[机器学习笔记]K-means聚类——进行广告效果分析

本文是我学习机器学习的一篇学习笔记，
主要参考文章：运用K-Means聚类分析广告效果 感谢哈~
学习过程中遇到一些问题，故在此重新对代码做了整理

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前言

某企业，其主要的宣传获客手段是通过各个广告渠道投放广告，通过广告将用户引流至自己的企业官网。用户可以在该企业官网浏览及购买其产品及服务。
但是广告的渠道非常多，哪些渠道效果好，哪些效果不好，需要对广告效果进行分析，针对性地做广告效果测量和优化工作。
现有一份各类广告渠道90天内日均UV（独立访问量）、平均注册率、平均搜索率、访问深度、平均停留时长、订单转化率、投放时间、素材类型、广告类型、合作方式、广告尺寸和广告卖点等特征。

由于该企业广告渠道众多，我们希望将众多渠道按照重点特征分类，此时就可以使用聚类算法进行分类处理。请你通过聚类算法，将渠道分类，找出每类渠道的重点特征，为业务讨论和数据分析提供支持。
字段说明如下：

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一、引用类库

本案例主要使用Pandas、NumPy、Matplotlib、SKlearn模块进行数据分析。

import numpy as np
import pandas as pd
pd.set_option('display.max_columns', None)                      #显示所有列
pd.set_option('display.unicode.ambiguous_as_wide', True)        #设置各列对齐
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True)         
pd.set_option('display.width', 180)                             #设置打印宽度
from sklearn.cluster import KMeans                              #KMeans库
import matplotlib.pyplot as plt                                 
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']                    #支持中文
import seaborn as sns
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler                  #数据归一工具
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder                 #数据独热编码器
from sklearn.metrics import silhouette_score                    #导入轮廓系数指标
import matplotlib.colors as mcolors
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')                               # 忽视警告
print("类库引用成功！")

运行结果：

二、读入数据

这里我们读入数据

df = pd.read_csv('./ad_performance.csv')
df.head()

三、数据描述性统计

3.1 查看原始数据

print("\n查看原始数据")
df.head(2)  # 打印输出前2条数据

3.2 打印原始数据摘要

print("\n打印原始数据摘要")
df.info()

3.3 打印原始数据基本描述性信息

print("\n打印原始数据基本描述性信息")
df.describe().round(2).T  # 打印数据类型分布

3.4 缺失值审查

print("\n缺失值审查")
df.isnull().any(axis=0) # 查看每一列是否具有缺失值

【平均停留时间】存在缺失值。

3.5 查看具有缺失值的行数

print("\n查看具有缺失值的行数")
df.isnull().sum().sort_values(ascending=False)

3.6 各列间的相关性分析

print("\n各列间的相关性分析：")
df2 = df.drop(['Unnamed: 0'], axis=1)
corr = df2.corr().round(2)
print(corr.T) # 打印原始数据相关性信息
print("\n打印热力图，相关性可视化展示")
sns.heatmap(corr,cmap='Reds',annot = True)
plt.show()
print("热力图打印完毕")

可以看到【平均停留时间】和【访问深度】相关性为0.72，可以删掉一列。其中【平均停留时间】与其他各列的相关性之和相比于【访问深度】更高，故我们可以删掉【平均停留时间】这一列。而刚好【平均停留时间】也存在2行缺失值。

四、数据描述性统计

4.1 删除相关性较强的列

print("\n删除相关性较强的列")
df2 = df.drop(['平均停留时间'],axis=1)
df2.head()

4.2 对字符型列进行独热编码

print("接下来我们字符型列进行独热编码\n")
print("查看字符型列取值")
cols_str_type = ["素材类型","广告类型","合作方式","广告尺寸","广告卖点"]
for x in cols_str_type:
    data=df2[x].unique()
    print("列【{0}】的取值有：\n{1}".format(x,data))
    print("-·"*20)
print("\n字符串分类独热编码处理")
ohe_matrix = OneHotEncoder(sparse=False).fit_transform(df2[cols_str_type])  # 建立OneHotEncode对象
pd.DataFrame(ohe_matrix[:2]).head()

