如何解決分類中解決類別不平衡問題？

更新時間:2020年09月14日11時29分來源:傳智播客瀏覽次數(shù):

什么是類別不平衡問題。其實，在現(xiàn)實環(huán)境中，采集的數(shù)據(jù)(建模樣本)往往是比例失衡的。比如網(wǎng)貸數(shù)據(jù)，逾期人數(shù)的比例是極低的(千分之幾的比例)；奢侈品消費人群鑒定等。

1、類別不平衡數(shù)據(jù)集基本介紹

在這一節(jié)中，我們一起看一下，當遇到數(shù)據(jù)類別不平衡的時候，我們該如何處理。在Python中，有Imblearn包，它就是為處理數(shù)據(jù)比例失衡而生的。

pip3 install imbalanced-learn

第三方包鏈接：https://pypi.org/project/imbalanced-learn/

創(chuàng)造數(shù)據(jù)集

from sklearn.datasets import make_classification
import matplotlib.pyplot as plt

#使用make_classification生成樣本數(shù)據(jù)
X, y = make_classification(n_samples=5000, 
                           n_features=2,  # 特征個數(shù)= n_informative（） + n_redundant + n_repeated 
                           n_informative=2,  # 多信息特征的個數(shù)
                           n_redundant=0,   # 冗余信息，informative特征的隨機線性組合
                           n_repeated=0,  # 重復(fù)信息，隨機提取n_informative和n_redundant 特征 
                           n_classes=3,  # 分類類別
                           n_clusters_per_class=1,  # 某一個類別是由幾個cluster構(gòu)成的
                           weights=[0.01, 0.05, 0.94],  # 列表類型，權(quán)重比
                           random_state=0)

查看各個標簽的樣本

#查看各個標簽的樣本量
from collections import Counter
Counter(y)

# Counter({2: 4674, 1: 262, 0: 64})

數(shù)據(jù)集可視化

# 數(shù)據(jù)集可視化
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y)
plt.show()

解決分類不均衡

可以看出樣本的三個標簽中，1，2的樣本量極少，樣本失衡。下面使用imblearn進行過采樣。

接下來，我們就要基于以上數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的處理。

關(guān)于類別不平衡的問題，主要有兩種處理方式：

過采樣方法

增加數(shù)量較少那一類樣本的數(shù)量，使得正負樣本比例均衡。

欠采樣方法

減少數(shù)量較多那一類樣本的數(shù)量，使得正負樣本比例均衡。

2、解決類別不平衡數(shù)據(jù)方法介紹

2.1 過采樣方法

2.1.1 什么是過采樣方法

對訓(xùn)練集里的少數(shù)類進行“過采樣”(oversampling)，即增加一些少數(shù)類樣本使得正、反例數(shù)目接近，然后再進行學(xué)習(xí)。

2.1.2 隨機過采樣方法

通過代碼實現(xiàn)隨機過采樣方法：

# 使用imblearn進行隨機過采樣
from imblearn.over_sampling import RandomOverSampler
ros = RandomOverSampler(random_state=0)
X_resampled, y_resampled = ros.fit_resample(X, y)
#查看結(jié)果
Counter(y_resampled)
#過采樣后樣本結(jié)果
# Counter({2: 4674, 1: 4674, 0: 4674})

# 數(shù)據(jù)集可視化
plt.scatter(X_resampled[:, 0], X_resampled[:, 1], c=y_resampled)
plt.show()

不平衡02

缺點：

·對于隨機過采樣，由于需要對少數(shù)類樣本進行復(fù)制來擴大數(shù)據(jù)集，造成模型訓(xùn)練復(fù)雜度加大。

·另一方面也容易造成模型的過擬合問題，因為隨機過采樣是簡單的對初始樣本進行復(fù)制采樣，這就使得學(xué)習(xí)器學(xué)得的規(guī)則過于具體化，不利于學(xué)習(xí)器的泛化性能，造成過擬合問題。

為了解決隨機過采樣中造成模型過擬合問題，又能保證實現(xiàn)數(shù)據(jù)集均衡的目的，出現(xiàn)了過采樣法代表性的算法SMOTE算法。

2.1.3 過采樣代表性算法-SMOTE

SMOTE全稱是Synthetic Minority Oversampling即合成少數(shù)類過采樣技術(shù)。

SMOTE算法是對隨機過采樣方法的一個改進算法，由于隨機過采樣方法是直接對少數(shù)類進行重采用，會使訓(xùn)練集中有很多重復(fù)的樣本，容易造成產(chǎn)生的模型過擬合問題。而SMOTE算法的基本思想:

不平衡03

代碼實現(xiàn)：

# SMOTE過采樣
from imblearn.over_sampling import SMOTE
X_resampled, y_resampled = SMOTE().fit_resample(X, y)
Counter(y_resampled)

# 采樣后樣本結(jié)果
# [(0, 4674), (1, 4674), (2, 4674)]

# 數(shù)據(jù)集可視化
plt.scatter(X_resampled[:, 0], X_resampled[:, 1], c=y_resampled)
plt.show()

2.2 欠采樣方法

2.2.1 什么是欠采樣方法

直接對訓(xùn)練集中多數(shù)類樣本進行“欠采樣”(undersampling)，即去除一些多數(shù)類中的樣本使得正例、反例數(shù)目接近，然后再進行學(xué)習(xí)。

# 隨機欠采樣
from imblearn.under_sampling import RandomUnderSampler
rus = RandomUnderSampler(random_state=0)
X_resampled, y_resampled = rus.fit_resample(X, y)
Counter(y_resampled)

# 采樣后結(jié)果
[(0, 64), (1, 64), (2, 64)]

# 數(shù)據(jù)集可視化
plt.scatter(X_resampled[:, 0], X_resampled[:, 1], c=y_resampled)
plt.show()

缺點：

隨機欠采樣方法通過改變多數(shù)類樣本比例以達到修改樣本分布的目的，從而使樣本分布較為均衡，但是這也存在一些問題。對于隨機欠采樣，由于采樣的樣本集合要少于原來的樣本集合，因此會造成一些信息缺失，即將多數(shù)類樣本刪除有可能會導(dǎo)致分類器丟失有關(guān)多數(shù)類的重要信息。

官網(wǎng)鏈接：https://imbalanced-learn.readthedocs.io/en/stable/ensemble.html

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