【漫话机器学习系列】215.处理高度不平衡数据策略(Strategies For Highly Imbalanced Classes)


处理高度不平衡数据的四大策略详解

在机器学习与数据挖掘任务中,"类别不平衡"问题几乎无处不在。无论是信用卡欺诈检测、医疗异常诊断,还是网络攻击识别,正负样本的比例往往严重失衡。比如一个欺诈检测数据集中,可能只有不到 1% 的交易是欺诈行为。

面对这样的数据分布,传统的模型往往在训练时被主导类别(多数类)"牵着走",结果是模型对少数类(我们最关注的部分)识别能力差,最终效果远不理想。

本文将基于 Chris Albon 的经验总结,深入探讨处理高度不平衡数据的四种核心策略,帮助你提升模型在实际任务中的表现。


不平衡数据的挑战

高度不平衡的标签分布会导致:

  • 模型只学习多数类的特征,忽视少数类。
  • 普通的准确率(accuracy)指标会误导结果。
  • 极易出现 Recall(召回率)极低Precision(精度)极低 的情况。

因此,我们不仅需要在数据层面做处理,还要从算法、损失函数与评估指标多方面协同调整。


四种应对策略

1. 收集更多数据

虽然听起来像"废话",但这的确是最根本也最有效的方式之一。

  • 补充少数类数据 可以直接减少类别间的不均衡性。
  • 特别是在真实世界的应用中,通过更高频的采集设备、更大的时间窗口等方式获得更多代表性的样本,对模型性能提升显著。

举例:在医学诊断中,如果肺癌阳性样本太少,可以联合更多医院进行数据汇总,提升阳性样本量。


2. 选择适合不平衡数据的损失函数和评估指标

传统的损失函数(如交叉熵)和准确率指标往往在不平衡场景下表现不佳。

更换损失函数
  • 使用 Focal Loss:强调难分类的少数类样本。
  • 使用 加权交叉熵:人为提升少数类样本的损失权重。
更换评估指标
  • 查准率(Precision)
  • 查全率(Recall)
  • F1-score
  • AUC-ROC 曲线

这些指标能更真实反映少数类的分类性能,避免被"99% 准确率"误导。


3. 加权(Class Weighting)

在模型训练过程中,可以显式为不同类别设置权重:

ini 复制代码
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
model = LogisticRegression(class_weight='balanced')

或自定义权重,例如:

ini 复制代码
class_weight = {0: 1, 1: 5}  # 给少数类更高的惩罚

多数深度学习框架(如 PyTorch、TensorFlow)也支持这一策略。

优点:保留了所有原始数据,不做过采样或欠采样。


4. 降采样和升采样(Resampling)

欠采样(Under-sampling)

从多数类中随机抽取与少数类相等数量的样本。

  • 优点:加快训练速度
  • 缺点:可能丢失有用信息
过采样(Over-sampling)

对少数类进行"复制"或生成新样本,增加其占比。

  • 最简单的方式:重复少数类样本
  • 更智能的方式:使用 SMOTE(Synthetic Minority Oversampling Technique) 等算法合成新样本。
ini 复制代码
from imblearn.over_sampling import SMOTE
sm = SMOTE()
X_resampled, y_resampled = sm.fit_resample(X, y)

注意:过采样可能导致过拟合,因此应配合交叉验证等手段使用。


实战技巧:组合使用

在真实任务中,这几种策略并不是非此即彼,而是经常需要组合使用:

  • 收集更多数据 + 加权训练
  • SMOTE + Focal Loss + AUC指标
  • 欠采样 + Bagging(随机森林)

每种方法都有其优劣,建议根据任务特点灵活搭配,并通过实验进行比较。


总结

策略 核心作用 风险点
收集更多数据 弥补少数类不足 成本高,时间长
更换评估指标 准确反映少数类识别效果 不一定适用于所有任务
加权训练 模型更重视少数类样本 调权不当可能反效果
过采样与欠采样 平衡类别分布,提升模型公平性 可能导致过拟合/欠拟合

不平衡数据是机器学习的现实挑战,而不是例外。掌握合适的策略与思维方式,才是打造高质量模型的关键。


💬 如果你在项目中遇到类别不平衡的问题,不妨试试上面的策略,并观察模型表现的变化。欢迎留言交流!

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