SMOTE是一种综合采样人工合成数据算法,用于解决数据类别不平衡问题(Imbalanced class problem),以Over-sampling少数类和Under-sampling多数类结合的方式来合成数据。本文将以Nitesh V. Chawla(2002)的论文为蓝本,阐述SMOTE的核心思想以及实现其朴素算法,在传统分类器(贝叶斯和决策树)上进行对比算法性能并且讨论其算法改进的途径。
类别不平衡是一种在分类器模型训练过程中常见的问题之一,如通过大量胸透图片来学习判断一个人是否有癌症,又如在网络流日志中学习检测可能是攻击行为的数据模式,这一类的任务中都是正常的类多于异常(诊断属于癌症,属于攻击行为)的类,在类别不平衡数据下训练出来的分类器要非常的小心,即使该分类器拥有很高的精度,因为它很可能会习得大部分的都是正常的,而我们可能需要的是它能够最大程度的识别异常行为,哪怕精度低于前者。
为了解决这一问题,业内已经有以下5种公认的方法去扩充数据集[1],以至于类别均匀:
本文要介绍的SMOTE算法就是一种综合1,3方法的改进方式,它以每个样本点的k个最近邻样本点为依据,随机的选择N个邻近点进行差值乘上一个[0,1]范围的阈值,从而达到合成数据的目的。这种算法的核心是:特征空间上邻近的点其特征都是相似的。它并不是在数据空间上进行采样,而是在特征空间中进行采样,所以它的准确率会高于传统的采样方式。这也是为什么到目前为止SMOTE以及其派生的算法仍然是较为主流的采样技术的原因。
Figure 1
在Figure 1中,假设数据点A在特征空间上有4个邻近点,若N为2,则SMOTE会随机选择其中2个邻近点B,C,分别计算A->B, A->C的距离,如图中绿线和红线所示,在绿线或红线上的所有采样点都是合理的,如点A1。为了确保数据点尽可能的多样(不重叠),故乘上一个[0, 1]之间的随机因子。
本文将会在第2章根据SMOTE的核心以及其伪代码实现该算法,并应用在测试数据集上;第3章会使用第三方imbalanced-learn
库中实现的SMOTE算法进行采样,以验证我们实现的算法的准确性,当然这个库中的算法要优于朴素的SMOTE算法,之后我们会以决策树和高斯贝叶斯分类器为工具,对测试原始数据、应用我们所实现的SMOTE采样后产生的数据以及应用第三方库SMOTE产生的数据三者分别产生的数据集进行性能比较;第4章会讨论朴素SMOTE算法更加鲁棒和表现更好的优化途径;第5章是对本文的总结。
Fig. 2是在SMOTE论文中提出的伪代码,由两个函数SMOTE(T, N, K)
和Populate(N, i, nnarray)
组成。
Figure 2: algorithm
SMOTE
负责接受要采样的类数据集X,返回一个经过SMOTE采样后的数据集,大小为(N/100)*T
,函数有三个参数,分别是T: 需要处理的数据集X的样本数量; N: 采样比例,一般为100, 200, 300等整百数,对应即1倍,2倍,3倍;K: 为采样的最近邻数量,论文中默认为5
。SMOTE
代码思想非常简单,扫描每一个样本点,计算每一个样本点的K个最近邻,将每一个最近邻样本点的索引记录在nnarray
中,之后传入Populate(N, i, nnarray)
中即完成一个样本点的采样。
Populate
则负责根据nnarray
中的索引去随机生成N
个与观测样本i
相似的样本。该函数会计算随机邻近点nn
与观测样本i
点的每一个特征之间的差距dif
,将其差距乘上一个[0, 1]随机因子gap
,再将dif*gap
的值加上观测点i
即完成了一个特征的合成。
在Python中实现如下:
注:为了保证本文中所有代码的可复现性,设置的random_state
均为666
def NaiveSMOTE(X, N=100, K=5):
"""
{X}: minority class samples;
{N}: Amount of SMOTE; default 100;
{K} Number of nearest; default 5;
"""
# {T}: Number of minority class samples;
T = X.shape[0]
if N < 100:
T = (N/100) * T
N = 100
N = (int)(N/100)
numattrs = X.shape[1]
samples = X[:T]
neigh = NearestNeighbors(n_neighbors=K)
neigh.fit(samples)
Synthetic = np.zeros((T*N, numattrs))
newindex = 0
def Populate(N, i, nns, newindex):
"""
Function to generate the synthetic samples.
"""
for n in range(N):
nn = np.random.randint(0, K)
for attr in range(numattrs):
dif = samples[nns[nn], attr] - samples[i, attr]
gap = np.random.random()
Synthetic[newindex, attr] = samples[i, attr] + gap*dif
newindex += 1
return newindex
for i in range(T):
nns = neigh.kneighbors([samples[i]], K, return_distance=False)
newindex = Populate(N, i, nns[0], newindex)
return Synthetic
这里没有采用矩阵运算,而是完完全全的按照论文中的方式复现(所以称为NaiveSMOTE),其中最近邻的计算我们使用scikit-learn
提供的NearestNeighbors
类完成。
接下来我们使用scikit-learn
中的make_classification
来生成测试分类数据集,模拟不平衡类数据,当然有兴趣的读者也可以去寻找论文中所使用的数据集。
from sklearn.datasets import make_classification
X, y = make_classification(n_samples=500,
n_features=9,
n_redundant=3,
weights=(0.1, 0.9),
n_clusters_per_class=2,
random_state=666) # 为了可复现性
print(X.shape, y.shape) # ((500, 9), (500,))
# 查看y的各类样本数
print(view_y(y)) # class 0: 50 class 1: 450
原数据集的分布如Fig. 3所示,其中红色圆圈为正类即少数类,蓝色×为负类即多数类。
Figure 3: original_dataset
将我们实现的NaiveSMOTE
应用在此测试数据上:
X_over_sampling = NaiveSMOTE(X[y==0], N=800)
print(X_over_sampling.shape) # (400, 9) 新增了400个样本
# 将合成数据与原数据集合并
new_X = np.r_[X, X_over_sampling]
new_y = np.r_[y, np.zeros((X_over_sampling.shape[0]))]
print(new_X.shape, new_y.shape) # ((900, 9), (900,))
print(view_y(new_y)) # class 0: 450 class 1: 450
接下来我们将原数据集与经过NaiveSMOTE
合成后的数据集进行比对:
可以很清晰的看见原来的类增大至一个满意的水平,并且生成的类之间距离都相距不远。
扩展:
探索SMOTE算法 - 知乎 (zhihu.com)
过采样算法之SMOTE - wqbin - 博客园 (cnblogs.com)