什么是數(shù)據(jù)挖掘?數(shù)據(jù)挖掘指的是對(duì)現(xiàn)有的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，最終得到數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間深層次關(guān)系的一種技術(shù)。例如在對(duì)超市貨品進(jìn)行擺放時(shí)，牛奶到底是和面包擺放在一起銷量更高，還是和其他商品擺在一起銷量更高。作者：韋瑋；來(lái)源：Python愛好者社區(qū)

本文包含了五個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)簡(jiǎn)介

Python數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)戰(zhàn)

常見分類算法介紹

對(duì)鳶尾花進(jìn)行分類案例實(shí)戰(zhàn)

類算法的選擇思路與技巧

一、數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)簡(jiǎn)介

什么是數(shù)據(jù)挖掘?數(shù)據(jù)挖掘指的是對(duì)現(xiàn)有的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，最終得到數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間深層次關(guān)系的一種技術(shù)。例如在對(duì)超市貨品進(jìn)行擺放時(shí)，牛奶到底是和面包擺放在一起銷量更高，還是和其他商品擺在一起銷量更高。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)就可以用于解決這類問題。具體來(lái)說(shuō)，超市的貨品擺放問題可以劃分為關(guān)聯(lián)分析類場(chǎng)景。

在日常生活中，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用的非常廣泛。例如對(duì)于商戶而言，常常需要對(duì)其客戶的等級(jí)(svip、vip、普通客戶等)進(jìn)行劃分，這時(shí)候可以將一部分客戶數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，另一部分客戶數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。然后將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入到模型中進(jìn)行訓(xùn)練，在訓(xùn)練完成后，輸入另一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)客戶等級(jí)的自動(dòng)劃分。其他類似的應(yīng)用例子還有驗(yàn)證碼識(shí)別、水果品質(zhì)自動(dòng)篩選等。

那么機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)又是什么呢?一言以蔽之，凡是讓機(jī)器通過(guò)我們所建立的模型和算法對(duì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或者規(guī)則進(jìn)行學(xué)習(xí)，最后供我們利用的技術(shù)都是機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。其實(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是一個(gè)交叉的學(xué)科，它可以大致分為兩類：傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)，其中深度學(xué)習(xí)技術(shù)包含了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)。在本次課程中，著重講解的是傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)及各種算法。

由于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)都是對(duì)數(shù)據(jù)之間的規(guī)律進(jìn)行探索，所以人們通常將兩者放在一起提及。而這兩種技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中也有著非常廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，其中經(jīng)典的幾類應(yīng)用場(chǎng)景如下圖所示：

1、分類：對(duì)客戶等級(jí)進(jìn)行劃分、驗(yàn)證碼識(shí)別、水果品質(zhì)自動(dòng)篩選等

機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以用于解決分類問題，如對(duì)客戶等級(jí)進(jìn)行劃分、驗(yàn)證碼識(shí)別、水果品質(zhì)自動(dòng)篩選等。

以驗(yàn)證碼識(shí)別為例，現(xiàn)需要設(shè)計(jì)一種方案，用以識(shí)別由0到9的手寫體數(shù)字組成的驗(yàn)證碼。有一種解決思路是，先將一些出現(xiàn)的0到9的手寫體數(shù)字劃分為訓(xùn)練集，然后人工的對(duì)這個(gè)訓(xùn)練集進(jìn)行劃分，即將各個(gè)手寫體映射到其對(duì)應(yīng)的數(shù)字類別下面，在建立了這些映射關(guān)系之后，就可以通過(guò)分類算法建立相應(yīng)的模型。這時(shí)候如果出現(xiàn)了一個(gè)新的數(shù)字手寫體，該模型可以對(duì)該手寫體代表的數(shù)字進(jìn)行預(yù)測(cè)，即它到底屬于哪個(gè)數(shù)字類別。例如該模型預(yù)測(cè)某手寫體屬于數(shù)字1的這個(gè)類別，就可以將該手寫體自動(dòng)識(shí)別為數(shù)字1。所以驗(yàn)證碼識(shí)別問題實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)分類問題。

水果品質(zhì)的自動(dòng)篩選問題也是一個(gè)分類問題。水果的大小、顏色等特征也可以映射到對(duì)應(yīng)的甜度類別下面，例如1這個(gè)類別可以代表甜，0這個(gè)類別代表不甜。在獲得一些訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)之后，同樣可以通過(guò)分類算法建立模型，這時(shí)候如果出現(xiàn)一個(gè)新的水果，就可以通過(guò)它的大小、顏色等特征來(lái)自動(dòng)的判斷它到底是甜的還是不甜的。這樣就實(shí)現(xiàn)了水果品質(zhì)的自動(dòng)篩選。

