Selección de funciones

Procedimiento en aprendizaje automático y estadística

La selección de características es el proceso de selección de un subconjunto de características relevantes (variables, predictores) para su uso en la construcción de modelos. La estilometría y el análisis de microarrays de ADN son dos casos en los que se utiliza la selección de características. Debe distinguirse de la extracción de características . ^[1]

Las técnicas de selección de características se utilizan por varias razones:

• simplificación de modelos para que sean más fáciles de interpretar por los investigadores/usuarios, ^[2]
• tiempos de entrenamiento más cortos, ^[3]
• Para evitar la maldición de la dimensionalidad , ^[4]
• mejorar la compatibilidad de los datos con una clase de modelo de aprendizaje, ^[5]
• codificar simetrías inherentes presentes en el espacio de entrada. ^{[6] [7] [8] [9]}

La premisa central al utilizar una técnica de selección de características es que los datos contienen algunas características que son redundantes o irrelevantes y, por lo tanto, pueden eliminarse sin incurrir en una gran pérdida de información. ^[10] Redundante e irrelevante son dos nociones distintas, ya que una característica relevante puede ser redundante en presencia de otra característica relevante con la que está fuertemente correlacionada. ^[11]

La extracción de características crea nuevas características a partir de funciones de las características originales, mientras que la selección de características devuelve un subconjunto de las características. Las técnicas de selección de características se utilizan a menudo en dominios en los que hay muchas características y comparativamente pocas muestras (o puntos de datos).

Introducción

Un algoritmo de selección de características puede considerarse como la combinación de una técnica de búsqueda para proponer nuevos subconjuntos de características, junto con una medida de evaluación que puntúa los diferentes subconjuntos de características. El algoritmo más simple consiste en probar cada subconjunto posible de características para encontrar el que minimice la tasa de error. Se trata de una búsqueda exhaustiva del espacio y es computacionalmente intratable para todos los conjuntos de características, excepto los más pequeños. La elección de la métrica de evaluación influye en gran medida en el algoritmo, y son estas métricas de evaluación las que distinguen entre las tres categorías principales de algoritmos de selección de características: envoltorios, filtros y métodos integrados. ^[11]

• Los métodos de envoltura utilizan un modelo predictivo para puntuar subconjuntos de características. Cada nuevo subconjunto se utiliza para entrenar un modelo, que se prueba en un conjunto de reserva. El recuento de la cantidad de errores cometidos en ese conjunto de reserva (la tasa de error del modelo) proporciona la puntuación para ese subconjunto. Como los métodos de envoltura entrenan un nuevo modelo para cada subconjunto, requieren un gran esfuerzo computacional, pero generalmente proporcionan el conjunto de características con mejor rendimiento para ese tipo particular de modelo o problema típico.
• Los métodos de filtro utilizan una medida proxy en lugar de la tasa de error para puntuar un subconjunto de características. Esta medida se elige para que sea rápida de calcular, al mismo tiempo que captura la utilidad del conjunto de características. Las medidas comunes incluyen la información mutua , ^[11] la información mutua puntual , ^[12] el coeficiente de correlación producto-momento de Pearson , los algoritmos basados ​​en relieve , ^[13] y la distancia entre clases/clases o las puntuaciones de las pruebas de significancia para cada combinación de clase/característica. ^{[12] [14]} Los filtros suelen ser menos intensivos computacionalmente que los envoltorios, pero producen un conjunto de características que no está ajustado a un tipo específico de modelo predictivo. ^[15] Esta falta de ajuste significa que un conjunto de características de un filtro es más general que el conjunto de un envoltorio, por lo general dando un rendimiento de predicción menor que un envoltorio. Sin embargo, el conjunto de características no contiene los supuestos de un modelo de predicción, y por lo tanto es más útil para exponer las relaciones entre las características. Muchos filtros proporcionan una clasificación de características en lugar de un subconjunto explícito de las mejores características, y el punto de corte en la clasificación se elige mediante validación cruzada . Los métodos de filtro también se han utilizado como un paso de preprocesamiento para los métodos de envoltura, lo que permite utilizar una envoltura en problemas más grandes. Otro enfoque popular es el algoritmo de eliminación de características recursivas, ^[16] que se utiliza comúnmente con máquinas de vectores de soporte para construir repetidamente un modelo y eliminar características con pesos bajos.
• Los métodos integrados son un grupo de técnicas que realizan la selección de características como parte del proceso de construcción del modelo. El ejemplo de este enfoque es el método LASSO para construir un modelo lineal, que penaliza los coeficientes de regresión con una penalización L1, reduciendo muchos de ellos a cero. Cualquier característica que tenga coeficientes de regresión distintos de cero es "seleccionada" por el algoritmo LASSO. Las mejoras al LASSO incluyen Bolasso, que realiza el arranque de muestras; ^[17] la regularización de red elástica , que combina la penalización L1 de LASSO con la penalización L2 de la regresión de cresta ; y FeaLect, que puntúa todas las características en función del análisis combinatorio de los coeficientes de regresión. ^[18] AEFS extiende aún más LASSO a un escenario no lineal con autocodificadores. ^[19] Estos enfoques tienden a estar entre los filtros y los envoltorios en términos de complejidad computacional.

