机器学习样本不平衡处理

样本不平衡往往会导致以下问题:

对比例大的样本造成过拟合,也就是说预测偏向样本数较多的分类。这样就会大大降低模型的范化能力。往往accuracy(准确率)很高,但auc很低。

 

针对样本的不平衡问题,有以下几种常见的解决思路:

  1. 搜集更多的数据
  2. 改变评判指标
  3. 对数据进行采样
  4. 合成样本
  5. 改变样本权重

搜集更多的数据

搜集更多的数据,从而让正负样本的比例平衡,这种方法往往是最被忽视的方法,然而实际上,当搜集数据的代价不大时,这种方法是最有效的。

但是需要注意,当搜集数据的场景本来产生数据的比例就是不平衡时,这种方法并不能解决数据比例不平衡问题。

改变评判指标

改变评判指标,也就是不用准确率来评判和选择模型,原因就是我们上面提到的 Accuracy Paradox 问题。实际上有一些评判指标就是专门解决样本不平衡时的评判问题的,如准确率,召回率,F1值,ROC(AUC),Kappa 等。

根据这篇文章,ROC 曲线具有不随样本比例而改变的良好性质,因此能够在样本比例不平衡的情况下较好地反映出分类器的优劣。

 

对数据进行采样

对数据采样可以有针对性地改变数据中样本的比例,采样一般有两种方式:over-sampling和 under-sampling,前者是增加样本数较少的样本,其方式是直接复制原来的样本,而后者是减少样本数较多的样本,其方式是丢弃这些多余的样本。

通常来说,当总样本数目较多的时候考虑 under-sampling,而样本数数目较少的时候考虑 over-sampling。

 

合成样本

合成样本(Synthetic Samples)是为了增加样本数目较少的那一类的样本,合成指的是通过组合已有的样本的各个 feature 从而产生新的样本。

一种最简单的方法就是从各个 feature 中随机选出一个已有值,然后拼接成一个新的样本,这种方法增加了样本数目较少的类别的样本数,作用与上面提到的 over-sampling方法一样,不同点在于上面的方法是单纯的复制样本,而这里则是拼接得到新的样本。

这类方法中的具有代表性的方法是 SMOTE(Synthetic Minority Over-sampling Technique),这个方法通过在相似样本中进行 feature 的随机选择并拼接出新的样本。

 

改变样本权重

改变样本权重指的是增大样本数较少类别的样本的权重,当这样的样本被误分时,其损失值要乘上相应的权重,从而让分类器更加关注这一类数目较少的样本。

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