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第 11 屆 iT 邦幫忙鐵人賽

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Google Developers Machine Learning

Machine Learning Day30系列 第 26

[Day26] 監督式學習 - 前處理 Processing (1/6)

學了那麼多監督式學習的方法,
這篇就來總整理一下,
這樣比較好實作出結果。

1.前處理 Processing

1.1.資料取得

讀取CSV格式

data_path = '/Users/maylin/Documents/Data/Midterm/'
df_train = pd.read_csv(data_path + 'train_data.csv')
df_test = pd.read_csv(data_path + 'test_data.csv')

其他各種讀檔方式可以參考Day005 Sample Code

1.2.格式查看

1.2.1.DataFrame看資料

  • 找欄位最大值
data_src['人口'].max()
  • 取前 10000 筆
app_train.loc[0:10000]
  • 查看個欄位的type
df.dtypes
  • 看row數和column數
df_train.shape
  • 檢視資料中各個欄位類型的數量
app_train.dtypes.value_counts()
  • 檢視資料中類別型欄位各自類別的數量
app_train.select_dtypes(include=["object"]).apply(pd.Series.nunique, axis = 0)

Label encoding 和 One Hot encoding 可以參考Day006 Sample Code

以下參考Day013的Sample Code

  • 沿縱軸合併
result = pd.concat([df1, df2, df3])
  • 沿橫軸合併
result = pd.concat([df1, df4], axis = 1)
  • 橫軸合併
result = pd.concat([df1, df4], axis = 1, join = 'inner') # 硬串接
result = pd.merge(df1, df4, how='inner')
  • 將 欄-列 逐一解開
print(df1)
df1.melt()
  • 取 TARGET 為 1 的
sub_df = app_train[app_train['TARGET'] == 1]
sub_df.head()
  • 取 AMT_INCOME_TOTAL 大於平均資料中,SK_ID_CURR, TARGET 兩欄
sub_df = app_train.loc[app_train['AMT_INCOME_TOTAL'] > app_train['AMT_INCOME_TOTAL'].mean(), ['SK_ID_CURR', 'TARGET']]
sub_df.head()
  • 看此欄位值的數量
app_train.groupby(['NAME_CONTRACT_TYPE']).size()
  • 看此欄位值的count, mean, std, min, 25% , 50%, 75%, max
app_train.groupby(['NAME_CONTRACT_TYPE'])['AMT_INCOME_TOTAL'].describe()
  • 連續行數值切分區段
cut_rule = [-np.inf, 0, 2, 5, np.inf]

app_train['CNT_CHILDREN_GROUP'] = pd.cut(app_train['CNT_CHILDREN'].values, cut_rule, include_lowest=True)
app_train['CNT_CHILDREN_GROUP'].value_counts()
  • 列出各組的平均 AMT_INCOME_TOTAL,針對Train_Y
grp = ['CNT_CHILDREN_GROUP', 'TARGET']
grouped_df = app_train.groupby(grp)['AMT_INCOME_TOTAL']

grouped_df.mean()

1.2.2.查看Train, Test資料,groupby後的type量和feature

參考Day007 的Sample Code

# 訓練資料需要 train_X, train_Y / 預測輸出需要 ids(識別每個預測值), test_X
# 在此先抽離出 train_Y 與 ids, 而先將 train_X, test_X 該有的資料合併成 df, 先作特徵工程
train_Y = np.log1p(df_train['SalePrice'])
ids = df_test['Id']
df_train = df_train.drop(['Id', 'SalePrice'] , axis=1)
df_test = df_test.drop(['Id'] , axis=1)
df = pd.concat([df_train,df_test])
df.head()
# 秀出資料欄位的類型, 與對應的數量
dtype_df = df.dtypes.reset_index() 
dtype_df.columns = ["Count", "Column Type"]
dtype_df = dtype_df.groupby("Column Type").aggregate('count').reset_index()
dtype_df
# 確定只有 int64, float64, object 三種類型後對欄位名稱執行迴圈, 分別將欄位名稱存於三個 list 中
int_features = []
float_features = []
object_features = []
# .dtypes(欄位類型), .columns(欄位名稱) 是 DataFrame 提供的兩個方法, 這裡順便展示一下 for 與 zip 搭配的用法
for dtype, feature in zip(df.dtypes, df.columns):
    if dtype == 'float64':
        float_features.append(feature)
    elif dtype == 'int64':
        int_features.append(feature)
    else:
        object_features.append(feature)
# 這邊採用的寫法稱為 f-string, 是 Python 3.6.2 以後版本才出現的
# 如果無法執行, 則需要更新到這個版本之後, 或自行將程式改寫為 str.format 形式
# 改寫方式可以參考 https://blog.louie.lu/2017/08/08/outdate-python-string-format-and-fstring/
print(f'{len(int_features)} Integer Features : {int_features}\n')
print(f'{len(float_features)} Float Features : {float_features}\n')
print(f'{len(object_features)} Object Features : {object_features}')

