【Kaggle入門級競賽top5%排名經驗分享】— 建模篇

Python資料科學發表於2019-02-28

作者：xiaoyu

微信公眾號：Python資料科學

知乎：python資料分析師

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前情回顧

上一篇是資料探勘的前戲，主要目的是認識資料特徵、判斷特徵重要性、觀察資料異常，掌握資料間聯絡。本篇將繼續上一篇分析進行資料探勘建模部分。

上篇資料分析的連結： 【Kaggle入門級競賽top5%排名經驗分享】— 分析篇

資料預處理

資料預處理涉及的內容很多，也包括特徵工程，是任務量最大的一部分。為了讓大家更清晰的閱讀，以下先列出處理部分大致要用到的一些方法。

  • 資料清洗：缺失值，異常值，一致性；
  • 特徵編碼：one-hot 和 label coding；
  • 特徵分箱：等頻，等距，聚類等；
  • 衍生變數：可解釋性強，適合模型輸入；
  • 特徵選擇：方差選擇，卡方選擇，正則化等；

1. 資料清洗

分析部分我們看到，存在缺失值的特徵有4個：Age，Cabin，Embarked，Fare。關於缺失值處理部分博主之前介紹過一些方法：【Python資料分析基礎】: 資料缺失值處理

下面開始對缺失值分別處理。

Fare缺失值處理

首先檢視一下Fare特徵缺失：

df[df['Fare'].isnull()]
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發現只有一個缺失值，其實可以直接刪除，但是好多乘客都是以一個家庭來的，這其中會有很強的聯絡，並會給我們很好的線索，因此選擇不刪除。

繼續觀察一下這個缺失值乘客有什麼特點？如何利用我們之前的分析來處理？

  • 特點1：Pclass為3，我們在分析部分知道Fare和Pclass社會等級有著緊密的關係，Pclass1的Fare相對較高，Fare最低的是Pclass3；
  • 特點2：該乘客的Age大於60，且為男性；

這時我們可以使用相似特徵替換方法來填補缺失值，下面來找一下與缺失值具有相似特徵的其它樣本資料：

df.loc[(df['Pclass']==3)&(df['Age']>60)&(df['Sex']=='male')]
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找到了與之相匹配的幾位其它乘客，我們就用這幾位乘客的Fare平均值來填補。

# 提取出Name中的Surname資訊
df['surname'] = df["Name"].apply(lambda x: x.split(',')[0].lower())
fare_mean_estimated = df.loc[(df['Pclass']==3)&(df['Age']>60)&(df['Sex']=='male')].Fare.mean()
df.loc[df['surname']=='storey','Fare'] = fare_mean_estimated
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Embarked特徵缺失值

同樣，觀察Embarked的缺失值情況：

# Embarked缺失值處理
df[df['Embarked'].isnull()]
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發現兩位都是女性。上篇視覺化分析過，pclass1且為女性的情況下，Q港口幾乎為0，而C港口最多，其次S港口，下圖為分析篇的視覺化結果。

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這裡採用出現最多的港口，也就是眾數C港口進行填補。

df['Embarked'] = df['Embarked'].fillna('C')
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Cabin特徵缺失值

Cain特徵有70%的缺失值，較為嚴重，如果進行大量的填補會引入更多噪聲。因為缺失值也是一種值，這裡將Cabin缺失值視為一種特殊的值來處理，並根據Cabin首個字元衍生一個新的特徵CabinCat。

df['CabinCat'] = pd.Categorical.from_array(df.Cabin.fillna('0').apply(lambda x: x[0])).codes
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pandas的 Categorical.from_array()用法。程式碼含義是用“0”替換Cabin缺失值，並將非缺失Cabin特徵值提取出第一個值以進行分類，比如A114就是A，C345就是C，如下：

[0, C, 0, C, 0, ..., 0, C, 0, 0, 0]
Length: 1309
Categories (9, object): [0, A, B, C, ..., E, F, G, T]
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用Categorical.from_array()將Cabin分成了9組，最後通過codes量化為數字，通過視覺化觀察一下分組離散化後的結果：

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,5))
sns.countplot(x='CabinCat', hue='Survived',data=df)
plt.show()
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以上視覺化看到：Cabin缺失的乘客中，遇難人數是獲救人數2倍以上，而其它有Cabin資訊的乘客中，獲救人數都相對較多。因此說明Cabin缺失與否關係到了生還的概率。

Age特徵缺失值

Age有20%缺失值，缺失值較多，大量刪除會減少樣本資訊，由於它與Cabin不同，這裡將利用其它特徵進行預測填補Age，也就是擬合未知Age特徵值，會在後續進行處理。