En el análisis de regresión tradicional , la forma más popular de selección de características es la regresión por pasos , que es una técnica de envoltura. Es un algoritmo voraz que agrega la mejor característica (o elimina la peor característica) en cada ronda. El principal problema de control es decidir cuándo detener el algoritmo. En el aprendizaje automático, esto se hace típicamente mediante validación cruzada . En estadística, algunos criterios se optimizan. Esto conduce al problema inherente de anidamiento. Se han explorado métodos más robustos, como la ramificación y el límite y la red lineal por partes.

Selección de subconjunto

La selección de subconjuntos evalúa un subconjunto de características como un grupo para determinar su idoneidad. Los algoritmos de selección de subconjuntos se pueden dividir en envoltorios, filtros y métodos integrados. Los envoltorios utilizan un algoritmo de búsqueda para buscar en el espacio de características posibles y evaluar cada subconjunto ejecutando un modelo en el subconjunto. Los envoltorios pueden ser costosos desde el punto de vista computacional y tienen el riesgo de sobreajustarse al modelo. Los filtros son similares a los envoltorios en el enfoque de búsqueda, pero en lugar de evaluar en relación con un modelo, se evalúa un filtro más simple. Las técnicas integradas están integradas en un modelo y son específicas de este.

Muchos enfoques de búsqueda populares utilizan el método de escalada de colinas voraz , que evalúa iterativamente un subconjunto candidato de características, luego modifica el subconjunto y evalúa si el nuevo subconjunto es una mejora con respecto al anterior. La evaluación de los subconjuntos requiere una métrica de puntuación que califique un subconjunto de características. La búsqueda exhaustiva generalmente no es práctica, por lo que en algún punto de parada definido por el implementador (u operador), el subconjunto de características con la puntuación más alta descubierta hasta ese momento se selecciona como el subconjunto de características satisfactorio. El criterio de parada varía según el algoritmo; los criterios posibles incluyen: una puntuación de subconjunto excede un umbral, se ha superado el tiempo de ejecución máximo permitido de un programa, etc.

Las técnicas de búsqueda alternativas se basan en la búsqueda de proyecciones específicas que encuentran proyecciones de baja dimensión de los datos que obtienen una puntuación alta: luego se seleccionan las características que tienen las proyecciones más grandes en el espacio de menor dimensión.

Los enfoques de búsqueda incluyen:

• Exhaustivo ^[20]
• Lo mejor primero
• Recocido simulado
• Algoritmo genético ^[21]
• Selección de delanteros codiciosos ^{[22] [23] [24]}
• Eliminación hacia atrás codiciosa
• Optimización de enjambre de partículas ^[25]
• Persecución de proyecciones dirigidas
• Búsqueda dispersa ^{[26] [27]}
• Búsqueda de vecindario variable ^{[28] [29]}

Dos métricas de filtro populares para problemas de clasificación son la correlación y la información mutua , aunque ninguna de ellas es una métrica verdadera o "medida de distancia" en el sentido matemático, ya que no obedecen a la desigualdad triangular y, por lo tanto, no calculan ninguna "distancia" real; más bien, deberían considerarse como "puntuaciones". Estas puntuaciones se calculan entre una característica candidata (o un conjunto de características) y la categoría de salida deseada. Sin embargo, existen métricas verdaderas que son una función simple de la información mutua; ^[30] consulte aquí .

