[人工智能]机器学习入门之泰坦尼克号预测存活情况（Taggle）

前言：

本文中的项目是Taggle的入门比赛项目，旨在让大家对Taggle的比赛有一个大致的了解和一些基本的操作。在参考了一些资料进行整理的情况下，总结出了这篇入门教学案例。
本文就是就一个机器学习的整个过程进行了大致分析，帮助大家对机器学习有一个实践上的认识。最后，因为是入门案例，所有最后的正确率并没有太高—75%左右，在Taggle排在倒数，给我一点时间，后面会更新百分比正确率的方法。
所需数据和代码：提取码：iiyk

项目背景：
泰坦尼克号的沉没是历史上最臭名昭著的沉船之一。
1912年4月15日，人们普遍认为“永不沉没”的皇家邮轮“泰坦尼克”号在处女航中撞上冰山后沉没。不幸的是，船上没有足够的救生艇供所有人使用，导致2224名乘客和船员中有1502人死亡。
虽然生存中有一些运气因素，但似乎有些人比其他人更有可能生存下来。
在这个挑战中，我们要求你建立一个预测模型来回答这个问题:“什么样的人更适合存活下来？

介绍：

机器学习三层架构：

机器学习的本质：机器取代人直接做决策。

云计算：用低成本存储和计算海量数据

机器学习算法：人类思考决策的过程抽象成数学模型，用数学的方法给这个模型找到最优化的解，然后把这个解转换成代码命令，让机器可以去执行，完成机器大脑的构建。模型靠海量数据不断学习来优化自己的决策。

机器学习的步骤：

过程：

提出问题：

什么人在泰坦尼克号上更适合生存？

泰坦尼克号的沉没是历史上最臭名昭著的沉船之一。

1912年4月15日，人们普遍认为“永不沉没”的皇家邮轮“泰坦尼克”号在处女航中撞上冰山后沉没。不幸的是，船上没有足够的救生艇供所有人使用，导致2224名乘客和船员中有1502人死亡。

虽然生存中有一些运气因素，但似乎有些人比其他人更有可能生存下来。

在这个挑战中，我们要求你建立一个预测模型来回答这个问题:“什么样的人更容易存活下来。使用乘客数据(如姓名、年龄、性别、社会经济阶层等)。

理解数据：

1、导入查看数据所需要的包

import numpy as np
import pandas as pd

2、导入数据文件

#训练数据集
train = pd.read_csv('./train.csv')
#测试数据集
test = pd.read_csv('./test.csv')

注：数据文件可以在这个地址下载 百度网盘 提取码：62jt

3、查看数据结构

print('训练数据集：',train.shape,'测试数据集：',test.shape)

训练数据集有891行，12列；测试数据集有418行，11列；

测试数据集比训练数据集少了存活（Survived）这一列一列

4、合并数据

#合并数据集，方便同时对两个数据集进行清洗
full = train.append(test,True)
print('合并后的数据:',full.shape)

5、查看数据

用head()函数，可以返回前5行的数据

#查看数据
full.head()
#Passengerld:顾客编号
#Survived:1：存活，0：死亡
#Plcass:一等舱，二等舱，三等舱
#name:姓名
#Sex: 性别
#Age:年龄
#SibSP:船上同代亲属数
#Parch:船上不同代亲属数
#Ticket:船票编号
#Fare:船票价格
#Cabin:客舱号
#Embarked:登船港口 S:Southampton英国南安普顿 C:Cherbourg法国 瑟堡市 Q:Queenstowm爱尔兰 昆士敦

6、获得数据描述信息

describe()函数只能返回数字数据类型，不能查看字符串数据类型

#获取数据类型列的描述统计信息
full.describe()
#count数据总数
#mean平均值
#std标准值
#min最小值
#25%下四份位数
#50%中位数
#75%上四分位数
#max最大值

其实在这里就可以看出问题，Fare的最小值为0。船票的价钱是不可能为0的，所以我们要注意数据的正确性。

7、查看每一列数据类型

#查看每一列的数据类型和数据总数
full.info()

在这里我们注意到，Survived、Age、Fare、Cabin、Embarked都存在数据缺失现象。
我们发现数据总共有1309行。
其中数据类型列：年龄（Age）、船票价格（Fare）里面有缺失数据：
1）年龄（Age）里面数据总数是1046条，缺失了1309-1046=263，缺失率263/1309=20%
2）船票价格（Fare）里面数据总数是1308条，缺失了1条数据

