[人工智能]【数据分析与挖掘实战】电信用户流失分析与预测

背景

关于用户留存有这样一个观点，如果将用户流失率降低5%，公司利润将提升25%-85%。如今高居不下的获客成本让电信运营商遭遇“天花板”，甚至陷入获客难的窘境。随着市场饱和度上升，电信运营商亟待解决增加用户黏性，延长用户生命周期的问题。因此，电信用户流失分析与预测至关重要。
数据集来自kesci中的“电信运营商客户数据集”
数据集：添加链接描述

本文将从以下方面进行分析：

1.背景
2.提出问题
3.理解数据
4.数据清洗
5.可视化分析
6.用户流失预测
7.结论和建议

提出问题

1.分析用户特征与流失的关系。
2.从整体情况看，流失用户的普遍具有哪些特征？
3.尝试找到合适的模型预测流失用户。
4.针对性给出增加用户黏性、预防流失的建议。

理解数据

根据介绍，该数据集有21个字段，共7043条记录。每条记录包含了唯一客户的特征。
我们目标就是发现前20列特征和最后一列客户是否流失特征之间的关系。

数据清洗

数据清洗的“完全合一”规则：

完整性：单条数据是否存在空值，统计的字段是否完善。
全面性：观察某一列的全部数值，通过常识来判断该列是否有问题，比如：数据定义、单位标识、数据本身。
合法性：数据的类型、内容、大小的合法性。比如数据中是否存在非ASCII字符，性别存在了未知，年龄超过了150等。
唯一性：数据是否存在重复记录，因为数据通常来自不同渠道的汇总，重复的情况是常见的。行数据、列数据都需要是唯一的。
导入工具包。

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
customerDF = pd.read_csv('/home/kesci/input/yidong4170/WA_Fn-UseC_-Telco-Customer-Churn.csv')
# 查看数据集大小
customerDF.shape
# 运行结果：(7043, 21)

# 设置查看列不省略
pd.set_option('display.max_columns',None)

# 查看前10条数据
customerDF.head(10)

# Null计数
pd.isnull(customerDF).sum()
# 查看数据类型
customerDF.info()
#customerDf.dtypes

#将‘TotalCharges’总消费额的数据类型转换为浮点型，发现错#误：字符串无法转换为数字。

依次检查各个字段的数据类型、字段内容和数量。最后发现“TotalCharges”（总消费额）列有11个用户数据缺失。

# 查看每一列数据取值
for x in customerDF.columns:
    test=customerDF.loc[:,x].value_counts()
    print('{0} 的行数是：{1}'.format(x,test.sum()))
    print('{0} 的数据类型是：{1}'.format(x,customerDF[x].dtypes))
    print('{0} 的内容是：\n{1}\n'.format(x,test))

采用强制转换，将“TotalCharges”（总消费额）转换为浮点型数据。

#强制转换为数字，不可转换的变为NaN
customerDF['TotalCharges']=customerDF['TotalCharges'].convert_objects(convert_numeric=True)

#强制转换为数字，不可转换的变为NaN
customerDF[‘TotalCharges’]=customerDF[‘TotalCharges’].convert_objects(convert_numeric=True)

test=customerDF.loc[:,'TotalCharges'].value_counts().sort_index()
print(test.sum())
#运行结果：7032

print(customerDF.tenure[customerDF['TotalCharges'].isnull().values==True])
#运行结果：11

#将总消费额填充为月消费额
customerDF.loc[:,'TotalCharges'].replace(to_replace=np.nan,value=customerDF.loc[:,'MonthlyCharges'],inplace=True)
#查看是否替换成功
print(customerDF[customerDF['tenure']==0][['tenure','MonthlyCharges','TotalCharges']])

# 将‘tenure’入网时长从0修改为1
customerDF.loc[:,'tenure'].replace(to_replace=0,value=1,inplace=True)
print(pd.isnull(customerDF['TotalCharges']).sum())
print(customerDF['TotalCharges'].dtypes)

查看数据的描述统计信息，根据一般经验，所有数据正常。

查看数据的描述统计信息，根据一般经验，所有数据正常。

可视化分析

根据一般经验，将用户特征划分为用户属性、服务属性、合同属性，并从这三个维度进行可视化分析。

查看流失用户数量和占比。

plt.rcParams['figure.figsize']=6,6
plt.pie(customerDF['Churn'].value_counts(),labels=customerDF['Churn'].value_counts().index,autopct='%1.2f%%',explode=(0.1,0))
plt.title('Churn(Yes/No) Ratio')
plt.show()

churnDf=customerDF['Churn'].value_counts().to_frame()
x=churnDf.index
y=churnDf['Churn']
plt.bar(x,y,width = 0.5,color = 'c')

