通透！如何从头构建一个机器学习模型

大家好，我是小寒。

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。

业务理解
数据收集和准备
建立机器学习模型
模型优化
模型部署

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 pd

df = pd.read_csv('WA_Fn-UseC_-Telco-Customer-Churn.csv')df.head()1.2.3.4.

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。
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()1.

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df.describe()df.describe(exclude = 'number')1.2.3.

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让我们检查一下缺失的数据。

df.isnull().sum()1.

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()1.

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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').columnsdf[num_features].hist(bins=15, figsize=(15, 6), layout=(2, 5))1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

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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 featurescat_features = df.drop('customerID', axis =1).select_dtypes(include='object').columnsplt.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)1.2.3.4.5.6.7.8.9.

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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 featuresplt.figure(figsize=(10, 8))sns.heatmap(df[num_features].corr())plt.title('Correlation Heatmap')1.2.3.4.5.6.

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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 outliersplt.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)1.2.3.4.5.6.

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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 correlationscorrelations = df[num_features].corrwith(df[target])# Set a threshold for feature selectionthreshold = 0.3selected_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_features1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.

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_split

target = '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 SetX_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)1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.

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 ColumnTransformerfrom sklearn.pipeline import Pipelinefrom sklearn.preprocessing import OneHotEncoderfrom sklearn.linear_model import LogisticRegression


preprocessor = ColumnTransformer(
    transformers=[
        ('num', 'passthrough', num_features),
        ('cat', OneHotEncoder(), cat_features)
    ])pipeline = Pipeline(steps=[
    ('preprocessor', preprocessor),
    ('classifier', LogisticRegression(max_iter=1000))])# Train the logistic regression modelpipeline.fit(X_train, y_train)1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

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 sety_val_pred = pipeline.predict(X_val)print("Validation Classification Report:\n", classification_report(y_val, y_val_pred))# Evaluate on the test sety_test_pred = pipeline.predict(X_test)print("Test Classification Report:\n", classification_report(y_test, y_test_pred))1.2.3.4.5.6.7.8.9.

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。

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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 pipelinepipeline = Pipeline(steps=[
    ('preprocessor', preprocessor),
    ('classifier', LogisticRegression(max_iter=1000))])# Define the hyperparameters for GridSearchCVparam_grid = {    'classifier__C': [0.1, 1, 10, 100],
    'classifier__solver': ['lbfgs', 'liblinear']}# Perform Grid Search with cross-validationgrid_search = GridSearchCV(pipeline, param_grid, cv=5, scoring='recall')grid_search.fit(X_train, y_train)# Best hyperparametersprint("Best Hyperparameters:", grid_search.best_params_)# Evaluate on the validation sety_val_pred = grid_search.predict(X_val)print("Validation Classification Report:\n", classification_report(y_val, y_val_pred))# Evaluate on the test sety_test_pred = grid_search.predict(X_test)print("Test Classification Report:\n", classification_report(y_test, y_test_pred))1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.

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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 joblib

best_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 modeljoblib.dump(pipeline, 'logreg_model.joblib')1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

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 FastAPIfrom pydantic import BaseModelimport joblibimport numpy as np# Load the logistic regression model pipelinemodel = joblib.load('logreg_model.joblib')# Define the input data for modelclass CustomerData(BaseModel):
    tenure: int
    InternetService: str
    OnlineSecurity: str
    TechSupport: str
    Contract: str
    PaymentMethod: str# Create FastAPI appapp = 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 pd
    input_df = pd.DataFrame(input_data)
   
    # Make a prediction
    prediction = model.predict(input_df)
   
    # Return the prediction
    return {"prediction": int(prediction[0])}if __name__ == "__main__":    import uvicorn
    uvicorn.run(app, host="0.0.0.0", port=8000)1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.43.44.

在命令提示符或终端中，运行以下代码。

uvicorn app:app --reload1.

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)\"}"1.

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。