Numpy特征选择与MRMR

在本文中，我们将介绍使用Numpy的MRMR算法进行特征选择的方法。对于一个数据集，如果特征太多，可能会导致维度灾难，影响模型的效果和性能。因此，通过特征选择，我们可以降低特征数目，提高模型的精度和效率。

阅读更多：Numpy 教程

什么是MRMR算法？

Minimum Redundancy Maximum Relevance (MRMR) 算法是一种基于信息论的特征选择算法，最早由Peng等人提出。其主要思想是，在特征选择过程中，选择具有最高相关性和最小冗余的特征子集。具体来说，MRMR算法首先计算每个特征与类别之间的相关性，然后计算彼此之间特征的相关性。最后，从中选择出具有最高相关性和最小冗余的特征集合。

如何使用Numpy实现MRMR算法？

首先，我们需要将数据集转换为Numpy数组。

import numpy as np
data = np.genfromtxt('dataset.csv', delimiter=',')

其中，’dataset.csv’是我们要选择特征的数据集文件名，delimiter参数用于指定文件的分隔符。

接下来，我们需要将特征和类别分开，并计算特征之间的相关性。

features = data[:,:-1]  # 所有特征
labels = data[:,-1]     # 所有类别

n_features = features.shape[1]  # 特征数量
correlation_matrix = np.zeros((n_features, n_features))  # 保存特征的相关性

for i in range(n_features):
    for j in range(i+1, n_features):
        # 计算两个特征之间的相关性
        corr_ij = np.corrcoef(features[:,i], features[:,j])[0,1]
        correlation_matrix[i,j] = corr_ij
        correlation_matrix[j,i] = corr_ij  # 相关性矩阵是对称的

以上代码中，我们使用了numpy库提供的corrcoef函数计算特征之间的相关性。因为相关性矩阵是对称的，所以我们只需要计算矩阵的右上角部分即可。

计算特征与类别之间的相关性也是类似的。

feature_label_corr = np.zeros(n_features)  # 保存特征和类别之间的相关性

for i in range(n_features):
    feature_label_corr[i] = np.corrcoef(features[:,i], labels)[0,1]

接下来，我们可以计算特征的互信息和冗余度。

# 计算特征的互信息
def mutual_information(x,y):
    pxy, _ = np.histogramdd([x,y], bins=[len(np.unique(x)),len(np.unique(y))])
    pxy = pxy / float(np.sum(pxy))
    px = np.sum(pxy, axis=1)
    py = np.sum(pxy, axis=0)
    px_py = np.outer(px, py)
    px_py[px_py == 0] = 1
    mi = np.sum(pxy * np.log2(pxy / px_py))
    return mi

# 计算每个特征的冗余度
redundancy = np.zeros(n_features)
for i in range(n_features):
    for j in range(n_features):
        if i!=j:
            redundancy[i] += correlation_matrix[i][j] * mutual_information(features[:,i], features[:,j])

最后，我们可以计算每个特征的相关性和冗余度之和，选择得分最高的k个特征。

# 选择k个得分最高的特征
def mrmr(features, labels, k):
    scores = np.zeros(n_features)
    for i in range(n_features):
        scores[i] = feature_label_corr[i] - redundancy[i]

    selected = []
    for_ in range(k):
        remaining = list(set(range(n_features)) - set(selected))
        max_score = -np.inf
        max_feature = None
        for i in remaining:
            score = scores[i]
            if score > max_score:
                max_score = score
                max_feature = i
        selected.append(max_feature)
    return selected

示例

为了更好地说明MRMR算法的应用，我们使用Pima Indians Diabetes数据集进行特征选择和分类。这个数据集包含768个样本，8个特征和1个二元目标变量，目标变量表示一个人是否患有糖尿病。

下面是完整的Python代码：

import numpy as np
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.linear_model import LogisticRegression

# 数据集文件名
filename = 'pima-indians-diabetes.csv'
# 特征选择的数量
k_features = 4

# 从CSV读取数据
dataset = np.loadtxt(filename, delimiter=",")
# 将特征和目标分开
X = dataset[:,0:8]
y = dataset[:,8]

# 划分数据集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# MRMR特征选择
n_features = X_train.shape[1]  
correlation_matrix = np.zeros((n_features, n_features)) 
for i in range(n_features):
    for j in range(i+1, n_features):
        corr_ij = np.corrcoef(X_train[:,i], X_train[:,j])[0,1]
        correlation_matrix[i,j] = corr_ij
        correlation_matrix[j,i] = corr_ij 

feature_label_corr = np.zeros(n_features)
for i in range(n_features):
    feature_label_corr[i] = np.corrcoef(X_train[:,i], y_train)[0,1]

def mutual_information(x,y):
    pxy, _ = np.histogramdd([x,y], bins=[len(np.unique(x)),len(np.unique(y))])
    pxy = pxy / float(np.sum(pxy))
    px = np.sum(pxy, axis=1)
    py = np.sum(pxy, axis=0)
    px_py = np.outer(px, py)
    px_py[px_py == 0] = 1
    mi = np.sum(pxy * np.log2(pxy / px_py))
    return mi

redundancy = np.zeros(n_features)
for i in range(n_features):
    for j in range(n_features):
        if i!=j:
            redundancy[i] += correlation_matrix[i][j] * mutual_information(X_train[:,i], X_train[:,j])

scores = np.zeros(n_features)
for i in range(n_features):
    scores[i] = feature_label_corr[i] - redundancy[i]

selected = []
for i in range(k_features):
    remaining = list(set(range(n_features)) - set(selected))
    max_score = -np.inf
    max_feature = None
    for i in remaining:
        score = scores[i]
        if score > max_score:
            max_score = score
            max_feature = i
    selected.append(max_feature)

# 训练模型并测试
model = LogisticRegression()
model.fit(X_train[:,selected], y_train)
y_pred = model.predict(X_test[:,selected])
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
print("Accuracy score:", accuracy)