#用来正常显示中文标签（需要安装字库）
plt.title('Churn(Yes/No) Num')
plt.show()

属于不平衡数据集，流失用户占比达26.54%。

（1）用户属性分析

def barplot_percentages(feature,orient='v',axis_name="percentage of customers"):
    ratios = pd.DataFrame()
    g = (customerDF.groupby(feature)["Churn"].value_counts()/len(customerDF)).to_frame()
    g.rename(columns={"Churn":axis_name},inplace=True)
    g.reset_index(inplace=True)

    #print(g)
    if orient == 'v':
        ax = sns.barplot(x=feature, y= axis_name, hue='Churn', data=g, orient=orient)
        ax.set_yticklabels(['{:,.0%}'.format(y) for y in ax.get_yticks()])
        plt.rcParams.update({'font.size': 13})
        #plt.legend(fontsize=10)
    else:
        ax = sns.barplot(x= axis_name, y=feature, hue='Churn', data=g, orient=orient)
        ax.set_xticklabels(['{:,.0%}'.format(x) for x in ax.get_xticks()])
        plt.legend(fontsize=10)
    plt.title('Churn(Yes/No) Ratio as {0}'.format(feature))
    plt.show()
barplot_percentages("SeniorCitizen")
barplot_percentages("gender")

customerDF['churn_rate'] = customerDF['Churn'].replace("No", 0).replace("Yes", 1)
g = sns.FacetGrid(customerDF, col="SeniorCitizen", height=4, aspect=.9)
ax = g.map(sns.barplot, "gender", "churn_rate", palette = "Blues_d", order= ['Female', 'Male'])
plt.rcParams.update({'font.size': 13})
plt.show()

小结：
用户流失与性别基本无关；
年老用户流失占显著高于年轻用户。

fig, axis = plt.subplots(1, 2, figsize=(12,4))
axis[0].set_title("Has Partner")
axis[1].set_title("Has Dependents")
axis_y = "percentage of customers"

# Plot Partner column
gp_partner = (customerDF.groupby('Partner')["Churn"].value_counts()/len(customerDF)).to_frame()
gp_partner.rename(columns={"Churn": axis_y}, inplace=True)
gp_partner.reset_index(inplace=True)
ax1 = sns.barplot(x='Partner', y= axis_y, hue='Churn', data=gp_partner, ax=axis[0])
ax1.legend(fontsize=10)
#ax1.set_xlabel('伴侣')


# Plot Dependents column
gp_dep = (customerDF.groupby('Dependents')["Churn"].value_counts()/len(customerDF)).to_frame()
#print(gp_dep)
gp_dep.rename(columns={"Churn": axis_y} , inplace=True)
#print(gp_dep)
gp_dep.reset_index(inplace=True)
#print(gp_dep)

ax2 = sns.barplot(x='Dependents', y= axis_y, hue='Churn', data=gp_dep, ax=axis[1])
#ax2.set_xlabel('家属')


#设置字体大小
plt.rcParams.update({'font.size': 20})
ax2.legend(fontsize=10)

#设置
plt.show()

# Kernel density estimaton核密度估计
def kdeplot(feature,xlabel):
    plt.figure(figsize=(9, 4))
    plt.title("KDE for {0}".format(feature))
    ax0 = sns.kdeplot(customerDF[customerDF['Churn'] == 'No'][feature].dropna(), color= 'navy', label= 'Churn: No', shade='True')
    ax1 = sns.kdeplot(customerDF[customerDF['Churn'] == 'Yes'][feature].dropna(), color= 'orange', label= 'Churn: Yes',shade='True')
    plt.xlabel(xlabel)
    #设置字体大小
    plt.rcParams.update({'font.size': 20})
    plt.legend(fontsize=10)
kdeplot('tenure','tenure')
plt.show()

小结：
有伴侣的用户流失占比低于无伴侣用户；
有家属的用户较少；
有家属的用户流失占比低于无家属用户;
在网时长越久，流失率越低，符合一般经验；
在网时间达到三个月，流失率小于在网率，证明用户心理稳定期一般是三个月。

