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可以免费做推广的网站,北京网络营销网站,如何建造自己的网站,关于网站建设的入门书一 前言 对于一个类别特征#xff0c;如果这个特征的取值非常多#xff0c;则称它为高基数#xff08;high-cardinality#xff09;类别特征。在深度学习场景中#xff0c;对于类别特征我们一般采用Embedding的方式#xff0c;通过预训练或直接训练的方式将类别特征值编…一 前言 对于一个类别特征如果这个特征的取值非常多则称它为高基数high-cardinality类别特征。在深度学习场景中对于类别特征我们一般采用Embedding的方式通过预训练或直接训练的方式将类别特征值编码成向量。在经典机器学习场景中对于有序类别特征我们可以使用LabelEncoder进行编码处理对于低基数无序类别特征在lightgbm中默认取值个数小于等于4的类别特征可以采用OneHotEncoder的方式进行编码但是对于高基数无序类别特征若直接采用OneHotEncoder的方式编码在目前效果比较好的GBDT、Xgboost、lightgbm等树模型中会出现特征稀疏性的问题造成维度灾难 若先对类别取值进行聚类分组然后再进行OneHot编码虽然可以降低特征的维度但是聚类分组过程需要借助较强的业务经验知识。本文介绍一种针对高基数无序类别特征非常有效的预处理方法平均数编码Mean Encoding。在很多数据挖掘类竞赛中有许多人使用这种方法取得了非常优异的成绩。 二 原理 平均数编码有些地方也称之为目标编码Target Encoding是一种基于目标变量统计Target Statistics的有监督编码方式。该方法基于贝叶斯思想用先验概率和后验概率的加权平均值作为类别特征值的编码值适用于分类和回归场景。平均数编码的公式如下所示 其中 1. prior为先验概率在分类场景中表示样本属于某一个_y__i_的概率 ​其中_n__y__i_​​表示y _y__i_​时的样本数量_n__y_​表示y的总数量在回归场景下先验概率为目标变量均值 2. posterior为后验概率在分类场景中表示类别特征为k时样本属于某一个_y__i_​的概率 在回归场景下表示 类别特征为k时对应目标变量的均值。 3. _λ_为权重函数本文中的权重函数公式相较于原论文做了变换是一个单调递减函数函数公式 其中 输入是特征类别在训练集中出现的次数n权重函数有两个参数 ① k最小阈值当n k时λ 0.5先验概率和后验概率的权重相同当n k时λ 0.5, 先验概率所占的权重更大。 ② f平滑因子控制权重函数在拐点处的斜率f越大曲线坡度越缓。下面是k1时不同f对于权重函数的影响 由图可知f越大权重函数S型曲线越缓正则效应越强。 对于分类问题在计算后验概率时目标变量有C个类别就有C个后验概率且满足 一个 _y__i_​ 的概率值必然和其他 _y__i_​ 的概率值线性相关因此为了避免多重共线性问题采用平均数编码后数据集将增加C-1列特征。对于回归问题采用平均数编码后数据集将增加1列特征。 三 实践 平均数编码不仅可以对单个类别特征编码也可以对具有层次结构的类别特征进行编码。比如地区特征国家包含了省省包含了市市包含了街区对于街区特征每个街区特征对应的样本数量很少以至于每个街区特征的编码值接近于先验概率。平均数编码通过加入不同层次的先验概率信息解决该问题。下面将以分类问题对这两个场景进行展开 1. 单个类别特征编码 在具体实践时可以借助category_encoders包代码如下 import pandas as pd from category_encoders import TargetEncoderdf pd.DataFrame({cat: [a, b, a, b, a, a, b, c, c, d], target: [1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1]}) te TargetEncoder(cols[cat], min_samples_leaf2, smoothing1) df[cat_encode] te.transform(df)[cat] print(df) # 结果如下cat target cat_encode 0 a 1 0.279801 1 b 0 0.621843 2 a 0 0.279801 3 b 1 0.621843 4 a 0 0.279801 5 a 0 0.279801 6 b 1 0.621843 7 c 1 0.500000 8 c 0 0.500000 9 d 1 0.634471 2. 层次结构类别特征编码 对以下数据集方位类别特征具有{‘N’: (‘N’, ‘NE’), ‘S’: (‘S’, ‘SE’), ‘W’: ‘W’}层级关系以compass中类别NE为例计算_y__i_​1k 2 f 2时编码值计算公式如下 其中_p_1为HIER_compass_1中类别N的编码值计算可以参考单个类别特征编码: 0.74527posterior3/31λ 0.37754 则类别NE的编码值0.37754 * 0.74527 1 - 0.37754* 1 0.90383。 代码如下 from category_encoders import TargetEncoder from category_encoders.datasets import load_compassX, y load_compass() # 层次参数hierarchy可以为字典或者dataframe # 字典形式 hierarchical_map {compass: {N: (N, NE), S: (S, SE), W: W}} te TargetEncoder(verbose2, hierarchyhierarchical_map, cols[compass], smoothing2, min_samples_leaf2) # dataframe形式HIER_cols的层级顺序由顶向下 HIER_cols [HIER_compass_1] te TargetEncoder(verbose2, hierarchyX[HIER_cols], cols[compass], smoothing2, min_samples_leaf2) te.fit(X.loc[:,[compass]], y) X[compass_encode] te.transform(X.loc[:,[compass]]) X[label] y print(X)# 结果如下compass_encode列为结果列index compass HIER_compass_1 compass_encode label 0 1 N N 0.622636 1 1 2 N N 0.622636 0 2 3 NE N 0.903830 1 3 4 NE N 0.903830 1 4 5 NE N 0.903830 1 5 6 SE S 0.176600 0 6 7 SE S 0.176600 0 7 8 S S 0.460520 1 8 9 S S 0.460520 0 9 10 S S 0.460520 1 10 11 S S 0.460520 0 11 12 W W 0.403328 1 12 13 W W 0.403328 0 13 14 W W 0.403328 0 14 15 W W 0.403328 0 15 16 W W 0.403328 1 注意事项 采用平均数编码容易引起过拟合可以采用以下方法防止过拟合 增大正则项fk折交叉验证 以下为自行实现的基于k折交叉验证版本的平均数编码可以应用于二分类、多分类、回归场景中对单一类别特征或具有层次结构类别特征进行编码该版本中用prior对unknown类别和缺失值编码。 