1.2.3.特定特徵的統計量

參考Day007 Ans Code

整數 (int) 特徵取平均 (mean)

df[int_features].mean()

整數 (int) 特徵取最大值 (max)

df[int_features].max()

整數 (int) 特徵取相異值 (nunique)

df[int_features].nunique()

類別 (object) 特徵取相異值 (nunique)

df[object_features].nunique()

1.2.4.直方圖看資料分布

參考Day008 Ans Code

看此欄位的count, mean, std, min, 25%, 50%, 75%, max

app_train['AMT_INCOME_TOTAL'].describe()

針對此欄位畫出直方圖

app_train['AMT_INCOME_TOTAL'].hist()
plt.xlabel('AMT_INCOME_TOTAL')

注意到該欄位的最大值和 75% 百分位數的值有異常大的差距,
所以直接畫直方圖會看不出所以然來,可以先過濾掉再重新畫圖來看

app_train.loc[app_train['AMT_INCOME_TOTAL']<app_train['AMT_INCOME_TOTAL'].quantile(0.99)]['AMT_INCOME_TOTAL'].hist()
plt.xlabel('AMT_INCOME_TOTAL')

1.3.填補缺值

需要每個欄位一個一個看

1.3.1.補缺值

參考Day011的Sample Answer Code

  1. 將 AMT_ANNUITY 中的 NAs 暫時以中位數填補
# 2.1 將 NAs 以 q50 填補
print("Before replace NAs, numbers of row that AMT_ANNUITY is NAs: %i" % sum(app_train['AMT_ANNUITY'].isnull()))

q_50 = np.percentile(app_train[~app_train['AMT_ANNUITY'].isnull()]['AMT_ANNUITY'], 50)
app_train.loc[app_train['AMT_ANNUITY'].isnull(),'AMT_ANNUITY'] = q_50

print("After replace NAs, numbers of row that AMT_ANNUITY is NAs: %i" % sum(app_train['AMT_ANNUITY'].isnull()))
  1. 將 AMT_GOOD_PRICE 的 NAs 以眾數填補
# 3
print("Before replace NAs, numbers of row that AMT_GOODS_PRICE is NAs: %i" % sum(app_train['AMT_GOODS_PRICE'].isnull()))

# 列出重複最多的數值
print(app_train['AMT_GOODS_PRICE'].value_counts().head())

mode_goods_price = list(app_train['AMT_GOODS_PRICE'].value_counts().index)
app_train.loc[app_train['AMT_GOODS_PRICE'].isnull(), 'AMT_GOODS_PRICE'] = mode_goods_price[0]

print("After replace NAs, numbers of row that AMT_GOODS_PRICE is NAs: %i" % sum(app_train['AMT_GOODS_PRICE'].isnull()))

1.3.2.標準化

參考Day011的Sample Code

# 以 AMT_CREDIT 為例
app_train['AMT_CREDIT'].hist(bins = 50)
plt.title("Original")
plt.show()
value = app_train['AMT_CREDIT'].values

app_train['AMT_CREDIT_Norm1'] = ( value - np.mean(value) ) / ( np.std(value) )
app_train['AMT_CREDIT_Norm1'].hist(bins = 50)
plt.title("Normalized with Z-transform")
plt.show()

app_train['AMT_CREDIT_Norm2'] = ( value - min(value) ) / ( max(value) - min(value) )
app_train['AMT_CREDIT_Norm2'].hist(bins = 50)
plt.title("Normalized to 0 ~ 1")
plt.show()

參考Day011的Sample Answer Code

# 2.2 Normalize values to -1 to 1
print("== Original data range ==")
print(app_train['AMT_ANNUITY'].describe())

def normalize_value(x):
    x = (( (x - min(x)) / ( max(x) - min(x) ) ) - 0.5) * 2
    return x

app_train['AMT_ANNUITY_NORMALIZED'] = normalize_value(app_train['AMT_ANNUITY'])

print("== Normalized data range ==")
app_train['AMT_ANNUITY_NORMALIZED'].describe()

