Отбор признаков

Как только вы называете признаки фичами, знайте что все многолетние труды российских ученых в области машинного обучения прошли зря. © К. В. Воронцов

Пусть есть куча признаков: $x_1,x_2,\dots,x_n$, их очень много, хотим уменьшить их число. Можем применять два метода — отбор признаков (selection): $f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})=(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\dots ,x_{i_{m}})$, где $i \in [1,n]$ — набор индексов наиболее оптимальных признаков. Второй метод — выделение признаков (extraction): $f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})=(f_{1},f_{2},\dots ,f_{m})$, где $f_{i},i={\overline {1,m}}$ — новые признаки полученные на основе старых. В обоих случаях считаем $n\gg m$. Далее про первый метод.

Релевантность

Пусть далее $F=\{f_{1},f_{2},\dots ,f_{n}\}$ — набор признаков, $y$ - целевая переменная. ${\widetilde {F}}=F\backslash \{f_{i}\}$, ($i$ — фиксировали). Тогда признак $f_i$ является:

• Сильно релевантным: если $p(y|{\widetilde {F}})\neq p(y|F)$, т.е. отсутствие признака изменяет распределение целевой переменной.
• Слабо релевантным: если $p(y|{\widetilde {F}})=p(y|F)$, но $\exists S\subset {\widetilde {F}}:p(y|f_{i},S)\neq p(y|S)$, т.е. он не является сильно релевантным, но если из $\widetilde{F}$ повыкидывать еще каких нибудь признаков, то наличие нашего признака изменяет распределение целевой переменной (например сам по себе признак важный но в наборе находится еще один или несколько, сильно с ним коррелирующих).
• Нерелевантным: если $\forall S\subset {\widetilde {F}}:p(y|f,S)=p(y|S)$. т.е. он не является ни сильно ни слабо релевантным, или что то же самое, для любого несодержащего его подмножества признаков, его добавление к такому подмножеству не влияет на распределение целевой переменной.

Отбор признаков заключается в том чтобы отбросить все нерелевантные и некоторые слабо релевантные признаки, так чтобы в новом множестве все признаки были сильно релевантными (в идеале, на практике это очень сложно).

Алгоритм отбора по важности признаков

Пусть $I(f_{i})$ — важность (importance) $i$-го признака, $J(F)$ — метрика точности (score) получаемая при обучении и валидации на наборе признаков $F$. Отсортируем признаки по величине важности: $I(f_{1})\leqslant I(f_{2})\leqslant \dots \leqslant I(f_{n})$. Теперь можно отбирать признаки следующим образом:

• ${\widetilde {F}}=\{f_{1},f_{2},\dots ,f_{m}\}$
• ${\widetilde {F}}={\underset {F\in S}{argmax}}~J(F)$, где $S=\{\{f_{1}\},\{f_{1},f_{2}\},\dots ,\{f_{1},f_{2},\dots ,f_{n}\}\}$

Первый способ выбирает ровно m признаков, второй оптимизирует число признаков.

Для реализации такого алгоритма осталось определить что будет являться важностью признака. Обычно выбирают следующие метрики важности:

• Корреляция
• Взаимная информация
• Расстояние между плотностью распределений
• Relief критерий (Да простит меня Воронцов, но я не хочу это переводить как рельеф и тем более как облегчение).

Все метрики вынесены в отдельную статью и доступны по ссылкам.

Продвинутые алгоритмы

У вышеописанного метода есть проблема того что два слабо релевантных признака которые сильно коррелируют друг с другом оба имеют высокую важность и могут попасть в подмножество отобранных признаков, мы же хотим немного признаков которые по максимуму отличаются разнообразием. Для чтобы обойти эту проблему используются следующие методы:

• Алгоритм последовательного отбора признаков
• Генетический алгоритм

Они также вынесены в отдельную статью и также доступны по ссылкам.

Необходимость

Собственно, зачем все это нужно:

• Увеличить точность классификации (некоторые признаки только ухудшают ситуацию).
• Убрать похожие признаки (иначе они работают как один признак с большим весом).
• Увеличить скорость обучения/прогнозирования.
• Отобрать только реально необходимые признаки для сбора данных в дальнейшем (уменьшает стоимость сбора данных, увеличивает скорость набора объектов для дальнейшего обучения).
• Сделать классификатор и признаки более интерпретируемыми (чтобы мамин датасаентист посмотрел на графички и сразу понял в чем интуиция).

Когда это не нужно:

• Если метод обучения основан на деревьях, так как они отбирают признаки непосредственно при обучении (деревья, рандомный лес, бустинг и т.д.).
• Если метод обучения использует L1 регуляризацию, так как она также заточена на отбор признаков и минимизацию их количества.
• Если признаки непоказательные и их очень много (например пиксели полноразмерного изображения) а обучаемся например на нейросети, то отбор признаков не имеет особого смысла, и следует перейти к выделению признаков (собственно им и занимается нейросеть),