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《机器学习》数据预处理简介

news 来源：原创 2025/5/19 16:47:30

目录

1. 数据清洗（Data Cleaning）

（1）处理缺失值

（2）处理异常值

（3）处理重复数据

2. 数据转换（Data Transformation）

（1）特征缩放（Feature Scaling）

（2）对数变换

（3）离散化

（4）编码分类变量

3. 特征工程（Feature Engineering）

（1）特征提取

（2）特征选择

（3）降维

4. 数据分割（Data Splitting）

5. 处理不平衡数据

6. 处理文本数据

7. 处理时间序列数据

8. 数据增强（Data Augmentation）

总结

数据预处理是机器学习中至关重要的一步，它直接影响模型的性能和效果。原始数据通常包含噪声、缺失值、不一致性等问题，因此需要通过预处理将其转化为适合模型训练的格式。以下是常见的数据预处理方法：

1. 数据清洗（Data Cleaning）

数据清洗的目的是处理数据中的噪声、错误和不一致性。

（1）处理缺失值

  • 删除缺失值：如果缺失值比例较高，可以直接删除相关样本或特征。

  • 填充缺失值：

    • 使用均值、中位数或众数填充。

    • 使用插值法（如线性插值）。

    • 使用机器学习模型预测缺失值（如K近邻、回归模型）。

（2）处理异常值

  • 删除异常值：如果异常值明显是错误数据，可以直接删除。

  • 修正异常值：根据业务逻辑修正异常值。

  • 保留异常值：如果异常值是合理的（如极端事件），可以保留。

（3）处理重复数据

  • 删除完全重复的样本。

2. 数据转换（Data Transformation）

数据转换的目的是将数据转换为适合模型训练的格式。

（1）特征缩放（Feature Scaling）

  • 标准化（Standardization）：将数据转换为均值为0、标准差为1的分布。

    z=x−μσz=σx−μ​

    • 适用于大多数机器学习算法（如线性回归、支持向量机）。

  • 归一化（Normalization）：将数据缩放到固定范围（如[0, 1]）。

    x′=x−xminxmax−xminx′=xmax​−xmin​x−xmin​​

    • 适用于神经网络、K近邻等算法。

（2）对数变换

  • 对偏态分布的数据进行对数变换，使其更接近正态分布。

（3）离散化

  • 将连续特征转换为离散特征（如将年龄分为“青年”、“中年”、“老年”）。

（4）编码分类变量

  • 独热编码（One-Hot Encoding）：将分类变量转换为二进制向量。

    • 适用于无序分类变量。

  • 标签编码（Label Encoding）：将分类变量转换为整数标签。

    • 适用于有序分类变量。

3. 特征工程（Feature Engineering）

特征工程的目的是从原始数据中提取有用的特征，以提高模型性能。

（1）特征提取

  • 从原始数据中提取新特征（如从日期中提取“星期几”、“月份”）。

  • 使用领域知识创建特征（如从文本中提取关键词）。

（2）特征选择

  • 过滤法：根据统计指标（如相关系数、卡方检验）选择特征。

  • 包裹法：使用模型评估特征的重要性（如递归特征消除）。

  • 嵌入法：在模型训练过程中选择特征（如L1正则化）。

（3）降维

  • 主成分分析（PCA）：将高维数据降维到低维空间，保留主要信息。

  • t-SNE：用于可视化高维数据。

  • 线性判别分析（LDA）：在降维的同时保留类别信息。

4. 数据分割（Data Splitting）

将数据集划分为训练集、验证集和测试集，以评估模型的性能。

  • 训练集：用于训练模型。

  • 验证集：用于调整超参数和选择模型。

  • 测试集：用于最终评估模型性能。

常见的分割比例：

  • 训练集：70%

  • 验证集：15%

  • 测试集：15%

5. 处理不平衡数据

当数据集中类别分布不均衡时，需要采取以下方法：

  • 过采样（Oversampling）：增加少数类样本（如SMOTE算法）。

  • 欠采样（Undersampling）：减少多数类样本。

  • 调整类别权重：在模型训练中为少数类赋予更高的权重。

6. 处理文本数据

文本数据需要特殊的预处理方法：

  • 分词：将文本分割为单词或词组。

  • 去除停用词：去除无意义的词（如“的”、“是”）。

  • 词干提取（Stemming）：将单词还原为词干形式。

  • 词向量化：

    • 词袋模型（Bag of Words, BoW）

    • TF-IDF

    • 词嵌入（Word Embedding，如Word2Vec、GloVe）

7. 处理时间序列数据

时间序列数据需要特殊的预处理方法：

  • 时间特征提取：从时间戳中提取“小时”、“星期几”等特征。

  • 平滑处理：使用移动平均或指数平滑去除噪声。

  • 差分处理：将非平稳时间序列转换为平稳序列。

8. 数据增强（Data Augmentation）

在数据量不足时，可以通过数据增强生成更多样本：

  • 图像数据：旋转、翻转、裁剪、添加噪声。

  • 文本数据：同义词替换、随机删除单词。

总结

数据预处理是机器学习中不可或缺的一步，它直接影响模型的性能和泛化能力。通过合理的数据清洗、特征工程和数据转换，可以提高模型的准确性和稳定性。根据具体任务和数据特点，选择合适的方法进行预处理是关键。

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