背景介绍

结合网上一些相关资料，我们整理输出了这篇文章，本文说明了数据的重要性以及数据在各个环节和领域地位。更重要的是，这篇文章会详尽的讲解数据预处理和特征选择的原理及方法细节。

数据是什么？

• 通过观察、实验或计算得出的结果。例：数字、文字、图像、声音等。

数据分析是什么？

• 把隐藏在数据背后的信息集中和提炼出来

• 总结出所研究对象的内在规律，帮助管理者进行有效的判断和决策

数据在数据分析中的重要性

• 数据分析即数据+分析，也就是说数据为先，分析为后。数据是分析的基础，因此数据的质量、数据的相关度、数据的维度等会影响数据分析的结果。

数据分析流程图

数据预处理

什么是数据预处理？

在特征工程和日志前，检测和去除数据集中的噪声数据和无关数据，处理漏洞数据，去除空白数据。

为什么要做数据预处理？

举例：

1. 缺失值；职业=""

2. 误差或异常点；工资="-10"

3. 包含矛盾；年龄=42,"03/17/1997"

数据预处理的意义？

提高数据的质量，从而有助于提高后续学习过程的精度和性能

数据预处理的重要性

数据预处理很重要，下图告诉你，到底多重要？

数据的特征决定了机器学习的上限，而模型和算法的应用只是让我们逼近这个上限

特征处理的思维导图

数据清洗

什么是数据清洗？

删除原始数据集中的无关数据，重复数据，筛选掉与挖掘主题无关的数据，处理缺失值，异常值。

造成数据缺失的原因

信息暂时无法获取；信息被遗漏；有些对象的某个或某些属性是不可用的，等等。

缺失的类型

完全随机缺失；随机缺失，非随机缺失

处理缺失值的必要性

挽回丢失的信息；确定性更加显著；得到可靠的输出

常见的数据清理的方式

缺失值处理

1. 删除元组

2. 均值/中数值/众数插补

3. 使用固定值

4. 最近邻插补

5. 回归方法

6. 插值法

异常值处理

1. 删除含有异常值的记录

2. 视为缺失值

3. 平均值修正

4. 不处理

偏态分布

更加全面的了解数据分布，使用 mode、median、mean 三个指标来综合描述数据的分布。对于明显左偏或者右偏的数据来说，使用中位数去描述数据情况比平均数更合理，因为平均数会受极值的影响。

左偏说明长尾在左边，左边有较多的极端数据

许多算法要求样本服从正态分布

正态分布

正态分布

多数频数集中在中央位置，两端的频数分布大概对称

为什么将偏态数据转换为正态分布数据？

很多模型假设数据服从正态分布

为什么正态分布在自然界中常见？

多个因素独立同分布并且可以叠加，那么叠加的结果就会接近正态分布，这就是中心极限定理

中心极限定理

样本的平均值约等于总体的平均值

缺失值处理

①删除元组

②均值/中数值/众数插补

• 空值是数值型或者空值的非数值型的；用均值补齐的问题；

• 降低了变异性；

• 弱化了协方差和相关性估计

③回归方法

• 用模型的方法插补缺失值；

• 用回归模型补齐的问题：过高估计模型的拟合和相关性估计；

• 弱化了方差；

异常点检测

3α法则；散点图或箱型图；

箱线图与四分位数

四分位数

• 把所有数值由小到大排列并分为四等份，处于三个分割点位置的得分就是四分位数。

• 有小到大排列后第 25%的数字成为 Q1

• 由小到大排列后第 50%的数字成为 Q2

• 由小到大 排列第 75%的数组成为 Q3

• 四分位距（IQR）=Q3-Q1

• 下限：Q1-1.5IQR

• 上限：Q3+1.5IQR

异常值处理

1. 删除含有异常值的记录

• 明显看出是异常且数量较少

1. 视为缺失值

• 利用缺失值处理的方法进行处理

1. 平均值修正

• 平均值修正是一种信息损失小，简单高效的处理方法

1. 不处理

• 如果算法对异常值不敏感则可以不处理，但对异常值敏感，最好不要这样。

数据集成

什么是数据集成？

合并多个数据源中国的数据，存放在一个一致的数据存储中

数据集成的分类

1、实体识别

• 同名异义

• 异名同义

• 单位不统一

举例：一个数据库中的 customer_id 和另一个数据库中的 customer_number；pay_type 的数据编码在一个数据库中可以是“H”和“S”，而在另一个数据库中是 1 和 2。

