目录
1.业务理解
2.数据收集和准备
数据采集
探索性数据分析 (EDA) 和数据清理
特征选择
3.建立机器学习模型
选择正确的模型
分割数据
训练模型
模型评估
4.模型优化
5.部署模型
今天我将带领大家一步步的来构建一个机器学习模型。
我们将按照以下步骤开发客户流失预测分类模型。
文末福利：拉到最后
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1.业务理解
在开发任何机器学习模型之前，我们必须了解为什么要开发该模型。
这里，我们以客户流失预测为例。
在这种情况下，企业需要避免公司进一步流失，并希望对流失概率高的客户采取行动。有了上述业务需求，所以需要开发一个客户流失预测模型。
2.数据收集和准备
数据采集
数据是任何机器学习项目的核心。没有数据，我们就无法训练机器学习模型。
在现实情况下，干净的数据并不容易获得。通常，我们需要通过应用程序、调查和许多其他来源收集数据，然后将其存储在数据存储中。
在我们的案例中，我们将使用来自 Kaggle 的电信客户流失数据。它是有关电信行业客户历史的开源分类数据，带有流失标签。
https://www.kaggle.com/datasets/blastchar/telco-customer-churn
探索性数据分析 (EDA) 和数据清理
首先，我们加载数据集。
import pandas as pddf = pd.read_csv('WA_Fn-UseC_-Telco-Customer-Churn.csv')
df.head()接下来，我们将探索数据以了解我们的数据集。
以下是我们将为 EDA 流程执行的一些操作。
-
检查特征和汇总统计数据。
-
检查特征中是否存在缺失值。
-
分析标签的分布（流失）。
-
为数值特征绘制直方图，为分类特征绘制条形图。
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为数值特征绘制相关热图。
-
使用箱线图识别分布和潜在异常值。
首先，我们将检查特征和汇总统计数据。
df.info()
df.describe()df.describe(exclude = 'number')
让我们检查一下缺失的数据。
df.isnull().sum()
可以看到，数据集不包含缺失数据，因此我们不需要执行任何缺失数据处理活动。
然后，我们将检查目标变量以查看是否存在不平衡情况。
df['Churn'].value_counts()
存在轻微的不平衡，因为与无客户流失的情况相比，只有接近 25% 的客户流失发生。
让我们再看看其他特征的分布情况，从数字特征开始。
import numpy as np
df['TotalCharges'] = df['TotalCharges'].replace('', np.nan)
df['TotalCharges'] = pd.to_numeric(df['TotalCharges'], errors='coerce').fillna(0)
df['SeniorCitizen'] = df['SeniorCitizen'].astype('str')
df['ChurnTarget'] = df['Churn'].apply(lambda x: 1 if x=='Yes' else 0)
num_features = df.select_dtypes('number').columns
df[num_features].hist(bins=15, figsize=(15, 6), layout=(2, 5))
我们还将提供除 customerID 之外的分类特征绘图。
import matplotlib.pyplot as plt
# Plot distribution of categorical features
cat_features = df.drop('customerID', axis =1).select_dtypes(include='object').columns
plt.figure(figsize=(20, 20))
for i, col in enumerate(cat_features, 1):
plt.subplot(5, 4, i)
df[col].value_counts().plot(kind='bar')
plt.title(col)
然后我们将通过以下代码看到数值特征之间的相关性。
import seaborn as sns# Plot correlations between numerical features
plt.figure(figsize=(10, 8))
sns.heatmap(df[num_features].corr())
plt.title('Correlation Heatmap')
最后，我们将使用基于四分位距（IQR）的箱线图检查数值异常值。
# Plot box plots to identify outliers
plt.figure(figsize=(20, 15))
for i, col in enumerate(num_features, 1):plt.subplot(4, 4, i)sns.boxplot(y=df[col])plt.title(col)
从上面的分析中，我们可以看出，我们不应该解决缺失数据或异常值的问题。
下一步是对我们的机器学习模型进行特征选择，因为我们只想要那些影响预测且在业务中可行的特征。
特征选择
特征选择的方法有很多种，通常结合业务知识和技术应用来完成。
但是，本教程将仅使用我们之前做过的相关性分析来进行特征选择。
首先，让我们根据相关性分析选择数值特征。
target = 'ChurnTarget'
num_features = df.select_dtypes(include=[np.number]).columns.drop(target)# Calculate correlations
correlations = df[num_features].corrwith(df[target])# Set a threshold for feature selection
threshold = 0.3
selected_num_features = correlations[abs(correlations) > threshold].index.tolist()
selected_cat_features=cat_features[:-1]selected_features = []
selected_features.extend(selected_num_features)
selected_features.extend(selected_cat_features)
selected_features你可以稍后尝试调整阈值，看看特征选择是否会影响模型的性能。
3.建立机器学习模型
选择正确的模型
选择合适的机器学习模型需要考虑很多因素，但始终取决于业务需求。
以下几点需要记住：
-
用例问题。它是监督式的还是无监督式的？是分类式的还是回归式的？用例问题将决定可以使用哪种模型。
-
数据特征。它是表格数据、文本还是图像？数据集大小是大还是小？根据数据集的不同，我们选择的模型可能会有所不同。
-
模型的解释难度如何？平衡可解释性和性能对于业务至关重要。
经验法则是，在开始复杂模型之前，最好先以较简单的模型作为基准。
对于本教程，我们从逻辑回归开始进行模型开发。
分割数据
下一步是将数据拆分为训练、测试和验证集。
from sklearn.model_selection import train_test_splittarget = 'ChurnTarget' X = df[selected_features]
y = df[target]cat_features = X.select_dtypes(include=['object']).columns.tolist()
num_features = X.select_dtypes(include=['number']).columns.tolist()#Splitting data into Train, Validation, and Test Set
X_train_val, X_test, y_train_val, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42, stratify=y)X_train, X_val, y_train, y_val = train_test_split(X_train_val, y_train_val, test_size=0.25, random_state=42, stratify=y_train_val)
在上面的代码中，我们将数据分成 60% 的训练数据集和 20% 的测试和验证集。
一旦我们有了数据集，我们就可以训练模型。
训练模型
如上所述，我们将使用训练数据训练 Logistic 回归模型。
from sklearn.compose import ColumnTransformer
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
