模型预测笔记(一)：数据清洗及可视化、模型搭建、模型训练和预测代码一体化和对应结果展示(可作为baseline)

一、导入关键包

# 导入数据分析需要的包
import pandas as pd
import numpy as np
# 可视化包
import seaborn as sns
sns.set(style="whitegrid")
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
# 忽略警告信息
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
# 导入数据分析需要的包
import pandas as pd
import numpy as np
from datetime import datetime

# 构建多个分类器
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier          # 随机森林
from sklearn.svm import SVC, LinearSVC                       # 支持向量机
from sklearn.linear_model import LogisticRegression          # 逻辑回归
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier           # KNN算法
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB                   # 朴素贝叶斯
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier              # 决策树分类器
from xgboost import XGBClassifier
from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier   
from sklearn.metrics import precision_score, recall_score, f1_score
from sklearn.metrics import confusion_matrix
from sklearn.model_selection import GridSearchCV  # 网格搜索
np.set_printoptions(suppress=True)

# 显示中文
plt.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]
plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False

二、如何载入、分析和保存文件

df=pd.read_csv('data/dataset.csv')


df.head(5)# 查看前几列数据
df.tail() # 返回CSV文件的最后几行数据。
df.info() # 显示CSV文件的基本信息，包括数据类型、列数、行数、缺失值等。
df.describe()# 对CSV文件的数值型数据进行统计描述，包括计数、均值、标准差、最小值、最大值等。
df.shape()# 返回CSV文件的行数和列数。
df.unique()  # 返回CSV文件中某一列的唯一值。
df.value_counts()# 计算CSV文件中某一列中每个值的出现次数。
df.groupby() # 按照某一列的值进行分组，并对其他列进行聚合操作，如求和、计数、平均值等。
df.sort_values()# 按照某一列的值进行排序。
df.pivot_table()# 创建透视表，根据指定的行和列对数据进行汇总和分析。

# 保存处理后的数据集
3df.to_csv('data/Telecom_data_flag.csv')

三、修改缺失值

3.1 众数

# 对每一列属性采用相应的缺失值处理方式,通过分析发现这类数据都可以采用众数的方式解决
df.isnull().sum()
modes = df.mode().iloc[0]
print(modes)
df = df.fillna(modes)
print(df.isnull().sum())

3.2 平均值

mean_values = df.mean()
print(mean_values)
df = df.fillna(mean_values)
print(df.isnull().sum())

3.3 中位数

median_values = df.median()
print(median_values)
df = df.fillna(median_values)
print(df.isnull().sum())

3.4 0填充

df = df.fillna(0)
print(df.isnull().sum())

四、修改异常值

4.1 删除

1.删除DataFrame表中全部为NaN的行

	your_dataframe.dropna(axis=0,how='all') 

2.删除DataFrame表中全部为NaN的列

	your_dataframe.dropna(axis=1,how='all') 

3.删除表中含有任何NaN的行

	your_dataframe.dropna(axis=0,how='any') 

4.删除表中含有任何NaN的列

  your_dataframe.dropna(axis=1,how='any')

4.2 替换

这里的替换可以参考前文的中位数，平均值，众数，0替换等。

	replace_value = 0.0
	# 这里设置 inplace 为 True，能够直接把表中的 NaN 值替换掉
	your_dataframe.fillna(replace_value, inplace=True)
	# 如果不设置 inplace，则这样写就行
	# new_dataframe = your_dataframe.fillna(replace_value)

五、数据绘图分析

5.1 饼状图

5.1.1 绘制某一特征的数值情况（二分类）

# 查看总体客户流失情况
churnvalue = df["LEAVE_FLAG"].value_counts()
labels = df["LEAVE_FLAG"].value_counts().index
plt.pie(churnvalue,
        labels=["未流失","流失"],
        explode=(0.1,0),
        autopct='%.2f%%', 
        shadow=True,)
plt.title("客户流失率比例",size=24)
plt.show()
# 从饼形图中看出，流失客户占总客户数的很小的比例，流失率达3.58%

5.2 柱状图

5.2.1 单特征与目标特征之间的图像

# 粘性/忠诚度分析  包括绑定银行卡张数
fig, axes = plt.subplots(1, 1, figsize=(12,12))
plt.subplot(1,1,1) 
# palette参数表示设置颜色
gender=sns.countplot(x='BANK_NUM',hue="LEAVE_FLAG",data=df,palette="Pastel2") 
plt.xlabel("绑定银行卡张数",fontsize=16)
plt.title("LEAVE_FLAG by BANK_NUM",fontsize=18)
plt.ylabel('count',fontsize=16)
plt.tick_params(labelsize=12)     # 设置坐标轴字体大小
# 从此表可知，对于没有绑定银行卡的用户流失情况会更大，应该加强督促用户绑定银行卡