Otras métricas de filtro disponibles incluyen:

• Separabilidad de clases
  • Probabilidad de error
  • Distancia entre clases
  • Distancia probabilística
  • Entropía
• Selección de características basada en la consistencia
• Selección de características basada en correlación

Criterios de optimalidad

La elección de criterios de optimalidad es difícil, ya que existen múltiples objetivos en una tarea de selección de características. Muchos criterios comunes incorporan una medida de precisión, penalizada por la cantidad de características seleccionadas. Algunos ejemplos incluyen el criterio de información de Akaike (AIC) y el C p de Mallows , que tienen una penalización de 2 por cada característica agregada. El AIC se basa en la teoría de la información y se deriva efectivamente a través del principio de máxima entropía . ^{[31] [32]}

Otros criterios son el criterio de información bayesiano (BIC), que utiliza una penalización de por cada característica añadida, la longitud mínima de descripción (MDL) que utiliza asintóticamente , Bonferroni /RIC que utiliza , la selección de características de dependencia máxima y una variedad de criterios nuevos que están motivados por la tasa de falsos descubrimientos (FDR), que utilizan algo cercano a . También se puede utilizar un criterio de tasa de entropía máxima para seleccionar el subconjunto de características más relevante. ^[33] ${\displaystyle {\sqrt {\log {n}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\log {n}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {2\log {p}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {2\log {\frac {p}{q}}}}}$

Aprendizaje estructurado

La selección de características de filtro es un caso específico de un paradigma más general llamado aprendizaje de estructura . La selección de características encuentra el conjunto de características relevantes para una variable objetivo específica, mientras que el aprendizaje de estructura encuentra las relaciones entre todas las variables, generalmente expresando estas relaciones como un gráfico. Los algoritmos de aprendizaje de estructura más comunes suponen que los datos son generados por una red bayesiana , por lo que la estructura es un modelo gráfico dirigido . La solución óptima para el problema de selección de características de filtro es la manta de Markov del nodo objetivo y, en una red bayesiana, hay una manta de Markov única para cada nodo. ^[34]

Mecanismos de selección de características basados ​​en la teoría de la información

Existen distintos mecanismos de selección de características que utilizan información mutua para puntuar las distintas características. Normalmente, todos utilizan el mismo algoritmo:

1. Calcular la información mutua como puntuación entre todas las características ( ) y la clase objetivo ( c ) ${\displaystyle f_{i}\in F}$
2. Seleccione la característica con la puntuación más alta (por ejemplo, ) y agréguela al conjunto de características seleccionadas ( S ) ${\displaystyle {\underset {f_{i}\in F}{\operatorname {argmax} }}(I(f_{i},c))}$
3. Calcular la puntuación que podría derivarse de la información mutua
4. Seleccione la característica con la puntuación más alta y agréguela al conjunto de características seleccionadas (por ejemplo ) ${\displaystyle {\underset {f_{i}\in F}{\operatorname {argmax} }}(I_{derived}(f_{i},c))}$
5. Repita los pasos 3 y 4 hasta seleccionar una cierta cantidad de funciones (por ejemplo, ) ${\displaystyle |S|=l}$

El enfoque más simple utiliza la información mutua como puntuación "derivada". ^[35]

Sin embargo, existen diferentes enfoques que intentan reducir la redundancia entre características.

Selección de características de redundancia mínima y máxima relevancia (mRMR)

Peng et al. ^[36] propusieron un método de selección de características que puede utilizar información mutua, correlación o puntuaciones de distancia/similitud para seleccionar características. El objetivo es penalizar la relevancia de una característica por su redundancia en presencia de las otras características seleccionadas. La relevancia de un conjunto de características S para la clase c se define por el valor promedio de todos los valores de información mutua entre la característica individual f _i y la clase c de la siguiente manera:

${\displaystyle D(S,c)={\frac {1}{|S|}}\sum _{f_{i}\in S}I(f_{i};c)}$.

