京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
异常检测算法–Isolation Forest
南大周志华老师在2010年提出一个异常检测算法Isolation Forest,在工业界很实用,算法效果好,时间效率高,能有效处理高维数据和海量数据,这里对这个算法进行简要总结。
iTree
提到森林,自然少不了树,毕竟森林都是由树构成的,看Isolation Forest(简称iForest)前,我们先来看看Isolation Tree(简称iTree)是怎么构成的,iTree是一种随机二叉树,每个节点要么有两个女儿,要么就是叶子节点,一个孩子都没有。给定一堆数据集D,这里D的所有属性都是连续型的变量,iTree的构成过程如下:
随机选择一个属性Attr;
随机选择该属性的一个值Value;
根据Attr对每条记录进行分类,把Attr小于Value的记录放在左女儿,把大于等于Value的记录放在右孩子;
然后递归的构造左女儿和右女儿,直到满足以下条件:
传入的数据集只有一条记录或者多条一样的记录;
树的高度达到了限定高度;
iTree构建好了后,就可以对数据进行预测啦,预测的过程就是把测试记录在iTree上走一下,看测试记录落在哪个叶子节点。iTree能有效检测异常的假设是:异常点一般都是非常稀有的,在iTree中会很快被划分到叶子节点,因此可以用叶子节点到根节点的路径h(x)长度来判断一条记录x是否是异常点;对于一个包含n条记录的数据集,其构造的树的高度最小值为log(n),最大值为n-1,论文提到说用log(n)和n-1归一化不能保证有界和不方便比较,用一个稍微复杂一点的归一化公式:
,
s(x,n)s(x,n)就是记录x在由n个样本的训练数据构成的iTree的异常指数,s(x,n)s(x,n)取值范围为[0,1],越接近1表示是异常点的可能性高,越接近0表示是正常点的可能性比较高,如果大部分的训练样本的s(x,n)都接近于0.5,说明整个数据集都没有明显的异常值。
随机选属性,随机选属性值,一棵树这么随便搞肯定是不靠谱,但是把多棵树结合起来就变强大了;
iForest
iTree搞明白了,我们现在来看看iForest是怎么构造的,给定一个包含n条记录的数据集D,如何构造一个iForest。iForest和Random Forest的方法有些类似,都是随机采样一一部分数据集去构造每一棵树,保证不同树之间的差异性,不过iForest与RF不同,采样的数据量PsiPsi不需要等于n,可以远远小于n,论文中提到采样大小超过256效果就提升不大了,明确越大还会造成计算时间的上的浪费,为什么不像其他算法一样,数据越多效果越好呢,可以看看下面这两个个图,
左边是元素数据,右边是采样了数据,蓝色是正常样本,红色是异常样本。可以看到,在采样之前,正常样本和异常样本出现重叠,因此很难分开,但我们采样之和,异常样本和正常样本可以明显的分开。
除了限制采样大小以外,还要给每棵iTree设置最大高度l=ceiling(logΨ2)l=ceiling(log2Ψ),这是因为异常数据记录都比较少,其路径长度也比较低,而我们也只需要把正常记录和异常记录区分开来,因此只需要关心低于平均高度的部分就好,这样算法效率更高,不过这样调整了后,后面可以看到计算h(x)h(x)需要一点点改进,先看iForest的伪代码:
IForest构造好后,对测试进行预测时,需要进行综合每棵树的结果,于是
E(h(x))E(h(x))表示记录x在每棵树的高度均值,另外h(x)计算需要改进,在生成叶节点时,算法记录了叶节点包含的记录数量,这时候要用这个数量SizeSize估计一下平均高度,h(x)的计算方法如下:
处理高维数据
在处理高维数据时,可以对算法进行改进,采样之后并不是把所有的属性都用上,而是用峰度系数Kurtosis挑选一些有价值的属性,再进行iTree的构造,这跟随机森林就更像了,随机选记录,再随机选属性。
只使用正常样本
这个算法本质上是一个无监督学习,不需要数据的类标,有时候异常数据太少了,少到我们只舍得拿这几个异常样本进行测试,不能进行训练,论文提到只用正常样本构建IForest也是可行的,效果有降低,但也还不错,并可以通过适当调整采样大小来提高效果。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 四层结构 · 零件与房子 · 六大易错点 一、什么是指标体系 定义:指标体系是整套完整框架 ...