# 查看正常用户与流失用户在上网流量上的差别
plt.figure(figsize=(10,6))
g = sns.FacetGrid(data = df,hue = 'LEAVE_FLAG', height=4, aspect=3)
g.map(sns.distplot,'BYTE_ALL',norm_hist=True)
g.add_legend()
plt.ylabel('density',fontsize=16)
plt.xlabel('BYTE_ALL',fontsize=16)
plt.xlim(0, 100)
plt.tick_params(labelsize=13)     # 设置坐标轴字体大小
plt.tight_layout()
plt.show()
# 从上图看出，上网流量少的用户流失率相对较高。

5.2.2 多特征与目标特征之间的图像

这里绘制的多个二分类特征的情况是与目标特征之间的关系

# 粘性/忠诚度分析  包括是否捆绑微信、是否捆绑支付宝
# sns.countplot()函数绘制了"是否使用支付宝"（IS_ZFB）这一列的柱状图，并根据"LEAVE_FLAG"（是否离网）进行了颜色分类。
fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(12,12))
plt.subplot(1,2,1) 
# palette参数表示设置颜色
partner=sns.countplot(x="IS_ZFB",hue="LEAVE_FLAG",data=df,palette="Pastel2")
plt.xlabel("是否使用支付宝（1代表使用，0代表使用）")
plt.title("LEAVE_FLAG by IS_ZFB",fontsize=18)
plt.ylabel('count',fontsize=16)
plt.tick_params(labelsize=12)   # 设置坐标轴字体大小

plt.subplot(1,2,2)
seniorcitizen=sns.countplot(x="IS_WX",hue="LEAVE_FLAG",data=df,palette="Pastel2")
plt.xlabel("是否使用微信（1代表使用，0代表使用）")
plt.title("LEAVE_FLAG by IS_WX",fontsize=18)
plt.ylabel('count',fontsize=16)
plt.tick_params(labelsize=12)   # 设置坐标轴字体大小
# 从此表可知  支付宝绑定目前对于用户流失没有影响，微信的绑定影响会稍微大点，可能是微信用户用的较多

# 异常性 根据用户流失情况来结合判定
covariables=["CMPLNT_NUM", "STOP_COUNT"]
fig,axes=plt.subplots(1,2,figsize=(20,12))
for i, item in enumerate(covariables):
    '''
    0,'CMPLNT_NUM'
    1,'STOP_COUNT'
    '''
    plt.subplot(1,2,(i+1))
    ax=sns.countplot(x=item,hue="LEAVE_FLAG",data=df,palette="Set2")
    plt.xlabel(str(item),fontsize=16)
    plt.tick_params(labelsize=14)     # 设置坐标轴字体大小
    plt.title("LEAVE_FLAG by "+ str(item),fontsize=20)
    i=i+1
plt.tight_layout()
plt.show()
# 从此表可知 最近6个月累计投诉次数间接性的决定了用户的流失，停机天数也和用户流失成正相关。

5.3 折线图

5.3.1 多个特征之间的关系图

# 用户的成长性分析，结合用户流失情况。
# 包括流量趋势、语音通话次数趋势、语音通话时长趋势、交往圈趋势
# 提取特征数据列
feature1 = df["LIULIANG_B"]
feature2 = df["YUYING_COUNT"]
feature3 = df["YUYING_B"]
feature4 = df["JIAOWANG_B"]

# 绘制折线图
plt.plot(feature1, label="LIULIANG_B")
plt.plot(feature2, label="YUYING_COUNT")
plt.plot(feature3, label="YUYING_B")
plt.plot(feature4, label="JIAOWANG_B")

# 添加标题和标签
plt.title("Trend of User growth")
plt.xlabel("Index")
plt.ylabel("Value")

# 添加图例
plt.legend()

# 显示图表
plt.show()
# 从此图可以发现针对流量趋势来说，用户的波动是最大的。

5.4 散点图

df.plot(x="SERV_ID_COUNT", y="CDR_NUM", kind="scatter", c="red")
plt.show()

这段代码的作用是绘制一个以"SERV_ID_COUNT"为横轴，"CDR_NUM"为纵轴的散点图，并将散点的颜色设置为红色。通过这个散点图，可以直观地观察到"SERV_ID_COUNT"和"CDR_NUM"之间的关系。