（2）服务属性分析

plt.figure(figsize=(9, 4.5))
barplot_percentages("MultipleLines", orient='h')

plt.figure(figsize=(9, 4.5))
barplot_percentages("InternetService", orient="h")

cols = ["PhoneService","MultipleLines","OnlineSecurity", "OnlineBackup", "DeviceProtection", "TechSupport", "StreamingTV", "StreamingMovies"]
df1 = pd.melt(customerDF[customerDF["InternetService"] != "No"][cols])
df1.rename(columns={'value': 'Has service'},inplace=True)
plt.figure(figsize=(20, 8))
ax = sns.countplot(data=df1, x='variable', hue='Has service')
ax.set(xlabel='Internet Additional service', ylabel='Num of customers')
plt.rcParams.update({'font.size':20})
plt.legend( labels = ['No Service', 'Has Service'],fontsize=15)
plt.title('Num of Customers as Internet Additional Service')
plt.show()

plt.figure(figsize=(20, 8))
df1 = customerDF[(customerDF.InternetService != "No") & (customerDF.Churn == "Yes")]
df1 = pd.melt(df1[cols])
df1.rename(columns={'value': 'Has service'}, inplace=True)
ax = sns.countplot(data=df1, x='variable', hue='Has service', hue_order=['No', 'Yes'])
ax.set(xlabel='Internet Additional service', ylabel='Churn Num')
plt.rcParams.update({'font.size':20})
plt.legend( labels = ['No Service', 'Has Service'],fontsize=15)
plt.title('Num of Churn Customers as Internet Additional Service')
plt.show()

电话服务整体对用户流失影响较小。
单光纤用户的流失占比较高；
光纤用户绑定了安全、备份、保护、技术支持服务的流失率较低；
光纤用户附加流媒体电视、电影服务的流失率占比较高。

（3）合同属性分析?

plt.figure(figsize=(9, 4.5))
barplot_percentages("PaymentMethod",orient='h')

g = sns.FacetGrid(customerDF, col="PaperlessBilling", height=6, aspect=.9)
ax = g.map(sns.barplot, "Contract", "churn_rate", palette = "Blues_d", order= ['Month-to-month', 'One year', 'Two year'])
plt.rcParams.update({'font.size':18})
plt.show()

kdeplot('MonthlyCharges','MonthlyCharges')
kdeplot('TotalCharges','TotalCharges')
plt.show()

小结：

采用电子支票支付的用户流失率最高，推测该方式的使用体验较为一般；
签订合同方式对客户流失率影响为：按月签订 > 按一年签订 > 按两年签订，证明长期合同最能保留客户；
月消费额大约在70-110之间用户流失率较高；
长期来看，用户总消费越高，流失率越低，符合一般经验。

用户流失预测

对数据集进一步清洗和提取特征，通过特征选取对数据进行降维，采用机器学习模型应用于测试数据集，然后对构建的分类模型准确性进行分析

（1）数据清洗

customerID=customerDF['customerID']
customerDF.drop(['customerID'],axis=1, inplace=True)
cateCols = [c for c in customerDF.columns if customerDF[c].dtype == 'object' or c == 'SeniorCitizen']
dfCate = customerDF[cateCols].copy()
dfCate.head(3)

#进行特征编码。

for col in cateCols:
    if dfCate[col].nunique() == 2:
        dfCate[col] = pd.factorize(dfCate[col])[0]
    else:
        dfCate = pd.get_dummies(dfCate, columns=[col])
dfCate['tenure']=customerDF[['tenure']]
dfCate['MonthlyCharges']=customerDF[['MonthlyCharges']]
dfCate['TotalCharges']=customerDF[['TotalCharges']]

##查看关联关系

plt.figure(figsize=(16,8))
dfCate.corr()['Churn'].sort_values(ascending=False).plot(kind='bar')
plt.show()

（2）特征选取

# 特征选择
dropFea = ['gender','PhoneService',
           'OnlineSecurity_No internet service', 'OnlineBackup_No internet service',
           'DeviceProtection_No internet service', 'TechSupport_No internet service',
           'StreamingTV_No internet service', 'StreamingMovies_No internet service',
           #'OnlineSecurity_No', 'OnlineBackup_No',
           #'DeviceProtection_No','TechSupport_No',
           #'StreamingTV_No', 'StreamingMovies_No',
           ]
dfCate.drop(dropFea, inplace=True, axis =1) 
#最后一列是作为标识
target = dfCate['Churn'].values
#列表：特征和1个标识
columns = dfCate.columns.tolist()