2、回歸：對(duì)連續(xù)型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等

除了分類之外，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還有一個(gè)非常經(jīng)典的場(chǎng)景——回歸。在前文提到的分類的場(chǎng)景，其類別的數(shù)量都有一定的限制。比如數(shù)字驗(yàn)證碼識(shí)別場(chǎng)景中，包含了0到9的數(shù)字類別;再比如字母驗(yàn)證碼識(shí)別場(chǎng)景中，包含了a到z的有限的類別。無(wú)論是數(shù)字類別還是字母類別，其類別數(shù)量都是有限的。

現(xiàn)在假設(shè)存在一些數(shù)據(jù)，在對(duì)其進(jìn)行映射后，最好的結(jié)果沒有落在某個(gè)0、1或者2的點(diǎn)上，而是連續(xù)的落在1.2、1.3、1.4...上面。而分類算法就無(wú)法解決這類問題，這時(shí)候就可以采用回歸分析算法進(jìn)行解決。在實(shí)際的應(yīng)用中，回歸分析算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)型數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。

3、聚類：客戶價(jià)值預(yù)測(cè)、商圈預(yù)測(cè)等

什么是聚類?在上文中提過(guò)，要想解決分類問題，必須要有歷史數(shù)據(jù)(即人為建立的正確的訓(xùn)練數(shù)據(jù))。倘若沒有歷史數(shù)據(jù)，而需要直接將某對(duì)象的特征劃分到其對(duì)應(yīng)的類別，分類算法和回歸算法無(wú)法解決這個(gè)問題。這種時(shí)候有一種解決辦法——聚類，聚類方法直接根據(jù)對(duì)象特征劃分出對(duì)應(yīng)的類別，它是不需要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的，所以它是一種非監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法。

在什么時(shí)候能用到聚類?假如數(shù)據(jù)庫(kù)中有一群客戶的特征數(shù)據(jù)，現(xiàn)在需要根據(jù)這些客戶的特征直接劃分出客戶的級(jí)別(如SVIP客戶、VIP客戶)，這時(shí)候就可以使用聚類的模型去解決。另外在預(yù)測(cè)商圈的時(shí)候，也可以使用聚類的算法。

4、關(guān)聯(lián)分析：超市貨品擺放、個(gè)性化推薦等

關(guān)聯(lián)分析是指對(duì)物品之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。例如，某超市內(nèi)存放有大量的貨品，現(xiàn)在需要分析出這些貨品之間的關(guān)聯(lián)性，如面包商品與牛奶商品之間的關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱程度，這時(shí)候可以采用關(guān)聯(lián)分析算法，借助于用戶的購(gòu)買記錄等信息，直接分析出這些商品之間的關(guān)聯(lián)性。在了解了這些商品的關(guān)聯(lián)性之后，就可以將之應(yīng)用于超市的商品擺放，通過(guò)將關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的商品放在相近的位置上，可以有效提升該超市的商品銷量。

此外，關(guān)聯(lián)分析還可以用于個(gè)性化推薦技術(shù)。比如，借助于用戶的瀏覽記錄，分析各個(gè)網(wǎng)頁(yè)之間存在的關(guān)聯(lián)性，在用戶瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)，可以向其推送強(qiáng)關(guān)聯(lián)的網(wǎng)頁(yè)。例如，在分析了瀏覽記錄數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)A與網(wǎng)頁(yè)C之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，那么在某個(gè)用戶瀏覽網(wǎng)頁(yè)A時(shí)，可以向他推送網(wǎng)頁(yè)C，這樣就實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化推薦。

5、自然語(yǔ)言處理：文本相似度技術(shù)、聊天機(jī)器人等

除了上述的應(yīng)用場(chǎng)景之外，數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也可以用于自然語(yǔ)言處理和語(yǔ)音處理等等。例如對(duì)文本相似度的計(jì)算和聊天機(jī)器人。

二、Python數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)戰(zhàn)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)之前，首先要做的一步是對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。倘若連初始數(shù)據(jù)都是不正確的，那么就無(wú)法保證最后的結(jié)果的正確性。只有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證其準(zhǔn)確性，才能保證最后結(jié)果的正確性。

