机器学习实战_1_01_数据清洗、随机森林模型训练

 内容简介：

  利用随机森林方法训练数据集，预测泰坦尼克号哪些人可以获救，主要过程如下：

step1:加载源数据集

step2： 数据清洗

step3:进行特征构建

step4：特征构建（2）基于scikit-learn中的LabelEncoder()

step5：特征选择

step6：获取训练集和测试集

step7：随机森林算法实现

代码在jupyter notebook中 实现。

本节学习内容来自：https://space.bilibili.com/474347248/channel/detail?cid=143235，所用数据均来源于该网站。

#加载必要的库
import sys
import pandas as pd
import numpy as np
import sklearn  #机器学习库
import random
import time

print(sys.version)  #查看python 版本

3.8.3 (default, Jul  2 2020, 17:28:51) [MSC v.1916 32 bit (Intel)]

from sklearn import ensemble

from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from sklearn import feature_selection
from sklearn import model_selection
from sklearn import metrics

import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns  #基于matplotlib 开发的库

#在jupyter notebook 中显示画的图
%matplotlib inline  

mpl.style.use("ggplot")  # 设置matplotlib 的绘图风格

step1:加载源数据集

data_raw = pd.read_csv("train.csv")
data_val = pd.read_csv("test.csv")

#显示部分数据
data_raw.head()  #默认读取前5行；可以加参数：data_raw.head(3)   读取前三行

data_val.head() 

#查看表的信息
data_raw.info()

 

#列名称转换为小写格式
data_raw.columns = data_raw.columns.str.lower()
data_val.columns = data_val.columns.str.lower()
data_raw.head()

#绘制图形
sns.countplot(data_raw["survived"])

# 合并两个数据集，进行统一的清洗
data_all = [data_raw, data_val]

step2： 数据清洗

#查看一下每一列有多少空值
data_raw.isnull().sum()

data_val.isnull().sum()

#对源数据进行描述
data_raw.describe(include='all')

 

# 对原始数据集（训练集和验证集）进行清理
for dataset in data_all:
    #补足空缺值
    dataset['age'].fillna(dataset['age'].median(), inplace=True)  #inplace=True:在原表中补齐，为False则会生成一个新表返回
    dataset['fare'].fillna(dataset['fare'].median(), inplace=True)
    dataset['embarked'].fillna(dataset['embarked'].mode()[0], inplace=True) #mode()返回的出现次数最多的几个字符串，然后[0]代表取第一个
    #dataset['embarked'].fillna(dataset['embarked'].median(), inplace=True)  这里要注意港口是字符串类型，没有中值，不能这样写
    

#删除一些字段（cabin 空缺太多，对数据分析没有太大的意义
drop_columns = ["cabin","passengerid","ticket"]
data_raw.drop(drop_columns, axis = 1, inplace = True)  #asxis = 1代表整列删除   inplace = True代表在原始数据上操作
data_val.drop(drop_columns, axis = 1, inplace = True)

data_raw.isnull().sum()

data_raw.info()

data_val.isnull().sum()

step3:进行特征构建

for dataset in data_all:
    #1）构建新的字段：family_size 家庭规模 （sibsp和parch相加)
    dataset["family_size" ] = dataset['sibsp'] + dataset['parch'] + 1 #1表示加自己
    
    #2）构建新的字段：single  单身，  1：单身；   0：非单身
    dataset['single'] = 1 #初始化为1
    dataset['single'].loc[dataset['family_size']>1] = 0      #loc[]表格的每一行,判断家庭规模大于1的为非单身
    
    #3）构建新的字段：身份 title  ，从name字段   ；Braund, Mr. Owen Harris  ：以逗号，点号分割
    dataset['title'] = dataset['name'].str.split(', ', expand = True)[1]  #pandas中split默认expand = False返回的是series,expand = True返回dataframe;分割之后拿到第一个字段，也就是上一行的逗号后面的；
    dataset['title'] = dataset['title'].str.split('.', expand = True)[0]  #拿到点号之前的，也就是上面两行的Mr,  这一行可以和上面一行合并为一行
    #dataset['title'] = dataset['name'].str.split(', ', expand = True)[1].str.split('.', expand = True)[0]
    #上面这一行代码可以用apply代替
    #dataset['title'] = dataset['name'].apply(lambda x : x.split(',')[1]).apply(lambda x : x.split('.')[0])
    
    #4）构建新的字段：票价 fare_bin  ，从fare字段,(因为票价大小差距太多，可以分组)
    dataset['fare_bin'] = pd.qcut(dataset['fare'], 4)  #根据票价，分成四组，每一组个数相等
    #cut():分组，每一组个数不一定相等，qcut():分组，每一组个数相等
    
    #data_raw['age'].tolist()  #把age这一列拿出来
    
    #5）构建新的字段：age_bin 
    dataset['age_bin'] = pd.cut(dataset['age'].astype(int), 5)   #根据年龄分组。分成5组（每组的元素不一致）

dataset.head()

#根据不同的title 统计人数
data_raw['title'].value_counts()