from itertools import product from category_encoders import TargetEncoder from sklearn.model_selection import StratifiedKFold, KFoldclass MeanEncoder:def __init__(self, categorical_features, n_splits5, target_typeclassification, min_samples_leaf2, smoothing1, hierarchyNone, verbose0, shuffleFalse, random_stateNone):Parameters----------categorical_features: list of strthe name of the categorical columns to encode.n_splits: intthe number of splits used in mean encoding.target_type: str,regression or classification.min_samples_leaf: intFor regularization the weighted average between category mean and global mean is taken. The weight isan S-shaped curve between 0 and 1 with the number of samples for a category on the x-axis.The curve reaches 0.5 at min_samples_leaf. (parameter k in the original paper)smoothing: floatsmoothing effect to balance categorical average vs prior. Higher value means stronger regularization.The value must be strictly bigger than 0. Higher values mean a flatter S-curve (see min_samples_leaf).hierarchy: dict or dataframeA dictionary or a dataframe to define the hierarchy for mapping.If a dictionary, this contains a dict of columns to map into hierarchies. Dictionary key(s) should be the column name from Xwhich requires mapping. For multiple hierarchical maps, this should be a dictionary of dictionaries.If dataframe: a dataframe defining columns to be used for the hierarchies. Column names must take the form:HIER_colA_1, ... HIER_colA_N, HIER_colB_1, ... HIER_colB_M, ...where [colA, colB, ...] are given columns in cols list. 1:N and 1:M define the hierarchy for each column where 1 is the highest hierarchy (top of the tree). A single column or multiple can be used, as relevant.verbose: intinteger indicating verbosity of the output. 0 for none.shuffle : bool, defaultFalserandom_state : int or RandomState instance, defaultNoneWhen shuffle is True, random_state affects the ordering of theindices, which controls the randomness of each fold for each class.Otherwise, leave random_state as None.Pass an int for reproducible output across multiple function calls.self.categorical_features categorical_featuresself.n_splits n_splitsself.learned_stats {}self.min_samples_leaf min_samples_leafself.smoothing smoothingself.hierarchy hierarchyself.verbose verboseself.shuffle shuffleself.random_state random_stateif target_type classification:self.target_type target_typeself.target_values []else:self.target_type regressionself.target_values Nonedef mean_encode_subroutine(self, X_train, y_train, X_test, variable, target):X_train X_train[[variable]].copy()X_test X_test[[variable]].copy()if target is not None:nf_name {}_pred_{}.format(variable, target)X_train[pred_temp] (y_train target).astype(int) # classificationelse:nf_name {}_pred.format(variable)X_train[pred_temp] y_train # regressionprior X_train[pred_temp].mean()te TargetEncoder(verboseself.verbose, hierarchyself.hierarchy, cols[variable], smoothingself.smoothing, min_samples_leafself.min_samples_leaf)te.fit(X_train[[variable]], X_train[pred_temp])tmp_l