La redundancia de todas las características en el conjunto S es el valor promedio de todos los valores de información mutua entre la característica f _i y la característica f _j :

${\displaystyle R(S)={\frac {1}{|S|^{2}}}\sum _{f_{i},f_{j}\in S}I(f_{i};f_{j})}$

El criterio mRMR es una combinación de dos medidas dadas anteriormente y se define de la siguiente manera:

${\displaystyle \mathrm {mRMR} =\max _{S}\left[{\frac {1}{|S|}}\sum _{f_{i}\in S}I(f_{i};c)-{\frac {1}{|S|^{2}}}\sum _{f_{i},f_{j}\in S}I(f_{i};f_{j})\right].}$

Supongamos que existen n características del conjunto completo. Sea x _i la función indicadora de pertenencia al conjunto para la característica f _i , de modo que x _i = 1 indica presencia y x _i = 0 indica ausencia de la característica f _i en el conjunto de características globalmente óptimo. Sea y . Lo anterior puede entonces escribirse como un problema de optimización: ${\displaystyle c_{i}=I(f_{i};c)}$ ${\displaystyle a_{ij}=I(f_{i};f_{j})}$

${\displaystyle \mathrm {mRMR} =\max _{x\in \{0,1\}^{n}}\left[{\frac {\sum _{i=1}^{n}c_{i}x_{i}}{\sum _{i=1}^{n}x_{i}}}-{\frac {\sum _{i,j=1}^{n}a_{ij}x_{i}x_{j}}{(\sum _{i=1}^{n}x_{i})^{2}}}\right].}$

El algoritmo mRMR es una aproximación del algoritmo de selección de características de máxima dependencia teóricamente óptimo que maximiza la información mutua entre la distribución conjunta de las características seleccionadas y la variable de clasificación. Como mRMR aproxima el problema de estimación combinatoria con una serie de problemas mucho más pequeños, cada uno de los cuales solo involucra dos variables, utiliza probabilidades conjuntas por pares que son más robustas. En ciertas situaciones, el algoritmo puede subestimar la utilidad de las características, ya que no tiene forma de medir las interacciones entre características que pueden aumentar la relevancia. Esto puede conducir a un bajo rendimiento ^[35] cuando las características son inútiles individualmente, pero son útiles cuando se combinan (se encuentra un caso patológico cuando la clase es una función de paridad de las características). En general, el algoritmo es más eficiente (en términos de la cantidad de datos requeridos) que la selección de máxima dependencia teóricamente óptima, pero produce un conjunto de características con poca redundancia por pares.

mRMR es una instancia de una gran clase de métodos de filtro que equilibran la relevancia y la redundancia de diferentes maneras. ^{[35] [37]}

Selección de funciones de programación cuadrática

mRMR es un ejemplo típico de una estrategia voraz incremental para la selección de características: una vez que se ha seleccionado una característica, no se puede deseleccionar en una etapa posterior. Si bien mRMR se podría optimizar utilizando la búsqueda flotante para reducir algunas características, también se podría reformular como un problema de optimización de programación cuadrática global de la siguiente manera: ^[38]

${\displaystyle \mathrm {QPFS} :\min _{\mathbf {x} }\left\{\alpha \mathbf {x} ^{T}H\mathbf {x} -\mathbf {x} ^{T}F\right\}\quad {\mbox{s.t.}}\ \sum _{i=1}^{n}x_{i}=1,x_{i}\geq 0}$

donde es el vector de relevancia de las características suponiendo que hay n características en total, es la matriz de redundancia por pares de características y representa los pesos relativos de las características. QPFS se resuelve mediante programación cuadrática. Recientemente se ha demostrado que QFPS está sesgado hacia características con menor entropía, ^[39] debido a su ubicación del término de autorredundancia de características en la diagonal de H . ${\displaystyle F_{n\times 1}=[I(f_{1};c),\ldots ,I(f_{n};c)]^{T}}$ ${\displaystyle H_{n\times n}=[I(f_{i};f_{j})]_{i,j=1\ldots n}}$ ${\displaystyle \mathbf {x} _{n\times 1}}$ ${\displaystyle I(f_{i};f_{i})}$

Información mutua condicional

Otra puntuación derivada de la información mutua se basa en la relevancia condicional: ^[39]

${\displaystyle \mathrm {SPEC_{CMI}} :\max _{\mathbf {x} }\left\{\mathbf {x} ^{T}Q\mathbf {x} \right\}\quad {\mbox{s.t.}}\ \|\mathbf {x} \|=1,x_{i}\geq 0}$

donde y . ${\displaystyle Q_{ii}=I(f_{i};c)}$ ${\displaystyle Q_{ij}=(I(f_{i};c|f_{j})+I(f_{j};c|f_{i}))/2,i\neq j}$

Una ventaja de SPEC _CMI es que se puede resolver simplemente encontrando el vector propio dominante de Q , por lo que es muy escalable. SPEC _CMI también maneja la interacción de características de segundo orden.

