機器學習--分類變數編碼方法

奧卡姆的剃刀發表於2020-10-01
機器學習變數

前言

最近在Medium上看到一篇關於分類變數編碼的方法概述，記錄一下，主要講述了除了One-Hot encoding 編碼外，根據不同應用場景，也許會有更好的選擇。

one-hot 編碼（one-hot encoding）類似於虛擬變數（dummy variables），是一種將分類變數轉換為幾個二進位制列的方法。其中 1 代表某個輸入屬於該類別。
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從機器學習的角度來看，one-hot 編碼並不是一種良好的分類變數編碼方法。

因為one-hot 編碼增加了大量的維度，要列舉該特徵下的所有取值情況。例如，如果用一個序列來表示美國的各個州，那麼 one-hot 編碼會帶來 50 多個維度。

one-hot 編碼不僅會為資料集增加大量維度，而且實際上並沒有太多資訊，很多時候 1 散落在眾多零之中，即有用的資訊零散地分佈在大量資料中。這會導致結果異常稀疏，使其難以進行優化，對於神經網路來說尤其如此。

更糟糕的情況是，每個資訊稀疏列之間都具有線性關係。這意味著一個變數可以很容易地使用其他變數進行預測，導致高維度中出現並行性和多重共線性的問題。

例如下面這種情況：

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最優資料集由資訊具有獨立價值的特徵組成，但 one-hot 編碼建立了一個完全不同的環境。

當然，如果只有三、四個類，那麼 one-hot 編碼可能不是一個糟糕的選擇。但是隨著類別的增加，可能還有其他更合適的方案值得探索。Medium 專欄的作者列舉了幾個方案以供參考。

目標編碼

目標編碼（Target encoding）是表示分類列的一種非常有效的方法，並且僅佔用一個特徵空間，也稱為均值編碼。該列中的每個值都被該類別的平均目標值替代。這可以更直接地表示分類變數和目標變數之間的關係，並且也是一種很受歡迎的技術方法（尤其是在 Kaggle 比賽中）。

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但這種編碼方法也有一些缺點。首先，它使模型更難學習均值編碼變數和另一個變數之間的關係，僅基於列與目標的關係就在列中繪製相似性。

而最主要的是，這種編碼方法對 y 變數非常敏感，這會影響模型提取編碼資訊的能力。

由於該類別的每個值都被相同的數值替換，因此模型可能會過擬合其見過的編碼值（例如將 0.8 與完全不同的值相關聯，而不是 0.79），這是把連續尺度上的值視為嚴重重複的類的結果。

因此，需要仔細監控 y 變數，以防出現異常值。要實現這個目的，就要使用 category_encoders 庫。由於目標編碼器是一種有監督方法，所以它同時需要 X 和 y 訓練集。

from category_encoders import TargetEncoder 
 enc = TargetEncoder(cols=['Name_of_col','Another_name']) 
 training_set = enc.fit_transform(X_train, y_train)

留一法編碼

留一法（Leave-one-out）編碼試圖通過計算平均值（不包括當前行值）來彌補對 y 變數的依賴以及值的多樣性。這使異常值的影響趨於平穩，並建立更多樣化的編碼值。

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由於模型不僅要面對每個編碼類的相同值，還要面對一個範圍值，因此它可以更好地泛化。

在實現方面，可以使用 category_encoders 庫中的 LeaveOneOutEncoder

from category_encoders import LeaveOneOutEncoder
 enc = LeaveOneOutEncoder(cols=['Name_of_col','Another_name'])
 training_set = enc.fit_transform(X_train, y_train)

實現類似效果的另一種策略是將正態分佈的噪聲新增到編碼分數中，其中標準差是可以調整的引數。

貝葉斯目標編碼

貝葉斯目標編碼（Bayesian Target Encoding）是一種使用目標作為編碼方法的數學方法。僅使用均值可能是一種欺騙性度量標準，因此貝葉斯目標編碼試圖結合目標變數分佈的其他統計度量。例如其方差或偏度（稱為高階矩「higher moments」）。

然後通過貝葉斯模型合併這些分佈的屬性，從而產生一種編碼，該編碼更清楚類別目標分佈的各個方面，但是結果的可解釋性比較差

證據權重

證據權重（Weight of Evidence，簡稱 WoE）是另一種關於分類自變數和因變數之間關係的方案。WoE 源自信用評分領域，曾用於區分使用者是違約拖欠還是已經償還貸款。證據權重的數學定義是優勢比的自然對數，即:
ln (% of non events / % of events)

WoE 越高，事件發生的可能性就越大。「Non-events」是不屬於某個類的百分比。使用證據權重與因變數建立單調關係，並在邏輯尺度上確保類別，這對於邏輯迴歸來說很自然。WoE 是另一個衡量指標「Information Value」的關鍵組成部分。該指標用來衡量特徵如何為預測提供資訊。

from category_encoders import WOEEncoder 
 enc = WOEEncoder(cols=['Name_of_col','Another_name']) 
 training_set = enc.fit_transform(X_train, y_train)

這些方法都是有監督編碼器，或者是考慮目標變數的編碼方法，因此在預測任務中通常是更有效的編碼器。但是，當需要執行無監督分析時，這些方法並不一定適用。

非線性 PCA

非線性 PCA（Nonlinear PCA）是一種使用分類量化來處理分類變數的主成分分析（PCA）方法。它會找到對類別來說的最佳數值，從而使常規 PCA 的效能（可解釋方差）最大化。

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