字符串列：
1）登船港口（Embarked）里面数据总数是1307，只缺失了2条数据，缺失比较少
2）船舱号（Cabin）里面数据总数是295，缺失了1309-295=1014，缺失率=1014/1309=77.5%，缺失比较大
这为我们下一步数据清洗指明了方向，只有知道哪些数据缺失数据，我们才能有针对性的处理。所以接下来我们要进行数据清洗。

数据清洗：

1、数据预处理

在这个案例中，我们只需要进行第三步缺失数据处理和异常值进行处理

缺失值进行处理

机器学习算法为了训练模型，要求所传入的特征中不能有空值。

1. 如果是数值类型，用平均值取代
2. 如果是分类数据，用最常见的类别取代
3. 使用模型预测缺失值，例如：K-NN

#Age,Fare
#对于缺失数字数据类型处理，使用平均值进行填充
print('处理前：')
full.info()
#年龄(Age)
full['Age']=full['Age'].fillna( full['Age'].mean() )
#船票价格(Fare)
full['Fare'] = full['Fare'].fillna( full['Fare'].mean() )
print('处理红后：')
full.info()

'''
Embarked
字符串数据，用最常见的类别取代
Embarked里的字符串类型：缺失较少
出发地点：S=英国南安普顿Southampton
途径地点1：C=法国 瑟堡市Cherbourg
途径地点2：Q=爱尔兰 昆士敦Queenstown
'''
full['Embarked'].value_counts()

S是最多次出现的字符串类型

'''
从结果来看，S类别最常见。我们将缺失值填充为最频繁出现的值：
S=英国南安普顿Southampton
'''
full['Embarked'] = full['Embarked'].fillna( 'S' )

查看Cabin

#船舱号（Cabin）：查看数据
full['Cabin'].head()

船舱号（Cabin）里面数据总数是295，缺失了1309-295=1014，缺失率=1014/1309=77.5%，缺失比较大。如果用最常见的数据代替，那不具有代表性，所以用未知（UKnow）代替

#缺失数据比较多，船舱号（Cabin）缺失值填充为U，表示未知（Uknow） 
full['Cabin'] = full['Cabin'].fillna( 'U' )

查看最终缺失值处理情况，记住生成情况（Survived）这里一列是我们的标签，用来做机器学习预测的，不需要处理这一列

#查看最终情况
full.info()

2、 特征提取

建议学之前，阅读我的这一篇博客机器学习之特征工程进行一个大致的了解。

介绍

坊间常说：“数据和特征决定了机器学习的上限，而模型和算法只是逼近这个上限而已”。由此可见，特征工程在机器学习中占有相当重要的地位。在实际应用当中，可以说特征工程是机器学习成功的关键。

数据分类

查看数据类型，分为3种数据类型。并对类别数据处理：用数值代替类别，并进行One-hot编码，放入矩阵当中

将特征抽象成数据，方便代码实现

1.数值类型：
乘客编号（PassengerId），年龄（Age），船票价格（Fare），同代直系亲属人数（SibSp），不同代直系亲属人数（Parch）
2.时间序列：无
3.分类数据：
1）有直接类别的
乘客性别（Sex）：男性male，女性female
登船港口（Embarked）：出发地点S=英国南安普顿Southampton，途径地点1：C=法国 瑟堡市Cherbourg，出发地点2：Q=爱尔兰 昆士敦Queenstown
客舱等级（Pclass）：1=1等舱，2=2等舱，3=3等舱
2）字符串类型：可能从这里面提取出特征来，也归到分类数据中
乘客姓名（Name）
客舱号（Cabin）
船票编号（Ticket）

分类数据：有直接类别的

1. 乘客性别（Sex）： 男性male，女性female
2. 登船港口（Embarked）：出发地点S=英国南安普顿Southampton，途径地点1：C=法国 瑟堡市Cherbourg，出发地点2：Q=爱尔兰 昆士敦Queenstown
3. 客舱等级（Pclass）：1=1等舱，2=2等舱，3=3等舱

性别(Sex)