資料一致性分析

當我們拿到資料後，我們要謹記一個道理：不要完全相信資料。即使不是異常值，也有可能是錯誤的資訊，那就是檢查資料的一致性。

本例中，我們通過兩個錯誤的修正來理解一下。

錯誤1：SibSp和Parch特徵存在不一致

df.loc[df['surname']=='abbott',['Name','Sex','Age','SibSp','Parch']]
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為了方便閱讀，下面用序號來代替名字。

首先尋找到了船上姓 abbott 的所有人，即一家人。發現：392 乘客只有13歲，確有兩個孩子Parch=2（理論上不太可能），而279乘客35歲，有一個孩子，還有一個兄弟姐妹，746有一個家長和一個兄弟姐妹。很明顯，資訊是錯誤的，279與392乘客的資訊寫反了。正確的資訊是一位母親帶著兩個孩子，所以改為：279乘客為SibSp=0，Parh=2，392歲的乘客是：SibSp=1, Parh=1。下面是修改程式碼：

df.loc[(df['surname']=='abbott')&(df['Age']==35),'SibSp'] = 0
df.loc[(df['surname']=='abbott')&(df['Age']==35),'Parch'] = 2
df.loc[(df['surname']=='abbott')&(df['Age']==13),'SibSp'] = 1
df.loc[(df['surname']=='abbott')&(df['Age']==13),'Parch'] = 1
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錯誤2：SibSp和Parch特徵存在不一致

df.loc[df['surname']=='ford',['Name','Sex','Age','SibSp','Parch']]
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同理，ford一家人也出現了一致性錯誤的問題，具體大家可自行分析。正確的是：一位母親帶著三個孩子，而最後一位乘客為測試集裡的樣本，推測很可能是父親。下面是修改程式碼：

df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==16),'SibSp'] = 3
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==16),'Parch'] = 1
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==9),'SibSp'] = 3
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==9),'Parch'] = 1
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==21),'SibSp'] = 3
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==21),'Parch'] = 1
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==48),'SibSp'] = 0
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==48),'Parch'] = 4
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==18),'SibSp'] = 3
df.loc[(df['surname']=='ford')&(df['Age']==18),'Parch'] = 1
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2. 資料變換

衍生變數

分析部分沒提及到Name特徵，因為每個人的名字都不一樣。但是一些人可能是群體行動，比如一家人一起，而一家人的surname是一樣的，因此這時候就可以通過surname找到一個家庭群體。家庭群體有什麼用？我們後面會提到。 實際上，如果我們深入分析，Name特徵是非常重要的。試想一下乘客有沒有可能是和其他人一起上船的？是一家人？情侶？還是獨自一人？而這一群人生還的概率應該是存在共性的，比如：有一個5人之家，有4人死亡，可以推測第5個人極有可能死亡。 下面是對所有特徵進行衍生的新特徵變數。

# 從Name中提取Title資訊，因為同為男性，Mr.和 Master.的生還率是不一樣的
df["Title"] = df["Name"].apply(lambda x: re.search(' ([A-Za-z]+)\.',x).group(1))
title_mapping = {"Mr": 1, "Miss": 2, "Mrs": 3, "Master": 4, "Dr": 5, "Rev": 6, "Major": 7, "Col": 7, "Mlle": 2, "Mme": 3,"Don": 9,"Dona": 9, "Lady": 10, "Countess": 10, "Jonkheer": 10, "Sir": 9, "Capt": 7, "Ms": 2}

# 量化Title資訊
df["TitleCat"] = df.loc[:,'Title'].map(title_mapping)

# SibSp和Parch特徵進行組合
df["FamilySize"] = df["SibSp"] + df["Parch"] + 1
# 根據FamilySize分佈進行分箱
df["FamilySize"] = pd.cut(df["FamilySize"], bins=[0,1,4,20], labels=[0,1,2])

# 從Name特徵衍生出Name的長度
df["NameLength"] = df["Name"].apply(lambda x: len(x))

# 量化Embarked特徵
df["Embarked"] = pd.Categorical.from_array(df.Embarked).codes

# 對Sex特徵進行獨熱編碼分組
df = pd.concat([df,pd.get_dummies(df['Sex'])],axis=1)
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下面衍生特徵變數的說明：

  • Title：從Name中提取Title資訊，因為同為男性，Mr.和 Master.的生還率是不一樣的；
  • TitleCat：對映並量化Title資訊，雖然這個特徵可能會與Sex有共線性，但是我們先衍生出來，後進行篩選；
  • FamilySize：視覺化分析部分看到SibSp和Parch分佈相似，固將SibSp和Parch特徵進行組合；
  • NameLength：從Name特徵衍生出Name的長度，因為有的國家名字越短代表越顯貴；
  • CabinCat：Cabin的分組資訊； 高階衍生變數

