文字挖掘之特徵選擇(python 實現)

阿新 • • 發佈：2019-01-07

http://www.cnblogs.com/wangbogong/p/3251132.html

機器學習演算法的空間、時間複雜度依賴於輸入資料的規模，維度規約(Dimensionality reduction)則是一種被用於降低輸入資料維數的方法。維度規約可以分為兩類：

特徵選擇(feature selection)，從原始的d維空間中，選擇為我們提供資訊最多的k個維(這k個維屬於原始空間的子集)
特徵提取(feature extraction)，將原始的d維空間對映到k維空間中(新的k維空間不輸入原始空間的子集)

　　在文字挖掘與文字分類的有關問題中，常採用特徵選擇方法。原因是文字的特徵一般都是單詞(term)，具有語義資訊，使用特徵選擇找出的k維子集，仍然是單詞作為特徵，保留了語義資訊，而特徵提取則找k維新空間，將會喪失了語義資訊。

　　對於一個語料而言，我們可以統計的資訊包括文件頻率和文件類比例，所有的特徵選擇方法均依賴於這兩個統計量，目前，文字的特徵選擇方法主要有：DF, MI, IG, CHI，WLLR,WFO六種。

　　為了方便描述，我們首先一些概率上的定義：

　　　　p(t):一篇文件x包含特徵詞t的概率。

　　　　:文件x不屬於C_i的概率。

　　　　p(C_i|t):已知文件x的包括某個特徵詞t條件下，該文件屬於C_i的概率

　　　　: 已知文件屬於C_i條件下，該文件不包括特徵詞t的概率

　　類似的其他的一些概率如p(C_i), ，等，有著類似的定義。

為了估計這些概率，我們需要通過統計訓練樣本的相關頻率資訊，如下表：

其中：

　　　A_ij: 包含特徵詞t_i，並且類別屬於C_j的文件數量 B_ij: 包含特徵詞t_i，並且類別屬於不C_j的文件數量

　　　C_ij：不包含特徵詞t_i，並且類別屬於C_j的文件數量 Dij：不包含特徵詞t_i，並且類別屬於不C_j的文件數量

　　　A_ij + B_ij: 包含特徵詞t_i的文件數量 C_ij+ D_ij：不包含特徵詞t_i的文件數量

　　　A_ij + C_ij：C_j類的文件數量資料 B_ij + D_ij：非C_j類的文件數量資料

　　　A_ij + B_ij+ C_ij+ D_ij= N :語料中所有文件數量。

有了這些統計量，有關概率的估算就變得容易，如：

　　　p(t_i) = (A_ij + B_ij) / N; p(C_j) = (A_ij + C_ij) / N;

　　　　p(C_j|t_j) = A_ij / (A_ij + B_ij)

......類似的一些概率計算可以依照上表計算。

　　介紹了事情發展的前因，現在進入正題：常見的四種特徵選擇方法如何計算。

　　1）DF(Document Frequency)

DF:統計特徵詞出現的文件數量，用來衡量某個特徵詞的重要性，DF的定義如下：

　　DF的動機是，如果某些特徵詞在文件中經常出現，那麼這個詞就可能很重要。而對於在文件中出現很少(如僅在語料中出現1次)特徵詞，攜帶了很少的資訊量，甚至是"噪聲"，這些特徵詞，對分類器學習影響也是很小。

　　DF特徵選擇方法屬於無監督的學習演算法(也有將其改成有監督的演算法，但是大部分情況都作為無監督演算法使用)，僅考慮了頻率因素而沒有考慮類別因素，因此，DF演算法的將會引入一些沒有意義的詞。如中文的"的"、"是"， "個"等，常常具有很高的DF得分，但是，對分類並沒有多大的意義。

　　2）MI(Mutual Information)

　　互資訊法用於衡量特徵詞與文件類別直接的資訊量，互資訊法的定義如下：

　　繼續推導MI的定義公式：

　　從上面的公式上看出：如果某個特徵詞的頻率很低，那麼互資訊得分就會很大，因此互資訊法傾向"低頻"的特徵詞。相對的詞頻很高的詞，得分就會變低，如果這詞攜帶了很高的資訊量，互資訊法就會變得低效。

