遺漏演算法

A. 如何處理統計過程中的數據缺失

處理不完備數據集的方法主要有以下三大類： （一）刪除元組
也就是將存在遺漏信息屬性值的對象（元組，記錄）刪除，從而得到一個完備的信息表。這種方法簡單易行，在對象有多個
屬性缺失值、被刪除的含缺失值的對象與信息表中的數據量相比非常小的情況下是非常有效的，類標號（假設是分類任務）缺少時
通常使用。然而，這種方法卻有很大的局限性。它是以減少歷史數據來換取信息的完備，會造成資源的大量浪費，丟棄了大量隱藏
在這些對象中的信息。在信息表中本來包含的對象很少的情況下，刪除少量對象就足以嚴重影響到信息表信息的客觀性和結果的正
確性；當每個屬性空值的百分比變化很大時，它的性能非常差。因此，當遺漏數據所佔比例較大，特別當遺漏數據非隨機分布時， 這種方法可能導致數據發生偏離，從而引出錯誤的結論。 （二）數據補齊
這類方法是用一定的值去填充空值，從而使信息表完備化。通常基於統計學原理，根據決策表中其餘對象取值的分布情況來
對一個空值進行填充，譬如用其餘屬性的平均值來進行補充等。數據挖掘中常用的有以下幾種補齊方法：
(1)人工填寫（filling manually）
由於最了解數據的還是用戶自己，因此這個方法產生數據偏離最小，可能是填充效果最好的一種。然而一般來說，該方法很費時， 當數據規模很大、空值很多的時候，該方法是不可行的。
(2)特殊值填充（Treating Missing Attribute values as Special values） 將空值作為一種特殊的屬性值來處理，它不同於其他的任何屬性值。如所有的空值都用「unknown」填充。這樣將形成另一個有趣的

概念，可能導致嚴重的數據偏離，一般不推薦使用。 (3)平均值填充（Mean/Mode Completer）
將信息表中的屬性分為數值屬性和非數值屬性來分別進行處理。如果空值是數值型的，就根據該屬性在其他所有對象的取值
的平均值來填充該缺失的屬性值；如果空值是非數值型的，就根據統計學中的眾數原理，用該屬性在其他所有對象的取值次數最多
的值(即出現頻率最高的值)來補齊該缺失的屬性值。另外有一種與其相似的方法叫條件平均值填充法（Conditional Mean
Completer）。在該方法中，缺失屬性值的補齊同樣是靠該屬性在其他對象中的取值求平均得到，但不同的是用於求平均的值並不是
從信息表所有對象中取，而是從與該對象具有相同決策屬性值的對象中取得。這兩種數據的補齊方法，其基本的出發點都是一樣的
，以最大概率可能的取值來補充缺失的屬性值，只是在具體方法上有一點不同。與其他方法相比，它是用現存數據的多數信息來推 測缺失值。
(4)熱卡填充（Hot deck imputation，或就近補齊）
對於一個包含空值的對象，熱卡填充法在完整數據中找到一個與它最相似的對象，然後用這個相似對象的值來進行填充。不
同的問題可能會選用不同的標准來對相似進行判定。該方法概念上很簡單，且利用了數據間的關系來進行空值估計。這個方法的缺 點在於難以定義相似標准，主觀因素較多。 (5)K最近距離鄰法（K-means clustering）
先根據歐式距離或相關分析來確定距離具有缺失數據樣本最近的K個樣本，將這K個值加權平均來估計該樣本的缺失數據。
(6)使用所有可能的值填充（Assigning All Possible values of the Attribute） 這種方法是用空缺屬性值的所有可能的屬性取值來填充，能夠得到較好的補齊效果。但是，當數據量很大或者遺漏的屬性值
較多時，其計算的代價很大，可能的測試方案很多。另有一種方法，填補遺漏屬性值的原則是一樣的，不同的只是從決策相同的對