2026-10-13写在开头 先还原一个你大概率见过的场面。 立项会上有人说:我们得做用户画像。 于是团队关进会议室,白板写满便利贴,两小时后 ...
2026-10-13 很多数据分析师每天都在计算指标、制作报表,但当被问到“什么叫指标数据元”“指标数据标准包含哪些核心维度”“指标数据质 ...
2026-10-13在统计学与数据分析研究中,相关性分析分为数值变量分析与分类变量分析两大类。针对身高、销量、分数等连续数值变量,通常采用皮 ...
2026-10-12在Power BI可视化分析体系中,常规表格仅能展示枯燥的数值数据,存在数据对比不直观、强弱规律不突出、维度交叉分析低效等问题。 ...
2026-10-12 很多数据分析师能熟练写SQL、做透视表,但当被问到“数据是从哪里来的?经过哪些加工才进入数据仓库?ETL具体做了什么?”时 ...
2026-10-12在传统零售行业同质化竞争激烈、大众营销转化率持续走低的背景下,依托经验与直觉的粗放式营销逐渐失效。美国塔吉特百货(Target ...
2026-10-10随着智能客服、数字化服务、用户精细化运营的快速普及,传统零散、非标准化的客户服务数据与业务体系逐渐难以支撑高效服务治理。 ...
2026-10-10 很多数据分析师能熟练地写SQL、做透视表、算描述性统计,但当被问到“如何预测用户流失概率”“如何归因销量下滑的关键因素 ...
2026-10-10CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 定义区别 · 场景举例 · 指标分类 · 计算方法 知识体系总览 模块 包含内容 一、核 ...
2026-10-09在数据分析工作流中,业务数据大多存储在各类关系型数据库内,例如MySQL、PostgreSQL、SQLite等。Pandas是Python生态中主流的数 ...
2026-10-09在数字化精细化运营时代,海量用户存在需求差异、行为差异、价值差异与偏好差异。如果企业采用“一刀切”的统一营销、统一服务、 ...
2026-10-09 很多数据分析师拿到数据就开始清洗、建模,但当被问到“这批数据属于什么类型——结构化还是非结构化?分类变量还是数值变量 ...
2026-10-09指标体系是企业数字化分析、业务监控、经营决策的核心基础框架,是将零散数据转化为可衡量、可对比、可落地业务价值的关键体系。 ...
2026-10-08随着市场竞争日趋饱和,同质化低价竞争逐渐陷入内卷僵局,传统以价格、渠道、促销为核心的营销模式边际效益持续递减。在此背景下 ...
2026-10-08 很多数据分析师画过趋势图、做过业绩预测,但当被问到“这个月销售额增长20%,到底是长期趋势自然增长,还是促销活动的短期 ...
2026-10-08你有没有想过,手机里点外卖、刷社交软件、转一笔账,背后到底是谁在替你"记着账"? 答案其实很简单:数据库,以及跟它对话的那 ...
2026-10-07CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 一、数据分析四大思维 1. 对比思维:没有对比就没有分析 核心观点:单独一个数字没有意义,有 ...
2026-10-05Kimball 是方法,星型模型是它产出的形状。 很多人把"Kimball vs 星型模型"当成一道选择题——这本身就是个误会:Kimball 是动词 ...
2026-10-05写在开头 老板在微信上甩来一句: "帮我看下为什么销量跌了。" ” 你回工位,打开 SQL,开始写。查订单表、拉近三个月、按 ...
2026-10-03