Información mutua conjunta

En un estudio de diferentes puntuaciones, Brown et al. ^[35] recomendaron la información mutua conjunta ^[40] como una buena puntuación para la selección de características. La puntuación intenta encontrar la característica que agrega la mayor cantidad de información nueva a las características ya seleccionadas, para evitar la redundancia. La puntuación se formula de la siguiente manera:

${\displaystyle {\begin{aligned}JMI(f_{i})&=\sum _{f_{j}\in S}(I(f_{i};c)+I(f_{i};c|f_{j}))\\&=\sum _{f_{j}\in S}{\bigl [}I(f_{j};c)+I(f_{i};c)-{\bigl (}I(f_{i};f_{j})-I(f_{i};f_{j}|c){\bigr )}{\bigr ]}\end{aligned}}}$

La puntuación utiliza la información mutua condicional y la información mutua para estimar la redundancia entre las características ya seleccionadas ( ) y la característica bajo investigación ( ). ${\displaystyle f_{j}\in S}$ ${\displaystyle f_{i}}$

Criterio de independencia de Hilbert-Schmidt Selección de características basada en lazo

Para datos de muestras pequeñas y de alta dimensión (por ejemplo, dimensionalidad > 10⁵ y el número de muestras < 10³ ), el lazo de criterio de independencia de Hilbert-Schmidt (Lazo HSIC) es útil. ^[41] El problema de optimización del lazo HSIC se da como

${\displaystyle \mathrm {HSIC_{Lasso}} :\min _{\mathbf {x} }{\frac {1}{2}}\sum _{k,l=1}^{n}x_{k}x_{l}{\mbox{HSIC}}(f_{k},f_{l})-\sum _{k=1}^{n}x_{k}{\mbox{HSIC}}(f_{k},c)+\lambda \|\mathbf {x} \|_{1},\quad {\mbox{s.t.}}\ x_{1},\ldots ,x_{n}\geq 0,}$

donde es una medida de independencia basada en kernel llamada criterio de independencia de Hilbert-Schmidt (empírico) (HSIC), denota la traza , es el parámetro de regularización, y son matrices de Gram centradas en la entrada y la salida , y son matrices de Gram, y son funciones kernel, es la matriz de centrado, es la matriz de identidad m -dimensional ( m : el número de muestras), es el vector m -dimensional con todos unos, y es la -norma. HSIC siempre toma un valor no negativo, y es cero si y solo si dos variables aleatorias son estadísticamente independientes cuando se usa un kernel de reproducción universal como el kernel gaussiano. ${\displaystyle {\mbox{HSIC}}(f_{k},c)={\mbox{tr}}({\bar {\mathbf {K} }}^{(k)}{\bar {\mathbf {L} }})}$ ${\displaystyle {\mbox{tr}}(\cdot )}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle {\bar {\mathbf {K} }}^{(k)}=\mathbf {\Gamma } \mathbf {K} ^{(k)}\mathbf {\Gamma } }$ ${\displaystyle {\bar {\mathbf {L} }}=\mathbf {\Gamma } \mathbf {L} \mathbf {\Gamma } }$ ${\displaystyle K_{i,j}^{(k)}=K(u_{k,i},u_{k,j})}$ ${\displaystyle L_{i,j}=L(c_{i},c_{j})}$ ${\displaystyle K(u,u')}$ ${\displaystyle L(c,c')}$ ${\displaystyle \mathbf {\Gamma } =\mathbf {I} _{m}-{\frac {1}{m}}\mathbf {1} _{m}\mathbf {1} _{m}^{T}}$ ${\displaystyle \mathbf {I} _{m}}$ ${\displaystyle \mathbf {1} _{m}}$ ${\displaystyle \|\cdot \|_{1}}$ ${\displaystyle \ell _{1}}$

