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gitbook/零基础实战机器学习/docs/414504.md

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课程提交
2 years ago
# 03｜实战5步（上）：怎么定义问题和预处理数据？
你好，我是黄佳。
在[《打好基础：到底什么是机器学习？》](https://time.geekbang.org/column/article/413057)中，我和你说了到底什么是机器学习，你还记得我们的结论吗？机器学习是一种从数据生成规则、发现模型，来帮助我们预测、判断、分析和解决问题的技术。现在，你是不是跃跃欲试，准备动手开跑机器学习程序了？
不要着急，在实战之前你还需要掌握最后一个知识点，也就是机器学习项目分为哪些步骤，你才好跟着一步步走。一个机器学习项目从开始到结束大致分为5步，分别是**定义问题、收集数据和预处理、选择算法和确定模型、训练拟合模型、评估并优化模型性能**。这5步是一个循环迭代的过程，你可以参考下面的图片：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/41/9a/41ca9369d516198b33d736462fd8bd9a.jpg?wh=1920x1047)
我们所有的项目都会按照这5步来做，我把它简称为实战5步。为了让你更深地理解这5步，在后面能更快地上手，我会带你做一个项目，我会给你清楚解释每一个步骤的目的和背后的原理。我会把这个项目分成两节课，今天我们先来一起搞定前两步，也就是**定义问题和数据的预处理。**
好了，我们正式开始吧！
## 第1步 定义问题
我们先来看第一步，定义问题。在定义问题这个环节中，我们要剖析业务场景，设定清晰的目标，同时还要明确当前问题属于哪一种机器学习类型。如果不搞清楚这些，我们后面就无法选择模型了。
所以首先，我们先得来了解一下我们这个项目的业务场景。假设你已经入职了“易速鲜花”的运营部，正在对微信公众号推广文案的运营效率进行分析。你收集了大量的软文数据，包括点赞数、转发数和浏览量等等，就像下面这样：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/a6/f7/a68bc4218bb6112b1a6c50742c7cd6f7.png?wh=401x165)
因为微信公众号阅读量超过10万之后，就不能显示它的具体阅读量了。所以针对这个问题，我们项目的目标就是，建立一个机器学习模型，根据点赞数和转发数等指标，估计一篇文章能实现多大的浏览量。
因为要估计浏览量，所以在这个数据集中：点赞数、转发数、热度指数、文章评级，这4个字段都是特征，浏览量就是标签。这里我们已经有要估计的标签了，所以这是一个监督学习问题。再加上我们的标签是连续性的数值，因此它是一个回归问题。
不难看出，在这个数据集中，特征和标签之间明显呈现出一种相关性：点赞数、转发数多的时候，往往浏览量也多。但是，这种相关性可以通过哪个具体的函数来描绘呢？目前我们还不知道，所以我们在这个项目中的任务就是找到这个函数。
这样，我们就已经把问题定义好了，紧接着下一步就是数据收集和预处理。
## 第2步 收集数据和预处理
“数据的收集和预处理”在所有机器学习项目中都会出现，它的作用是为机器学习模型提供好的燃料。数据好，模型才跑得更带劲。这步骤看似只有一句话，其实里面包含了好几个小步骤，完整来讲有6步：
* 收集数据；
* 数据可视化；
* 数据清洗；
* 特征工程；
* 构建特征集和标签集；
* 拆分训练集、验证集和测试集。
你可能一眼看上去不太明白这6个步骤的意思。不要着急，接下来我会继续结合“易速鲜花”这个项目挨个解释的。
1. ### 收集数据
首先是收集数据，这一步又叫采集数据。在我们的项目中，我已经把它做好了，你可以在[这里](https://github.com/huangjia2019/geektime/tree/main/%E5%87%86%E5%A4%87%E7%AF%8703)下载现成的数据集。
