机器学习常见归一化方法及实现

归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为标量。 在多种计算中都经常用到这种方法。在对数据进行算法训练时，由于数据的问题可能导致算法的效果并不理想，这时候可以考虑一下对数据进行归一化方法。

比较常用的又线性归一化，0均值归一化，以及其他数学函数演变而来的归一化方法。下面列出我所用过的归一化方法。

1. 线性归一化—Min-Max归一化。公式如下

Xnorm是归一化后的值，Xmax，Xmin为归一化前数据的最大值和最小值。该方法把数据压缩到区间[0, 1]之间，是原数据的等比缩放。如果最大值和最小值相等需要注意是没法归一化的。所有的值相等没有区别。

例子：元数据：DataFrame

归一化代码：

def my_max_min(x):

    return (x-min(x))/(max(x)-min(x))

df = df.agg(my_max_min)

 

         Sklearn库实现Max-Min归一化：

from sklearn import preprocessing

      min_max_scaler = preprocessing.MinMaxScaler()

Xnorm = min_max_scaler.fit_transform(df)

print(Xnorm)# <class 'numpy.ndarray'>

可以看到和上面自己写的函数一模一样，只是输出的格式是ndarray格式。

注：在不涉及距离度量、协方差计算、数据不符合正太分布的时候，可以尝试这种归一化方法。

1. 0均值归一化：公式如下

x是原始数据， u是原始数据的均值，σ原始数据的标准差。0均值归一化方法将原始数据集归一化为均值为0、方差1的数据集.

例子：

def my_mean_norm(x):

    return (x-np.mean(x))/np.std(x)

df = df.agg(my_mean_norm)

print(df)

min_max_scaler = preprocessing.StandardScaler()

Xnorm = min_max_scaler.fit_transform(df)

print(Xnorm)

注：在分类、聚类算法中，需要使用距离来度量相似性的时候、或者使用PCA技术进行降维的时候，第二种方法(Z-score standardization)表现更好。

1. Atan()归一化：公式如下：

y=atan(x)*2/PI

画出曲线如下图：

X = np.linspace(-10, 10, 100)

y = [math.atan(x)*2/math.pi for x in X]# math.atan(x) x不能是数组只能是一个值

plt.plot(X, y)

plt.show()

可以看到此函数把数据压缩有(-1, 1)之内了。

1. Log10()压缩数据，公式如下：（或者对应其他数为底的数据压缩都可以）

def my_log(x):

    return np.log10(x) / np.log10(max(x))

df = df.agg(my_log)

print(df)

注意：除以log10(max)，max为样本数据最大值，并且所有的数据都要大于等于1，这样才能保证归一化后的数据在[0-1]之间，适用范围有限。

1. 模糊量化模式，公式如下：

1/2+1/2*sin(pi/(max-min)*(x-(max-min)/2))

归一化：

def my_mohu(x):

    return 1/2.0+np.sin((math.pi**(x-(max(x)-min(x))/2.0))/(max(x)-min(x)))/2.0

df = df.agg(my_mohu)

print(df)

下面几个在神经网络里面用的**函数，是为了增加非线性因素，有时候也可以考虑一下对数据的压缩转换。

1. Logistics转换，也就是sigmod**函数。

         函数图形：

1. tanh函数

公式如下：

函数图形：

1. ReLU函数，公式如下：

函数图形：