2、冗余属性识别

如果一个属性可以由另一个或另一组属性“导出”，那么他就是冗余的

相关分析检验：

数据变换

什么是数据变换？

将数据转换或统一成适合于挖掘的形式

数据变换涉及到的内容：

• 光滑：去掉数据中的噪音

• 聚集：对数据进行汇总或聚集

• 数据泛化：使用概念分层，用高层概念替换底层或“原始”数据

• 规范化：将属性数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间

• 属性构造：可以构造新的属性并添加到属性集中，以帮助挖掘过程。

数据变换包含了哪些方法？

1. 简单函数变换

2. 归一化为什么做归一化？归一化的意义？归一化的实施方法？如何归一化有异常值的数据？

3. 连续属性离散化无监督离散化监督离散化

4. 属性构成

5. 小波变换

数据变换—归一化/标准化

连续属性离散化—等宽算法、等频算法

连续属性离散化—K-means 聚类算法

连续属性离散化—ChiMerge 算法

监督离散化

ChiMerge 是一种基于 x²的离散化方法，使用自底而上的策略，递归地找出最佳临近区间，然后合并它们，形成较大的区间。

过程：

将数值属性 A 点每个不同值看作一个区间，对每个相邻区间进行 x²检验。

具有最小 x²值的相邻区间合并在一起，因为低 x²值表面它们具有相似的分布

数据规约

什么是数据规约？

• 产生更小但保持原数据完整性的新数据集

数据变换的意义？

• 提高建模的准确性；缩短数据挖掘所的世界；降低存储数据的成本

数据规约的分类

属性规约

1. 合并属性

2. 逐步向前选择

3. 逐步向后删除

4. 决策树归纳

5. 主成分分析

数据规约—维度规约

LDA—线性判别分析

LDA

LDA 是一种监督学习的降维技术，也是说它的数据集的每个样本是类别输出的。这点和 PCA 不同，PCA 是不考虑样本类别输出的无监督降维技术。

思想：投影后类内方差最小，类间方差最大

数据规约—数值规约

• 有参数——假设数据适合于一些模型，估计模型参数，且仅储存参数，并放弃储存数据

1.回归模型

y=wx+b

x 和 y 是数值数据库属性，系数 w 和 b 分别为直线的斜率和 Y 轴截距。系数通过最小二乘法求得，它最小化分离数据的实际直线与直线之间的误差。

2.对数线性模型

对数线性模型可以近似看作离散的多维概率分布。用三维对数线性模型举例：

无参数——直方图、聚类、抽样

特征选择

特征工程的概述

为什么做特征选择？

1. 减轻维度灾难问题

2. 降低学习任务难度

特征选择的三个目标

1. 提高模型的预测表现

2. 提高更快且更高效的模型

3. 提供生成数据中潜在过程的最佳的理解

做特征选择的原则？

1. 特征是否发散

2. 特征与目标的相关性

特征的分类

1. 相关特性：是指与当前学习任务有关的特征；

2. 无关特性：是指与当前学习任务无关的特征（该特征所提供的信息对于当前学习任务无用）；例：对于学生成绩而言，学号就是无关特征。

3. 冗余特征：是指该特征所包含的信息能从其他特征推演过来；例：对于“面积”这个特征而言，能从“长”和“宽”得出，则它是冗余特征

特征选择 vs.特征提前

**共同点：**两者都是降维的方法，目的相同。

不同点：

• 特征提取是通过属性间的关系，如组合不同的属性得到新的属性，这样就改变了原来的特征空间

• 特征选择是从原始特征数据集中选择出子集，是一种包含的关系，没有改变原来的特征空间

特征选择—Filter

Filter Methods

什么是过滤法？

按照发散性或者相关性对各个特征进行评分，设定阈值或者带选择阈值的个数，选择特征

1.方差选择法

• 使用方差选择法，先要计算各个特征的方差，然后根据阈值，选择方差大于阈值的特征。