4.3 数据归一化

print("\n数据归一化")
df2.info()
cols_num_type = ['日均UV','平均注册率','平均搜索量','访问深度','订单转化率','投放总时间'] # 数值型列
sacle_matrix = df2.loc[:, cols_num_type]  # 获得要转换的矩阵
data_scaled = MinMaxScaler().fit_transform(sacle_matrix)  # MinMaxScaler标准化处理
pd.DataFrame(data_scaled.round(2)).head()

4.4 合并独热编码和归一化的列

print("\n合并所有维度，得到新矩阵:X")
X = np.hstack((data_scaled, ohe_matrix))
pd.DataFrame(X.round(2)).head()

数据处理完，就可以带入模型进行训练了。

五、建模调优

本步骤我们对上一步数据预处理后的数据进行建模，并找出最优k值（即判断：聚类成几个类别最合适）。

# 通过平均轮廓系数检验得到最佳KMeans聚类模型
score_list = list()  # 用来存储每个K下模型的平局轮廓系数
silhouette_int = -1  # 初始化的平均轮廓系数阀值
for n_clusters in range(2, 8):  # 遍历从2到8几个有限组
    model_kmeans = KMeans(n_clusters=n_clusters)  # 建立聚类模型对象
    labels_tmp = model_kmeans.fit_predict(X)  # 训练聚类模型
    silhouette_tmp = silhouette_score(X, labels_tmp)  # 得到每个K下的平均轮廓系数
    if silhouette_tmp > silhouette_int:  # 如果平均轮廓系数更高
        best_k = n_clusters  # 保存K将最好的K存储下来
        silhouette_int = silhouette_tmp  # 保存平均轮廓得分
        best_kmeans = model_kmeans  # 保存模型实例对象
        cluster_labels_k = labels_tmp  # 保存聚类标签
    score_list.append([n_clusters, silhouette_tmp])  # 将每次K及其得分追加到列表
print('\n{:*^60}'.format('K值对应的轮廓系数:'))
print(np.array(score_list))  # 打印输出所有K下的详细得分
print('最优的K值是:{0} \n对应的轮廓系数是:{1}'.format(best_k, silhouette_int))

六、聚类结果分析

6.1 将原始数据与聚类标签整合

这一步我们将原始数据 df 和 聚类标签列 clusters 合并到一起，相当于为每一行数据打上聚类标签。

print("\n将原始数据与聚类标签整合：")
cluster_labels = pd.DataFrame(cluster_labels_k, columns=['clusters'])  # 获得训练集下的标签信息
merge_data = pd.concat((df, cluster_labels), axis=1)  # 将原始处理过的数据跟聚类标签整合
merge_data.head()

6.2 查看每个聚类类别下的样本量和样本占比

print("\n查看每个聚类类别下的样本量和样本占比：")
column_0 = merge_data.columns[0]
clustering_count = pd.DataFrame(merge_data[column_0].groupby(merge_data['clusters']).count()).T.rename({column_0: 'counts'})  # 计算每个聚类类别的样本量
clustering_ratio = (clustering_count / len(merge_data)).round(2).rename({'counts': 'percentage'})  # 计算每个聚类类别的样本量占比
print(clustering_count)
print("#"*30)
print(clustering_ratio)

所有的渠道被分为4各类别，
每个类别的样本量分别为：73、349、313、154
对应占比分别为：8%、39%、35%、17%

6.3 计算各个聚类类别内部最显著特征值

print("\n计算各个聚类类别内部最显著特征值：")

