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带你入门Python数据挖掘与机器学习(附代码、实例)

一、数据挖掘与机器学习技术简介

什么是数据挖掘?数据挖掘指的是对现有的一些数据进行相应的处理和分析,最终得到数据与数据之间深层次关系的一种技术。例如在对超市货品进行摆放时,牛奶到底是和面包摆放在一起销量更高,还是和其他商品摆在一起销量更高。数据挖掘技术就可以用于解决这类问题。具体来说,超市的货品摆放问题可以划分为关联分析类场景。

在日常生活中,数据挖掘技术应用的非常广泛。例如对于商户而言,常常需要对其客户的等级(svip、vip、普通客户等)进行划分,这时候可以将一部分客户数据作为训练数据,另一部分客户数据作为测试数据。然后将训练数据输入到模型中进行训练,在训练完成后,输入另一部分数据进行测试,最终实现客户等级的自动划分。其他类似的应用例子还有验证码识别、水果品质自动筛选等。

那么机器学习技术又是什么呢?一言以蔽之,凡是让机器通过我们所建立的模型和算法对数据之间的关系或者规则进行学习,最后供我们利用的技术都是机器学习技术。其实机器学习技术是一个交叉的学科,它可以大致分为两类:传统的机器学习技术与深度学习技术,其中深度学习技术包含了神经网络相关技术。在本次课程中,着重讲解的是传统的机器学习技术及各种算法。

由于机器学习技术和数据挖掘技术都是对数据之间的规律进行探索,所以人们通常将两者放在一起提及。而这两种技术在现实生活中也有着非常广阔的应用场景,其中经典的几类应用场景如下图所示:

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1、分类:对客户等级进行划分、验证码识别、水果品质自动筛选等

机器学习和数据挖掘技术可以用于解决分类问题,如对客户等级进行划分、验证码识别、水果品质自动筛选等。

以验证码识别为例,现需要设计一种方案,用以识别由0到9的手写体数字组成的验证码。有一种解决思路是,先将一些出现的0到9的手写体数字划分为训练集,然后人工的对这个训练集进行划分,即将各个手写体映射到其对应的数字类别下面,在建立了这些映射关系之后,就可以通过分类算法建立相应的模型。这时候如果出现了一个新的数字手写体,该模型可以对该手写体代表的数字进行预测,即它到底属于哪个数字类别。例如该模型预测某手写体属于数字1的这个类别,就可以将该手写体自动识别为数字1。所以验证码识别问题实质上就是一个分类问题。

水果品质的自动筛选问题也是一个分类问题。水果的大小、颜色等特征也可以映射到对应的甜度类别下面,例如1这个类别可以代表甜,0这个类别代表不甜。在获得一些训练集的数据之后,同样可以通过分类算法建立模型,这时候如果出现一个新的水果,就可以通过它的大小、颜色等特征来自动的判断它到底是甜的还是不甜的。这样就实现了水果品质的自动筛选。

2、回归:对连续型数据进行预测、趋势预测等

除了分类之外,数据挖掘技术和机器学习技术还有一个非常经典的场景——回归。在前文提到的分类的场景,其类别的数量都有一定的限制。比如数字验证码识别场景中,包含了0到9的数字类别;再比如字母验证码识别场景中,包含了a到z的有限的类别。无论是数字类别还是字母类别,其类别数量都是有限的。

现在假设存在一些数据,在对其进行映射后,最好的结果没有落在某个0、1或者2的点上,而是连续的落在1.2、1.3、1.4...上面。而分类算法就无法解决这类问题,这时候就可以采用回归分析算法进行解决。在实际的应用中,回归分析算法可以实现对连续型数据进行预测和趋势预测等。

3、聚类:客户价值预测、商圈预测等

什么是聚类?在上文中提过,要想解决分类问题,必须要有历史数据(即人为建立的正确的训练数据)。倘若没有历史数据,而需要直接将某对象的特征划分到其对应的类别,分类算法和回归算法无法解决这个问题。这种时候有一种解决办法——聚类,聚类方法直接根据对象特征划分出对应的类别,它是不需要经过训练的,所以它是一种非监督的学习方法。