（3）构建模型

# 构造各种分类器
classifiers = [
    SVC(random_state = 1, kernel = 'rbf'),    
    DecisionTreeClassifier(random_state = 1, criterion = 'gini'),
    RandomForestClassifier(random_state = 1, criterion = 'gini'),
    KNeighborsClassifier(metric = 'minkowski'),
    AdaBoostClassifier(random_state = 1),   
]
# 分类器名称
classifier_names = [
            'svc', 
            'decisiontreeclassifier',
            'randomforestclassifier',
            'kneighborsclassifier',
            'adaboostclassifier',
]
# 分类器参数
#注意分类器的参数，字典键的格式，GridSearchCV对调优的参数格式是"分类器名"+"__"+"参数名"
classifier_param_grid = [
            {'svc__C':[0.1], 'svc__gamma':[0.01]},
            {'decisiontreeclassifier__max_depth':[6,9,11]},
            {'randomforestclassifier__n_estimators':range(1,11)} ,
            {'kneighborsclassifier__n_neighbors':[4,6,8]},
            {'adaboostclassifier__n_estimators':[70,80,90]}
]

(4）模型参数调优和评估

对分类器进行参数调优和评估，最后得到试用AdaBoostClassifier(n_estimators=80)效果最好。

# 对具体的分类器进行 GridSearchCV 参数调优
def GridSearchCV_work(pipeline, train_x, train_y, test_x, test_y, param_grid, score = 'accuracy_score'):
    response = {}
    gridsearch = GridSearchCV(estimator = pipeline, param_grid = param_grid, cv=3, scoring = score)
    # 寻找最优的参数 和最优的准确率分数
    search = gridsearch.fit(train_x, train_y)
    print("GridSearch 最优参数：", search.best_params_)
    print("GridSearch 最优分数： %0.4lf" %search.best_score_)
    #采用predict函数（特征是测试数据集）来预测标识，预测使用的参数是上一步得到的最优参数
    predict_y = gridsearch.predict(test_x)
    print(" 准确率 %0.4lf" %accuracy_score(test_y, predict_y))
    response['predict_y'] = predict_y
    response['accuracy_score'] = accuracy_score(test_y,predict_y)
    return response
 
for model, model_name, model_param_grid in zip(classifiers, classifier_names, classifier_param_grid):
    #采用 StandardScaler 方法对数据规范化：均值为0，方差为1的正态分布
    pipeline = Pipeline([
            #('scaler', StandardScaler()),
            #('pca',PCA),
            (model_name, model)
    ])
    result = GridSearchCV_work(pipeline, train_x, train_y, test_x, test_y, model_param_grid , score = 'accuracy')

结论和建议

根据以上分析，得到高流失率用户的特征：

用户属性：老年用户，未婚用户，无亲属用户更容易流失；
服务属性：在网时长小于半年，有电话服务，光纤用户/光纤用户附加流媒体电视、电影服务，无互联网增值服务；
合同属性：签订的合同期较短，采用电子支票支付，是电子账单，月租费约70-110元的客户容易流失；
其它属性对用户流失影响较小，以上特征保持独立。
针对上述结论，从业务角度给出相应建议：

根据预测模型，构建一个高流失率的用户列表。通过用户调研推出一个最小可行化产品功能，并邀请种子用户进行试用。
用户方面：针对老年用户、无亲属、无伴侣用户的特征退出定制服务如亲属套餐、温暖套餐等，一方面加强与其它用户关联度，另一方对特定用户提供个性化服务。
服务方面：针对新注册用户，推送半年优惠如赠送消费券，以渡过用户流失高峰期。针对光纤用户和附加流媒体电视、电影服务用户，重点在于提升网络体验、增值服务体验，一方面推动技术部门提升网络指标，另一方面对用户承诺免费网络升级和赠送电视、电影等包月服务以提升用户黏性。针对在线安全、在线备份、设备保护、技术支持等增值服务，应重点对用户进行推广介绍，如首月/半年免费体验。
合同方面：针对单月合同用户，建议推出年合同付费折扣活动，将月合同用户转化为年合同用户，提高用户在网时长，以达到更高的用户留存。 针对采用电子支票支付用户，建议定向推送其它支付方式的优惠券，引导用户改变支付方式。