Читать книгу Предсказываем тренды. С Rattle и R в мир моделей классификации - Александр Фоменко - Страница 12

Эти преобразования действуют на группы предикторов, обычно все рассматриваемого множества. Наиболее значимые методы направлены на решение проблем выбросов и уменьшения размерность данных.

2.2.1. Преобразования, решающие проблему выбросов

Мы обычно определим выбросы как наблюдения, которые исключительно далеки от основных данных. При определенных предположениях есть формальные статистические определения выброса. Даже с полным пониманием данных бывает сложно определить выбросы. Однако можно выявить необычное значение, глядя на рисунок. Если одно или более значений предиктора попадает под подозрение, сначала нужно подумать о допустимости этих значений. Необходимо соблюдать особую осторожность и не торопиться удалять или изменять значение, особенно при небольшом объеме выборки.

Есть несколько предсказательных моделей, которые являются устойчивыми к выбросам. Модели классификации на основе дерева создают разделения учебных данных, и уравнение предсказания – ряд логических операторов таких как, «если предиктор A больше чем X, то предсказываем класс Y», таким образом, выброс обычно не имеет исключительного влияния на модель. Машины опорных векторов для классификации обычно игнорируют часть наблюдений набора данных обучения, создавая уравнение предсказания. Исключенные наблюдения могут быть далеко от границы решения и за пределами основных данных.

Если используемая модель чувствительна к выбросам, то существует преобразование данных, которое может минимизировать задачу – это пространственный знак.

2.2.2. Снижение объема данных и выделение предикторов (PCA)

Методы снижения объема данных – другой класс преобразований предикторов. Эти методы сокращают данные, генерируя меньшее множество предикторов, которые стремятся получить большую часть информации из исходных переменных. Таким образом, можно использовать меньше переменных, которые обеспечивают разумную точность для исходных данных. Для большинства методов снижения объема данных новые предикторы – функции исходных предикторов; поэтому, все исходные предикторы все еще необходимы, чтобы создать суррогатные переменные. Этот класс методов часто вызывают экстракцией сигнала или методами выделения предикторов.

Алгоритм PCA – обычно используемый метод снижения объема данных. Этот метод стремится найти линейные комбинации предикторов, называемых главными компонентами (PC), которые содержат наибольшую возможную дисперсию. Первая PC определена как линейная комбинация предикторов, которая получает большую часть изменчивости всех возможных линейных комбинаций. Затем, последующие PC получены так, что эти линейные комбинации получают остающуюся изменчивость, также будучи некоррелированным со всеми предыдущими PC.

Основное преимущество PCA и причина, что он сохранило свою популярность как метод снижения объема данных, состоит в том, что он создает компоненты, которые не коррелированы. Как отмечалось ранее, некоторые предсказывающие модели предпочитают, чтобы предикторы были не коррелированы (или, по крайней мере, с низкой корреляцией) для улучшения устойчивости модели. Используя РСА предварительная обработка создает новые предикторы с требуемыми характеристическими.

Хотя PCA поставляет новые предикторы с требуемыми характеристиками, он должен использоваться с пониманием и вниманием. Особенно практики должны понять, что PCA ищет установленное в предиктор изменение без отношения к дальнейшему пониманию предикторов (то есть, измерительные весы или распределения) или к знанию целей моделирования (то есть, целевой переменной). Следовательно, без надлежащего руководства, PCA может генерировать компоненты, которые суммируют характеристики данных, которые не важны глубинной структуре данных и также к окончательной цели моделирования.

Поскольку PCA ищет линейные комбинации предикторов, которые максимизируют изменчивость, он будет естественно сначала брать предикторы, у которых есть больше изменения. Если исходные предикторы находятся в исходных масштабах, которые отличаются по порядкам величины (например, котировки EURUSD и USDJPY), то японская йена будет довлеть над парой EURUSD. Это означает, что веса PC будут больше для йены. Кроме того, это означает, что PCA будет фокусировать свои усилия на идентификации структуры данных, основанной на исходных масштабах, а не основанной на важных отношениях среди данных для решаемой задачи.

Для большинства наборов данных предикторы имеют разные масштабы. Кроме того, предикторы, возможно, имеют скошенные распределения. Следовательно, для исключения в PCA избегать суммирования исходных различий и информации о масштабе предикторов лучше сначала преобразовывать предикторы, центрировать и масштабировать предикторы до выполнения PCA. Центрирование и масштабирование позволяют PCA найти базовые отношения в данных, игнорируя влияние исходных измеренных величин.

Вторая отрицательная черта PCA состоит в том, что он не рассматривает цель моделирования или переменную отклика при суммировании изменчивости. Поскольку PCA слепой к отклику, это – неконтролируемый метод. Если предсказательное отношение между предикторами и откликом не будет соединено с изменчивостью предикторов, то полученные PC не будут предоставлять подходящему отношению отклик. В этом случае, контролируемый метод такой, как PLS, создаст компоненты, одновременно учитывая соответствующий отклик.

Аналогично PCA, PLS находит линейные комбинации предикторов. Эти линейные комбинации обычно называют компонентами или скрытыми переменными. В то время как линейные комбинации PCA выбираются с целью максимально суммировать изменчивость пространства предикторов, линейные комбинации предикторов в PLS выбираются с целью, чтобы максимально суммировать ковариацию с откликом (целевой переменной). Это означает, что PLS находит компоненты, которые максимально суммируют изменение предикторов, одновременно требуя, чтобы эти компоненты имели максимальную корреляцию с целевой переменной. Поэтому PLS получает компромисс между целью уменьшения размерности пространства предикторов и предсказательного отношения с целевой переменной. Другими словами PLS относится к контролируемой процедуре уменьшения размерности.

Как только выбрано соответствующие преобразования предикторов, то можно применить PCA. Для моделей со многими предикторами следует принять решение о количестве главных компонент, подлежащих использованию. Этот вопрос решается просто при использовании средств R: результат вычислений сопровождается вспомогательной информацией в виде накопленной изменчивости. Обычно берется величина 95% и выбирается такое количество главных компонент, которые совместно накопили такую изменчивость исходных данных.

При разложении исходного набора предикторов на главные компоненты указывается вес каждого предиктора в конкретной главной компоненте. Этот вес называется нагрузкой. Нагрузка близкая к нулю указывает, что этот конкретный предиктор не очень-то важен этому компоненту. Если среди всех отобранных главных компонент окажется предиктор с небольшой нагрузкой, то этот предиктор является кандидатом на его исключение из модели.