#判断人数少于10人的再归为一类
title_names = (data_raw['title'].value_counts()<10)

title_names

#判断人数少于10人的再归为一类：other
data_raw['title'] = data_raw['title'].apply(lambda x : 'other' if title_names[x] else x)  #title_names[x]为TRUE的归为other，为FALSE的保持不动

data_raw['title'].value_counts()

data_raw['survived'].groupby(data_raw['title']).mean()  #不同的title 被获救的概率

step4：特征构建（2）基于scikit-learn中的LabelEncoder()

data_raw.head()

 #像上面embarked等字段是字母，不适合数据分析

label = LabelEncoder()

for dataset in data_all:
    #1)新字段：sex_code
    dataset['sex_code'] = label.fit_transform(dataset['sex']) #male female  重新编码为0 和1 
    
    #2）新字段：embarked_code
    dataset['embarked_code'] = label.fit_transform(dataset['embarked'])
    
    #3）新字段：title_code
    dataset['title_code'] = label.fit_transform(dataset['title'])
    
    #上面年龄和票价进行了分组，我们也要重新编码
    #4）新字段：age_bin_code
    dataset['age_bin_code'] = label.fit_transform(dataset['age_bin'])
    
    #5）新字段：fare_bin_code
    dataset['fare_bin_code'] = label.fit_transform(dataset['fare_bin'])
    

data_raw.head()

#查看所有列的字段
data_raw.columns.tolist()

 ###以上字段并不是都适合作为训练的字段，我们要选择合适的字段进行训练

step5：特征选择

并不是所有的字段都有训练的意义，我们通常会选择一些字段进行训练

方式1：

Target = ['survived']  #定义标签
data_columns_one = ['sex', 'pclass', 'embarked', 'title', 'sibsp', 'parch', 'age', 'fare', 'family_size', 'single']  #选择要训练的字段
columns_one = Target + data_columns_one

方式2：

data_columns_two = ['sex_code', 'pclass', 'embarked_code', 'title_code', 'sibsp', 'parch', 'age', 'fare']  #选择要训练的字段
columns_two = Target + data_columns_two

方式3：

data_columns_three = ['sex_code', 'pclass', 'embarked_code', 'title_code', 'family_size',  'age_bin_code', 'fare_bin_code']  #选择要训练的字段
columns_three = Target + data_columns_three

#通过pandas 中的get_dummies()进行编码（功能类似于LabelEncoder()）
data_one_dummy = pd.get_dummies(data_raw[data_columns_one])

data_one_dummy_list = data_one_dummy.columns.tolist()  #以列表形式查看编码后的字段
data_one_dummy_list

 

step6：获取训练集和测试集

对应上面的三种方式

方式1：

x_train_one, x_test_one, y_train_one, y_test_one = model_selection.train_test_split(data_one_dummy[data_one_dummy_list], 
                                                                                    data_raw[Target], 
                                                                                    random_state = 0)  

# random_state = 0保证每次运行的结果是一样的

x_train_one.shape  #查看一下

x_test_one.shape

方式2：

x_train_two, x_test_two, y_train_two, y_test_two = model_selection.train_test_split(data_raw[data_columns_two], 
                                                                                    data_raw[Target], 
                                                                                    random_state = 0) # random_state = 0保证每次运行的结果是一样的

x_train_two.shape  #查看一下

x_test_two.shape

方式3：

x_train_three, x_test_three, y_train_three, y_test_three = model_selection.train_test_split(data_raw[data_columns_three], 
                                                                                    data_raw[Target], 
                                                                                    random_state = 0) # random_state = 0保证每次运行的结果是一样的

x_train_three.shape  #查看一下

 

x_test_three.shape 

step7：随机森林算法实现

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

rf = RandomForestClassifier(max_features='auto',
                            random_state=1, 
                            n_jobs=-1) #n_jobs=-1  多线程

param_gird = {
    'criterion' : ['gini', 'entropy'],   #两个模型
    'min_samples_leaf' : [1, 5, 10],
    'min_samples_split' : [2, 4, 10, 12, 16],
    'n_estimators' : [50, 100, 400, 700, 1000]
}

gs = GridSearchCV(estimator=rf,
                  param_grid=param_gird,
                  scoring= 'accuracy',
                  cv=3,
                  n_jobs=-1)

接下来对三种训练集进行训练

方式1：

gs = gs.fit(x_train_one, y_train_one)  # fit 训练，可能需要一会儿

print(gs.best_score_)  #准确性

print(gs.best_params_)#查看训练选择的参数

#创建一个对象，用上面的参数继续训练
rf2 = RandomForestClassifier(criterion='entropy',
                             min_samples_leaf=5,
                             min_samples_split=12,
                             n_estimators=50,
                             n_jobs=-1,
                             random_state=1)

rf2.fit(x_train_one, y_train_one)

#根据特征根的重要性排序
pd.concat((pd.DataFrame(x_train_one.iloc[:, 1:].columns, columns=['Varialbe']),
          pd.DataFrame(rf2.feature_importances_, columns=['importance'])),
          axis=1 ).sort_values(by='importance', ascending=False)

预测是否可以获救,在test数据

pred = rf2.predict(x_test_one)
pred_df = pd.DataFrame(pred, columns=['survived'])
pred_df.head()