过采样算法之SMOTE

摘要

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。

1. 引言

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:

  1. 随机的增大少数类的样本数量。
  2. 随机的增大特定少数类样本的数量。
  3. 随机的减少多数类样本的数量。
  4. 随机的减少特定多数类样本的数量。
  5. 修改代价函数,使得少数类出错的代价更高。

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。

过采样算法之SMOTE_第1张图片

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。

2. 算法分析与实现

Fig. 2是在SMOTE论文中提出的伪代码,由两个函数SMOTE(T, N, K)Populate(N, i, nnarray)组成。

过采样算法之SMOTE_第2张图片

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5SMOTE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。

过采样算法之SMOTE_第3张图片

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:

过采样算法之SMOTE_第4张图片

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)

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