'''
将性别的值映射为数值
男（male）对应数值1，女（female）对应数值0
'''
sex_mapDict={'male':1, 'female':0}
#map函数：对Series每个数据应用自定义的函数计算
full['Sex']=full['Sex'].map(sex_mapDict)
full.head()

登船港口(Embarked)

登船港口就只要三个点：C，Q，S，而一个顾客对应这三个点中的一个，所以我们拆分成三个登船港口点：Embarked＿C，Embarked＿Q，Embarked＿S。转换成数据模型就是[1,0,0]，[0,1,0]，[0,0,1]。这也叫做one-hot编码。

#存放提取后的特征
embarkedDf = pd.DataFrame()
'''
使用get_dummies进行one-hot编码，产生虚拟变量（dummy variables），列名前缀是Embarked
'''
embarkedDf = pd.get_dummies( full['Embarked'] , prefix='Embarked' )
#查看前5个
embarkedDf.head()

#将Embarked替换成EmbarkedDF
#删除Embarked
full.drop('Embarked',axis=1,inplace=True)
#替换
full = pd.concat([full,embarkedDf],axis=1)
#展示
full.head()

客舱等级（Pclass）

同登船港口一样，客舱等级分为1，2，3三个等级，进行拆分Pclass_1，Pclass_2，Pclass_3，数据模型也为[1,0,0]，[0,1,0]，[0,0,1]。

#Embarked，分为Pclass_1，Pclass_2，Pclass_3
pclassDf = pd.DataFrame()
#使用get_dummies进行one-hot编码，列名前缀是Pclass
pclassDf = pd.get_dummies( full['Pclass'] , prefix='Pclass' )
pclassDf.head()

#添加one-hot编码产生的虚拟变量（dummy variables）到泰坦尼克号数据集full
full = pd.concat([full,pclassDf],axis=1)

#删掉客舱等级（Pclass）这一列
full.drop('Pclass',axis=1,inplace=True)
full.head()

分类数据：字符串类型

字符串类型：可能从这里面提取出特征来，也归到分类数据中，这里数据有：

1. 乘客姓名（Name）
2. 客舱号（Cabin）
3. 船票编号（Ticket）

姓名（Name）

#查看姓名
full[ 'Name' ].head()

注意到在乘客名字（Name）中，有一个非常显著的特点：
乘客头衔每个名字当中都包含了具体的称谓或者说是头衔，将这部分信息提取出来后可以作为非常有用一个新变量，可以帮助我们进行预测。

我们看到姓名中’Braund, Mr. Owen Harris’，逗号前面的是“名”，逗号后面是‘头衔. 姓’

'''
定义函数：从姓名中获取头衔
'''
def getTitle(name):
    str1=name.split( ',' )[1] #Mr. Owen Harris
    str2=str1.split( '.' )[0]#Mr
    #strip() 方法用于移除字符串头尾指定的字符（默认为空格）
    str3=str2.strip()
    return str3

#存放提取后的特征
titleDf = pd.DataFrame()
#map函数：对Series每个数据应用自定义的函数计算
titleDf['Title'] = full['Name'].map(getTitle)

#查看titleDF的种类
titleDf.value_counts()

我们现在已经知道了所有的头衔，一共18个。这太多了，进行进一步的简化。

定义以下几种头衔类别：

基于以上的对应关系，用代码表示，并且用one-hot进行编码

#姓名中头衔字符串与定义头衔类别的对应关系
title_mapDict = {
                    "Capt":       "Officer",
                    "Col":        "Officer",
                    "Major":      "Officer",
                    "Jonkheer":   "Royalty",
                    "Don":        "Royalty",
                    "Sir" :       "Royalty",
                    "Dr":         "Officer",
                    "Rev":        "Officer",
                    "the Countess":"Royalty",
                    "Dona":       "Royalty",
                    "Mme":        "Mrs",
                    "Mlle":       "Miss",
                    "Ms":         "Mrs",
                    "Mr" :        "Mr",
                    "Mrs" :       "Mrs",
                    "Miss" :      "Miss",
                    "Master" :    "Master",
                    "Lady" :      "Royalty"
                    }

#map函数：对Series每个数据应用自定义的函数计算
titleDf['Title'] = titleDf['Title'].map(title_mapDict)

#使用get_dummies进行one-hot编码
titleDf = pd.get_dummies(titleDf['Title'])

