【机器学习实例】Titanic生存预测

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-11-26 10:55 151阅读 0赞

**数据集及代码链接**：[https://github.com/CCH21/Lab\_MLGroup\_Tasks/tree/master/Task\_Titanic][https_github.com_CCH21_Lab_MLGroup_Tasks_tree_master_Task_Titanic]

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## 数据集概述 ##

如下图所示，Titanic数据集共包含有三个csv文件，其中`train.csv`是训练集，`test.csv`是待预测的测试集，`gender_submission.csv`是测试集的真实结果。  
![在这里插入图片描述][20200811235003469.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 数据描述 ##

import pandas as pd
    from IPython.display import display
    
    # 查看训练集和测试集
    training_set = pd.read_csv('train.csv')
    test_set = pd.read_csv('test.csv')
    display(training_set)
    display(test_set)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 特征选择与数据预处理 ##

首先，我们需要查看一下训练集和测试集的特征值缺失情况。

# 查看训练集各特征的缺失情况
    for column in training_set.columns:
        print('%-15s%-10.4f%-3d' % (column, training_set[column].count() / len(training_set), training_set[column].count()))

![在这里插入图片描述][20200812000535780.png]

# 查看测试集各特征的缺失情况
    for column in test_set.columns:
        print('%-15s%-10.4f%-3d' % (column, test_set[column].count() / len(test_set), test_set[column].count()))

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
  可以看出，在训练集中，`Age`, `Cabin`和`Embarked`特征是有缺失值的，其中`Cabin`的缺失值占到了超过77%的比例。在测试集中，`Age`, `Fare`和`Cabin`特征有缺失值。  
  观察数据。`Cabin`的缺失值过多，这时有两种解决方案，一是给所有的缺失值标记上`Unknown`，二是直接删除这一特征。由于船舱号比较复杂，难以进行分析，因此选择直接删除这一特征列。`PassengerID`肯定与最终的预测结果无关，因此删除此列。`Ticket`特征同样难以分析，因此删掉。比较特殊的是`Name`一列，它其实包含了一些人物的性别、社会地位等信息，可以保留但不易分析。其实，性别与社会地位这方面的信息，我们可以从`Sex`和`Fare`等特征中得知，故删除`Name`列。

# 删除PassengerId, Name, Ticket, Cabin特征
    training_set = training_set.drop(columns=['PassengerId', 'Name', 'Ticket', 'Cabin'])
    test_set = test_set.drop(columns=['PassengerId', 'Name', 'Ticket', 'Cabin'])
    display(training_set)
    display(test_set)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
  接下来是对缺失值的处理。目前训练集还有两个特征值有缺失值，分别是`Age`和`Embarked`。对于`Age`特征，我们可以用训练集中`Age`一列的平均值来填补完整。对于`Embarked`特征，由于只有两个样本有缺失值，因此可以直接删除这两个样本。

# 用训练集Age一列的平均数填补Age缺失值
    training_set['Age'] = training_set['Age'].fillna(training_set['Age'].mean())
    # 去除训练集中有缺失值的样本
    training_set.dropna(axis=0,inplace=True)
    display(training_set)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
  再次检查训练集，可以发现所有的样本的特征值都是完整无空缺的。

# 检查训练集的缺失情况
    for column in training_set.columns:
        print('%-15s%-10.4f%-3d' % (column, training_set[column].count() / len(training_set), training_set[column].count()))

![在这里插入图片描述][20200812094341983.png]

对于测试集的空缺值，我们不能选择删除样本的方式。通过观察数据集可以发现，`Fare`一列有一个频繁出现的`8.05`。由于`Fare`一列缺失值不多，因此选择用众数填补。`Age`一列的缺失值仍然选择使用平均值填补。

# 处理测试集的缺失值
    # 用测试集Fare一列的众数填补Fare缺失值
    test_set['Fare'] = test_set['Fare'].fillna(test_set['Fare'].dropna().mode()[0])
    # 用测试集Age一列的平均数填补Age缺失值
    test_set['Age'] = test_set['Age'].fillna(test_set['Age'].mean())
    display(test_set)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