六、相关性分析

6.1 皮尔逊相关系数

plt.figure(figsize=(16,8))
df.corr()['LEAVE_FLAG'].sort_values(ascending = False).plot(kind='bar')
plt.tick_params(labelsize=14)     # 设置坐标轴字体大小
plt.xticks(rotation=45)         # 设置x轴文字转向
plt.title("Correlations between LEAVE_FLAG and variables",fontsize=20)
plt.show()
# 从图可以直观看出，YUYING_COUNT 、YUYING_B、IS_ZFB、BALANCE、JIAOWANG_B、IS_WX这六个变量与LEAVE_FLAG目标变量相关性最弱。

6.2 斯皮尔曼相关系数

plt.figure(figsize=(16,8))
df.corr(method='spearman')['LEAVE_FLAG'].sort_values(ascending = False).plot(kind='bar')
plt.tick_params(labelsize=14)     # 设置坐标轴字体大小
plt.xticks(rotation=45)         # 设置x轴文字转向
plt.title("Correlations between LEAVE_FLAG and variables",fontsize=20)
plt.show()

6.3 肯德尔相关系数

plt.figure(figsize=(16,8))
df.corr(method='kendall')['LEAVE_FLAG'].sort_values(ascending = False).plot(kind='bar')
plt.tick_params(labelsize=14)     # 设置坐标轴字体大小
plt.xticks(rotation=45)         # 设置x轴文字转向
plt.title("Correlations between LEAVE_FLAG and variables",fontsize=20)
plt.show()

6.4 计算热力图

# 计算相关性矩阵
corr_matrix = df.corr()

# 绘制热力图
plt.figure(figsize=(10, 8))
sns.heatmap(corr_matrix, annot=True, cmap="coolwarm")
plt.title("Correlation Heatmap", fontsize=16)
plt.show()

七、数据归一化

特征主要分为连续特征和离散特征，其中离散特征根据特征之间是否有大小关系又细分为两类。

• 连续特征：一般采用归一标准化方式处理。
• 离散特征：特征之间没有大小关系。
• 离散特征：特征之间有大小关联，则采用数值映射。

# 通过归一化处理使特征数据标准为1，均值为0，符合标准的正态分布，
# 降低数值特征过大对预测结果的影响
# 除了目标特征全部做归一化，目标特征不用做，归一化会导致预测结果的解释变得困难
from sklearn.preprocessing import StandardScaler  
# 实例化一个转换器类
scaler = StandardScaler(copy=False)
target = df["LEAVE_FLAG"]
# 提取除目标特征外的其他特征
other_features = df.drop("LEAVE_FLAG", axis=1)
# 对其他特征进行归一化
normalized_features = scaler.fit_transform(other_features)
# 将归一化后的特征和目标特征重新组合成DataFrame
normalized_data = pd.DataFrame(normalized_features, columns=other_features.columns)
normalized_data["LEAVE_FLAG"] = target
normalized_data.head()

八、模型搭建

# 深拷贝
X=normalized_data.copy()
X.drop(['LEAVE_FLAG'],axis=1, inplace=True)
y=df["LEAVE_FLAG"]
#查看预处理后的数据
X.head()

# 建立训练数据集和测试数据集
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X,y,test_size = 0.3, random_state = 0)
print("原始训练集包含样本数量: ", len(X_train))
print("原始测试集包含样本数量:  ", len(X_test))
print("原始样本总数: ", len(X_train)+len(X_test))

# 使用分类算法 
Classifiers=[
            ["RandomForest",RandomForestClassifier()],
            ["LogisticRegression",LogisticRegression(C=1000.0, random_state=30, solver="lbfgs",max_iter=100000)],
            ["NaiveBayes",GaussianNB()],
            ["DecisionTree",DecisionTreeClassifier()],
            ["AdaBoostClassifier", AdaBoostClassifier()],
            ["GradientBoostingClassifier", GradientBoostingClassifier()],
            ["XGB", XGBClassifier()]
]

九、模型训练

from datetime import datetime
import pickle
import joblib

def get_current_time():
    current_time = datetime.now()
    formatted_time = current_time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
    return current_time, formatted_time

