机器学习-特征选择：如何使用Lassco回归精确选择最佳特征？

一、引言

特征选择在机器学习领域中扮演着至关重要的角色，它能够从原始数据中选择最具信息量的特征，提高模型性能、减少过拟合，并加快模型训练和预测的速度。在大规模数据集和高维数据中，特征选择尤为重要，因为不必要的特征会增加计算复杂性并引入冗余信息。

Lasso回归是一种强有力的特征选择方法，通过引入L1正则化来推动部分特征系数稀疏化。相比于其他方法，Lasso回归具有良好的解释性和可解释性，能够自动选择与目标变量相关的重要特征，同时将不相关或冗余特征的系数置零。这使得Lasso回归成为特征选择和维度约简的首选方法。

本文旨在介绍Lasso回归在精确特征选择中的应用。首先，我们将探讨特征选择的重要性，包括如何提高模型性能和降低计算成本。接着，我们将深入解析Lasso回归的原理和算法，并说明其在特征选择中的优势。为了支撑我们的观点，我们将引用相关文献提供的实证结果和案例分析。

二、Lasso回归简介

2.1 Lasso回归的基本原理

Lasso回归，也称为最小绝对收缩和选择算子回归，是一种线性回归方法。其基本原理是在普通最小二乘法的基础上，引入L1正则化项，通过最小化目标函数来实现模型的特征选择和系数稀疏化。

Lasso回归的目标函数如下所示： minimize ||Y - Xβ||^2 + λ||β||₁ 其中，Y是观测值向量，X是特征矩阵，β是待估计的回归系数向量，λ是控制正则化强度的超参数。

L1正则化项λ||β||₁在目标函数中起到了关键作用。它引入了稀疏性，即使得一些特征的系数被压缩为零，从而实现了自动的特征选择。因此，Lasso回归不仅可以进行预测，还可以识别出对目标变量有重要影响的特征。

2.2 Lasso回归与普通最小二乘法区别

Lasso回归与普通最小二乘法之间存在着几个重要的区别。

• 首先，Lasso回归通过引入L1正则化项，使得部分特征的系数变为零。这种特性使得Lasso回归能够实现特征选择，从而减少了模型的复杂度和噪声的影响。而普通最小二乘法并没有引入正则化项，无法直接进行特征选择。
• 其次，Lasso回归的估计结果更具有解释性。由于L1正则化的存在，Lasso回归可以将不相关或冗余的特征系数置为零，只保留与目标变量相关的重要特征。这样一来，Lasso回归得到的模型更简洁、更易解释。而普通最小二乘法则会给出所有特征的系数估计值，无法过滤掉不相关特征。
• 此外，Lasso回归适用于高维数据集。在高维情况下，特征的数量远大于样本的数量，Lasso回归能够通过特征选择来缓解维度灾难的问题。而普通最小二乘法在高维数据集中容易出现过拟合的情况。

综上所述，Lasso回归通过引入L1正则化项，实现了特征选择和系数稀疏化，与普通最小二乘法相比，在模型解释性和适应高维数据等方面具有一定的优势。

三、特征选择的方法

3.1 过滤方法

过滤方法是一种常见的特征选择方法，它通过在训练模型之前对特征进行筛选，选择那些与目标变量相关性较高的特征。以下是几种常用的过滤方法：

• 方差阈值：方差阈值方法是通过计算特征在样本中的变化程度来进行特征选择。具体来说，计算每个特征的方差，并将方差低于某个阈值的特征排除。这种方法适用于对离散特征进行选择。
• 互信息：互信息是衡量两个随机变量之间相互依赖程度的度量指标。在特征选择中，可以计算每个特征与目标变量之间的互信息，然后选择互信息高于某个阈值的特征。互信息方法适用于对离散或连续变量之间的关系进行选择。
• 相关性系数：相关性系数是衡量两个变量之间线性相关程度的指标。常用的相关性系数包括皮尔逊相关系数和斯皮尔曼等级相关系数。通过计算每个特征与目标变量之间的相关性系数，可以选择与目标变量具有较高相关性的特征。相关性系数方法适用于对连续变量之间的关系进行选择。

这些过滤方法都是基于统计学原理和度量指标来进行特征选择的，它们简单直观，计算效率高，并且可以帮助筛选出与目标变量相关性较强的特征。但是过滤方法忽略了特征之间的相互作用和非线性关系，可能会无法捕捉到一些重要的特征。因此，在实际应用中，可以结合其他特征选择方法，如包裹方法和嵌入方法，以获得更准确和鲁棒的特征选择结果。