在什么时候能用到聚类?假如数据库中有一群客户的特征数据,现在需要根据这些客户的特征直接划分出客户的级别(如SVIP客户、VIP客户),这时候就可以使用聚类的模型去解决。另外在预测商圈的时候,也可以使用聚类的算法。

4、关联分析:超市货品摆放、个性化推荐等

关联分析是指对物品之间的关联性进行分析。例如,某超市内存放有大量的货品,现在需要分析出这些货品之间的关联性,如面包商品与牛奶商品之间的关联性的强弱程度,这时候可以采用关联分析算法,借助于用户的购买记录等信息,直接分析出这些商品之间的关联性。在了解了这些商品的关联性之后,就可以将之应用于超市的商品摆放,通过将关联性强的商品放在相近的位置上,可以有效提升该超市的商品销量。

此外,关联分析还可以用于个性化推荐技术。比如,借助于用户的浏览记录,分析各个网页之间存在的关联性,在用户浏览网页时,可以向其推送强关联的网页。例如,在分析了浏览记录数据后,发现网页A与网页C之间有很强的关联关系,那么在某个用户浏览网页A时,可以向他推送网页C,这样就实现了个性化推荐。

5、自然语言处理:文本相似度技术、聊天机器人等

除了上述的应用场景之外,数据挖掘和机器学习技术也可以用于自然语言处理和语音处理等等。例如对文本相似度的计算和聊天机器人。

二、Python数据预处理实战

在进行数据挖掘与机器学习之前,首先要做的一步是对已有数据进行预处理。倘若连初始数据都是不正确的,那么就无法保证最后的结果的正确性。只有对数据进行预处理,保证其准确性,才能保证最后结果的正确性

数据预处理指的是对数据进行初步处理,把脏数据(即影响结果准确率的数据)处理掉,否则很容易影响最终的结果。常见的数据预处理方法如下图所示:

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1、缺失值处理

缺失值是指在一组数据中,某行数据缺失的某个特征值。解决缺失值有两种方法,一是将该缺失值所在的这行数据删除掉,二是将这个缺失值补充一个正确的值。

2、异常值处理

异常值产生的原因往往是数据在采集时发生了错误,如在采集数字68时发生了错误,误将其采集成680。在处理异常值之前,自然需要先发现这些异常值数据,往往可以借助画图的方法来发现这些异常值数据。在对异常值数据处理完成之后,原始数据才会趋于正确,才能保证最终结果的准确性。

3、数据集成

相较于上文的缺失值处理和异常值处理,数据集成是一种较为简单的数据预处理方式。那么数据集成是什么?假设存在两组结构一样的数据A和数据B,且两组数据都已加载进入内存,这时候如果用户想将这两组数据合并为一组数据,可以直接使用Pandas对其进行合并,而这个合并的过程实际上就是数据的集成。

接下来以淘宝商品数据为例,介绍一下上文预处理的实战。

在进行数据预处理之前,首先需要从MySQL数据库中导入淘宝商品数据。在开启MySQL数据库之后,对其中的taob表进行查询,得到了如下的输出:

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可以看到,taob表中有四个字段。其中title字段用于存储淘宝商品的名称;link字段存储淘宝商品的链接;price存储淘宝商品的价格;comment存储淘宝商品的评论数(一定程度上代表商品的销量)。

那么接下来如何将这些数据导入进来?首先通过pymysql连接数据库(如果出现乱码,则对pymysql的源码进行修改),连接成功后,将taob中的数据全部检索出来,然后借助pandas中的read_sql()方法便可以将数据导入到内存中。

read_sql()方法有两个参数,第一个参数是sql语句,第二个参数是MySQL数据库的连接信息。具体代码如下图:

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