Classify_result=[]
names=[]
prediction=[]
i = 0

for name, classifier in Classifiers:
    start_time, formatted_time = get_current_time()
    print("**********************************************************************")
    print("第{}个模型训练开始时间：{}  模型名称为：{}".format(i+1, formatted_time, name))
    classifier = classifier
    classifier.fit(X_train, y_train)
    y_pred = classifier.predict(X_test)
    recall = recall_score(y_test, y_pred)
    precision = precision_score(y_test, y_pred)
    f1score = f1_score(y_test, y_pred)
    model_path = 'models/{}_{}_model.pkl'.format(name, round(precision, 5))
    print("开始保存模型文件路径为：{}".format(model_path))
    # 保存模型方式1
    #     with open('models/{}_{}_model.pkl'.format(name, precision), 'wb') as file:
    #         pickle.dump(classifier, file)
    #     file.close()
    # 保存模型方式2
    joblib.dump(classifier, model_path)
    
    end_time = datetime.now()  # 获取训练结束时间
    print("第{}个模型训练结束时间:{}".format(i+1, end_time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")))
    print("训练耗时:", end_time - start_time)

    # 打印训练过程中的指标
    print("Classifier:", name)
    print("Recall:", recall)
    print("Precision:", precision)
    print("F1 Score:", f1score)
    print("**********************************************************************")
    
    # 保存指标结果
    class_eva = pd.DataFrame([recall, precision, f1score])
    Classify_result.append(class_eva)
    
    name = pd.Series(name)
    names.append(name)
    
    y_pred = pd.Series(y_pred)
    prediction.append(y_pred)
    
    i += 1

十、评估模型

召回率（recall）的含义是：原本为对的当中，预测为对的比例（值越大越好，1为理想状态）

精确率、精度（precision）的含义是：预测为对的当中，原本为对的比例（值越大越好，1为理想状态）

F1分数（F1-Score）指标综合了Precision与Recall的产出的结果

F1-Score的取值范围从0到1的，1代表模型的输出最好，0代表模型的输出结果最差。

classifier_names=pd.DataFrame(names)
# 转成列表
classifier_names=classifier_names[0].tolist()
result=pd.concat(Classify_result,axis=1)
result.columns=classifier_names
result.index=["recall","precision","f1score"]
result

十一、预测模型

对于h5模型

from keras.models import load_model
model = load_model('lstm_model.h5')
pred = model.predict(X, verbose=0)
print(pred)

对于pkl模型

loaded_model = joblib.load('models/{}_model.pkl'.format(name))

由于没有预测数据集，选择最后n条数为例进行预测。

# 由于没有预测数据集，选择最后n条数为例进行预测。
n = 500
pred_id = SERV_ID.tail(n)
# 提取预测数据集特征（如果有预测数据集，可以一并进行数据清洗和特征提取）
pred_x = X.tail(n)

# 使用上述得到的最优模型
model = GradientBoostingClassifier()

model.fit(X_train,y_train)
pred_y = model.predict(pred_x) # 预测值

# 预测结果
predDf = pd.DataFrame({'SERV_ID':pred_id, 'LEAVE_FLAG':pred_y})
print("*********************原始的标签情况*********************")
print(df.tail(n)['LEAVE_FLAG'].value_counts())
print("*********************预测的标签情况*********************")
print(predDf['LEAVE_FLAG'].value_counts())
print("*********************预测的准确率*********************")
min1 = min(df.tail(n)['LEAVE_FLAG'].value_counts()[0],predDf['LEAVE_FLAG'].value_counts()[0])
min2 = min(df.tail(n)['LEAVE_FLAG'].value_counts()[1],predDf['LEAVE_FLAG'].value_counts()[1])
print("{}%".format(round((min1+min2)/n,3)*100))

# 由于没有预测数据集，选择最后n条数为例进行预测。
n = 500 # 预测的数量
pred_id = SERV_ID.tail(n)
# 提取预测数据集特征（如果有预测数据集，可以一并进行数据清洗和特征提取）
pred_x = X.tail(n)
# 加载模型
loaded_model = joblib.load('models/GradientBoostingClassifier_0.77852_model.pkl')
# 使用加载的模型进行预测
pred_y = loaded_model.predict(pred_x)
# 预测结果
predDf = pd.DataFrame({'SERV_ID':pred_id, 'LEAVE_FLAG':pred_y})
print("*********************原始的标签情况*********************")
print(df.tail(n)['LEAVE_FLAG'].value_counts())
print("*********************预测的标签情况*********************")
print(predDf['LEAVE_FLAG'].value_counts())
print("*********************预测的准确率*********************")
min1 = min(df.tail(n)['LEAVE_FLAG'].value_counts()[0],predDf['LEAVE_FLAG'].value_counts()[0])
min2 = min(df.tail(n)['LEAVE_FLAG'].value_counts()[1],predDf['LEAVE_FLAG'].value_counts()[1])
print("{}%".format(round((min1+min2)/n,3)*100))