處理不平衡數(shù)據(jù)的7個(gè)技巧

大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)于不平衡數(shù)據(jù)集的處理不是很好。 以下七種技術(shù)可以幫你訓(xùn)練分類器來(lái)檢測(cè)異常類。

1.使用正確的評(píng)估指標(biāo)

對(duì)使用不平衡數(shù)據(jù)生成的模型應(yīng)用不恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估指標(biāo)可能是危險(xiǎn)的。

想象一下，我們的訓(xùn)練數(shù)據(jù)如上圖所示。 如果使用精度來(lái)衡量模型的好壞，使用將所有測(cè)試樣本分類為“0”的模型具有很好的準(zhǔn)確性(99.8%)，但顯然這種模型不會(huì)為我們提供任何有價(jià)值的信息。

在這種情況下，可以應(yīng)用其他替代評(píng)估指標(biāo)，例如：

精度/特異性：有多少個(gè)選定的相關(guān)實(shí)例。

調(diào)用/靈敏度：選擇了多少個(gè)相關(guān)實(shí)例。

F1得分：精度和召回的諧波平均值。

MCC：觀察和預(yù)測(cè)的二進(jìn)制分類之間的相關(guān)系數(shù)。

AUC：正確率與誤報(bào)率之間的關(guān)系。

2.重新采樣訓(xùn)練集

除了使用不同的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)外，還可以選擇不同的數(shù)據(jù)集。使平衡數(shù)據(jù)集不平衡的兩種方法：欠采樣和過(guò)采樣。

欠采樣通過(guò)減少冗余類的大小來(lái)平衡數(shù)據(jù)集。當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠時(shí)使用此方法。通過(guò)將所有樣本保存在少數(shù)類中，并在多數(shù)類中隨機(jī)選擇相等數(shù)量的樣本，可以檢索平衡的新數(shù)據(jù)集以進(jìn)一步建模。

相反，當(dāng)數(shù)據(jù)量不足時(shí)會(huì)使用過(guò)采樣，嘗試通過(guò)增加稀有樣本的數(shù)量來(lái)平衡數(shù)據(jù)集。不是去除樣本的多樣性，而是通過(guò)使用諸如重復(fù)，自舉或SMOTE等方法生成新樣本(合成少數(shù)過(guò)采樣技術(shù))

請(qǐng)注意，一種重采樣方法與另一種相比沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。這兩種方法的應(yīng)用取決于它適用的用例和數(shù)據(jù)集本身。過(guò)度取樣和欠采樣不足結(jié)合使用也會(huì)有很好的效果。

3.以正確的方式使用K-fold交叉驗(yàn)證

值得注意的是，使用過(guò)采樣方法來(lái)解決不平衡問(wèn)題時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)貞?yīng)用交叉驗(yàn)證。切記，過(guò)采樣會(huì)觀察到稀有的樣本，并根據(jù)分布函數(shù)自舉生成新的隨機(jī)數(shù)據(jù)。如果在過(guò)采樣之后應(yīng)用交叉驗(yàn)證，那么我們所做的就是將模型過(guò)度適應(yīng)于特定的人工引導(dǎo)結(jié)果。這就是為什么在過(guò)采樣數(shù)據(jù)之前應(yīng)該始終進(jìn)行交叉驗(yàn)證，就像實(shí)現(xiàn)特征選擇一樣。只有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)采樣，可以將隨機(jī)性引入到數(shù)據(jù)集中，以確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)擬合問(wèn)題。

4.組合不同的重采樣數(shù)據(jù)集

生成通用模型的最簡(jiǎn)單方法是使用更多的數(shù)據(jù)。問(wèn)題是，開(kāi)箱即用的分類器，如邏輯回歸或機(jī)森隨林，傾向于通過(guò)丟棄稀有樣例來(lái)推廣。一個(gè)簡(jiǎn)單的最佳實(shí)現(xiàn)是建立n個(gè)模型，使用少數(shù)類的所有樣本和數(shù)量充足類別的n個(gè)不同樣本。假如您想要組合10個(gè)模型，需要少數(shù)類1000例，隨機(jī)抽取10.000例多數(shù)類的樣本。然后，只需將10000個(gè)樣本分成10個(gè)塊，訓(xùn)練出10個(gè)不同的模型。

如果您有大量數(shù)據(jù)，那么這種方法很簡(jiǎn)單，完美地實(shí)現(xiàn)水平擴(kuò)展，因此您可以在不同的集群節(jié)點(diǎn)上訓(xùn)練和運(yùn)行模型。集合模型也趨于一般化，使得該方法容易處理。

5.用不同比例重新采樣

以前的方法可以通過(guò)少數(shù)類和多數(shù)類之間的比例進(jìn)行微調(diào)。最好的比例在很大程度上取決于所使用的數(shù)據(jù)和模型。但是，不是在整體中以相同的比例訓(xùn)練所有模型，合并不同的比例值得嘗試。 所以如果訓(xùn)練了10個(gè)模型，對(duì)一個(gè)模型比例為1：1(少數(shù)：多數(shù))，另一個(gè)1：3甚至是2：1的模型是有意義的。 根據(jù)使用的模型可以影響一個(gè)類獲得的權(quán)重。

6. 對(duì)多數(shù)類進(jìn)行聚類

Sergey Quora提出了一種優(yōu)雅的方法[2]。他建議不要依賴隨機(jī)樣本來(lái)覆蓋訓(xùn)練樣本的種類，而是將r個(gè)分組中的多數(shù)類進(jìn)行聚類，其中r為r中的樣本數(shù)。對(duì)于每個(gè)組，只保留質(zhì)心(樣本的中心)。然后該模型僅保留了少數(shù)類和樣本質(zhì)心來(lái)訓(xùn)練。

7.設(shè)計(jì)自己的模型

以前的所有方法都集中在數(shù)據(jù)上，并將模型作為固定的組件。但事實(shí)上，如果模型適用于不平衡數(shù)據(jù)，則不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣。如果數(shù)據(jù)樣本沒(méi)有太多的傾斜，著名的XGBoost已經(jīng)是一個(gè)很好的起點(diǎn)，因?yàn)樵撃Ｐ蛢?nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的處理，它訓(xùn)練的數(shù)據(jù)并不是不平衡的。但是再次，如果數(shù)據(jù)被重新采樣，它只是悄悄進(jìn)行。

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)損失函數(shù)來(lái)懲罰少數(shù)類的錯(cuò)誤分類，而不是多數(shù)類，可以設(shè)計(jì)出許多自然泛化為支持少數(shù)類的模型。例如，調(diào)整SVM以相同的比例懲罰未被充分代表的少數(shù)類的分類錯(cuò)誤。