te.ordinal_encoder.mapping[0][mapping].reset_index()tmp_l.rename(columns{index:variable, 0:encode}, inplaceTrue)tmp_l.dropna(inplaceTrue)tmp_r te.mapping[variable].reset_index()if self.hierarchy is None:tmp_r.rename(columns{variable: encode, 0:nf_name}, inplaceTrue)else:tmp_r.rename(columns{index: encode, 0:nf_name}, inplaceTrue)col_avg_y pd.merge(tmp_l, tmp_r, howleft,on[encode])col_avg_y.drop(columns[encode], inplaceTrue)col_avg_y.set_index(variable, inplaceTrue)nf_train X_train.join(col_avg_y, onvariable)[nf_name].valuesnf_test X_test.join(col_avg_y, onvariable).fillna(prior, inplaceFalse)[nf_name].valuesreturn nf_train, nf_test, prior, col_avg_ydef fit(self, X, y)::param X: pandas DataFrame, n_samples * n_features:param y: pandas Series or numpy array, n_samples:return X_new: the transformed pandas DataFrame containing mean-encoded categorical featuresX_new X.copy()if self.target_type classification:skf StratifiedKFold(self.n_splits, shuffleself.shuffle, random_stateself.random_state)else:skf KFold(self.n_splits, shuffleself.shuffle, random_stateself.random_state)if self.target_type classification:self.target_values sorted(set(y))self.learned_stats {{}_pred_{}.format(variable, target): [] for variable, target inproduct(self.categorical_features, self.target_values)}for variable, target in product(self.categorical_features, self.target_values):nf_name {}_pred_{}.format(variable, target)X_new.loc[:, nf_name] np.nanfor large_ind, small_ind in skf.split(y, y):nf_large, nf_small, prior, col_avg_y self.mean_encode_subroutine(X_new.iloc[large_ind], y.iloc[large_ind], X_new.iloc[small_ind], variable, target)X_new.iloc[small_ind, -1] nf_smallself.learned_stats[nf_name].append((prior, col_avg_y))else:self.learned_stats {{}_pred.format(variable): [] for variable in self.categorical_features}for variable in self.categorical_features:nf_name {}_pred.format(variable)X_new.loc[:, nf_name] np.nanfor large_ind, small_ind in skf.split(y, y):nf_large, nf_small, prior, col_avg_y self.mean_encode_subroutine(X_new.iloc[large_ind], y.iloc[large_ind], X_new.iloc[small_ind], variable, None)X_new.iloc[small_ind, -1] nf_smallself.learned_stats[nf_name].append((prior, col_avg_y))return X_newdef transform(self, X)::param X: pandas DataFrame, n_samples * n_features:return X_new: the transformed pandas DataFrame containing mean-encoded categorical featuresX_new X.copy()if self.target_type classification:for variable, target in product(self.categorical_features, self.target_values):nf_name {}_pred_{}.format(variable, target)X_new[nf_name] 0for prior, col_avg_y in self.learned_stats[nf_name]:X_new[nf_name] X_new[[variable]].join(col_avg_y, onvariable).fillna(prior, inplaceFalse)[nf_name]X_new[nf_name] / self.n_splitselse:for variable in self.categorical_features:nf_name {}_pred.format(variable)X_new[nf_name] 0for prior, col_avg_y in self.learned_stats[nf_name]:X_new[nf_name] X_new[[variable]].join(col_avg_y, onvariable).fillna(prior, inplaceFalse)[nf_name]X_new[nf_name] / self.n_splitsreturn X_new 四 总结 本文介绍了一种对高基数类别特征非常有效的编码方式平均数编码。详细的讲述了该种编码方式的原理在实际工程应用中有效避免过拟合的方法并且提供了一个直接上手的代码版本。 作者京东保险 赵风龙 来源京东云开发者社区 转载请注明来源
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