【1】人物衍生特徵

由於兒童的生還率較高，因此將所有乘客兒童單獨提取出來（這裡設定為18歲）。而對於成年人女性生還概率比較高，所以又非為成年女性和成年男性。程式碼如下：

# 婦女/兒童 男士標籤
child_age = 18
def get_person(passenger):
    age, sex = passenger
    if (age < child_age):
        return 'child'
    elif (sex == 'female'):
        return 'female_adult'
    else:
        return 'male_adult'

df = pd.concat([df, pd.DataFrame(df[['Age', 'Sex']].apply(get_person, axis=1), columns=['person'])],axis=1)
df = pd.concat([df,pd.get_dummies(df['person'])],axis=1)
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【2】Ticket衍生特徵

下面基於Ticket衍生出了幾個高階特徵變數，其含義：如果幾個人擁有相同的Ticket號碼，那麼意味著他門是一個小群體（一家人或情侶等），而又因為男性女性還概率本省存在差異，因此將分別衍生出幾個人物標籤特徵，即分群體情況下的男女生還特徵。以下是程式碼實現：

table_ticket = pd.DataFrame(df["Ticket"].value_counts())
table_ticket.rename(columns={'Ticket':'Ticket_Numbers'}, inplace=True)
table_ticket['Ticket_dead_women'] = df.Ticket[(df.female_adult == 1.0) 
                                    & (df.Survived == 0.0) 
                                    & ((df.Parch > 0) | (df.SibSp > 0))].value_counts()

table_ticket['Ticket_dead_women'] = table_ticket['Ticket_dead_women'].fillna(0)
table_ticket['Ticket_dead_women'][table_ticket['Ticket_dead_women'] > 0] = 1.0

table_ticket['Ticket_surviving_men'] = df.Ticket[(df.male_adult == 1.0) 
                                    & (df.Survived == 1.0) 
                                    & ((df.Parch > 0) | (df.SibSp > 0))].value_counts()

table_ticket['Ticket_surviving_men'] = table_ticket['Ticket_surviving_men'].fillna(0)
table_ticket['Ticket_surviving_men'][table_ticket['Ticket_surviving_men'] > 0] = 1.0 

# Ticket特徵量化
table_ticket["Ticket_Id"] = pd.Categorical.from_array(table_ticket.index).codes

table_ticket["Ticket_Id"][table_ticket["Ticket_Numbers"] < 3 ] = -1
# Ticket數量分箱
table_ticket["Ticket_Numbers"] = pd.cut(table_ticket["Ticket_Numbers"], bins=[0,1,4,20], labels=[0,1,2])

df = pd.merge(df, table_ticket, left_on="Ticket",right_index=True, how='left', sort=False)
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同理，基於衍生變數Surname也可以衍生出高階特徵變數，以及Cabin的奇偶性衍生特徵。

Age缺失值處理

前面說了將採用擬合的方法來填補Age缺失值，那為什麼一定要在後面處理呢？ 原因如下：

  • 其它特徵還存在缺失值，放入擬合模型影響預測效果；
  • 特徵保持原生符號，還沒有進行量化，無法輸入模型；

因為上面已經將所提問題解決，因此可以開始擬合Age缺失值。這部分使用了隨機森林的ExtraTreesRegressor模型進行擬合，程式碼如下：

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, ExtraTreesRegressor

classers = ['Fare','Parch','Pclass','SibSp','TitleCat', 
            'CabinCat','female','male', 'Embarked', 'FamilySize', 'NameLength','Ticket_Numbers','Ticket_Id']
etr = ExtraTreesRegressor(n_estimators=200,random_state=0)
X_train = df[classers][df['Age'].notnull()]
Y_train = df['Age'][df['Age'].notnull()]
X_test = df[classers][df['Age'].isnull()]

etr.fit(X_train.as_matrix(),np.ravel(Y_train))
age_preds = etr.predict(X_test.as_matrix())
df['Age'][df['Age'].isnull()] = age_preds
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想繼續看一下擬合的結果是怎麼樣，可以通過視覺化來觀察：

# Age缺失值填補後的情況
X_test['Age'] = pd.Series(age_preds)
f,ax=plt.subplots(figsize=(10,5))
sns.swarmplot(x='Pclass',y='Age',data=X_test)
plt.show()
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觀察：通過擬合得到的Age缺失值的視覺化展示，總體上看效果還可以，具體需要進一步排查。