不过，在现实中，收集数据通常很辛苦，要在运营环节做很多数据埋点、获取用户消费等行为信息和兴趣偏好信息，有时候还需要上网爬取数据。收集数据不是我们的课程重点，你有兴趣的话我向你推荐陈旸老师的[《数据分析实战45讲》](https://time.geekbang.org/column/intro/147)，里面有很多收集数据的方法。
有了数据集，接下来我们要做的是数据可视化的工作，也就是通过可视化去观察一下数据，为选择具体的机器学习模型找找感觉。
2. ### 数据可视化
数据可视化是个万金油技能，能做的事非常多。比如说，可以看一看特征和标签之间可能存在的关系，也可以看看数据里有没有“脏数据”和“离群点”等。
不过在正式可视化之前，我们需要把收集到的数据导入运行环境。数据导入我们需要用到Pandas数据处理工具包。这个包可是操作数据的利器，我们未来每个项目中都会用到。现在我们用import语句导入它：
```
import pandas as pd # 导入Pandas数据处理工具包
```
然后，我们通过下面的代码把这个项目的数据集读入到Python运行环境，用DataFrame的形式呈现出来：
```
df_ads = pd.read_csv('易速鲜花微信软文.csv') # 读入数据
df_ads.head() # 显示前几行数据
```
DataFrame是机器学习中常见的二维表格类型数据结构。在上面的代码中，我用read\_csv API把CSV格式的数据文件，读入到Pandas的DataFrame中，把它命名为了df\_ads。这段代码输出如下：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/cd/16/cd6332eyyb97f956fa5e603f96f40816.png?wh=294x285)
这样就完成了数据的导入了，接着我们就可以正式进入“可视化”了。根据经验，我们猜测“点赞数”最有可能和“浏览量”之间存在线性关系。那是不是真的这样呢？我们可以画出图来验证一下。
在这个“验证”环节中，我们需要用到两个包：一个是Python画图工具库“Matplotlib ”，另一个是统计学数据可视化工具库“Seaborn”。这两个包都是Python数据可视化的必备工具包，它们是Anaconda默认安装包的一部分，不需要pip install语句重复安装。
在导入这两个包时，我们依旧用import语句。请你注意，为了节省代码量，我并没有导入完整的matplotlib包，而是只导入了matplotlib包中的绘图模块pyplot：
```
#导入数据可视化所需要的库
import matplotlib.pyplot as plt # Matplotlib – Python画图工具库
import seaborn as sns # Seaborn – 统计学数据可视化工具库
```
因为线性关系可以简单地用散点图来验证一下。所以下面我们用matplotlib包中的plot API，绘制出“点赞数”和“浏览量”之间的散点图，看看它们的分布状态。
```
plt.plot(df_ads['点赞数'],df_ads['浏览量'],'r.', label='Training data') # 用matplotlib.pyplot的plot方法显示散点图
plt.xlabel('点赞数') # x轴Label
plt.ylabel('浏览量') # y轴Label
plt.legend() # 显示图例
plt.show() # 显示绘图结果！
```
输出的结果如下图所示：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/24/7d/24e97d5a919c0e03b924270233a3b67d.png?wh=399x260)
从这张图中我们可以看出来，这些数据基本上集中在一条线附近，所以它的标签和特征之间，好像真的存在着线性的关系，这可以为我们将来选模型提供参考信息。
接下来，我要用Seaborn的boxplot工具画个箱线图。来看看这个数据集里有没有“离群点”。我这里随便选择了热度指数这个特征，你也可以为其它特征试试绘制箱线图。
```