　　3）IG(Information Gain)

　　資訊增益法，通過某個特徵詞的缺失與存在的兩種情況下，語料中前後資訊的增加，衡量某個特徵詞的重要性。

資訊增益的定義如下：

依據IG的定義，每個特徵詞t_i的IG得分前面一部分：計算值是一樣，可以省略。因此，IG的計算公式如下：

IG與MI存在關係：

因此，IG方式實際上就是互資訊與互資訊加權。

4）CHI(Chi-square)

CHI特徵選擇演算法利用了統計學中的"假設檢驗"的基本思想：首先假設特徵詞與類別直接是不相關的，如果利用CHI分佈計算出的檢驗值偏離閾值越大，那麼更有信心否定原假設，接受原假設的備則假設：特徵詞與類別有著很高的關聯度。CHI的定義如下：

對於一個給定的語料而言，文件的總數N以及C_j類文件的數量，非C_j類文件的數量，他們都是一個定值，因此CHI的計算公式可以簡化為：

CHI特徵選擇方法，綜合考慮文件頻率與類別比例兩個因素

5）WLLR(Weighted Log Likelihood Ration)

WLLR特徵選擇方法的定義如下：

計算公式如下：

6)WFO（Weighted Frequency and Odds）

最後一個介紹的演算法，是由蘇大李壽山老師提出的演算法。通過以上的五種演算法的分析，李壽山老師認為，"好"的特徵應該有以下特點：

好的特徵應該有較高的文件頻率
好的特徵應該有較高的文件類別比例

WFO的演算法定義如下：

如果：

否則：

不同的語料，一般來說文件詞頻與文件的類別比例起的作用應該是不一樣的，WFO方法可以通過調整引數，找出一個較好的特徵選擇依據。

-----------------------------------------分割線---------------------------------------------

　　介紹完理論部分，就要給出程式碼了（只給出公式，不給出程式碼的都是調戲良家的行為~）。文字挖掘之文字表示一文，利用了sklearn開源工具，自然先首先sklearn工具，可惜的是sklearn文字的特徵選擇方法僅提供了CHI一種。為此在sklearn框架下，嘗試自己編寫這些特徵選擇方法的程式碼，自己動手，豐衣足食。

筆者實現了三種特徵選擇方法：IG,MI和WLLR，看官如果對其他特徵選擇方法感興趣，可以嘗試實現一下~ 好了，啥也不說了，上程式碼，特徵選擇模組程式碼：

#!/usr/bin/env python
# coding=gbk

import os
import sys

import numpy as np

def get_term_dict(doc_terms_list):
    term_set_dict = {}
    for doc_terms in doc_terms_list:
        for term in doc_terms:
            term_set_dict[term] = 1
    term_set_list = sorted(term_set_dict.keys())       #term set 排序後，按照索引做出字典
    term_set_dict = dict(zip(term_set_list, range(len(term_set_list))))
    return term_set_dict

def get_class_dict(doc_class_list):
    class_set = sorted(list(set(doc_class_list)))
    class_dict = dict(zip(class_set, range(len(class_set))))
    return  class_dict

def stats_term_df(doc_terms_list, term_dict):
    term_df_dict = {}.fromkeys(term_dict.keys(), 0)
    for term in term_set:
        for doc_terms in doc_terms_list:
            if term in doc_terms_list:
                term_df_dict[term] +=1                
    return term_df_dict

def stats_class_df(doc_class_list, class_dict):
    class_df_list = [0] * len(class_dict)
    for doc_class in doc_class_list:
        class_df_list[class_dict[doc_class]] += 1
    return class_df_list

