数据预处理：独热编码（One-Hot Encoding）和 LabelEncoder标签编码

时间：2024-12-08 09:37:44

一、问题由来

在很多机器学习任务中，特征并不总是连续值，而有可能是分类值。

离散特征的编码分为两种情况：

　　1、离散特征的取值之间没有大小的意义，比如color：[red,blue],那么就使用one-hot编码

　　2、离散特征的取值有大小的意义，比如size:[X,XL,XXL],那么就使用数值的映射{X:1,XL:2,XXL:3}

使用pandas可以很方便的对离散型特征进行one-hot编码

import pandas as pd

df = pd.DataFrame([

            ['green', 'M', 10.1, 'class1'],

            ['red', 'L', 13.5, 'class2'],

            ['blue', 'XL', 15.3, 'class1']])

df.columns = ['color', 'size', 'prize', 'class label']

size_mapping = {

           'XL': 3,

           'L': 2,

           'M': 1}

df['size'] = df['size'].map(size_mapping)

class_mapping = {label:idx for idx,label in enumerate(set(df['class label']))}

df['class label'] = df['class label'].map(class_mapping)

例如，考虑一下的三个特征：

["male", "female"]

["from Europe", "from US", "from Asia"]

["uses Firefox", "uses Chrome", "uses Safari", "uses Internet Explorer"]

如果将上述特征用数字表示，效率会高很多。例如：

["male", "from US", "uses Internet Explorer"] 表示为[, , ]

["female", "from Asia", "uses Chrome"]表示为[, , ]

但是，即使转化为数字表示后，上述数据也不能直接用在我们的分类器中。因为，分类器往往默认数据数据是连续的（可以计算距离？），并且是有序的（而上面这个0并不是说比1要高级）。但是，按照我们上述的表示，数字并不是有序的，而是随机分配的。

独热编码

为了解决上述问题，其中一种可能的解决方法是采用独热编码（One-Hot Encoding）。独热编码即 One-Hot 编码，又称一位有效编码，其方法是使用N位状态寄存器来对N个状态进行编码，每个状态都由他独立的寄存器位，并且在任意时候，其中只有一位有效。

例如：

自然状态码为：,,,,,

独热编码为：,,,,,

可以这样理解，对于每一个特征，如果它有m个可能值，那么经过独热编码后，就变成了m个二元特征（如成绩这个特征有好，中，差变成one-hot就是100, 010, 001）。并且，这些特征互斥，每次只有一个激活。因此，数据会变成稀疏的。

这样做的好处主要有：

  1. 解决了分类器不好处理属性数据的问题

  2. 在一定程度上也起到了扩充特征的作用

　　实现方法一：pandas之get_dummies方法

pandas.get_dummies(data, prefix=None, prefix_sep='_', dummy_na=False, columns=None, sparse=False, drop_first=False)

　　该方法可以讲类别变量转换成新增的虚拟变量/指示变量。

　　常用参数

data : array-like, Series, or DataFrame

输入的数据

prefix : string, list of strings, or dict of strings, default None

get_dummies转换后，列名的前缀

*columns : list-like, default None

指定需要实现类别转换的列名

dummy_na : bool, default False

增加一列表示空缺值，如果False就忽略空缺值

drop_first : bool, default False

获得k中的k-1个类别值，去除第一个

　　1、实验

数据预处理：独热编码（One-Hot Encoding）和 LabelEncoder标签编码

数据预处理：独热编码（One-Hot Encoding）和 LabelEncoder标签编码

　实现方法二：sklearn

from sklearn import preprocessing

enc = preprocessing.OneHotEncoder()

enc.fit([[0, 0, 3], [1, 1, 0], [0, 2, 1], [1, 0, 2]])    # fit来学习编码

enc.transform([[0, 1, 3]]).toarray()    # 进行编码

输出：array([[ 1.,  0.,  0.,  1.,  0.,  0.,  0.,  0.,  1.]])

