Python特征工程：Featuretools快速建模技巧

还在手动构建特征？本文带你了解Python特征工程利器Featuretools，它能通过自动化特征生成，显著提升建模效率。Featuretools的核心在于构建EntitySet，定义数据表及其关系，然后利用Deep Feature Synthesis (DFS)算法自动挖掘潜在特征。文章通过示例代码，展示了如何从客户和交易数据中创建EntitySet，添加数据与时间索引，并定义客户与交易关系，进而生成客户特征矩阵。更进一步，扩展EntitySet加入产品信息，实现跨多表特征提取。针对大规模数据，本文还提供了性能优化技巧，如限制max_depth、选择算子及自定义primitives。最后强调，生成的特征需进行选择与后处理，以提升模型效果。掌握Featuretools，让你的Python特征工程事半功倍！

1.Featuretools通过自动化特征生成提升Python特征工程效率，其核心步骤包括：构建EntitySet定义数据关系；使用DFS算法自动生成特征。2.示例代码展示了如何从customers和transactions表创建EntitySet，添加数据与时间索引，并定义客户与交易的关系。3.执行DFS时指定聚合与转换算子，生成客户特征矩阵，max_depth控制特征复杂度。4.加入products表可扩展EntitySet，实现跨多表自动特征提取，如客户购买产品的平均价格等。5.面对大规模数据，可通过限制max_depth、选择性使用算子、自定义primitives及设置cutoff_time优化性能。6.生成的大量特征需后续进行特征选择与后处理以提高模型效果。

在Python中进行特征工程，尤其是在处理复杂关系数据时，Featuretools是一个非常强大的工具，它通过自动化特征生成过程，极大地提升了效率和模型性能。它能将散落在不同表格中的信息，巧妙地聚合、转化，最终形成模型可以直接使用的特征矩阵，这大大减轻了数据科学家手动构建特征的负担。

解决方案

使用Featuretools进行特征工程的核心步骤，首先是构建一个EntitySet来描述数据中的实体（表）及其之间的关系。接着，利用Deep Feature Synthesis (DFS)算法自动生成大量潜在特征。

假设我们有两张表：customers（客户信息）和transactions（交易记录），每个客户有多笔交易。

import featuretools as ft
import pandas as pd

# 模拟数据
customers_df = pd.DataFrame({
    'customer_id': [1, 2, 3],
    'age': [30, 45, 22],
    'gender': ['M', 'F', 'M']
})

transactions_df = pd.DataFrame({
    'transaction_id': [101, 102, 103, 104, 105],
    'customer_id': [1, 1, 2, 3, 2],
    'amount': [10.5, 20.0, 5.0, 15.0, 8.0],
    'transaction_time': pd.to_datetime(['2023-01-01', '2023-01-05', '2023-01-02', '2023-01-03', '2023-01-06'])
})

# 1. 创建EntitySet
es = ft.EntitySet(id="customer_transactions")

# 2. 添加实体（表）到EntitySet
# index参数指定主键
es = es.add_dataframe(dataframe_name="customers",
                      dataframe=customers_df,
                      index="customer_id")

es = es.add_dataframe(dataframe_name="transactions",
                      dataframe=transactions_df,
                      index="transaction_id",
                      time_index="transaction_time") # 针对时间序列数据，指定time_index

# 3. 定义实体之间的关系
# relationship(parent_dataframe_name, parent_dataframe_index, child_dataframe_name, child_dataframe_foreign_key)
# 这里表示transactions表通过customer_id与customers表关联
es = es.add_relationship(parent_dataframe_name="customers",
                         parent_column_name="customer_id",
                         child_dataframe_name="transactions",
                         child_column_name="customer_id")

# 4. 执行Deep Feature Synthesis (DFS)
# target_dataframe_name 指定我们希望为哪个实体生成特征
# agg_primitives: 聚合特征，如SUM, MEAN, COUNT等
# trans_primitives: 转换特征，如DAY, MONTH, SINE等
features, feature_defs = ft.dfs(entityset=es,
                                target_dataframe_name="customers",
                                agg_primitives=["sum", "mean", "count", "max", "min"],
                                trans_primitives=["day", "month", "weekday"],
                                max_depth=2) # max_depth控制特征的复杂程度

print(features.head())

这段代码展示了如何从原始数据到生成特征矩阵的全过程。max_depth参数控制了特征的“深度”，比如max_depth=2意味着可以从客户的交易中聚合出特征，然后这些聚合特征还可以再进行转换。

Featuretools的核心理念：从数据关系到自动化特征

我第一次接触Featuretools时，那种感觉就像是发现了一个宝藏。它最吸引我的地方，就是它对“数据关系”的深刻理解和自动化。传统特征工程，我们往往需要手动去思考不同表之间怎么连接、怎么聚合、怎么转换，这不仅耗时，而且非常依赖领域知识和经验。Featuretools则把这个过程抽象成一个叫做EntitySet的东西。

