R语言数据预处理操作——离散化(分箱)

一、项目环境

开发工具：RStudio

R：3.5.2

相关包：infotheo，discretization，smbinning，dplyr，sqldf

二、导入数据

# 这里我们使用的是鸢尾花数据集（iris）
data(iris)
head(iris)

相关数据解释：

Sepal.Length：萼片长度

Sepal.Width：萼片宽度

Petal.Length：花瓣长度

Petal.Width：花瓣宽度

Species：鸢尾花品种

三、 数据划分

library(dplyr)
library(sqldf)
# 为数据集增加序号列（id）
iris$id <- c(1:nrow(iris))
# 将鸢尾花数据集中70%的数据划分为训练集
iris_train <- sample_frac(iris, 0.7, replace = TRUE)
# 使用sql语句将剩下的30%花费为测试集
iris_test <- sqldf("
    select *
    from iris
    where id not in (
    select id
    from iris_train
    )
    ")
# 去除序号列（id）
iris_train <- iris_train[,-6]
iris_test <- iris_test[,-6]

【注】：这里使用到sqldf包的函数sqldf函数来时间在R语言中使用SQL语句

四、 无监督分箱

常见的几种无监督分箱方法

等宽分箱法

等频分箱法

kmeans分箱法

1、 分箱前准备法

# 导入无监督分箱包——infotheo
library(infotheo)
# 分成几个区域
nbins <- 3

2、 等宽分箱法

### 等宽分箱的原理非常简单，就是按照相同的间距将数据分成相应的等分
# 将连续型数据分成三份，并以1、2、3赋值
equal_width <- discretize(iris_train$Sepal.Width,"equalwidth",nbins)
### 查看分箱情况
# 查看各分类数量
table(equal_width)
# 用颜色表明是等宽分箱
plot(iris_train$Sepal.Width, col = equal_width$X)
### 保存每个等分切割点的值（阙值）
# 计算各个分类相应的切割点
width <- (max(iris_train$Sepal.Width)-min(iris_train$Sepal.Width))/nbins
# 保存阙值
depreciation <- width * c(1:nbins) + min(iris_train$Sepal.Width)

3、 等频分箱

### 等频分箱是将数据均匀的分成相应的等分（数量不一定是完全相同的）
# 将连续型数据分成三份，并以1、2、3赋值
equal_freq <- discretize(iris_train$Sepal.Width,"equalfreq",nbins)
### 查看分箱情况
# 查看各分类数量
table(equal_width)
# 用颜色表明是等频分箱
plot(iris_train$Sepal.Width, col = equal_freq$X)
### 保存每个等分切割点的值（阙值）
data <- iris_train$Sepal.Width[order(iris_train$Sepal.Width)]
depreciation <- as.data.frame(table(equal_freq))$Freq

4、kmeans分箱法

# kmeans分箱法，先给定中心数，将观察点利用欧式距离计算与中心点的距离进行归类，再重新计算中心点，直到中心点# 不再发生变化，以归类的结果做为分箱的结果。
# 将连续型数据分成三份，并以1、2、3赋值
k_means <- kmeans(iris_train$Sepal.Width, nbins)
# 查看各分类数量
table(k_means$cluster)
# 查看实际分箱状况
k_means$cluster
# 保存阙值
# rev() 的作用是倒置数据框
# 统一从左往右，从大到小
depreciation <- rev(k_means$centers)

五、 有监督分箱

discretization提供了几个主要的离散化的工具函数：

chiM，ChiM算法进行离散化

chi2, Chi2算法进行离散化

mdlp，最小描述长度原理(MDLP)进行离散化

modChi2，改进的Chi2方法离散数值属性

disc.Topdown，自上而下的离散化

extendChi2，扩展Chi2算法离散数值属性

smbinning提供的工具函数：

smbinning ，基于构造条件推断树ctree的监督式分箱

1、chiM算法进行离散化

### 有监督的数据离散化
library(discretization)# 有监督分箱
# 使用ChiMerge算法基于卡方检验进行自下而上的合并
chi1 <- chiM(iris_train, alpha = 0.05) # alpha 为显著性指标
apply(chi1$Disc.data,2,table)
# 保存阙值
depreciation <- chi1$cutp[[2]]
## 其他有监督分享算法
# chi2 <- chi2(iris,alp=0.5,del=0.05) # chi2()算法
# chi3 <- modChi2(iris,alp=0.5)  # modChi2()算法
# chi4 <- extendChi2(iris,alp = 0.5) # extendChi2()算法
# m1 <- mdlp(iris)     # 使用熵准则将最小描述长度作为停止规则来离散化
# d1 <- disc.Topdown(iris,method=1) # 该功能实现了三种自上而下的离散化算法（CAIM，CACC，Ameva）

2、基于构造条件推断树ctree的监督式分箱

# 分箱前数据准备
library(smbinning)
# 查看测试用例
head(smbsimdf1)

【注】：这里之所以不适用鸢尾花数据集的原因在于，这个函数的使用条件较为苛刻。首先它不允许数据集的列名中含有 “.” ,比如 鸢尾花数据集中的“Sepal.Width”就不可以。

其次它要求用于学习的列必须是二分类，且数据类型必须是numeric，二分类的值也必须是（0， 1） 。也是因为这些原因，为了方便在这里使用包中自带的数据集。

# 使用smbinning函数进行分箱，df 为原始数据，y表示目标标签，x表示需要分箱的标签result <- smbinning(df = smbsimdf1,y = "fgood",x = "cbs1")
# 查看分箱结果的分布情况，不良率和证据权重
par(mfrow=c(2,2))
boxplot(smbsimdf1$cbs1~smbsimdf1$fgood,horizontal=T, frame=F, col="lightgray",main="Distribution")
smbinning.plot(result,option="dist")
smbinning.plot(result,option="badrate")
smbinning.plot(result,option="WoE")

result$ivtable # 相关重要信息
result$ctree # 决策树
result$cuts # 阙值
smbinning.sql(result) # 输出相应的sql语句

# 使用训练好的函数对数据进行分箱（训练集和测试集都需要）
smbsimdf1 <- smbinning.gen(smbsimdf1, result, chrname = "gcbs1")
# 查看分箱情况
table(smbsimdf1$gcbs1)

【注】：除此之外也可以用smbinning.sql(result) 生成的sql语句，配合sqldf包进行数据分箱操作。

六、 使用阙值对测试集进行分箱操作 ​

上述方法中，除了最后一种方法，我们都没有将训练好的函数用于测试集。但是在实际的分析，我们让数据离散化最主要的目的更多的是为了降低机器学习的负担。

因此我们除了需要对训练集进行分箱操作之外，将同样的分箱方法作用与测试集。那么下面我们就将使用之前得到的阙值，对测试集进行分享操作。

### 对测试集进行分箱操作
# 使用之前保存的阙值
# 这里之所以要前后加上Inf，是为了让它的范围能够向正负无穷延伸
# (-Inf, a],[b, Inf)
break1<-c(-Inf,depreciation,Inf)
labels = c("差", "中", "良", "优")
# 第一个值是数据
# 第一个值是分箱的区间
# 第三个值是替换成的数
# ordered_result表示被替换成的数是否有前后顺序
iris_test$Sepal.Width <- cut(iris_test$Sepal.Width,break1,labels,ordered_result = T)
iris_test$Sepal.Width

七、 结语

本文更多的是从实际操作的角度进行说明，之间涉及到的很多算法的原理没有进行过多的说明。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持我们。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教。