data = pd.concat([df_ads['浏览量'], df_ads['热度指数']], axis=1) # 浏览量和热度指数
fig = sns.boxplot(x='热度指数', y="浏览量", data=data) # 用seaborn的箱线图画图
fig.axis(ymin=0, ymax=800000); #设定y轴坐标
```
下图就是我们输出的箱线图：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/9b/e7/9b5fc402a8b2b4dc8482a96e1c304ee7.png?wh=399x264)
箱线图是由五个数值点组成，分别是最小值(min)、下四分位数(Q1)、中位数(median)、上四分位数(Q3)和最大值(max)。在统计学上，这叫做五数概括。这五个数值可以清楚地为我们展示数据的分布和离散程度。
这个图中下四分位数、中位数、上四分位数组成一个“带有隔间的盒子”，就是所谓的箱；上四分位数到最大值之间建立一条延伸线，就是所谓的线，也叫“胡须”；胡须的两极就是最小值与最大值；此外，箱线图还会将离群的数据点单独绘出。
在上面这个箱线图中，我们不难发现，热度指数越高，浏览量的中位数越大。我们还可以看到，有一些离群的数据点，比其它的文章浏览量大了很多，这些“离群点”就是我们说的“爆款文章”了。
到这里，数据可视化工作算是基本完成了。在数据可视化之后，下一步就是数据的清洗。
3. ### 数据清洗
很多人都把数据清洗比作“炒菜”前的“洗菜”，也就是说数据越干净，模型的效果也就越好。清洗的数据一般分为4种情况：
第一种是处理缺失的数据。如果备份系统里面有缺了的数据，那我们尽量补录；如果没有，我们可以剔除掉残缺的数据，也可以用其他数据记录的平均值、随机值或者0值来补值。这个补值的过程叫数据修复。
第二个是处理重复的数据：如果是完全相同的重复数据处理，删掉就行了。可如果同一个主键出现两行不同的数据，比如同一个身份证号后面有两条不同的地址，我们就要看看有没有其他辅助的信息可以帮助我们判断（如时戳），要是无法判断的话，只能随机删除或者全部保留。
第三个是处理错误的数据：比如商品的销售量、销售金额出现负值，这时候就需要删除或者转成有意义的正值。再比如表示百分比或概率的字段，如果值大于1，也属于逻辑错误数据。
第四个是处理不可用的数据：这指的是整理数据的格式，比如有些商品以人民币为单位，有些以美元为单位，就需要先统一。另一个常见例子是把“是”、“否”转换成“1”、“0”值再输入机器学习模型。
那么如何看数据集中有没有脏数据呢？
就我们这个项目的数据集来说，细心的你可能在DataFrame图中已经发现，行索引为6的数据中“转发数”的值是“NaN”，意思是Not A Number。在Python中，它代表无法表示、也无法处理的值。这是典型的脏数据。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/cd/16/cd6332eyyb97f956fa5e603f96f40816.png?wh=294x285)
我们可以通过DataFrame的isna().sum()函数来统计所有的NaN的个数。这样，我们就可以在看看有没有NaN的同时，也看看NaN出现的次数。如果NaN过多的话，那么说明这个数据集质量不好，就要找找数据源出了什么问题。
```
df_ads.isna().sum() # NaN出现的次数
```
输出结果如下:
```
点赞数 0
转发数 37
热度指数 0
文章评级 0
浏览量 0
dtype: int64
```
输出显示我们的数据集中“转发数”这个字段有37个NaN值。对于上千条数据的数据集，这还不算很多。那么该如何处理呢？也很简单。我们可以用dropna()这个API把出现了NaN的数据行删掉。
```
df_ads = df_ads.dropna() # 把出现了NaN的数据行删掉
```
你可能会觉得，我们刚才通过箱线图找到了离群点（爆款文章），这些算是脏数据吗？这是个很好的问题，而且这个问题并没有固定的答案。
删去了离群点，模型针对普通的数据会拟合得比较漂亮。但是现实生活中，就是存在着这样的离群点，让模型不那么漂亮。如果把这里的离群点删掉，那模型就不能工作得那么好了。所以，这是一个平衡和取舍的过程。
