风控ML[10] | 风控建模中的自动分箱的方法有哪些
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2022-02-10 03:06
之前有位读者朋友说有空介绍一下自动分箱的方法，这个确实在我们实际建模过程前是需要解决的一个问题，简单来说就是把连续变量通过分箱的方式转换为类别变量。关于这个话题，我也借着这个主题来系统的梳理总结一下几点：为什么要分箱？不分箱可以入模型吗？自动分箱的常用方法有哪些？评估分箱效果好坏的方法有哪些？ 如果篇幅允许，就顺便把实现的Python代码也分享下，如果太长了就另外起一篇文章来讲。因此，本篇文章主要从下面几个模块来展开说说。
00 Index
01 分箱是什么意思，为什么要分箱，什么时候分箱？
02 常见的自动分箱方法有哪些？
03 如何评估分箱效果的好坏
04 设计一个基于风控建模的自动分箱轮子
01 分箱是什么意思，为什么要分箱，什么时候分箱？
分箱的意思就是将连续性变量通过几个划分点，分割成几段的过程。比如说我们有一个字段「年龄」，通过分箱可以变成：
那到了这里有同学就会问了，为什么要对连续性变量进行分箱呢？直接拿来用不行吗？要回答这个问题，我们先要搞清楚分箱的好处有有哪些，主要有2点：
1）对变量进行分箱后，会对异常数据有较强的鲁棒性，变量会更加稳定；
2）变量分箱后，对于风控建模常用的LR，这种表达能力有限的线性模型，可以提升模型的表达能力，加强模型拟合能力。
嗯，讲了一些好处，还是有一个问题需要解决的，那就是：不分箱直接使用变量进入模型可以吗？
Actually，对于风控评分卡的大多数模型，是可以的，只不过有些模型，如果直接把连续变量进入模型的话，带来的模型效果会不太理想。那么，下面我将从两类我们常用的风控模型来说下：
1）LR：本身属于线性模型，表达能力有限，将变量分箱后意味着引入了更多的非线性特征，有助于提升模型拟合能力，一般情况下都进行WOE分箱之后再进入模型；
2）GBDT：作为Boosting类集成分类器模型的经典，这是一类将弱分类器提升为强分类器的算法，其中的提升树（Boosting tree）中间过程会产生大量决策树，如果输入的变量是分箱后高稀疏特征的话，一是会导致模型训练效果过低，二是会特别容易过拟合。一般都是输入连续型变量或者是非稀疏的OneHot；
3）XGBoost：它与GBDT类似，可以简单理解为XGBoost是一种基于GBDT的极度梯度提升的模型，优化了正则项和将损失函数展开到二阶，在算法精度、训练速度、泛化能力上有较大的优化。同GBDT，使用高稀疏的分箱特征入模型的话，速度还是会比较慢的。
4）CatBoost：CatBoost的主要“卖点”就是可以直接处理类别变量，也就是不需要OneHot直接入模，它也是可以直接对连续变量直接使用的；
总的来说，像LR这类的线性模型一般都是需要对连续变量分箱的，而对于GBDT、XGBoost这类的非线性模型，可以直接输入连续变量。
02 常见的自动最优分箱方法有哪些？
在介绍了分箱的好处以及应用的场景后，我们需要知道一些方法去进行分箱，最直观的自动分箱方法就是等频和等距分箱，不过这类过于简单理论的方法，往往效果并不是特别地好。所以今天介绍一下3种业界常用的自动最优分箱方法。
1）基于CART算法的连续变量最优分箱
2）基于卡方检验的连续变量最优分箱
3）基于最优KS的连续变量最优分箱
基于CART算法的连续变量最优分箱
回顾一下CART，全称为分类与回归树（Classification And Regression Tree），由于CART生成的决策树都是二叉决策树，并且该算法是基于最小基尼指数递归的方式选择最优的二值划分点，不断地把数据集划分成D1和D2两部分，依此类推直到满足停止条件。
所以连续分箱也是可以借助相同的理论来使用，其实现步骤如下：
1，给定连续变量 V，对V中的值进行排序；
2，依次计算相邻元素间中位数作为二值划分点的基尼指数；
3，选择最优（划分后基尼指数下降最大）的划分点作为本次迭代的划分点；
4，递归迭代步骤2-3，直到满足停止条件。（一般是以划分后的样本量作为停止条件，比如叶子节点的样本量>=总样本量的10%）