def stats_term_class_df(doc_terms_list, doc_class_list, term_dict, class_dict):
    term_class_df_mat = np.zeros((len(term_dict), len(class_dict)), np.float32)
    for k in range(len(doc_class_list)):
        class_index = class_dict[doc_class_list[k]]
        doc_terms = doc_terms_list[k]
        for term in set(doc_terms):
            term_index = term_dict[term]
            term_class_df_mat[term_index][class_index] +=1
    return  term_class_df_mat
        
def feature_selection_mi(class_df_list, term_set, term_class_df_mat):
    A = term_class_df_mat
    B = np.array([(sum(x) - x).tolist() for x in A])
    C = np.tile(class_df_list, (A.shape[0], 1)) - A
    N = sum(class_df_list)
    class_set_size = len(class_df_list)
    
    term_score_mat = np.log(((A+1.0)*N) / ((A+C) * (A+B+class_set_size)))
    term_score_max_list = [max(x) for x in term_score_mat]
    term_score_array = np.array(term_score_max_list)
    sorted_term_score_index = term_score_array.argsort()[: : -1]
    term_set_fs = [term_set[index] for index in sorted_term_score_index]
    
    return term_set_fs

def feature_selection_ig(class_df_list, term_set, term_class_df_mat):
    A = term_class_df_mat
    B = np.array([(sum(x) - x).tolist() for x in A])
    C = np.tile(class_df_list, (A.shape[0], 1)) - A
    N = sum(class_df_list)
    D = N - A - B - C
    term_df_array = np.sum(A, axis = 1)
    class_set_size = len(class_df_list)
    
    p_t = term_df_array / N
    p_not_t = 1 - p_t
    p_c_t_mat =  (A + 1) / (A + B + class_set_size)
    p_c_not_t_mat = (C+1) / (C + D + class_set_size)
    p_c_t = np.sum(p_c_t_mat  *  np.log(p_c_t_mat), axis =1)
    p_c_not_t = np.sum(p_c_not_t_mat *  np.log(p_c_not_t_mat), axis =1)
    
    term_score_array = p_t * p_c_t + p_not_t * p_c_not_t
    sorted_term_score_index = term_score_array.argsort()[: : -1]
    term_set_fs = [term_set[index] for index in sorted_term_score_index]    
    
    return term_set_fs

def feature_selection_wllr(class_df_list, term_set, term_class_df_mat):
    A = term_class_df_mat
    B = np.array([(sum(x) - x).tolist() for x in A])
    C_Total = np.tile(class_df_list, (A.shape[0], 1))
    N = sum(class_df_list)
    C_Total_Not = N - C_Total
    term_set_size = len(term_set)
    
    p_t_c = (A + 1E-6) / (C_Total + 1E-6 * term_set_size)
    p_t_not_c = (B +  1E-6) / (C_Total_Not + 1E-6 * term_set_size)
    term_score_mat = p_t_c  * np.log(p_t_c / p_t_not_c)
    
    term_score_max_list = [max(x) for x in term_score_mat]
    term_score_array = np.array(term_score_max_list)
    sorted_term_score_index = term_score_array.argsort()[: : -1]
    term_set_fs = [term_set[index] for index in sorted_term_score_index]
    
    print term_set_fs[:10]
    return term_set_fs

def feature_selection(doc_terms_list, doc_class_list, fs_method):
    class_dict = get_class_dict(doc_class_list)
    term_dict = get_term_dict(doc_terms_list)
    class_df_list = stats_class_df(doc_class_list, class_dict)
    term_class_df_mat = stats_term_class_df(doc_terms_list, doc_class_list, term_dict, class_dict)
    term_set = [term[0] for term in sorted(term_dict.items(), key = lambda x : x[1])]
    term_set_fs = []
    
    if fs_method == 'MI':
        term_set_fs = feature_selection_mi(class_df_list, term_set, term_class_df_mat)
    elif fs_method == 'IG':
        term_set_fs = feature_selection_ig(class_df_list, term_set, term_class_df_mat)
    elif fs_method == 'WLLR':
        term_set_fs = feature_selection_wllr(class_df_list, term_set, term_class_df_mat)
        