#查看
titleDf.head()

再替换到full总表当中，同样是先删除再替换。

#删掉姓名这一列
full.drop('Name',axis=1,inplace=True)
#添加one-hot编码产生的虚拟变量（dummy variables）到泰坦尼克号数据集full
full = pd.concat([full,titleDf],axis=1)

#查看
full.head()

客舱号（Cabin）

查看客舱号

#查看客舱号的内容
full['Cabin'].head()

我们用客舱号的首字母来代替客舱号的类别

#存放客舱号信息
cabinDf = pd.DataFrame()
#取首字母
full[ 'Cabin' ] = full[ 'Cabin' ].map( lambda c : c[0] )
##使用get_dummies进行one-hot编码，列名前缀是Cabin
cabinDf = pd.get_dummies( full['Cabin'] , prefix = 'Cabin' )

再替换到full总表当中，同样是先删除再替换。

#删掉客舱号这一列
full.drop('Cabin',axis=1,inplace=True)
#添加one-hot编码产生的虚拟变量（dummy variables）到泰坦尼克号数据集full
full = pd.concat([full,cabinDf],axis=1)

#查看
full.head()

建立家庭人数和家庭类别(Family)

家庭人数=同代直系亲属数（Parch）+不同代直系亲属数（SibSp）+乘客自己

家庭类别：
小家庭Family_Single：家庭人数=1
中等家庭Family_Small: 2<=家庭人数<=4
大家庭Family_Large: 家庭人数>=5

#存放家庭信息
familyDf = pd.DataFrame()
#家庭人数
familyDf[ 'FamilySize' ] = full[ 'Parch' ] + full[ 'SibSp' ] + 1
#家庭类别
#if 条件为真的时候返回if前面内容，否则返回0
familyDf[ 'Family_Single' ] = familyDf[ 'FamilySize' ].map( lambda s : 1 if s == 1 else 0 )
familyDf[ 'Family_Small' ]  = familyDf[ 'FamilySize' ].map( lambda s : 1 if 2 <= s <= 4 else 0 )
familyDf[ 'Family_Large' ]  = familyDf[ 'FamilySize' ].map( lambda s : 1 if 5 <= s else 0 )

查看结果：

familyDf.head()

添加到full总表中

#添加one-hot编码产生的虚拟变量（dummy variables）到泰坦尼克号数据集full
full = pd.concat([full,familyDf],axis=1)

查看结果：

full.head()

结果：

到现在为止，所有的特征就已经提取完毕了。

查看最后结构

#查看总表结构
full.shape

也就是说明现在有1309行数据，每行数据由33个特征值

3、特征选择

数据和特征决定了机器学习的上限，而模型和算法只是逼近这个上限而已

'''
DataFrame.corr(method='pearson', min_periods=1)
参数说明：
method：可选值为{‘pearson’, ‘kendall’, ‘spearman’}
pearson：Pearson相关系数来衡量两个数据集合是否在一条线上面，即针对线性数据的相关系数计算，针对非线性数据便会有误差。
kendall：用于反映分类变量相关性的指标，即针对无序序列的相关系数，非正太分布的数据
spearman：非线性的，非正太分析的数据的相关系数
min_periods：样本最少的数据量
返回值：各类型之间的相关系数DataFrame表格。
'''
corrDf = full.corr() 

#查看pearson相关系数
corrDf

'''
查看各个特征与生成情况（Survived）的相关系数，
ascending=False表示按降序排列
'''
corrDf['Survived'].sort_values(ascending =False)

根据各个特征与生成情况（Survived）的相关系数大小，我们选择了这几个特征作为模型的输入：

头衔（前面所在的数据集titleDf）、客舱等级（pclassDf）、家庭大小（familyDf）、船票价格（Fare）、船舱号（cabinDf）、登船港口（embarkedDf）、性别（Sex）