我们可以训练出包含这些离群点的模型，以及不包含这些离群点的模型，并进行比较。在这里，我建议保留这些“离群点”。
现在，我们就完成了对这个数据的简单清洗。不同类型的数据有不同的清洗方法，我们这里就不一一介绍了。后续项目中，针对具体项目和数据集，我们还会再细讲的。我们继续讲下一个步骤，把数据转换成机器所更易于读取的格式，也就是特征工程。
4. ### 特征工程
特征工程是一个专门的机器学习子领域，而且我认为它是数据处理过程中**最有创造力的环节**，特征工程做得好不好，非常影响机器学习模型的效率。
我举个例子来解释下什么是特征工程。你知道什么是BMI指数吗？它等于体重除以身高的平方，这就是一个特征工程。
$$BMI=\\frac{Weight（kg）}{\\left\[ Height(m) \\right\]^{2}}$$
什么意思呢？就是说经过了这个过程，BMI这一个指数就替代了原来的两个特征——体重和身高，而且完全能客观地描绘我们的身材情况。
因此，经过了这个特征工程，我们可以把BIM指数作为新特征，输入用于评估健康情况的机器学习模型。
你可能会问这样做的好处是什么？以BMI特征工程为例，它降低了特征数据集的维度。维度就是数据集特征的个数。要知道，在数据集中，每多一个特征，模型拟合时的特征空间就更大，运算量也就更大。所以，**摒弃掉冗余的特征、降低特征的维度，能使机器学习模型训练得更快。**
这只是特征工程的诸多的妙处之一，此外特征工程还能更好地表示业务逻辑，并提升机器学习模型的性能。
由于我们这个项目的问题相对简单，对特征工程的要求并不高，这里暂时不做特征工程。后面我会用一节课专门讲解各类特征工程的应用。下面，我们直接进入下一个子步骤，也就是构建机器学习的特征集和标签集。
5. ### 构建特征集和标签集
我们说过，特征就是所收集的各个数据点，是要输入机器学习模型的变量。而标签是要预测、判断或者分类的内容。对于所有监督学习算法，我们都需要向模型中输入“特征集”和“标签集”这两组数据。因此，在开始机器学习的模型搭建之前，我们需要先构建一个特征数据集和一个标签数据集。
具体的构建过程也很简单，我们只要从原始数据集删除我们不需要的数据就行了。在这个项目中，特征是点赞数、转发数、热度指数和文章评级，所以只需要从原始数据集中删除“浏览量”就行了。
```
X = df_ads.drop(['浏览量'],axis=1) # 特征集，Drop掉标签相关字段
```
而标签是我们想要预测的浏览量，因此，我们在标签数据集中只保留“浏览量”字段：
```
y = df_ads.浏览量 # 标签集
```
下面我们再看看特征集和标签集里面都有什么数据。
```
X.head() # 显示前几行数据
```
```
y.head() #显示前几行数据
```
因为Notebook一个单元格只能有一个输出。所以我把显示两个数据的代码放在了不同的单元格中。它们的输出结果如下图所示：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/a8/07/a8b2dddyy331e2f7586c55d7b18f6c07.jpg?wh=2284x546)
可以看到，除了浏览量之外，所有其它字段仍然都在特征数据集中，而只有浏览量被保存在了标签数据集中，也就是说原始数据集就被拆分成了机器学习的特征集和标签集。
这里我想请你思考的是，无监督学习算法需要这个步骤吗？没错，答案是不需要。因为无监督算法根本就没有标签。
不过，从原数据集从列的维度纵向地拆分成了特征集和标签集后，还需要进一步从行的维度横向拆分。你可能想问，为啥还要拆分呀？因为我们在第一讲[《打好基础：弄懂到底什么是机器学习》](https://time.geekbang.org/column/article/413057)里就讲过，机器学习并不是通过训练数据集找出一个模型就结束了，我们需要用验证数据集看看这个模型好不好，然后用测试数据集看看模型在新数据上能不能用。
那么具体该怎么拆分呢？这就是我们接下来要解决的问题了。
6. ### 拆分训练集、验证集和测试集