3.2 包装方法

包装方法是一种更为复杂和耗时的特征选择方法，它通过使用某个学习模型来评估特征的重要性，并根据重要性进行特征选择。以下是两种常见的包装方法：

• 递归特征消除（Recursive Feature Elimination, RFE）：递归特征消除是一种迭代的特征选择方法。它通过反复训练一个学习模型，并在每次迭代中排除对目标变量影响较小的特征。具体步骤如下：首先，训练一个学习模型，根据特征的重要性进行排序。然后，删除最不重要的特征，重新训练模型，并继续迭代直到达到指定的特征数目或达到停止条件。递归特征消除适用于任何学习模型，并且可以通过交叉验证来选择最佳的特征子集。
• 基于遗传算法的特征选择：基于遗传算法的特征选择是一种优化算法，通过模拟生物进化过程来搜索最佳特征子集。这种方法将特征作为个体，通过交叉、变异和选择等操作来生成新的特征子集，并利用评估函数（如模型准确率）来评估特征子集的质量。遗传算法根据评估函数的反馈进行迭代优化，直到找到最佳的特征子集为止。基于遗传算法的特征选择可以全局搜索特征空间，并且具有较强的鲁棒性和适应性。

包装方法相对于过滤方法更为精确，能够考虑特征之间的相互作用和非线性关系。然而，由于包装方法需要多次训练模型，计算复杂度较高，并且对于大规模数据集可能不太适用。因此，在应用包装方法时需要权衡计算资源和模型性能的平衡。同时，选择合适的学习模型和评估函数也是非常重要的，以确保得到准确和稳定的特征选择结果。

3.3 嵌入方法

嵌入方法是一种将特征选择与模型训练过程相结合的方法，它通过在学习模型中嵌入特征选择来选择最佳的特征子集。以下是一个常见的嵌入方法：

• 基于Lasso回归的特征选择：Lasso（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator）回归是一种线性回归的扩展，它利用L1正则化项对模型的系数进行约束，从而实现特征选择。具体来说，Lasso回归通过最小化目标函数，其中包括了平方损失和L1正则化项。在优化过程中，Lasso回归会使得部分特征的系数变为0，从而实现了特征的稀疏性，剔除了对目标变量影响较小的特征。通过调节正则化参数，可以控制特征选择的程度。基于Lasso回归的特征选择适用于线性模型，它能够同时进行特征选择和模型训练，并且能够处理高维数据。

嵌入方法将特征选择与模型训练过程融合在一起，能够自动选择与目标变量相关性较强的特征。相比于过滤方法和包装方法，嵌入方法更加灵活，能够考虑到特征之间的相互作用。然而，嵌入方法通常需要更多的计算资源和时间，并且对于非线性模型可能效果不如包装方法或过滤方法。因此，在选择嵌入方法时，需要根据具体问题和数据集的特点进行权衡和选择合适的方法。

四、Lasso的特征选择流程

• 「数据预处理」：

---

1. 收集并整理原始数据集。
2. 处理缺失值、异常值和离群点。
3. 对特征进行标准化或归一化，确保它们具有相似的尺度。

• 「划分训练集和测试集」：

---

1. 将数据集划分为训练集和测试集，通常采用交叉验证的方式。

• 「搭建Lasso回归模型」：

---

1. 使用训练集拟合Lasso回归模型。
2. 在拟合过程中，通过调节正则化参数来控制特征的稀疏性。可以使用交叉验证或网格搜索等方法找到最佳的正则化参数。

• 「特征系数选择」：

---

1. 根据训练好的Lasso回归模型，获取所有特征的系数。
2. 对系数进行排序，按照绝对值从大到小排序。

• 「特征选择」：

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1. 设置一个阈值，保留系数大于阈值的特征。
2. 可以根据先验知识和实际需求来选择阈值，也可以通过交叉验证确定最佳的阈值。

• 「模型评估」：

---

1. 使用保留的特征重新训练Lasso回归模型。
2. 使用测试集评估模型的性能，比较选择特征和原始全特征的模型性能。

五、实例演示

5.1 数据集载入

library(survival)
str(gbsg)

结果展示：

> str(gbsg)
'data.frame':   686 obs. of  10 variables:
 $ age    : int  49 55 56 45 65 48 48 37 67 45 ...
 $ meno   : int  0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ...
 $ size   : int  18 20 40 25 30 52 21 20 20 30 ...
 $ grade  : int  2 3 3 3 2 2 3 2 2 2 ...
 $ nodes  : int  2 16 3 1 5 11 8 9 1 1 ...
 $ pgr    : int  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
 $ er     : int  0 0 0 4 36 0 0 0 0 0 ...
 $ hormon : int  0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 ...
 $ rfstime: int  1838 403 1603 177 1855 842 293 42 564 1093 ...
 $ status : Factor w/ 2 levels "0","1": 1 2 1 1 1 2 2 1 2 2 ...