象中嘗試所有的屬性值的可能情況，而不是根據信息表中所有對象進行嘗試，這樣能夠在一定程度上減小原方法的代價。 (7)組合完整化方法（Combinatorial Completer）
這種方法是用空缺屬性值的所有可能的屬性取值來試，並從最終屬性的約簡結果中選擇最好的一個作為填補的屬性值。這是
以約簡為目的的數據補齊方法，能夠得到好的約簡結果；但是，當數據量很大或者遺漏的屬性值較多時，其計算的代價很大。另一
種稱為條件組合完整化方法（Conditional Combinatorial Complete），填補遺漏屬性值的原則是一樣的，不同的只是從決策相同
的對象中嘗試所有的屬性值的可能情況，而不是根據信息表中所有對象進行嘗試。條件組合完整化方法能夠在一定程度上減小組合
完整化方法的代價。在信息表包含不完整數據較多的情況下，可能的測試方案將巨增。
(8)回歸（Regression）
基於完整的數據集，建立回歸方程（模型）。對於包含空值的對象，將已知屬性值代入方程來估計未知屬性值，以此估計值
來進行填充。當變數不是線性相關或預測變數高度相關時會導致有偏差的估計。 (9)期望值最大化方法（Expectation maximization，EM）
EM演算法是一種在不完全數據情況下計算極大似然估計或者後驗分布的迭代演算法[43]。在每一迭代循環過程中交替執行兩個步
驟：E步（Excepctaion step,期望步），在給定完全數據和前一次迭代所得到的參數估計的情況下計算完全數據對應的對數似然函
數的條件期望；M步（Maximzation step，極大化步），用極大化對數似然函數以確定參數的值，並用於下步的迭代。演算法在E步和M
步之間不斷迭代直至收斂，即兩次迭代之間的參數變化小於一個預先給定的閾值時結束。該方法可能會陷入局部極值，收斂速度也 不是很快，並且計算很復雜。
(10)多重填補（Multiple Imputation，MI）

多重填補方法分為三個步驟：①為每個空值產生一套可能的填補值，這些值反映了無響應模型的不確定性；每個值都被用來
填補數據集中的缺失值，產生若干個完整數據集合。②每個填補數據集合都用針對完整數據集的統計方法進行統計分析。③對來自
各個填補數據集的結果進行綜合，產生最終的統計推斷，這一推斷考慮到了由於數據填補而產生的不確定性。該方法將空缺值視為
隨機樣本，這樣計算出來的統計推斷可能受到空缺值的不確定性的影響。該方法的計算也很復雜。 (11)C4.5方法
通過尋找屬性間的關系來對遺失值填充。它尋找之間具有最大相關性的兩個屬性，其中沒有遺失值的一個稱為代理屬性，另
一個稱為原始屬性，用代理屬性決定原始屬性中的遺失值。這種基於規則歸納的方法只能處理基數較小的名詞型屬性。
就幾種基於統計的方法而言，刪除元組法和平均值法差於hot deck、EM和MI；回歸是比較好的一種方法，但仍比不上hot
deck和EM；EM缺少MI包含的不確定成分。值得注意的是，這些方法直接處理的是模型參數的估計而不是空缺值預測本身。它們合適
於處理無監督學習的問題，而對有監督學習來說，情況就不盡相同了。譬如，你可以刪除包含空值的對象用完整的數據集來進行訓
練，但預測時你卻不能忽略包含空值的對象。另外，C4.5和使用所有可能的值填充方法也有較好的補齊效果，人工填寫和特殊值填 充則是一般不推薦使用的。
補齊處理只是將未知值補以我們的主觀估計值，不一定完全符合客觀事實，在對不完備信息進行補齊處理的同時，我們或多
或少地改變了原始的信息系統。而且，對空值不正確的填充往往將新的雜訊引入數據中，使挖掘任務產生錯誤的結果。因此，在許
多情況下，我們還是希望在保持原始信息不發生變化的前提下對信息系統進行處理。這就是第三種方法：
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