cluster_features = []  # 空列表，用于存储最终合并后的所有特征信息
for line in range(best_k):  # 读取每个类索引
    label_data = merge_data[merge_data['clusters'] == line]  # 获得特定聚类类别的数据
    part1_data = label_data.loc[:, cols_num_type] # 获得数值型数据特征
    part1_desc = part1_data.describe().round(3)  # 得到数值型特征的描述性统计信息
    merge_data1 = part1_desc.iloc[2, :]  # 得到数值型特征的均值
    part2_data = label_data.loc[:, cols_str_type]  # 获得字符串型数据特征
    part2_desc = part2_data.describe(include='all')  # 获得字符串型数据特征的描述性统计信息
    merge_data2 = part2_desc.iloc[2, :]  # 获得字符串型数据特征的最频繁值
    merge_line = pd.concat((merge_data1, merge_data2), axis=0)  # 将数值型和字符串型典型特征沿行合并
    cluster_features.append(merge_line)  # 将每个类别下的数据特征追加到列表
#  输出完整的类别特征信息
cluster_pd = pd.DataFrame(cluster_features).T  # 将列表转化为矩阵
print('\n{:*^60}'.format('每个类别主要的特征:'))
all_cluster_set = pd.concat((clustering_count, clustering_ratio, cluster_pd),axis=0)  # 将每个聚类类别的所有信息合并
all_cluster_set

6.4 绘制雷达图,以分析各聚类类别的特征

print("\n图形化输出：")
print("\n各类别数据预处理")
num_sets = cluster_pd.loc[cols_num_type, :].T.astype(np.float64)  # 获取要展示的数据(数值型列)
num_sets_max_min = MinMaxScaler().fit_transform(num_sets)  # 获得标准化后的数据
print("num_sets:",pd.DataFrame(num_sets))
print("num_sets_max_min:", pd.DataFrame(num_sets_max_min.round(2)))

# 画图
colors=list(mcolors.TABLEAU_COLORS.keys()) # matplotlib 绘图颜色自动选择
fig = plt.figure(figsize=(6,6))  # 建立画布
ax = fig.add_subplot(111, polar=True)  # 增加子网格，注意polar参数
labels = np.array(merge_data1.index)  # 设置要展示的数据标签
angles = np.linspace(0, 2 * np.pi, len(labels), endpoint=False)  # 计算各个区间的角度
angles1 = angles;
angles = np.concatenate((angles, [angles[0]]))  # 建立相同首尾字段以便于闭合
# 画雷达图
for i in range(len(num_sets)):  # 循环每个类别
    data_tmp = num_sets_max_min[i, :]  # 获得对应类数据
    data = np.concatenate((data_tmp, [data_tmp[0]]))  # 建立相同首尾字段以便于闭合
    ax.plot(angles, data, 'o-', c=colors[i], label="第%d聚类簇"%(i))  # 画线
    ax.fill(angles, data,alpha=0.5)
# 设置图像显示格式
ax.set_thetagrids(angles1 * 180 / np.pi, labels, fontproperties="Microsoft YaHei")  # 设置极坐标轴
ax.set_title("各聚类类别显著特征对比", fontproperties="Microsoft YaHei")  # 设置标题放置
ax.set_rlim(-0.2, 1.2)  # 设置坐标轴尺度范围
plt.legend(loc="upper right" ,bbox_to_anchor=(1.2,1.0))  # 设置图例位置
plt.show()

聚类0：
这类渠道各方面特征都不明显，各个流量质量和流量数量的指标均处于“中等”层次。不突出但是均衡，可以考虑在各场景下在这个渠道投放广告。

聚类1：
这类广告媒体除了访问深度和投放时间较高，其他属性较低，因此这类广告媒体效果质量较差，并且占到39%，因此这类是主题渠道之一。业务部门要考虑他的实际投放价值。

聚类2：
这类广告媒体除了访问深度略差，在平均搜索量、日均UV、订单转化率等广告效果指标上表现良好，是一类综合效果较好的渠道。但是日均UV是短板，较低。无法给企业带来大量的流量以及新用户，这类广告的特质适合用户转化，尤其是有关订单的转化提升。

聚类3：
这类广告媒体的显著特征是日均UV和注册率较高，其“引流”和“拉新”效果好，可以在广告媒体中定位为引流角色。符合“广而告之”的诉求，适合“拉新”使用。