EntitySet就好比一个数据库的Schema，它不仅仅存储了各个数据表（在Featuretools里叫dataframe或entity），更重要的是，它明确定义了这些表之间的主外键关系。有了这些关系，Featuretools的Deep Feature Synthesis (DFS)算法就能像一个不知疲倦的侦探一样，沿着这些关系链条，自动探索并生成各种有意义的特征。它会尝试各种聚合（比如一个客户的总交易额、平均交易额），也会尝试各种转换（比如交易日期是周几、月份），甚至会将聚合后的特征再进行转换，形成更复杂的特征。这种层层递进、由浅入深的特征生成方式，正是“Deep”的含义。它模仿了人类专家在分析数据时，从基本事实出发，逐步构建复杂概念的思维过程。这玩意儿，真有点意思。

实践：如何用Featuretools快速构建基础特征

上面已经给出了一个基本的代码示例，但我想再强调一些实践中的细节。在使用Featuretools时，最容易让人一头雾水的地方，可能是如何正确地定义EntitySet以及其中的relationship。如果你有多个表，而且它们之间存在复杂的层级关系（比如客户-订单-订单详情），那么你需要确保所有的主键和外键都正确地被识别和关联。

举个例子，如果我们的transactions表还有个product_id，并且我们有个products表：

# 模拟产品数据
products_df = pd.DataFrame({
    'product_id': [1001, 1002, 1003],
    'category': ['Electronics', 'Books', 'Food'],
    'price_per_unit': [500, 20, 5]
})

# 再次创建EntitySet，加入products表
es_complex = ft.EntitySet(id="customer_transactions_products")

es_complex = es_complex.add_dataframe(dataframe_name="customers",
                                      dataframe=customers_df,
                                      index="customer_id")

es_complex = es_complex.add_dataframe(dataframe_name="transactions",
                                      dataframe=transactions_df,
                                      index="transaction_id",
                                      time_index="transaction_time")

es_complex = es_complex.add_dataframe(dataframe_name="products",
                                      dataframe=products_df,
                                      index="product_id")

# 添加客户与交易的关系
es_complex = es_complex.add_relationship(parent_dataframe_name="customers",
                                         parent_column_name="customer_id",
                                         child_dataframe_name="transactions",
                                         child_column_name="customer_id")

# 添加交易与产品的关系
es_complex = es_complex.add_relationship(parent_dataframe_name="products",
                                         parent_column_name="product_id",
                                         child_dataframe_name="transactions",
                                         child_column_name="product_id") # 假设transactions表有product_id列

# 现在可以为customers生成特征，这些特征会包含产品信息
# 比如：客户购买的平均产品价格，客户购买过的产品类别数量等
features_complex, feature_defs_complex = ft.dfs(entityset=es_complex,
                                                target_dataframe_name="customers",
                                                agg_primitives=["sum", "mean", "count"],
                                                trans_primitives=[],
                                                max_depth=3) # 深度可以更深，以探索更复杂的特征

print(features_complex.head())

通过这样的方式，Featuretools能够自动从customers -> transactions -> products的路径上，为每个客户聚合出与产品相关的特征。这在传统方法下，需要多次的merge和groupby操作，而且容易出错。

超越基础：Featuretools在复杂场景下的优化与考量

尽管Featuretools功能强大，但在处理大规模或极端复杂的数据时，它也面临一些挑战，需要我们进行优化和考量。

首先是计算性能。当你的EntitySet包含数十亿行数据，或者关系深度非常大时，dfs的计算时间可能会非常长。这时，我们可以考虑以下策略：

• 减少max_depth：过深的特征不一定总是有用，反而会急剧增加计算量。通常max_depth=2或3就能捕捉到大部分有用的信息。
• 选择性使用primitives：Featuretools内置了非常多的agg_primitives和trans_primitives。并非所有都适用于你的数据。只选择那些你认为可能相关的，可以显著减少特征数量和计算时间。
• 自定义primitives：如果你有一些非常特定的业务逻辑需要生成特征，但Featuretools没有内置相应的primitive，你可以自己编写。这虽然增加了工作量，但能确保特征的业务相关性，同时避免生成大量无用特征。
• cutoff_time的使用：在时间序列预测任务中，我们通常需要避免数据穿越（data leakage），即用未来的信息预测过去。cutoff_time参数允许你指定一个时间点，只使用该时间点之前的数据来生成特征。这对于模拟真实的预测场景至关重要，也能控制每次特征生成的数据量。

其次是特征爆炸与特征选择。Featuretools的“自动化”在某种程度上也意味着“无差别生成”，它可能会生成成千上万个特征，其中大部分可能是高度相关、冗余或根本无用的。这会导致模型训练时间增加、过拟合风险上升。

• 事后特征选择：生成特征后，你需要进行传统的特征选择步骤，例如使用树模型的重要性、相关性分析、PCA降维等方法来筛选出最有价值的特征。
• 预设特征列表：如果你对某些特征组合有明确的预期，可以直接在ft.dfs中通过features_only参数指定要生成的特征定义列表，而不是让它完全自由探索。这需要对数据和业务有较深的理解。

最后，Featuretools生成的特征虽然多，但并非所有都是“完美”的。有些特征可能需要进一步的后处理，比如缺失值填充、异常值处理、特征缩放等。Featuretools更多的是一个特征“生成器”，而不是一个“完美特征”输出器。它为你提供了一个强大的起点，但后续的数据清洗和预处理工作依然不可或缺。理解这些，能帮助你更高效、更负责任地使用Featuretools。

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