El lazo HSIC se puede escribir como

${\displaystyle \mathrm {HSIC_{Lasso}} :\min _{\mathbf {x} }{\frac {1}{2}}\left\|{\bar {\mathbf {L} }}-\sum _{k=1}^{n}x_{k}{\bar {\mathbf {K} }}^{(k)}\right\|_{F}^{2}+\lambda \|\mathbf {x} \|_{1},\quad {\mbox{s.t.}}\ x_{1},\ldots ,x_{n}\geq 0,}$

donde es la norma de Frobenius . El problema de optimización es un problema Lasso y, por lo tanto, se puede resolver de manera eficiente con un solucionador Lasso de última generación, como el método Lagrangiano aumentado dual . ${\displaystyle \|\cdot \|_{F}}$

Selección de características de correlación

La medida de selección de características de correlación (CFS) evalúa subconjuntos de características sobre la base de la siguiente hipótesis: "Los buenos subconjuntos de características contienen características altamente correlacionadas con la clasificación, pero no correlacionadas entre sí". ^{[42] [43]} La siguiente ecuación proporciona el mérito de un subconjunto de características S que consta de k características:

${\displaystyle \mathrm {Merit} _{S_{k}}={\frac {k{\overline {r_{cf}}}}{\sqrt {k+k(k-1){\overline {r_{ff}}}}}}.}$

Aquí, es el valor promedio de todas las correlaciones de clasificación de características, y es el valor promedio de todas las correlaciones de característica a característica. El criterio CFS se define de la siguiente manera: ${\displaystyle {\overline {r_{cf}}}}$ ${\displaystyle {\overline {r_{ff}}}}$

${\displaystyle \mathrm {CFS} =\max _{S_{k}}\left[{\frac {r_{cf_{1}}+r_{cf_{2}}+\cdots +r_{cf_{k}}}{\sqrt {k+2(r_{f_{1}f_{2}}+\cdots +r_{f_{i}f_{j}}+\cdots +r_{f_{k}f_{k-1}})}}}\right].}$

Las variables y se denominan correlaciones, pero no son necesariamente el coeficiente de correlación de Pearson o el ρ de Spearman . La disertación de Hall no utiliza ninguno de estos, sino tres medidas diferentes de relación, longitud mínima de descripción (MDL), incertidumbre simétrica y alivio . ${\displaystyle r_{cf_{i}}}$ ${\displaystyle r_{f_{i}f_{j}}}$

Sea x _i la función indicadora de pertenencia al conjunto para la característica f _i ; entonces lo anterior se puede reescribir como un problema de optimización:

${\displaystyle \mathrm {CFS} =\max _{x\in \{0,1\}^{n}}\left[{\frac {(\sum _{i=1}^{n}a_{i}x_{i})^{2}}{\sum _{i=1}^{n}x_{i}+\sum _{i\neq j}2b_{ij}x_{i}x_{j}}}\right].}$

Los problemas combinatorios anteriores son, de hecho, problemas de programación lineal mixtos 0-1 que pueden resolverse utilizando algoritmos de ramificación y acotación . ^[44]

Árboles regularizados

Se ha demostrado que las características de un árbol de decisión o de un conjunto de árboles son redundantes. Se puede utilizar un método reciente denominado árbol regularizado ^[45] para la selección de subconjuntos de características. Los árboles regularizados penalizan el uso de una variable similar a las variables seleccionadas en los nodos de árboles anteriores para dividir el nodo actual. Los árboles regularizados solo necesitan construir un modelo de árbol (o un modelo de conjunto de árboles) y, por lo tanto, son computacionalmente eficientes.

Los árboles regularizados manejan naturalmente características numéricas y categóricas, interacciones y no linealidades. Son invariantes a escalas de atributos (unidades) e insensibles a valores atípicos , y por lo tanto, requieren poco preprocesamiento de datos como la normalización . El bosque aleatorio regularizado (RRF) ^[46] es un tipo de árboles regularizados. El RRF guiado es un RRF mejorado que se guía por los puntajes de importancia de un bosque aleatorio ordinario.

Descripción general de los métodos metaheurísticos

Una metaheurística es una descripción general de un algoritmo dedicado a resolver problemas de optimización difíciles (normalmente problemas NP-hard ) para los que no existen métodos de solución clásicos. En general, una metaheurística es un algoritmo estocástico que tiende a alcanzar un óptimo global. Existen muchas metaheurísticas, desde una simple búsqueda local hasta un algoritmo complejo de búsqueda global.

Principios fundamentales

Los métodos de selección de características normalmente se presentan en tres clases según cómo combinan el algoritmo de selección y la construcción del modelo.