# 检查测试集的缺失情况
    for column in test_set.columns:
        print('%-15s%-10.4f%-3d' % (column, test_set[column].count() / len(test_set), test_set[column].count()))

![在这里插入图片描述][20200812101311737.png]

接下来我们加载存活结果数据集，并且指定`X_train`, `X_test`, `y_train`, `y_test`。

# 加载存活结果数据集
    result_set = pd.read_csv('gender_submission.csv')
    display(result_set)

![在这里插入图片描述][20200812101456332.png]

X_train = training_set.drop(columns=['Survived'])
    y_train = training_set['Survived']
    X_test = test_set
    y_test = result_set.drop(columns=['PassengerId'])
    display(X_train)
    display(y_train)
    display(X_test)
    display(y_test)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
![在这里插入图片描述][20200812101639107.png]

下面我们利用`sklearn.feature_extraction`中的`DictVectorizer`特征转换器，将不为数值型的特征进行转换。转换特征后，类别型特征都单独剥离出来，独成一列特征，数值型特征则保持不变。

# 使用特征转换器
    from sklearn.feature_extraction import DictVectorizer
    
    vec = DictVectorizer(sparse=False)
    X_train = vec.fit_transform(X_train.to_dict(orient='record'))
    print(vec.feature_names_)
    X_test = vec.transform(X_test.to_dict(orient='record'))
    print(vec.feature_names_)

![在这里插入图片描述][20200812101956284.png_pic_center]

## 使用机器学习模型预测并且进行模型评估 ##

这里我选择了两个模型，分别是k-NN分类器和决策树分类器。

# 使用决策树分类器模型
    from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
    
    dtc = DecisionTreeClassifier()
    dtc.fit(X_train, y_train)
    y_predict = dtc.predict(X_test)
    print(y_predict)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

from sklearn.metrics import classification_report
    
    print('Training set score: {:.2f}'.format(dtc.score(X_train, y_train)))
    print('Test set score: {:.2f}'.format(dtc.score(X_test, y_test)))
    # 输出更加详细的分类性能
    print(classification_report(y_predict, y_test, target_names=['died', 'survived']))

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
  决策树分类器的预测准确度在77%左右，并且识别遇难者的准确率要优于识别幸存者。

# 使用k-NN分类器模型
    from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    training_accuracy = []
    test_accuracy = []
    neighbors_settings = range(1, 11)
    for n_neighbors in neighbors_settings:
        knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=n_neighbors)
        knn.fit(X_train, y_train)
        # 记录训练集精度
        training_accuracy.append(knn.score(X_train, y_train))
        # 记录泛化精度
        test_accuracy.append(knn.score(X_test, y_test))
    
    plt.plot(neighbors_settings, training_accuracy, label='training accuracy')
    plt.plot(neighbors_settings, test_accuracy, label='test accuracy')
    plt.ylabel('Accuracy')
    plt.xlabel('n_neighbors')
    plt.legend()

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
  通过改变`n_neighbors`的值（范围为区间`[1, 10]`）建立不同的k-NN分类器，并且记录其训练集精度和泛化精度，绘制出折线图。从折线图中可以看出，当`n_neighbors = 5`时，泛化精度最高。

knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=5)
    knn.fit(X_train, y_train)
    y_predict = knn.predict(X_test)
    print(y_predict)
    print('Training set score: {:.2f}'.format(knn.score(X_train, y_train)))
    print('Test set score: {:.2f}'.format(knn.score(X_test, y_test)))

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]  
  k-NN分类器的预测准确率大概在72%左右，稍逊于决策树分类器。

[https_github.com_CCH21_Lab_MLGroup_Tasks_tree_master_Task_Titanic]: https://github.com/CCH21/Lab_MLGroup_Tasks/tree/master/Task_Titanic
[20200811235003469.png]: /images/20221124/060de2141925441c8ed004f2934f3ace.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200811235502893.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1NTU0MDEw,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[20200812094341983.png]: /images/20221124/d1d3700c206b4247ac12499e3ab3f347.png
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