3. 特徵選擇

過濾法—方差分析

這裡特徵採用 ANOVA方差分析的 F值 來對各個特徵變數打分，打分的意義是：各個特徵變數對目標變數的影響權重。程式碼如下，使用了sklearn的feature_selection：

from sklearn.feature_selection import SelectKBest, f_classif,chi2

target = data_train["Survived"].values
features= ['female','male','Age','male_adult','female_adult', 'child','TitleCat',
           'Pclass','Ticket_Id','NameLength','CabinType','CabinCat', 'SibSp', 'Parch',
           'Fare','Embarked','Surname_Numbers','Ticket_Numbers','FamilySize',
           'Ticket_dead_women','Ticket_surviving_men',
           'Surname_dead_women','Surname_surviving_men']

train = df[0:891].copy()
test = df[891:].copy()

selector = SelectKBest(f_classif, k=len(features))
selector.fit(train[features], target)
scores = -np.log10(selector.pvalues_)
indices = np.argsort(scores)[::-1]
print("Features importance :")
for f in range(len(scores)):
    print("%0.2f %s" % (scores[indices[f]],features[indices[f]]))
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此部分將之前訓練和測試合併的資料集分開，因為最後我們要對測試集進行預測。特徵選擇權重結果如下（可以通過視覺化的方法展示出來）：

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這裡分數越高代表特徵權重越大，當然我們可以規定相應的閾值來選擇權重大的特徵。

特徵相關性分析

除了對特徵權重選擇外，我們也要分析特徵相關性來篩選特徵。相關性大的特徵容易造成過擬合現象，因此需要進行剔除。最好的情況就是：所有特徵相關性很低，各自的方差或者說資訊量很高。 使用了seaborn的heatmap展示相關性，程式碼如下：

features_selected = features
# data_corr 
df_corr = df[features_selected].copy()

colormap = plt.cm.RdBu
plt.figure(figsize=(20,20))
sns.heatmap(df_corr.corr(),linewidths=0.1,vmax=1.0, square=True, cmap=colormap, linecolor='white', annot=True)
plt.show()
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3 建模預測

建立模型

這是個明顯的監督分類問題，因此可選擇的模型演算法很多，或者模型融合等來提高準確度。這裡採用了整合學習的隨機森林RandomForest模型。程式碼如下：

from sklearn import cross_validation

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=3000, min_samples_split=4, class_weight={0:0.745,1:0.255})
# rfc = AdaBoostClassifier(n_estimators=3000, learning_rate=0.1, random_state=1)

# 交叉驗證，建模隨機森林
kf = cross_validation.KFold(train.shape[0], n_folds=3, random_state=1)

scores = cross_validation.cross_val_score(rfc, train[features_selected], target, cv=kf)
print("Accuracy: %0.3f (+/- %0.2f) [%s]" % (scores.mean()*100, scores.std()*100, 'RFC Cross Validation'))
rfc.fit(train[features_selected], target)
score = rfc.score(train[features_selected], target)
print("Accuracy: %0.3f            [%s]" % (score*100, 'RFC full test'))
importances = rfc.feature_importances_
indices = np.argsort(importances)[::-1]
for f in range(len(features_selected)):
    print("%d. feature %d (%f) %s" % (f + 1, indices[f]+1, importances[indices[f]]*100, features_selected[indices[f]]))
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為防止過擬合，採用了K折交叉驗證進行取樣。整合學習等高階模型有自帶的特徵打分方法，訓練資料後，我們可以通過feature_importances得到特徵權重分數（當特徵特別多時，也可以作為初始的特徵篩選方法）。當然這也可以通過視覺化的方法展示出來。

輸入結果如下：

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模型預測

# 預測目標值
rfc.fit(train[features_selected], target)
predictions = rfc.predict(test[features_selected])
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輸出檔案

# 輸出檔案
PassengerId =np.array(test["PassengerId"]).astype(int)
my_prediction = pd.DataFrame(predictions, PassengerId, columns = ["Survived"])

my_prediction.to_csv("my_prediction.csv", index_label = ["PassengerId"])
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最後，將預測結果輸出到excel表中。如果你到Kaggle將輸出的資料提交，你應該得到的分數是：0.8188，也就是說你的準確率是0.8188。這個分數可以達到500/11000的排名（top5%）。

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4 總結

本篇分析了資料預處理以及建模的部分，完成了最後的生還者預測，有幾下幾點還需要提高的地方：

  • 尋找更多衍生特徵，提高模型輸入質量；
  • 嘗試多種模型，對比預測結果，或者可以使用高階模型融合，以及stacking二次融合優化來提高準確率；
  • 嘗試多種方法在眾多特徵中篩選重要特徵；
  • 對於一些模糊異常值進一步檢測和處理；
  • 提高填補缺失值的準確度，減少資料中的噪音；

以上就是本次專案的全部內容，後續會繼續分享新資料分析挖掘專案，敬請期待。

參考：https://www.kaggle.com/francksylla/titanic-machine-learning-from-disaster/

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