Método de filtrado

Método de filtrado para la selección de características

Los métodos de tipo filtro seleccionan variables independientemente del modelo. Se basan únicamente en características generales como la correlación con la variable a predecir. Los métodos de filtro suprimen las variables menos interesantes. Las demás variables formarán parte de una clasificación o un modelo de regresión utilizado para clasificar o predecir los datos. Estos métodos son especialmente eficaces en términos de tiempo de cálculo y resistentes al sobreajuste. ^[47]

Los métodos de filtrado tienden a seleccionar variables redundantes cuando no tienen en cuenta las relaciones entre variables. Sin embargo, funciones más elaboradas intentan minimizar este problema eliminando variables altamente correlacionadas entre sí, como el algoritmo de filtro basado en correlación rápida (FCBF). ^[48]

Método de envoltura

Método de envoltura para la selección de características

Los métodos wrapper evalúan subconjuntos de variables, lo que permite, a diferencia de los métodos de filtro, detectar las posibles interacciones entre variables. ^[49] Las dos principales desventajas de estos métodos son:

• El creciente riesgo de sobreajuste cuando el número de observaciones es insuficiente.
• El tiempo de cálculo significativo cuando el número de variables es grande.

Método integrado

Método integrado para la selección de características

Recientemente se han propuesto métodos embebidos que intentan combinar las ventajas de ambos métodos anteriores. Un algoritmo de aprendizaje aprovecha su propio proceso de selección de variables y realiza la selección y clasificación de características simultáneamente, como el algoritmo FRMT. ^[50]

Aplicación de metaheurísticas de selección de características

Se trata de un estudio de la aplicación de las metaheurísticas de selección de características que se han utilizado recientemente en la literatura. Este estudio fue realizado por J. Hammon en su tesis de 2013. ^[47]

Selección de características integrada en algoritmos de aprendizaje

Algunos algoritmos de aprendizaje realizan la selección de características como parte de su funcionamiento general. Entre ellos se incluyen:

• -Técnicas de regularización ${\displaystyle l_{1}}$ , como regresión dispersa, LASSO y -SVM ${\displaystyle l_{1}}$
• Árboles regularizados, ^[45] por ejemplo, bosque aleatorio regularizado implementado en el paquete RRF ^[46]
• Árbol de decisión ^[72]
• Algoritmo memético
• Logit multinomial aleatorio (RMNL)
• Redes de codificación automática con una capa de cuello de botella
• Selección de características submodulares ^{[73] [74] [75]}
• Selección de características basada en aprendizaje local. ^[76] En comparación con los métodos tradicionales, no implica ninguna búsqueda heurística, puede manejar fácilmente problemas de múltiples clases y funciona tanto para problemas lineales como no lineales. También está respaldado por una sólida base teórica. Los experimentos numéricos mostraron que el método puede lograr una solución cercana a la óptima incluso cuando los datos contienen >1 millón de características irrelevantes.
• Sistema de recomendación basado en selección de características. ^[77] Los métodos de selección de características se introducen en la investigación del sistema de recomendación.

Véase también

• Análisis de conglomerados
• Minería de datos
• Reducción de dimensionalidad
• Extracción de características
• Optimización de hiperparámetros
• Selección de modelo
• Alivio (selección de características)

Referencias

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Lectura adicional

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• Harrell, F. (2001). Estrategias de modelado de regresión . Springer. ISBN 0-387-95232-2.
• Liu, Huan; Motoda, Hiroshi (1998). Selección de características para el descubrimiento de conocimientos y la minería de datos. Springer. ISBN 0-7923-8198-X.
• Liu, Huan; Yu, Lei (2005). "Hacia la integración de algoritmos de selección de características para clasificación y agrupamiento". IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering . 17 (4): 491–502. doi :10.1109/TKDE.2005.66. S2CID  1607600.

Enlaces externos

• Paquete de selección de funciones, Universidad Estatal de Arizona (código Matlab)
• Desafío NIPS 2003 (ver también NIPS )
• Implementación de Naive Bayes con selección de características en Visual Basic Archivado el 14 de febrero de 2009 en Wayback Machine (incluye código fuente y ejecutable)
• Programa de selección de características de mínima redundancia y máxima relevancia (mRMR)
• FEAST (algoritmos de selección de características de código abierto en C y MATLAB)