数据分析中的异常检测算法有哪些

小飞棍来咯 • 2024年1月9日下午3:38 • 数据分析专题 • 阅读 101

数据分析领域常用的异常检测算法包括1、基于统计的算法、2、基于邻近性的算法、3、基于聚类的算法、4、基于分类的算法以及5、基于深度学习的算法。这些算法能够有效识别数据集中的离群点，对于维护数据质量、预防欺诈活动、发现系统漏洞等具有至关重要的作用。基于邻近性的算法是其中较为受欢迎的一类，它假设异常点在数据结构中的位置远离大部分其它数据点。比如K-最近邻（KNN）算法，通过计算数据点之间的距离来标记那些距离较远的点为异常值。

深入对基于邻近性的算法进行详细描述，这类算法认为数据点之间的邻近程度可以通过某种距离度量来确定。如果一个数据点与其余大多数数据点的距离超过一个指定的阈值，那么它就可以被认为是一个异常点。KNN算法是此类方法的典型代表，它基于每个数据点的K个最邻近的观察值来确定这个点是否为异常。如果一个点的邻近点大多数也是异常点，那么这个点很可能也是异常的。此外，有些基于邻近性的算法还会采用密度估计，例如局部离群因子（LOF）算法，该算法通过比较一个点的局部密度与其邻居的局部密度来检测异常值。

一、基于邻近性的算法

在此类算法中，K近邻（K-Nearest Neighbors, KNN）与局部异常因子（Local Outlier Factor, LOF）被广泛使用。KNN依靠计算数据点之间的距离来识别异常值。此算法简单、直观，但计算量大，且对参数K的选取敏感。LOF则考虑了局部密度的概念，通过比较一个点与其邻居的密度差异来鉴定异常值。此法强调数据点的局部属性，因此在探测多维度数据中的离群点时显得十分有效。

二、基于统计的算法

算法如基于分布假设的Grubbs’ Test、Z-Score以及箱线图，都利用统计模型来预测和标记异常值。这类算法假设数据遵循某种已知的分布（通常为正态分布）, 并利用统计推断来识别那些与该分布显著不符的点。然而，对于不遵循正态分布或者含有多变量的数据集，传统的基于统计的算法可能就不太适用了。

三、基于聚类的算法

聚类是数据分析中的另一常用技术，旨在将相似的数据点组织到一起。在异常检测中，聚类算法如k-平均（k-means）或DBSCAN等被用来划分数据，异常点通常表现为小的、稀疏的簇或者根本不属于任何簇。这些算法通常对异常值的形状和尺寸不太敏感，适用于各种形状和大小的数据集。

四、基于分类的算法

一些学习算法可以被训练为分类模型，以识别异常值。例如，支持向量机（Support Vector Machine, SVM）、随机森林和神经网络等算法通过学习样本数据的特征来区分正常点与异常点。这类方法通常需要足够的标签数据，若训练数据代表性差，模型可能会产生误报或漏报。

五、基于深度学习的算法

深度学习算法，如自编码器（Autoencoders）和生成对抗网络（Generative Adversarial Networks, GANs）等新兴技术，因其在异常检测中展示的出色性能而被研究者重视。这些算法可以学习数据的抽象表示，捕捉复杂的非线性关系，尤其在高维数据中表现出较强的鲁棒性和效果。自编码器通过重构输入数据来发现异常点，而GANs可以通过学习生成正常数据的概率模型来辨别出异常值。尽管如此，深度学习模型的训练需要大量的计算资源，且调试和解释性较为复杂。