在拆分之前，我先说明一点，对于学习型项目来说，为了简化流程，经常会省略验证的环节。我们今天的项目比较简单，所以我们也省略了验证，只拆分训练集和测试集，而此时的测试集就肩负着验证和测试双重功能了。
拆分的时候，留作测试的数据比例一般是20%或30%。不过如果你的数据量非常庞大，比如超过1百万的时候，那你也不一定非要留这么多。一般来说有上万条的测试数据就足够了。这里我会按照80/20的比例来拆分数据。具体的拆分，我们会用机器学习工具包scikit-learn里的数据集拆分工具train\_test\_split来完成：
```
#将数据集进行80%（训练集）和20%（验证集）的分割
from sklearn.model_selection import train_test_split #导入train_test_split工具
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,
test_size=0.2, random_state=0)
```
这里请你注意一下，虽然是随机分割，但我们要指定一个random\_state值，这样就保证程序每次运行都分割一样的训练集和测试集。训练集和测试集每次拆分都不一样的话，那比较模型调参前后的优劣就失去了固定的标准。
现在，训练集和测试集拆分也完成了，你会发现原始数据现在变成了四个数据集，分别是：
* 特征训练集（X\_train）
* 特征测试集（X\_test）
* 标签训练集（y\_train）
* 标签测试集（y\_test）
至此，我们全部的数据预处理工作就结束了。
## 总结一下
现在，我来给你总结一下。
这节课我们介绍了机器学习实战5步中的前两步：定义问题以及数据的收集和预处理。不明确定义要解决的问题，我们就没办法有的放矢地选择模型。
而数据的收集和预处理虽然看起来没有模型的选择和优化那么“吸引眼球”，但它其实才是机器学习项目成败的关键。这一步可以分为下图中的6个小步：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/90/fd/9065b2d14d1416197ab841025d59d7fd.jpg?wh=2284x1165)
这6步中，尤其是数据可视化和特征工程，因为无定法可循，所以很考验经验，它既是我们对着已有数据找感觉的过程，又是下一步把数据“喂”给模型之前的必要准备。
除此之外，这里我还希望你注意两点：
第一点是，**这些子步骤中的次序并不是固定的**，比如数据可视化和特征工程，很多时候是先可视化，发现了一些特征工程的思路，然后做特征工程，然后再次可视化。而且有的特征工程比如特征缩放，还必须在拆分数据之后做；
第二点，这些子步骤**在一个特定的机器学习项目中，可能不需要全部用到**。比如说无监督学习项目，就不需要创建特征集和标签集这个步骤，一般也不需要用到验证集和测试集。
好的，那么这一讲就到这里，我把这节课使用的代码放在[这里](https://github.com/huangjia2019/geektime/tree/main/%E5%87%86%E5%A4%87%E7%AF%8703)了。下一讲，我们要开始选择机器学习模型了，敬请期待！
## 思考题
这节课到这我们就讲完了，我来给你留两道练习题。
1. 今天我们显示了特征和标签的散点图，还显示了热度指数特征的箱线图。你能不能试着显示一下其它特征之间的散点图，或者箱线图呢？
2. 在数据清洗部分，我们用dropna()这个API，把出现了NaN的数据行删掉了。如果你出于保留更多数据的考虑，应该为该字段补值，你会怎么做呢？你能想到哪些补值方法？
提示一种方法：
```
df_ads['转发数'].fillna(df_ads['转发数'].mean(), inplace=True) # 用均值补值
```
欢迎你在留言区里分享你做这两个题时的收获和遇到的问题，我在留言区等你。如果这节课帮到了你的话，也欢迎你把这节课分享给自己的朋友。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1f/47/1fe8181d62cdef912a6bd829f3582647.jpg?wh=2284x1136)