• 当特征值都是离散型变量的时候这种方法才能用，如果是连续型变量，就需要将连续型变量离散化之后才能用

2.相关系数选择法

根据相关系数的大小判定两个变量之间的相关性的强弱，进而选择相关的特征。一般常用的是皮尔逊相关系数

3.卡尔检验

统计样本的实际观测值与理论推断值之间的偏移程度，这个偏离程度决定了卡方值的大小

4.互信息法

互信息，表示两个变量是否有关系，以及关系的强弱

残差和决定系数

特征选择—Wrapper—逐步向前选择

Wrapper Methods

什么是包装法？

• 包装法实际是一种搜索方式，将当前的特征组合作为带搜索的集合，从集合中找出最优的特征组合然后返回结果。

逐步向前选择：

• 变量被逐步地合并进越来越大的子集中

步骤

1. 从一个空模型开始

2. 拟合 5 个简单的线性回归模型，搜索出所有单个变量模型中最好的那一个

3. 搜遍剩下的 4 个变量，找出哪个变量加入到现有模型中可以最大的改善残差平方和

特征选择—Wrapper—逐步向后剔除

逐步向后剔除：

所有变量的集合一起开始，逐步地剔除直到获得最优的一个

步骤：

1. 开始时模型包含了所有的变量

2. 移除 p-value 最大的变量

3. 新的（p-1）个变量模型是 t，最大的 p-value 的变量被移除

4. 重复上面的步骤直到停止条件被达到

特性选择——Embedded

Embedded Methods

什么是嵌入法？

• 先使用某些机器学习的算法和模型进行训练，得到各个特征的权值系数，根据叙述从大到小选择特征。

嵌入****发与正则化

当样本特征很多，而样本数相对较少时，上式很容易陷入过拟合。为了缓解过拟合问题，可对上式引入正则化项：

L1 正则化

L1 正则化是指权值向量中各个元素的绝对值之和

L2 正则化

L2 正则化是指权值向量中各个元素的平方和然后再求平方根

L1 正则化和 L2 正则化都有助于降低拟合风险，但前者还会带来一个额外的好处“它比后者更易获得“稀疏”解，即它求得的ω会有更少的非零分量

总结

数据清理：格式标准化，异常数据清楚，错误纠正，重复数据的清除

数据集成：将分散在不同来源的数据有机地整合在一起

数据变换：通过平滑聚集，数据概化，规范化等方法将数据转换成适用于数据挖掘的形式

数据规约：得到数据集的规约表示，它小得多，但仍然接近于保持原数据的完整性，结果与规约前结果相同或几乎相同

特征选择：提高模型的泛化能力，减少过拟合；增强对特征和特征值之间的理解。

写在最后

近年来，在 AIOps 领域快速发展的背景下，IT 工具、平台能力、解决方案、AI 场景及可用数据集的迫切需求在各行业迸发。**基于此，云智慧在 2021 年 8 月发布了 AIOps 社区，**旨在树起一面开源旗帜，为各行业客户、用户、研究者和开发者们构建活跃的用户及开发者社区，共同贡献及解决行业难题、促进该领域技术发展。

社区先后开源了数据可视化编排平台-FlyFish、运维管理平台 OMP、云服务管理平台-摩尔平台、Hours 算法等产品，并在短时间内取得了一系列社区荣誉。

可视化编排平台-FlyFish：

项目介绍：https://www.cloudwise.ai/flyFish.html

Github 地址： https://github.com/CloudWise-OpenSource/FlyFish

Gitee 地址： https://gitee.com/CloudWise/fly-fish

行业案例：https://www.bilibili.com/video/BV1z44y1n77Y/

部分大屏案例：

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参考资料：

使用sklearn做单机特征工程 - jasonfreak - 博客园

参考资料2