標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化是機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目中大量使用的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)之一。

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這些技術(shù)的主要作用

• 以類似的格式縮放所有數(shù)據(jù)，使模型的學(xué)習(xí)過(guò)程變得容易。
• 數(shù)據(jù)中的奇數(shù)值被縮放或歸一化并且表現(xiàn)得像數(shù)據(jù)的一部分。

我們將通過(guò) Python 示例深入討論這兩個(gè)概念。

標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)的基本縮放是使其成為標(biāo)準(zhǔn)，以便所有值都在共同范圍內(nèi)。 在標(biāo)準(zhǔn)化中，數(shù)據(jù)的均值和方差分別為零和一。 它總是試圖使數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

標(biāo)準(zhǔn)化公式如下所示：

z =(列的值 - 平均值)/標(biāo)準(zhǔn)偏差

機(jī)器學(xué)習(xí)中的一些算法試圖讓數(shù)據(jù)具有正態(tài)分布。但是，如果一個(gè)特征有更多的方差，而其他特征有低或單位方差，那么模型的學(xué)習(xí)將是不正確的，因?yàn)閺囊粋€(gè)特征到另一個(gè)特征的方差是有差異的。

正如我們上面討論的，標(biāo)準(zhǔn)縮放的范圍是“0”均值和“1”單位方差。

我們?nèi)绾问褂脴?biāo)準(zhǔn)縮放?

要使用標(biāo)準(zhǔn)伸縮，我們需要從預(yù)處理類中導(dǎo)入它，如下所示:

from sklearn import preprocessing 
scaler = preprocessing.StandardScaler() 

使用標(biāo)準(zhǔn)縮放的正確步驟是什么?

我們可以在 train-test split 之后使用標(biāo)準(zhǔn)縮放，因?yàn)槿绻覀冊(cè)诎l(fā)生數(shù)據(jù)泄漏問(wèn)題之前這樣做，可能會(huì)導(dǎo)致模型不太可靠。 如果我們?cè)诓鸱种斑M(jìn)行縮放，那么從訓(xùn)練中學(xué)習(xí)的過(guò)程也可以在測(cè)試集上完成，這是我們不想要的。

讓我們?cè)趕klearn庫(kù)的幫助下看看拆分過(guò)程

from sklearn.model_selection import train_test_split 
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(x, 
y, train_size = 0.20, random_state = 42) 

在此之后，我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)縮放

from sklearn.preprocessing import StandardScaler 
sc = StandardScaler()  
X_train = sc.fit_transform(X_train)  
X_test = sc.transform(X_test) 

讓我們舉一個(gè) python 例子。

from sklearn import preprocessing 
import numpy as np 
#creating a training data 
X_train = np.array([[ 4., -3., 2.],  
[ 2., 2., 0.],  
[ 0., -6., 7.]]) 
 
#fit the training data 
scaler = preprocessing.StandardScaler().fit(X_train) 
scaler 
#output: 
StandardScaler() 

現(xiàn)在，我們將檢查訓(xùn)練數(shù)據(jù)中每個(gè)特征的均值和縮放比例。

scaler.mean_ 
#output: 
array([ 2., -2.33333333, 3.]) 
scaler.scale_ 
#output: 
array([1.63299316, 3.29983165, 2.94392029]) 

scale_屬性找出特征之間的相對(duì)尺度，得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度，即零均值和單位方差。均值屬性用來(lái)找出每個(gè)特征的均值。

現(xiàn)在，我們將轉(zhuǎn)換縮放后的數(shù)據(jù)

X_scaled = scaler.transform(X_train) 
X_scaled 
#output: 
array([[ 1.22474487, -0.20203051, -0.33968311], 
[ 0. , 1.31319831, -1.01904933], 
[-1.22474487, -1.1111678 , 1.35873244]]) 

為了檢查特征的零均值和單位方差，我們將找到均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

X_scaled.mean(axis=0) 
#output: 
array([0., 0., 0.]) 
X_scaled.std(axis=0) 
#output: 
array([1., 1., 1.]) 

我們還可以在 MinMaxScaler 和 MaxAbsScaler 的幫助下進(jìn)行范圍縮放。

有時(shí)，我們?cè)跀?shù)據(jù)中存在影響算法建模的異常值，并且標(biāo)準(zhǔn)縮放器受到異常值的影響，其他方法如 min-max 和 max-abs 縮放器使數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)。

MinMaxScaler

MinMaxScaler 是另一種在 [0,1] 范圍內(nèi)縮放數(shù)據(jù)的方法。 它使數(shù)據(jù)保持原始形狀并保留有價(jià)值的信息，而受異常值的影響較小。

python示例如下所示：

from sklearn import preprocessing 
import numpy as np 
#creating a training data 
X_train = np.array([[ 4., -3., 2.],  
[ 2., 2., 0.],  
[ 0., -6., 7.]]) 
min_max_scaler = preprocessing.MinMaxScaler() 
X_train_minmax = min_max_scaler.fit_transform(X_train) 
X_train_minmax 
#output: 
array([[1. , 0.375 , 0.28571429], 
[0.5 , 1. , 0. ], 
[0. , 0. , 1. ]]) 

我們可以在使用 MinMaxScaler 縮放后看到“0”到“1”范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

MaxAbsScaler

這是另一種縮放方法，其中數(shù)據(jù)在 [-1,1] 的范圍內(nèi)。 這種縮放的好處是它不會(huì)移動(dòng)或居中數(shù)據(jù)并保持?jǐn)?shù)據(jù)的稀疏性。

python示例如下所示：

from sklearn import preprocessing 
import numpy as np 
#creating a training data 
X_train = np.array([[ 4., -3., 2.],  
[ 2., 2., 0.],  
[ 0., -6., 7.]]) 
max_abs_scaler = preprocessing.MaxAbsScaler() 
X_train_maxabs = max_abs_scaler.fit_transform(X_train) 
X_train_maxabs 
#output: 
array([[ 1. , -0.5 , 0.28571429], 
[ 0.5 , 0.33333333, 0. ], 
[ 0. , -1. , 1. ]]) 

我們可以在使用 MaxAbsScaler 縮放后看到“-1”到“1”范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

總結(jié)

數(shù)據(jù)的縮放是機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)的一個(gè)非常重要的部分。 在本文中，MaxAbsScaler 在稀疏數(shù)據(jù)中很有用，而另一方面，標(biāo)準(zhǔn)縮放也可以用于稀疏數(shù)據(jù)，但也會(huì)由于過(guò)多的內(nèi)存分配而給出值錯(cuò)誤。