定已有的數(shù)據(jù)是否能夠解決所需要解決的問(wèn)題，然后就是數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征工程階段，這往往是在實(shí)際工程中最耗時(shí)、最麻煩的階段。經(jīng)過(guò)特征工程后，需要選擇合適的模型進(jìn)行訓(xùn)練，并且根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選擇最優(yōu)模型和最優(yōu)參數(shù)， 最后根據(jù)最優(yōu)模型對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，產(chǎn)出結(jié)果。希望本文的內(nèi)容對(duì)大家有所幫助。