浅谈自动特征构造工具Featuretools

简介

特征工程在机器学习中具有重要意义，但是通过手动创造特征是一个缓慢且艰巨的过程。Python的特征工程库featuretools可以帮助我们简化这一过程。Featuretools是执行自动化特征工程的框架，有两类特征构造的操作：聚合（aggregation）和 转换（transform）。

官方文档：https://docs.featuretools.com/en/stable/index.html

 

示例

版本说明

python 3.7.6
featuretools==0.13.4
scikit-learn==0.22.2.post1

首先，我们得先了解一下featuretools的3个基本组成

• 实体集（EntitySet）：把一个二维表看作一个实体，实体集是一个或多个二维表的集合
• 特征基元（Feature Primitives）：分为聚合和转换两类，相当于构造新特征的方法
• 深度特征合成（DFS, Deep Feature Synthesis）：根据实体集里的实体和特征基元创造新特征

单个数据表

max_depth=1

加载数据

from sklearn.datasets import load_iris
import pandas as pd
import numpy as np
import featuretools as ft

dataset = load_iris()
X = dataset.data
y = dataset.target
iris_feature_names = dataset.feature_names

df = pd.DataFrame(X, columns=iris_feature_names)

用实体集表示数据集

import featuretools as ft
es = ft.EntitySet(id='single_dataframe')  # 用id标识实体集
# 增加一个数据框，命名为iris
es.entity_from_dataframe(entity_id='iris',
             dataframe=df,
             index='index',
             make_index=True)

选择特征基元并自动进行特征工程，我们这里采用加减乘除4个基元，max_depth控制“套娃”的深度，如果是1的话只在原特征上进行，大于1的话不仅会在原来的特征上，还会在其他基元生成的新特征上创造特征，数值越大，允许越深的“套娃”。

trans_primitives=['add_numeric', 'subtract_numeric', 'multiply_numeric', 'divide_numeric']  # 2列相加减乘除来生成新特征
# ft.list_primitives()  # 查看可使用的特征集元
feature_matrix, feature_names = ft.dfs(entityset=es,
     target_entity='iris',
     max_depth=1,    # max_depth=1，只在原特征上进行运算产生新特征
     verbose=1,
     trans_primitives=trans_primitives
)

我们知道加法和乘法满足交换律，而减法和除法不满足，以特征A和B为例，A+B的结果一定等于B+A，但是A-B不一定等于B-A。

按理说，不同基元操作后的总特征数：

加和乘的新特征数+原始特征数，feature_num*(feature_num-1)/2+feature_num，所以这里是4*3/2+4=10
减和除的新特征数+原始特征数，feature_num*(feature_num-1)+feature_num，所以这里是4*3+4=16
10*2+16*2-4*3=40，4*3减去重复的3原始特征3次

在0.13.4版本的featuretools中，默认减法满足交换律，因此实际生成的特征会少一些，只有34个特征。

下面是0.13.4版本的featuretools中的代码，subtract_numeric默认开启了交换律，我想因为 A-B = -(B-A) ，可以认为是一个特征，只不过一个是正相关一个是负相关。但是如果max_depth很深，差别会越来越大，如 A+B×(A-B) 和 A+B×(B-A) 。

class SubtractNumeric(TransformPrimitive):
    name = "subtract_numeric"
    input_types = [Numeric, Numeric]
    return_type = Numeric

    def __init__(self, commutative=True):
        self.commutative = commutative
        ...

如果想要全部特征，可以创建一个subtract_numeric的实例，让commutative参数为False，这时就会有40个特征了，这是预期的结果。

trans_primitives=['add_numeric', ft.primitives.SubtractNumeric(commutative=False), 'multiply_numeric', 'divide_numeric']
feature_matrix, feature_names = ft.dfs(entityset=es,
     target_entity='iris',
     max_depth=1,
     verbose=1,
     trans_primitives=trans_primitives
)

自动特征工程后，可能会出现 np.inf 和 np.nan 这样的异常值，我们需要处理这些异常数据。其中 np.inf 可能是由 n/0 导致的，np.nan 可能是由 0/0 导致的。

feature_matrix.replace([np.inf, -np.inf], np.nan)  # np.inf都用np.nan代替
feature_matrix.isnull().sum()

max_depth不为1

如果我们的max_depth不为1，要知道特征基元的顺序是会带来影响的。另外就是如果max_depth数值大，特征基元多的话特征工程后的维度会迅速膨胀。下面的两个例子中，原来的特征只有4个，让max_depth为2且只用2个特征基元后特征就有100+了。

先乘再除

feat_matrix, feat_names = ft.dfs(entityset=es,
                     target_entity='iris',
                     max_depth=2,
                     verbose=1,
                     trans_primitives=['multiply_numeric', 'divide_numeric'],
)
# 乘法基元处理后特征数（包含原特征）一共有4*3/2+4=10个
# 除法基元会在乘法处理后的10个特征上，进行除法操作，所以这样会有10*9+10=100个特征

先除再乘

feat_matrix, feat_names = ft.dfs(entityset=es,
                     target_entity='iris',
                     max_depth=2,
                     verbose=1,
                     trans_primitives=['divide_numeric', 'multiply_numeric']
)
# 除法基元处理后特征数（包含原特征）一共有4*3+4=16个
# 同样地，乘法在这16个特征上进行操作，会有16*15/2+16=136个特征

多个数据表

我们这里自定义2个数据表来表示。其中df_2中id就是df_1中的id

df_1 = pd.DataFrame({'id':[0,1,2,3], 'a':[1,2,2,3], 'b':[2,4,4,5]})
df_2 = pd.DataFrame({'id':[0,1,1,2,3], 'c':[1,3,3,2,5], 'd':[5,6,7,9,8]})

es = ft.EntitySet(id='double_dataframe')
es.entity_from_dataframe(entity_id='df_1',         # 增加一个数据框
             dataframe=df_1,
             index='id')
es.entity_from_dataframe(entity_id='df_2',         # 增加一个数据框
             dataframe=df_2,
             index='index',
             make_index=True)
# 通过 id 关联 df_1 和 df_2 实体
relation = ft.Relationship(es['df_1']['id'], es['df_2']['id'])
es = es.add_relationship(relation)

聚合基元 sum 和 median 会将df_2中相同“id”的数据进行相加和取中位数的操作

trans_primitives=['add_numeric']
agg_primitives=['sum', 'median']
feature_matrix, feature_names = ft.dfs(entityset=es,
                     target_entity='df_1',
                     max_depth=1,
                     verbose=1,
                     agg_primitives=agg_primitives,
                     trans_primitives=trans_primitives)