1.3.3.補空值+標準化的評估方法

參考Day012的Sample Code

# 空值補 -1, 做線性迴歸
df_m1 = df.fillna(-1)
train_X = df_m1[:train_num]
estimator = LinearRegression()
cross_val_score(estimator, train_X, train_Y, cv=5).mean()
# 空值補 0, 做線性迴歸
df_0 = df.fillna(0)
train_X = df_0[:train_num]
estimator = LinearRegression()
cross_val_score(estimator, train_X, train_Y, cv=5).mean()
# 空值補平均值, 做線性迴歸
df_mn = df.fillna(df.mean())
train_X = df_mn[:train_num]
estimator = LinearRegression()
cross_val_score(estimator, train_X, train_Y, cv=5).mean()
# 空值補 -1, 搭配最大最小化
df = df.fillna(-1)
df_temp = MinMaxScaler().fit_transform(df)
train_X = df_temp[:train_num]
estimator = LinearRegression()
cross_val_score(estimator, train_X, train_Y, cv=5).mean()
# 空值補 -1,搭配標準化
df = df.fillna(-1)
df_temp = StandardScaler().fit_transform(df)
train_X = df_temp[:train_num]
estimator = LinearRegression()
cross_val_score(estimator, train_X, train_Y, cv=5).mean()

1.4.去離群值

outlier 是指一個特徵中,有一個數值,會影響到全部數值的分佈

1.4.1.檢查 Outliers 的流程與方法

  • 查看每一個欄位的意義
  • 繪製散點圖(scatter)、分佈圖(histogram)檢查

1.4.2.對 Outliers 的處理方法

  • 刪除特徵
  • 保留特徵:填補值(中位數、Min、Max、平均數)
  • 另建特徵

1.4.3.圖表方式找離群值

可以參考Day009的Sample Code,看看每個特徵值,來找出異常值(outlier)

# DAYS_EMPLOYED: 申請貸款前,申請人已在現職工作的時間
(app_train['DAYS_EMPLOYED'] / 365).describe()
plt.hist(app_train['DAYS_EMPLOYED'])
plt.show()
app_train['DAYS_EMPLOYED'].value_counts()

透過這個直方圖,可以看到最右邊有一個離群值

# 這邊我們用 nan 將異常值取代
app_train['DAYS_EMPLOYED'].replace({365243: np.nan}, inplace = True)
# 用新欄位標記大於50的值(outlier)
app_train['OWN_CAR_AGE_ANOM'] = app_train['OWN_CAR_AGE'] >= 50

1.4.4.去除離群值範圍 線性迴歸分數比較

參考Day010的Sample Code

# 找int64, float64的欄位
#只取 int64, float64 兩種數值型欄位, 存於 num_features 中
num_features = []
for dtype, feature in zip(df.dtypes, df.columns):
    if dtype == 'float64' or dtype == 'int64':
        num_features.append(feature)
print(f'{len(num_features)} Numeric Features : {num_features}\n')
# 削減文字型欄位, 只剩數值型欄位
df = df[num_features]
df = df.fillna(-1) # fillna 取代空值NaN為-1
MMEncoder = MinMaxScaler() 
#sklearn的MinMaxScaler為将属性缩放到一个指定的最大和最小值(通常是1-0)之间,这样处理差非常小的属性增强其稳定性,也可维持稀疏矩阵中为0的条目。
df.head()

以下用三個情境比較去除離群值,再做線性迴歸比較分數

# 情境一:正常數值
# 顯示 欄位GrLivArea 與 目標值SalePrice 的散佈圖
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
sns.regplot(x = df['GrLivArea'], y=train_Y) #畫圖function
plt.show()
# 情境二:將 GrLivArea 限制在 800 到 2500 以內, SalesPrice未改
# 將 GrLivArea 限制在 800 到 2500 以內, 調整離群值
df['GrLivArea'] = df['GrLivArea'].clip(800, 2500)
sns.regplot(x = df['GrLivArea'], y=train_Y)
plt.show()
#情境三: GrLivArea 限制在 800 到 2500 以內, SalesPrice也更改
# 將 GrLivArea 限制在 800 到 2500 以內, 捨棄離群值
keep_indexs = (df['GrLivArea']> 800) & (df['GrLivArea']< 2500)
df = df[keep_indexs]
train_Y = train_Y[keep_indexs]
sns.regplot(x = df['GrLivArea'], y=train_Y)
plt.show()

1.5.特徵縮放


以上,打完收工。


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