В преддверии старта курса "Machine Learning. Professional" публикуем перевод полезной статьи.

Также приглашаем посмотреть запись открытого вебинара по теме "Кластеризация".

Отбор признаков – это важная задача для любого приложения с машинным обучением. Особенно важно, когда данные, о которых идет речь, имеют много признаков. Оптимальное количество признаков повышает точность модели. Выделить наиболее важные признаки и найти количество оптимальных можно с помощью определения важности признаков или их ранжирования. В этой статье мы познакомимся с ранжированием признаков.

Recursive Feature Elimination

Первым элементом, необходимым для рекурсивного исключения признаков (recursive feature elimination), является оценщик, например, линейная модель или дерево решений. 

У таких моделей есть коэффициенты для линейных моделей и важности признаков в деревьях решений. Для выбора оптимального количества признаков нужно обучить оценщика и выбрать признаки с помощью коэффициентов или значений признаков. Наименее важные признаки будут удаляться. Этот процесс будет повторяться рекурсивно о тех пор, пока не будет получено оптимальное число признаков.

Применение в Sklearn

В Scikit-learn можно применить рекурсивное исключение признаков с помощью класса sklearn.featureselection.RFE. Класс принимает следующие параметры:

• estimator – оценщик машинного обучения, который может выдать важность признаков за счет атрибутов coef или featureimportances attributes.

• nfeaturestoselect – количество признаков для выбора. Отбирает половину по умолчанию.

• step – целое число, указывает количество признаков, которые будут удалены на каждой итерации, или число в диапазоне от 0 до 1, указывающее процент признаков, подлежащих удалению на каждой итерации.

После обучения можно получить следующие атрибуты:

• ranking — ранжирование признаков.

• nfeatures — количество выбранных признаков.

• support — массив, указывающий, был выбран признак или нет.

Применение

Как уже было сказано ранее, мы будем работать с оценщиком, который предлагает атрибуты featureimportances или coeff. Давайте рассмотрим небольшой пример. Изначально в наборе данных 13 признаков. Мы будем работать над выделением оптимального количества признаков.

import pandas as pddf = pd.read_csv(‘heart.csv’)df.head()

Давайте получим признаки x и y.

X = df.drop([‘target’],axis=1)
y = df[‘target’]

Мы разделим изначальный набор данных на тестовый и обучающий наборы:

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,random_state=0)

Сделаем несколько импортов:

• Pipeline – в помощь для кросс-валидации, поможет избежать утечки данных.

• RepeatedStratifiedKFold – для многократной k-блочной кросс-валидации. 

• crossvalscore – для скоринга кросс-валидации.

• GradientBoostingClassifier – оценщик, который мы будем использовать.

• Numpy – для вычисления среднего всех оценок.

from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.model_selection import RepeatedStratifiedKFold
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.feature_selection import RFE
import numpy as np
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier

Первым шагом мы создаем экземпляр класса RFE с указанием оценщика и количества признаков, которые будут отобраны. В нашем случае выберем 6:

rfe = RFE(estimator=GradientBoostingClassifier(), n_features_to_select=6)

Далее мы создаем экземпляр модели, которую хотим использовать:

model = GradientBoostingClassifier()

Мы используем Pipeline для преобразования данных. В Pipeline мы указываем rfe для шага отбора признаков и модель, которая будет использоваться на следующем шаге. 

Затем мы задаем RepeatedStratifiedKFold с 10 сплитами и 5 повторениями. Многократная k-блочная кросс-валидация гарантирует, что количество сэмплов каждого класса будет сбалансированным в каждом блоке. RepeatedStratifiedKFold использует многократную k-блочную кросс-валидацию заданное количество раз с различной рандомизацией на каждом повторении. 

pipe = Pipeline([(‘Feature Selection’, rfe), (‘Model’, model)])
cv = RepeatedStratifiedKFold(n_splits=10, n_repeats=5, random_state=36851234)
n_scores = cross_val_score(pipe, X_train, y_train, scoring=’accuracy’, cv=cv, n_jobs=-1)
np.mean(n_scores)

Следующий шаг — это использование пайплайна на наборе данных.

pipe.fit(X_train, y_train)

Так мы сможем проверить support и ранжирование. Support указывает на то был выбран признак или нет.

rfe.support_
array([ True, False,  True, False,  True, False, False,  True, False,True, False,  True,  True])

Мы можем поместить это в датафрейм и посмотреть результат.

pd.DataFrame(rfe.support_,index=X.columns,columns=[‘Rank’])

Также можем посмотреть относительное ранжирование.

rf_df = pd.DataFrame(rfe.ranking_,index=X.columns,columns=[‘Rank’]).sort_values(by=’Rank’,ascending=True)rf_df.head()

Автоматический отбор признаков

Вместо того, чтобы вручную настраивать количество признаков, было бы неплохо, если бы мы могли делать это автоматически. Вы можете достичь этого с помощью рекурсивного исключения признаков и кросс-валидации. Здесь вам поможет класс sklearn.featureselection.RFECV. Он принимает следующие параметры:

• estimator – аналог класса RFE.

• minfeaturestoselect — минимальное количество признаков для отбора.

• cv — стратегия разделения для кросс-валидации.

Возвращаемые атрибуты:

• nfeatures — оптимальное количество признаков, выбранных с помощью кросс-валидации.

• support — массив, содержащий информацию о выборе признака.

• ranking — ранжирование признаков.

• gridscores — оценка, полученная в результате кросс-валидации.

Первым шагом нужно импортировать класс и создать его экземпляр.

from sklearn.feature_selection import RFECVrfecv = RFECV(estimator=GradientBoostingClassifier())

Далее мы определяем пайплайн и cv. В этом пайплайне мы используем только что созданный rfecv.

pipeline = Pipeline([(‘Feature Selection’, rfecv), (‘Model’, model)])
cv = RepeatedStratifiedKFold(n_splits=10, n_repeats=5, random_state=36851234)
n_scores = cross_val_score(pipeline, X_train, y_train, scoring=’accuracy’, cv=cv, n_jobs=-1)
np.mean(n_scores)

Теперь применяем пайплайн и получаем оптимальное количество признаков.

pipeline.fit(X_train,y_train)

Оптимальное количество признаков можно получить с помощью атрибута nfeatures.

print(“Optimal number of features : %d” % rfecv.n_features_)Optimal number of features : 7

Ранжирование и support можно получить также, как и в прошлый раз.

rfecv.support_rfecv_df = pd.DataFrame(rfecv.ranking_,index=X.columns,columns=[‘Rank’]).sort_values(by=’Rank’,ascending=True)
rfecv_df.head()

С помощью gridscores мы можем построить график с оценками, полученными при кросс-валидации.

import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure(figsize=(12,6))
plt.xlabel(“Number of features selected”)
plt.ylabel(“Cross validation score (nb of correct classifications)”)
plt.plot(range(1, len(rfecv.grid_scores_) + 1), rfecv.grid_scores_)
plt.show()

Заключение

В задачах регрессии этот метод применяется аналогично. Просто используйте регрессионные показатели вместо показателей точности. Надеюсь, эта статья дала вам некоторое представление о том, как можно выбрать оптимальное количество признаков для ваших задач машинного обучения.

Узнать подробнее о курсе "Machine Learning. Professional" и посмотреть урок по теме "Кластеризация" можно здесь.

Читать ещё:

• Как я регулярно улучшаю точность моделей обучения с 80% до 90+%

• Быстрый градиентный бустинг с CatBoost