age：患者年龄
meno：更年期状态（0表示未更年期，1表示已更年期）
size：肿瘤大小
grade：肿瘤分级
nodes：受累淋巴结数量
pgr：孕激素受体表达水平
er：雌激素受体表达水平
hormon：激素治疗（0表示否，1表示是）
rfstime：复发或死亡时间（以天为单位）
status：事件状态（0表示被截尾，1表示事件发生）

5.2 Lasso和特征选择

• 「数据预处理」

colSums(is.na(gbsg))
set.seed(1234)
gbsg$status <- as.factor(gbsg$status)
# 拆分训练集和测试集
trainIndex <- sample(1:nrow(gbsg), 0.8 * nrow(gbsg))
train <- gbsg[trainIndex,]
test <- gbsg[-trainIndex,]

• 「搭建Lasso回归模型」

# 安装并加载所需的R包
install.packages("glmnet")
library(glmnet)

x <- as.matrix(train[, c(-1,-11)]) 
y <- as.numeric(train$status)

# 计算标准化前的均值和标准差
colMeans(x)
apply(x,2,sd)

# 标准化
x = scale(x,center = T,scale = T)

# 构建模型
la_md <- glmnet(x, y, lambda=0.1, 
                family='gaussian', 
                intercept = F, alpha=1) 

glmnet函数是用于构建弹性网络模型的函数，具体解释如下：

• x：自变量矩阵，包含训练数据的特征。每一行代表一个样本，每一列代表一个特征。
• y：因变量向量，包含训练数据的响应变量。
• lambda：正则化参数，控制模型的复杂度。较大的lambda值会导致更多的系数为0，从而减小模型的复杂度和过拟合的风险。
• family：指定了回归模型的误差分布。对于高斯分布（正态分布）的响应变量，可以选择'gaussian'。还有其他可选的分布类型，如二项分布（'binomial'）和泊松分布（'poisson'）等。
• intercept：是否包括截距项。设置为TRUE表示包括截距项，设置为FALSE表示不包括截距项。
• alpha：弹性网络的混合参数，介于0和1之间。当alpha为1时，模型为Lasso回归；当alpha为0时，模型为岭回归。

关于如何设置lambda和alpha，以及family的选择，这需要根据具体问题和数据来进行调整。一般来说：

• lambda：可以通过交叉验证法（cross-validation）来选择合适的lambda值。函数cv.glmnet可以帮助我们进行交叉验证，选择最优的lambda值。
• alpha：如果你对注意力集中在少数变量上，倾向于使用Lasso回归，那么可以选择较大的alpha值。如果你更希望模型保留更多有用的变量，可以选择较小的alpha值。
• family：根据响应变量的性质和概率分布选择合适的误差分布类型。例如，如果响应变量是二分类变量，可以选择二项分布（'binomial'）；如果响应变量是计数数据，可以选择泊松分布（'poisson'）。多项分布（'multinomial'）适用于多分类问题。

需要注意的是，这只是一些一般性的指导原则。具体的选择还要考虑数据的特点和分析目标。

• 「Lasso筛选变量动态过程图」

# Lasso筛选变量动态过程图
la.md <- glmnet(x, y, family="gaussian", 
                intercept = F, alpha=1) 
# plot
plot(la.md,xvar = "lambda", label = F)

从图中，我们可以看出，随着lambda增大，各特征相应的也被压缩得更小，而当lambda达到一定值以后，一部分不重要的特征将被压缩为0，代表该变量已被剔除出模型，图中从左至右不断下降的曲线如同被不断增大的lambda一步一步压缩，直到压缩为0。

「对于特征的系数大小」：

• 正的系数表示该特征与响应变量之间存在正相关关系。当特征的取值增加时，响应变量的期望值也会增加。
• 负的系数表示该特征与响应变量之间存在负相关关系。当特征的取值增加时，响应变量的期望值会减少。

「对于特征的非零系数个数」：

• 当某个特征的非零系数个数为正数时，表示该特征在模型中被选择为重要特征，并且对预测结果有显著影响。
• 当某个特征的非零系数个数为零时，表示该特征在模型中被排除或被忽略，对预测结果没有显著影响。

需要明确的是，特征的系数大小和非零系数个数仅反映特征与响应变量之间的关系，并不能直接推断特征的实际影响或取值。具体特征对应的实际取值以及与响应变量之间的关系，还需要根据具体问题和数据背景进行进一步分析和解释。

• 「计算出合适的lambda值」

可以通过交叉验证法（cross-validation）来选择合适的lambda值。函数cv.glmnet可以帮助我们进行交叉验证，选择最优的lambda值.

mod_cv <- cv.glmnet(x=x, y=y, family="gaussian", # 默认nfolds = 10
                    intercept = F, alpha=1)

plot(mod_cv) 
# 最小误差对应的lambda和最小误差
print(paste(mod_cv$lambda.min,
            log(mod_cv$lambda.min)))
print(paste(mod_cv$lambda.1se,
            log(mod_cv$lambda.1se)))

