机器学习中需要了解的 5 种基础采样方法

WalmartLabs 的数据科学家 Rahul Agarwal 提出了数据科学家需要了解的 5 种基础采样方法，包括简单随机抽样、分层采样、水塘采样、随机欠采样和过采样等。采样是数据科学中常见问题，工业机器人数据采样中也会用到。

以下是关于Rahul Agarwal 分享的内容，编译整理如下。

数据科学实际上是就是研究算法。

我每天都在努力学习许多算法，所以我想列出一些最常见和最常用的算法。

本文介绍了在处理数据时可以使用的一些最常见的采样技术。

简单随机抽样

假设您要选择一个群体的子集，其中该子集的每个成员被选择的概率都相等。

下面我们从一个数据集中选择 100 个采样点。

sample_df = df.sample(100)

分层采样

假设我们需要估计选举中每个候选人的平均票数。现假设该国有 3 个城镇：

A 镇有 100 万工人，

B 镇有 200 万工人，以及

C 镇有 300 万退休人员。

我们可以选择在整个人口中随机抽取一个 60 大小的样本，但在这些城镇中，随机样本可能不太平衡，因此会产生偏差，导致估计误差很大。

相反，如果我们选择从 A、B 和 C 镇分别抽取 10、20 和 30 个随机样本，那么我们可以在总样本大小相同的情况下，产生较小的估计误差。

使用 python 可以很容易地做到这一点：

from sklearn.model_selection import train_test_splitX_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, test_size=0.25)

水塘采样

我喜欢这个问题陈述：

假设您有一个项目流，它长度较大且未知以至于我们只能迭代一次。

创建一个算法，从这个流中随机选择一个项目，这样每个项目都有相同的可能被选中。

我们怎么能做到这一点？

假设我们必须从无限大的流中抽取 5 个对象，且每个元素被选中的概率都相等。

import randomdef generator(max):

number = 1

while number < max:

number += 1

yield number# Create as stream generator

stream = generator(10000)# Doing Reservoir Sampling from the stream

k=5

reservoir = []

for i, element in enumerate(stream):

if i+1<= k:

reservoir.append(element)

else:

probability = k/(i+1)

if random.random() < probability:

# Select item in stream and remove one of the k items already selected

reservoir[random.choice(range(0,k))] = elementprint(reservoir)

------------------------------------

[1369, 4108, 9986, 828, 5589]

从数学上可以证明，在样本中，流中每个元素被选中的概率相同。这是为什么呢？

当涉及到数学问题时，从一个小问题开始思考总是有帮助的。

所以，让我们考虑一个只有 3 个项目的流，我们必须保留其中 2 个。

当我们看到第一个项目，我们把它放在清单上，因为我们的水塘有空间。在我们看到第二个项目时，我们把它放在列表中，因为我们的水塘还是有空间。

现在我们看到第三个项目。这里是事情开始变得有趣的地方。我们有 2/3 的概率将第三个项目放在清单中。

现在让我们看看第一个项目被选中的概率：

移除第一个项目的概率是项目 3 被选中的概率乘以项目 1 被随机选为水塘中 2 个要素的替代候选的概率。这个概率是：

2/3*1/2 = 1/3

因此，选择项目 1 的概率为：

1–1/3=2/3

我们可以对第二个项目使用完全相同的参数，并且可以将其扩展到多个项目。

因此，每个项目被选中的概率相同：2/3 或者用一般的公式表示为 K/N

随机欠采样和过采样

我们经常会遇到不平衡的数据集。

一种广泛采用的处理高度不平衡数据集的技术称为重采样。它包括从多数类（欠采样）中删除样本或向少数类（过采样）中添加更多示例。

让我们先创建一些不平衡数据示例。

from sklearn.datasets import make_classificationX, y = make_classification( n_classes=2, class_sep=1.5, weights=[0.9, 0.1], n_informative=3, n_redundant=1, flip_y=0, n_features=20, n_clusters_per_class=1, n_samples=100, random_state=10)X = pd.DataFrame(X)X[ target ] = y

我们现在可以使用以下方法进行随机过采样和欠采样：

num_0 = len(X[X[ target ]==0])num_1 = len(X[X[ target ]==1])print(num_0,num_1)# random undersampleundersampled_data = pd.concat([ X[X[ target ]==0].sample(num_1) , X[X[ target ]==1] ])print(len(undersampled_data))# random oversampleoversampled_data = pd.concat([ X[X[ target ]==0] , X[X[ target ]==1].sample(num_0, replace=True) ])print(len(oversampled_data))------------------------------------------------------------OUTPUT:90 1020180

使用 imbalanced-learn 进行欠采样和过采样

imbalanced-learn（imblearn）是一个用于解决不平衡数据集问题的 python 包，它提供了多种方法来进行欠采样和过采样。

a. 使用 Tomek Links 进行欠采样：

imbalanced-learn 提供的一种方法叫做 Tomek Links。Tomek Links 是邻近的两个相反类的例子。

在这个算法中，我们最终从 Tomek Links 中删除了大多数元素，这为分类器提供了一个更好的决策边界。