构建模型

用训练数据和某个机器学习算法得到机器学习模型，用测试数据评估模型

1、建立训练数据集和测试数据集

1）泰坦尼克号测试数据集因为是我们最后要提交给Kaggle的，里面没有生存情况的值，所以不能用于评估模型。
我们将Kaggle泰坦尼克号项目给我们的测试数据，叫做预测数据集（记为pred,也就是预测英文单词predict的缩写）。
也就是我们使用机器学习模型来对其生存情况就那些预测。
2）我们使用Kaggle泰坦尼克号项目给的训练数据集，做为我们的原始数据集（记为source），
从这个原始数据集中拆分出训练数据集（记为train：用于模型训练）和测试数据集（记为test：用于模型评估）。

sourceRow是我们在最开始合并数据前知道的，原始数据集有总共有891条数据
从特征集合full_X中提取原始数据集提取前891行数据时，我们要减去1，因为行号是从0开始的。

loc函数，loc指的是location。参数指的是索引，也就是[行，列]

#原始数据集有891行
sourceRow=891
#原始数据集：特征
source_X = full_X.loc[0:sourceRow-1]
#原始数据集：标签
source_y = full.loc[0:sourceRow-1,'Survived']
#预测数据集：特征
pred_X = full_X.loc[sourceRow:,:]

确保这里原始数据集取的是前891行的数据，不然后面模型会有错误

#原始数据集有多少行
print('原始数据集有多少行:',source_X.shape[0])
#预测数据集大小
print('预测数据集有多少行:',pred_X.shape[0])

从原始数据集（source）中拆分出训练数据集（用于模型训练train），测试数据集（用于模型评估test）
train_test_split是交叉验证中常用的函数，功能是从样本中随机的按比例选取train data和test data
train_data：所要划分的样本特征集
train_target：所要划分的样本结果
test_size：样本占比，如果是整数的话就是样本的数量

from sklearn.cross_validation import train_test_split 

#建立模型用的训练数据集和测试数据集
train_X, test_X, train_y, test_y = train_test_split(source_X ,
                                                    source_y,
                                                    train_size=.8)

#输出数据集大小
print ('原始数据集特征：',source_X.shape, 
       '训练数据集特征：',train_X.shape ,
      '测试数据集特征：',test_X.shape)

print ('原始数据集标签：',source_y.shape, 
       '训练数据集标签：',train_y.shape ,
      '测试数据集标签：',test_y.shape)

查看数据

#原始数据查看
source_y

2、 选择机器学习算法

这里使用逻辑回归（logisic regression）

#第1步：导入算法
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
#第2步：创建模型：逻辑回归（logisic regression）
model = LogisticRegression()

3、训练模型

#第3步：训练模型
model.fit( train_X , train_y )

评估模型

# 分类问题，score得到的是模型的正确率
model.score(test_X , test_y )

方案实施

得到预测结果上传到Kaggle

使用预测数据集到底预测结果，并保存到csv文件中，上传到Kaggle中，就可以看到排名。

#使用机器学习模型，对预测数据集中的生存情况进行预测
pred_Y = model.predict(pred_X)

'''
生成的预测值是浮点数（0.0,1,0）
但是Kaggle要求提交的结果是整型（0,1）
所以要对数据类型进行转换
'''
pred_Y=pred_Y.astype(int)
#乘客id
passenger_id = full.loc[sourceRow:,'PassengerId']
#数据框：乘客id，预测生存情况的值
predDf = pd.DataFrame( 
    { 'PassengerId': passenger_id , 
     'Survived': pred_Y } )
predDf.shape
predDf.head()
#保存结果
predDf.to_csv( 'titanic_pred.csv' , index = False )

3、训练模型

#第3步：训练模型
model.fit( train_X , train_y )

评估模型

# 分类问题，score得到的是模型的正确率
model.score(test_X , test_y )

[外链图片转存中…(img-PYohazeb-1628692759422)]

方案实施

得到预测结果上传到Kaggle

使用预测数据集到底预测结果，并保存到csv文件中，上传到Kaggle中，就可以看到排名。

#使用机器学习模型，对预测数据集中的生存情况进行预测
pred_Y = model.predict(pred_X)

'''
生成的预测值是浮点数（0.0,1,0）
但是Kaggle要求提交的结果是整型（0,1）
所以要对数据类型进行转换
'''
pred_Y=pred_Y.astype(int)
#乘客id
passenger_id = full.loc[sourceRow:,'PassengerId']
#数据框：乘客id，预测生存情况的值
predDf = pd.DataFrame( 
    { 'PassengerId': passenger_id , 
     'Survived': pred_Y } )
predDf.shape
predDf.head()
#保存结果
predDf.to_csv( 'titanic_pred.csv' , index = False )