# 这里我们以lambda.min为最优 λ
best_lambda <- mod_cv$lambda.min
best_lambda

结果显示：

> print(paste(mod_cv$lambda.min,
+             log(mod_cv$lambda.min)))
[1] "0.093983735301881 -2.36463354038672"
> print(paste(mod_cv$lambda.1se,
+             log(mod_cv$lambda.1se)))
[1] "0.217114618245629 -1.52732987020707"

通过交叉验证，我们可以选择平均误差最小的那个λ，即mod_cv lambda.1se。从图中可以看出，λ在-3和-2之间最低，大概是-2.3左右的样子误差最小。然后从打印出的最佳lambda是0.09398374。

• 「特征选择」

best_model <- glmnet(x, y, alpha = 1, lambda = best_lambda)
coef(best_model)

结果展示：

10 x 1 sparse Matrix of class "dgCMatrix"
                    s0
(Intercept)  1.4489051
age          .        
meno         .        
size         .        
grade        .        
nodes        .        
pgr          .        
er           .        
hormon       .        
rfstime     -0.1232434

如变量没有显示系数，即lasso回归收缩系数为零。这意味着它完全被排除在模型之外，因为它的影响力不够。系数非0的变量即为我们筛选的重要特征。

• 「使用最终模型进行预测」

x_test <- as.matrix(test[, c(-1,-11)]) 
y_test <- as.numeric(test$status)


# 标准化
x_test = scale(x_test,center = T,scale = T)
#使用 lasso 回归模型预测
y_predicted <- predict(best_model, s = best_lambda, newx = x_test)

sst <- sum((y_test - mean(y_test))^2)
sse <- sum((y_predicted - y_test)^2)
rsq <- 1 - sse/sst
rsq

结果展示：

> rsq
[1] 0.1607887

rsq即是R²：

• 当R²接近0时，模型无法解释响应变量的变异性，拟合程度较差，意味着模型对数据的解释能力很弱。
• 当R²接近0.5时，模型能够解释部分响应变量的变异性，但还有很大一部分变异不能被模型解释，拟合程度一般。
• R²大于0.6或者0.7可以作为一个相对较好的指标，在医学领域，但还需要综合考虑其他因素来评估模型的优劣
• 当R²为1时，表示该预测模型完全解释了响应变量的变异性，即模型能够完美拟合数据

这里解释一下为什么这次的R²只有0.16，远远低于0.5，更是低于医学可接受的值，我使用的数据是二分类数据，即只有0和1是离散型变量，不是连续型的数值。所以使用R²来评价是不合理的。所以这个偏差是合理的。

六、总结

6.1 适用于连续性因子变量

Lasso回归是一种用于特征选择和预测建模的线性回归方法，通常用于连续型的数值响应变量。对于因子类型的离散响应变量，Lasso回归通常不直接适用。

对于因子类型的响应变量，通常需要使用适合离散型数据的回归模型，例如逻辑回归（Logistic Regression）或多项式回归（Multinomial Regression）。这些模型可以应用于分类问题或多类别预测问题。

逻辑回归（Logistic Regression）用于二分类问题，将因子型的响应变量映射为概率值，表示某个类别的概率。多项式回归（Multinomial Regression）则用于多分类问题，将因子型的响应变量映射为多个类别的概率分布。

需要注意的是，无论是使用Lasso回归还是其他回归方法，对于因子类型的响应变量，都需要进行适当的编码和转换，将因子变量映射为数值型变量，以便模型的计算和分析。

6.2 如何使二分类0和1如何使用Lasso回归？

如果因子类型的响应变量只有两个取值（0和1），可以将问题看作是二分类问题。在这种情况下，Lasso回归可以被用于选择与响应变量相关性最强的特征，并建立一个预测模型。

在使用Lasso回归时，需要对因子型的响应变量进行适当的编码。一种常见的编码方法是使用虚拟变量（Dummy Variable）编码。将因子型的响应变量转化为两个虚拟变量，如0表示一个类别，1表示另一个类别，然后使用Lasso回归进行建模。

虽然Lasso回归原本是用于处理连续型的数值响应变量，但通过将因子型的响应变量进行适当的编码，我们可以将其扩展到处理二分类问题。这是因为Lasso回归对特征的选择性质仍然适用。

需要注意的是，在使用Lasso回归进行二分类建模时，我们通常使用的评估指标是准确率、精确率、召回率或F1分数等，而非均方误差（Mean Squared Error）等用于度量连续型响应变量的指标。

这里是不是解释了刚才我们计算出的R²的偏低情况。如果想了解如何使用Lasso回归如何对离散型的因子变量进行特征筛选，欢迎关注和私信我，我们一起讨论学习。原创不易，如果觉得写的还行的话，请留下您的赞和再看，谢谢！

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