數(shù)據(jù)預(yù)處理指的是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，把臟數(shù)據(jù)(即影響結(jié)果準(zhǔn)確率的數(shù)據(jù))處理掉，否則很容易影響最終的結(jié)果。常見的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法如下圖所示：

1、缺失值處理

缺失值是指在一組數(shù)據(jù)中，某行數(shù)據(jù)缺失的某個(gè)特征值。解決缺失值有兩種方法，一是將該缺失值所在的這行數(shù)據(jù)刪除掉，二是將這個(gè)缺失值補(bǔ)充一個(gè)正確的值。

2、異常值處理

異常值產(chǎn)生的原因往往是數(shù)據(jù)在采集時(shí)發(fā)生了錯(cuò)誤，如在采集數(shù)字68時(shí)發(fā)生了錯(cuò)誤，誤將其采集成680。在處理異常值之前，自然需要先發(fā)現(xiàn)這些異常值數(shù)據(jù)，往往可以借助畫圖的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)這些異常值數(shù)據(jù)。在對(duì)異常值數(shù)據(jù)處理完成之后，原始數(shù)據(jù)才會(huì)趨于正確，才能保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、數(shù)據(jù)集成

相較于上文的缺失值處理和異常值處理，數(shù)據(jù)集成是一種較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式。那么數(shù)據(jù)集成是什么?假設(shè)存在兩組結(jié)構(gòu)一樣的數(shù)據(jù)A和數(shù)據(jù)B，且兩組數(shù)據(jù)都已加載進(jìn)入內(nèi)存，這時(shí)候如果用戶想將這兩組數(shù)據(jù)合并為一組數(shù)據(jù)，可以直接使用Pandas對(duì)其進(jìn)行合并，而這個(gè)合并的過(guò)程實(shí)際上就是數(shù)據(jù)的集成。

接下來(lái)以淘寶商品數(shù)據(jù)為例，介紹一下上文預(yù)處理的實(shí)戰(zhàn)。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之前，首先需要從MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入淘寶商品數(shù)據(jù)。在開啟MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)之后，對(duì)其中的taob表進(jìn)行查詢，得到了如下的輸出：

可以看到，taob表中有四個(gè)字段。其中title字段用于存儲(chǔ)淘寶商品的名稱;link字段存儲(chǔ)淘寶商品的鏈接;price存儲(chǔ)淘寶商品的價(jià)格;comment存儲(chǔ)淘寶商品的評(píng)論數(shù)(一定程度上代表商品的銷量)。

那么接下來(lái)如何將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)來(lái)?首先通過(guò)pymysql連接數(shù)據(jù)庫(kù)(如果出現(xiàn)亂碼，則對(duì)pymysql的源碼進(jìn)行修改)，連接成功后，將taob中的數(shù)據(jù)全部檢索出來(lái)，然后借助pandas中的read_sql()方法便可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到內(nèi)存中。

read_sql()方法有兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是sql語(yǔ)句，第二個(gè)參數(shù)是MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的連接信息。具體代碼如下圖：

1、缺失值處理實(shí)戰(zhàn)

對(duì)缺失值進(jìn)行處理可以采用數(shù)據(jù)清洗的方式。以上面的淘寶商品數(shù)據(jù)為例，某件商品的評(píng)論數(shù)可能為0，但是它的價(jià)格卻不可能為0。然而實(shí)際上在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存在一些price值為0的數(shù)據(jù)，之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)閷?duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)的價(jià)格屬性沒有爬到。

那么如何才能判斷出這些數(shù)據(jù)出現(xiàn)了缺失值呢?可以通過(guò)以下的方法來(lái)進(jìn)行判別：

首先對(duì)于之前的taob表調(diào)用data.describe()方法，會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的結(jié)果：

如何看懂這個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果?第一步要注意觀察price和comment字段的count數(shù)據(jù)，如果兩者不相等，說(shuō)明一定有信息缺失;如果兩者相等，則暫時(shí)無(wú)法看出是否有缺失情況。例如price的count為9616.0000，而comment的count為9615.0000，說(shuō)明評(píng)論數(shù)據(jù)至少缺失了一條。