    return term_set_fs

　　在movie語料裡面比較著三種特徵選擇方法，呼叫方法如下：

#!/usr/bin/env python
# coding=gbk

import os
import sys

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.datasets import load_files
from sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn.feature_extraction.text import  CountVectorizer
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB

import feature_selection
    
def text_classifly_twang(dataset_dir_name, fs_method, fs_num):
    print 'Loading dataset, 80% for training, 20% for testing...'
    movie_reviews = load_files(dataset_dir_name)  
    doc_str_list_train, doc_str_list_test, doc_class_list_train, doc_class_list_test = train_test_split(movie_reviews.data, movie_reviews.target, test_size = 0.2, random_state = 0)
    
    print 'Feature selection...'
    print 'fs method:' + fs_method, 'fs num:' + str(fs_num)
    vectorizer = CountVectorizer(binary = True)   
    word_tokenizer = vectorizer.build_tokenizer()
    doc_terms_list_train = [word_tokenizer(doc_str) for doc_str in doc_str_list_train]
    term_set_fs = feature_selection.feature_selection(doc_terms_list_train, doc_class_list_train, fs_method)[:fs_num]
    
    print 'Building VSM model...'
    term_dict = dict(zip(term_set_fs, range(len(term_set_fs))))
    vectorizer.fixed_vocabulary = True
    vectorizer.vocabulary_ = term_dict
    doc_train_vec = vectorizer.fit_transform(doc_str_list_train)
    doc_test_vec= vectorizer.transform(doc_str_list_test)
    
    clf = MultinomialNB().fit(doc_train_vec, doc_class_list_train)  #呼叫MultinomialNB分類器
    doc_test_predicted = clf.predict(doc_test_vec)
    
    acc = np.mean(doc_test_predicted == doc_class_list_test)  
    print 'Accuracy: ', acc
    
    return acc
       

if __name__ == '__main__':
    dataset_dir_name = sys.argv[1]
    fs_method_list = ['IG', 'MI', 'WLLR']
    fs_num_list = range(25000, 35000, 1000)
    acc_dict = {}
   
    for fs_method in fs_method_list:
        acc_list = []
        for fs_num in fs_num_list:
            acc = text_classifly_twang(dataset_dir_name, fs_method, fs_num)
            acc_list.append(acc)
        acc_dict[fs_method] = acc_list
        print 'fs method:', acc_dict[fs_method]
        
    for fs_method in fs_method_list:
        plt.plot(fs_num_list, acc_dict[fs_method],  '--^',  label = fs_method)
        plt.title('feature  selection')
        plt.xlabel('fs num')
        plt.ylabel('accuracy')
        plt.ylim((0.82, 0.86))
        
    plt.legend( loc='upper left', numpoints = 1)
    plt.show()

　　輸出的結果：

　　從上面的圖看出：分類的效能隨著特徵選擇的數量的增加，呈現“凸”形趨勢：1）在特徵數量較少的情況下，不斷增加特徵的數量，有利於提高分類器的效能，呈現“上升”趨勢；2）隨著特徵數量的不斷增加，將會引入一些不重要的特徵，甚至是噪聲，因此，分類器的效能將會呈現“下降”的趨勢。這張“凸”形趨勢體現出了特徵選擇的重要性：選擇出重要的特徵，並降低噪聲，提高演算法的泛化能力。

引數文獻：

　　　　1.Y. Yang and J. Pedersen. 1997. A comparative study on feature selection in text categorization.

　　　　2.Shoushan Li, Rui Xia, Chengqing Zong and Chu-Ren Huang.2009.A Framework of Feature Selection Methods for Text Categorization

　　　　3.老闆的課件

文字挖掘之特徵選擇(python 實現)

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文字挖掘之特徵選擇（python實現）

文字挖掘之降維技術之特徵選擇

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2. 特徵工程之特徵選擇

演算法之氣泡排序-python實現

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【機器學習】機器學習之特徵選擇

機器學習之決策樹----python實現

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