基于卡方检验的连续变量最优分箱
卡方检验相信很多同学会比较熟悉，它是基于卡方分布的一种假设检验的方法，主要是用于两个分类变量之间的独立性检验，其基本思想就是根据样本数据推断两个分类变量是否相互独立，其卡方值的计算公式如下：
其中，A是实际频数，E是期望频数。那么这应该怎么算呢？可以参考一下下面的例子：
套入上面的公式，算得卡方值为1.26:
这个卡方值我们可以通过查找卡方表来确定是否拒绝原假设，这里的原假设是假设两个数据集D1和D2没有区别，也就是不需要拆分，可以合并。
import pandas as pd
import numpy as np
from scipy.stats import chi2
p = [0.995, 0.990, 0.975, 0.950, 0.900, 0.100, 0.050, 0.025, 0.010, 0.005]
df = pd.DataFrame(np.array([chi2.isf(p, df=i) for i in range(1,10)]), columns=p, index=list(range(1,10)))
df
要想读懂上表，我们需要知道自由度n（纵轴）以及显著性水平p（横轴），其中：
自由度n = (行数-1)* (列数-1)，上面例子中n = (2-1)* (2-1) = 1，所以我们只需要看表中第一行，而我们算出来的卡方值是1.26，也就是显著性水平p介于0.1～0.9之间，p大于0.05，我们就认为原假设成立！ 也就是说两个数据集可以合并！总的来说，就是算出来的卡方值越小，就越证明这两个数据集是同一类，可以合并。
因此，卡方最优分箱的理论基础就在这儿，卡方分箱算法原名叫ChiMerge算法，分成2阶段：初始化阶段和自底向上合并阶段，主要实现步骤如下：
1，给定连续变量 V，对V中的值进行排序，然后每个元素值单独一组，完成初始化阶段；
2，对相邻的组，两两计算卡方值；
3，合并卡方值最小的两组；
4，递归迭代步骤2-3，直到满足停止条件。（一般是卡方值都高于设定的阈值，或者达到最大分组数等等）
基于最优KS的连续变量最优分箱
KS相信大家也都不陌生，可以稍微回顾下《风控建模的KS》 ，不过这里的KS值不是基于模型计算的，而是基于变量计算的，不过，计算逻辑和原理都是相通的。
所以，我们的最优KS分箱方法实现步骤如下：
1，给定连续变量 V，对V中的值进行排序；
2，每一个元素值就是一个计算点，对应上图中的bin0～9；
3，计算出KS最大的那个元素，作为最优划分点，将变量划分成两部分D1和D2；
4，递归迭代步骤3，计算由步骤3中产生的数据集D1 D2的划分点，直到满足停止条件。（一般是分箱数量达到某个阈值，或者是KS值小于某个阈值）
我们需要知道，分箱后的连续变量，其KS值肯定是比原来的要小的，所以我们要设置好停止条件，不然分箱后的变量效果不太好了。
03 如何评估分箱效果的好坏
这个比较简单，就是看变量的IV值，具体可以参考之前的一篇文章。《风控建模的WOE与IV》
04 设计一个基于风控建模的自动分箱轮子
一般来说，如果要造一个基于风控建模的连续变量分箱框架，需要考虑什么内容呢？我觉得应该有下面几点是需要关注的：
1，最小的分组数量
2，badrate比例控制
3，缺失值的处理逻辑
4，分箱后IV值计算与判断（不能低于0.02）
5，分箱的数量不能太多，以免太过于稀疏。
基于上面的考虑，我将会在未来设计一个连续变量自动分箱的“轮子”，到时候把源码也放出来，欢迎大家来补充。
Reference
https://blog.csdn.net/xgxyxs/article/details/90413036
https://zhuanlan.zhihu.com/p/44943177
https://blog.csdn.net/hxcaifly/article/details/84593770
https://blog.csdn.net/haoxun12/article/details/105301414/
https://www.bilibili.com/read/cv12971807