其他各個(gè)字段的含義分別為：mean代表平均數(shù);std代表標(biāo)準(zhǔn)差;min代表最小值;max代表最大值。

那么如何對(duì)這些缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?一種方法是刪掉這些數(shù)據(jù)，還有一種方法是在缺失值處插入一個(gè)新值。第二種方法中的值可以是平均數(shù)或者中位數(shù)，而具體使用平均數(shù)還是中位數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。例如年齡這個(gè)數(shù)據(jù)(1到100歲)，這類平穩(wěn)、變化的級(jí)差不大的數(shù)據(jù)，一般插入平均數(shù)，而變化的間隔比較大的數(shù)據(jù)，一般插入中位數(shù)。

處理價(jià)格的缺失值的具體操作如下：

2、異常值處理實(shí)戰(zhàn)

跟缺失值的處理過(guò)程類似，想要處理異常值，首先要發(fā)現(xiàn)異常值。而異常值的發(fā)現(xiàn)往往是通過(guò)畫散點(diǎn)圖的方法，因?yàn)橄嗨频臄?shù)據(jù)會(huì)在散點(diǎn)圖中集中分布到一塊區(qū)域，而異常的數(shù)據(jù)會(huì)分布到遠(yuǎn)離這塊區(qū)域的地方。根據(jù)這個(gè)性質(zhì)，可以很方便的找到數(shù)據(jù)中的異常值。具體操作如下圖：

首先需要從數(shù)據(jù)中抽出價(jià)格數(shù)據(jù)和評(píng)論數(shù)據(jù)。通常的做法可以借助循環(huán)去抽取，但是這種方法太復(fù)雜，有一種簡(jiǎn)單的方法是這個(gè)數(shù)據(jù)框進(jìn)行轉(zhuǎn)置，這時(shí)候原先的列數(shù)據(jù)就變成了現(xiàn)在的行數(shù)據(jù)，可以很方便的獲取價(jià)格數(shù)據(jù)和評(píng)論數(shù)據(jù)。接下來(lái)通過(guò)plot()方法繪制散點(diǎn)圖，plot()方法第一個(gè)參數(shù)代表橫坐標(biāo)，第二個(gè)參數(shù)代表縱坐標(biāo)，第三個(gè)參數(shù)代表圖的類型，”o”代表散點(diǎn)圖。最后通過(guò)show()方法將其展現(xiàn)出來(lái)，這樣就可以直觀的觀測(cè)到離群點(diǎn)。這些離群點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析沒有幫助，在實(shí)際操作中往往需要將這些離群點(diǎn)代表的數(shù)據(jù)刪除或者轉(zhuǎn)成正常的值。下圖是繪制的散點(diǎn)圖：

根據(jù)上圖所示，將評(píng)論大于100000，價(jià)格大于1000的數(shù)據(jù)都處理掉，就可以達(dá)到處理異常值的效果。而具體的兩種處理方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

第一種是改值法，將其改為中位數(shù)、平均數(shù)或者其他的值。具體操作如下圖所示：

第二種是刪除處理法，即直接刪除這些異常數(shù)據(jù)，也是推薦使用的一種方法。具體操作如下圖所示：

3、分布分析

分布分析是指對(duì)數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)進(jìn)行分析，即觀察其是線性分布還是正態(tài)分布。一般采用畫直方圖的方式來(lái)進(jìn)行分布分析。直方圖的繪制有以下幾個(gè)步驟：計(jì)算極差、計(jì)算組距和繪制直方圖。具體的操作如下圖所示：

其中，借助arrange()方法來(lái)制定樣式，arrange()方法第一個(gè)參數(shù)代表最小值，第二個(gè)參數(shù)代表最大值，第三個(gè)參數(shù)代表組距，接下來(lái)使用hist()方法來(lái)繪制直方圖。

taob表中的淘寶商品價(jià)格直方圖如下圖所示，大致上符合正態(tài)分布：

taob表中的淘寶商品評(píng)論直方圖如下圖所示，大致上是遞減的曲線：

4、詞云圖的繪制

有的時(shí)候常常需要根據(jù)一段文本信息來(lái)進(jìn)行詞云圖的繪制，繪制的具體操作如下圖：

實(shí)現(xiàn)的大致流程是：先使用cut()對(duì)文檔進(jìn)行切詞，在切詞完成之后，將這些詞語(yǔ)整理為固定格式，然后根據(jù)所需的詞云圖的展現(xiàn)形式讀取相應(yīng)的圖片(下圖中的詞云圖是貓的形狀)，接著使用wc.WordCloud()進(jìn)行詞云圖的轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)imshow()展現(xiàn)出相應(yīng)的詞云圖。例如根據(jù)老九門.txt文檔繪制的詞云圖效果如下圖所示：

總結(jié)

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