数据矩阵是4*3，即4个数据，3个特征维度。

0 0 3                      观察左边的数据矩阵，第一列为第一个特征维度，有两种取值0\1. 所以对应编码方式为10 、01

1 1 0                                               同理，第二列为第二个特征维度，有三种取值0\1\2，所以对应编码方式为100、010、001

0 2 1                                               同理，第三列为第三个特征维度，有四中取值0\1\2\3，所以对应编码方式为1000、0100、0010、0001

1 0 2

再来看要进行编码的参数[0 , 1,  3]， 0作为第一个特征编码为10,  1作为第二个特征编码为010， 3作为第三个特征编码为0001.  故此编码结果为 1 0 0 1 0 0 0 0 1

三. 为什么要独热编码？

正如上文所言，独热编码（哑变量 dummy variable）是因为大部分算法是基于向量空间中的度量来进行计算的，为了使非偏序关系的变量取值不具有偏序性，并且到圆点是等距的。使用one-hot编码，将离散特征的取值扩展到了欧式空间，离散特征的某个取值就对应欧式空间的某个点。将离散型特征使用one-hot编码，会让特征之间的距离计算更加合理。离散特征进行one-hot编码后，编码后的特征，其实每一维度的特征都可以看做是连续的特征。就可以跟对连续型特征的归一化方法一样，对每一维特征进行归一化。比如归一化到[-1,1]或归一化到均值为0,方差为1。

为什么特征向量要映射到欧式空间？

将离散特征通过one-hot编码映射到欧式空间，是因为，在回归，分类，聚类等机器学习算法中，特征之间距离的计算或相似度的计算是非常重要的，而我们常用的距离或相似度的计算都是在欧式空间的相似度计算，计算余弦相似性，基于的就是欧式空间。

四 .独热编码优缺点

  • 优点：独热编码解决了分类器不好处理属性数据的问题，在一定程度上也起到了扩充特征的作用。它的值只有0和1，不同的类型存储在垂直的空间。
  • 缺点：当类别的数量很多时，特征空间会变得非常大。在这种情况下，一般可以用PCA来减少维度。而且one hot encoding+PCA这种组合在实际中也非常有用。

五. 什么情况下(不)用独热编码？

  • 用：独热编码用来解决类别型数据的离散值问题，
  • 不用：将离散型特征进行one-hot编码的作用，是为了让距离计算更合理，但如果特征是离散的，并且不用one-hot编码就可以很合理的计算出距离，那么就没必要进行one-hot编码。 有些基于树的算法在处理变量时，并不是基于向量空间度量，数值只是个类别符号，即没有偏序关系，所以不用进行独热编码。  Tree Model不太需要one-hot编码： 对于决策树来说，one-hot的本质是增加树的深度。

　　总的来说，要是one hot encoding的类别数目不太多，建议优先考虑。

六.  什么情况下(不)需要归一化？

  • 需要： 基于参数的模型或基于距离的模型，都是要进行特征的归一化。
  • 不需要：基于树的方法是不需要进行特征的归一化，例如随机森林，bagging 和 boosting等。

七、one-hot编码为什么可以解决类别型数据的离散值问题

　　首先，one-hot编码是N位状态寄存器为N个状态进行编码的方式 
　　eg：高、中、低不可分，→ 用0 0 0 三位编码之后变得可分了，并且成为互相独立的事件 
       类似 SVM中，原本线性不可分的特征，经过project之后到高维之后变得可分了 
　　GBDT处理高维稀疏矩阵的时候效果并不好，即使是低维的稀疏矩阵也未必比SVM好

八、Tree Model不太需要one-hot编码

　　对于决策树来说，one-hot的本质是增加树的深度 
　　tree-model是在动态的过程中生成类似 One-Hot + Feature Crossing 的机制 
　　　　1. 一个特征或者多个特征最终转换成一个叶子节点作为编码 ，one-hot可以理解成三个独立事件 
　　　　2. 决策树是没有特征大小的概念的，只有特征处于他分布的哪一部分的概念 
　　one-hot可以解决线性可分问题 但是比不上label econding 
　　one-hot降维后的缺点：

  • 降维前可以交叉的降维后可能变得不能交叉

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