from sklearn.linear_model import LogisticRegressionpreprocessor = ColumnTransformer(transformers=[('num', 'passthrough', num_features),('cat', OneHotEncoder(), cat_features)])pipeline = Pipeline(steps=[('preprocessor', preprocessor),('classifier', LogisticRegression(max_iter=1000))
])# Train the logistic regression model
pipeline.fit(X_train, y_train)模型评估
以下代码显示了所有基本分类指标。
from sklearn.metrics import classification_report# Evaluate on the validation set
y_val_pred = pipeline.predict(X_val)
print("Validation Classification Report:\n", classification_report(y_val, y_val_pred))# Evaluate on the test set
y_test_pred = pipeline.predict(X_test)
print("Test Classification Report:\n", classification_report(y_test, y_test_pred))从验证和测试数据中我们可以看出，流失率(1) 的召回率并不是最好的。这就是为什么我们可以优化模型以获得最佳结果。
4.模型优化
优化模型的一种方法是通过超参数优化，它会测试这些模型超参数的所有组合，以根据指标找到最佳组合。
每个模型都有一组超参数，我们可以在训练之前设置它们。
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
# Define the logistic regression model within a pipeline
pipeline = Pipeline(steps=[('preprocessor', preprocessor),('classifier', LogisticRegression(max_iter=1000))
])# Define the hyperparameters for GridSearchCV
param_grid = {'classifier__C': [0.1, 1, 10, 100],'classifier__solver': ['lbfgs', 'liblinear']
}# Perform Grid Search with cross-validation
grid_search = GridSearchCV(pipeline, param_grid, cv=5, scoring='recall')
grid_search.fit(X_train, y_train)# Best hyperparameters
print("Best Hyperparameters:", grid_search.best_params_)# Evaluate on the validation set
y_val_pred = grid_search.predict(X_val)
print("Validation Classification Report:\n", classification_report(y_val, y_val_pred))# Evaluate on the test set
y_test_pred = grid_search.predict(X_test)
print("Test Classification Report:\n", classification_report(y_test, y_test_pred))
5.部署模型
我们已经构建了机器学习模型。有了模型之后，下一步就是将其部署到生产中。让我们使用一个简单的 API 来模拟它。
首先，让我们再次开发我们的模型并将其保存为 joblib 对象。
import joblibbest_params = {'classifier__C': 10, 'classifier__solver': 'liblinear'}
logreg_model = LogisticRegression(C=best_params['classifier__C'], solver=best_params['classifier__solver'], max_iter=1000)preprocessor = ColumnTransformer(transformers=[('num', 'passthrough', num_features),('cat', OneHotEncoder(), cat_features)])pipeline = Pipeline(steps=[('preprocessor', preprocessor),('classifier', logreg_model)
])pipeline.fit(X_train, y_train)# Save the model
joblib.dump(pipeline, 'logreg_model.joblib')一旦模型对象准备就绪，我们将创建一个名为 app.py 的 Python 脚本，并将以下代码放入脚本中。
from fastapi import FastAPI
from pydantic import BaseModel
import joblib
import numpy as np# Load the logistic regression model pipeline
model = joblib.load('logreg_model.joblib')# Define the input data for model
class CustomerData(BaseModel):tenure: intInternetService: strOnlineSecurity: strTechSupport: strContract: strPaymentMethod: str# Create FastAPI app
app = FastAPI()# Define prediction endpoint
@app.post("/predict")
def predict(data: CustomerData):input_data = {'tenure': [data.tenure],'InternetService': [data.InternetService],'OnlineSecurity': [data.OnlineSecurity],'TechSupport': [data.TechSupport],'Contract': [data.Contract],'PaymentMethod': [data.PaymentMethod]}import pandas as pdinput_df = pd.DataFrame(input_data)# Make a predictionprediction = model.predict(input_df)# Return the predictionreturn {"prediction": int(prediction[0])}if __name__ == "__main__":import uvicornuvicorn.run(app, host="0.0.0.0", port=8000)在命令提示符或终端中，运行以下代码。
uvicorn app:app --reload有了上面的代码，我们已经有一个用于接受数据和创建预测的 API。
让我们在新终端中使用以下代码尝试一下。
curl -X POST "http://127.0.0.1:8000/predict" -H "Content-Type: application/json" -d "{\"tenure\": 72, \"InternetService\": \"Fiber optic\", \"OnlineSecurity\": \"Yes\", \"TechSupport\": \"Yes\", \"Contract\": \"Two year\", \"PaymentMethod\": \"Credit card (automatic)\"}"如你所见，API 结果是一个预测值为 0（Not-Churn）的字典。你可以进一步调整代码以获得所需的结果。
最后福利：
包含：Java、云原生、GO语音、嵌入式、Linux、物联网、AI人工智能、python、C/C++/C#、软件测试、网络安全、Web前端、网页、大数据、Android大模型多线程、JVM、Spring、MySQL、Redis、Dubbo、中间件…等最全厂牌最新视频教程+源码+软件包+面试必考题和答案详解。
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