机器学习案例：scikit-learn实现ebay数据分析

ebay在线拍卖数据分析

ebay在线拍卖数据

数据集下载地址为 Ebay Data Set（https://cims.nyu.edu/~munoz/data/）

raw.tar.gz中包括TrainingSet.csv，TestSet.csv，TrainingSubset.csv和TestSubset.csv这四个数据文件，下表列出了这四个文件的内容简介

数据中的特征名及其对应描述：

数据导入及可视化

实验用的环境是Jupyter Python3.6

首先导入相关的包：

import pandas as pd
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

读入数据：

test_set = pd.read_csv("Data/TestSet.csv")
train_set = pd.read_csv("Data/TrainingSet.csv")
test_subset = pd.read_csv("Data/TestSubset.csv")
train_subset = pd.read_csv("Data/TrainingSubset.csv")

输出查看train_set的数据：

train_set.info() # Output train_set data

也可以使用head()查看前5条数据

train_set.head()

第一列属性EbayID为每条拍卖纪录的ID号，与预测拍卖是否成功没有联系，因此在模型训练时应该将该特征去除。QuantitySold属性为1代表拍卖成功，为0代表拍卖失败，其中SellerName拍卖卖方的名字与预测拍卖是否成功也没有关系，因此在训练时也应将该特征去除

train_data = train_set.drop(['EbayID','QuantitySold','SellerName'],axis = 1)
train_target = train_set['QuantitySold']
# Gets the total number of features
n_trainSamples, n_features = train_data.shape

这里再解释一下，为什么要删除QuantitySold这个特征。因为我们要将样本数据分成两部分，一是纯的特征数据，二是对应的标签，上面的train_data就是特征数据，train_target就是特征标签（是否成功拍卖）

可视化数据，取出一部分数据，两两组成对看数据在这个2维平面上的分布情况

# isSold: Auction success is 1, auction failure is 0
df = pd.DataFrame(np.column_stack((train_data, train_target)), columns = list(range(n_features)) + ['isSold'])
sns.pairplot(df[:50], vars = [2,3,4,10,13], hue = 'isSold', size = 1.5)

numpy中矩阵列合并有两个函数，一是hstack()，另一个是这里用到的column_stack，这两者的区别在于：如果合并的矩阵中有某一个矩阵是稀疏矩阵（有很多0），则最好用column_stack

从第3,9,12,16维特征的散列图及柱状图可看出，这几个维度并没有很好的区分度，横纵坐标的值分别代表不同维度之间的负相关性，为了查看数据特征之间的相关性，及不同特征与类别isSold之间的关系，我们可以利用seaborn中的热度图来显示其俩俩组队之间的相关性

train = train_set.drop(['EbayID','SellerName'],axis = 1)
plt.figure(figsize = (10,10))# The correlation matrix of the data is calculated
corr = train.corr()# produce keep out the heat map triangle part of the mask, because the heat the graph is symmetric matrix
# so you just output the lower triangular part
mask = np.zeros_like(corr, dtype = np.bool)
mask[np.triu_indices_from(mask)] = True# Produces the corresponding color change in the heat map
cmap = sns.diverging_palette(220, 10, as_cmap = True)# Call the heat in seanborn to create a heat map
sns.heatmap(corr, cmap = cmap, mask = mask, vmax = .3,square = True, xticklabels = 5, yticklabels = 2,linewidths = .5, cbar_kws = {'shrink':.5})# Rotate yticks into the horizontal direction for easy viewing
plt.yticks(rotation = 0)plt.show()

颜色越偏红，相关性越大，越偏蓝相关性越小且负相关，白色即两个特征之间没有多大的关联，通过第一列可看出，不同维的属性与类别isSold之间的关系，其中第3,9,12,16维特征与拍卖是否会成功有很强的正相关性，其中3,9,12,16分别对应属性SellerClosePercent，HitCount，SellerSaleAvgPriceRatio和BestOffer，表示当这些属性的值越大时越有可能拍卖成功，其中第6维特征StartingBid与成功拍卖isSold之间呈现较大的负相关性，可看出当拍卖投标的底价越高，则这项拍卖的成功性就越低

通过这副热度图的第二列我们还可以看出不同特征与价格Price之间的相关性

利用数据预测拍卖是否会成功

由于数据量比较大，且特征维度也不是特别少，因此一开始做baseline时，就不利用SVM支持向量机这些较简单的模型，因为当数据量比较大，且维度较高时，有些简单的机器学习算法并不高效，且可能训练到最后都不收敛

根据scikit-learn提供的机器学习算法使用图谱

图谱推荐先使用SGDClassifier，其全称为Stochastic Gradient Descent 随机梯度下降，通过梯度下降法在训练过程中没有用到所有的训练样本，而是随机从训练样本中选取一部分进行训练，但是SGD对特征值的大小比较敏感，而通过上面的数据预览，可以知道在我们的数据集里有数值较大的数据，如Category。因此我们需要先使用sklearn.preprocessing提供的StandardScaler对数据进行预处理，使其每个属性的波动幅度不要太大，有助于训练时函数收敛

下面是使用sklearn中的SGDClassifier实现拍卖是否成功的模型训练代码

from sklearn.linear_model import SGDClassifier
from sklearn.preprocessing import StandardScaler# The results of mini_batch learning for SGDClassifier in the training process were drawn
def plot_learning(clf,title):plt.figure()# Record the prediction of the last training result in this trainingvalidationScore = []# Record the forecast situation after adding this training resulttrainScore = []# Minimum training frequencymini_batch = 1000for i in range(int(np.ceil(n_trainSamples / mini_batch))):x_batch = train_data[i * mini_batch : min((i + 1) * mini_batch, n_trainSamples)]y_batch = train_target[i * mini_batch: min((i + 1) * mini_batch, n_trainSamples)]if i > 0:validationScore.append(clf.score(x_batch, y_batch))clf.partial_fit(x_batch, y_batch, classes = range(5))if i > 0:trainScore.append(clf.score(x_batch, y_batch))plt.plot(trainScore, label = "train_score")plt.plot(validationScore, label = "validation_score")plt.xlabel("Mini_batch")plt.ylabel("Score")plt.grid()plt.title(title)plt.savefig('test.jpg')# Normalized data
scaler = StandardScaler()
train_data = scaler.fit_transform(train_data.drop(['EndDay'], axis = 1))# Create SGDClassifier
clf = SGDClassifier(penalty = 'l2', alpha = 0.001)
plot_learning(clf, 'SGDClassifier')

训练结果如下图，由于SGDClassifier是在所有的训练样本中抽取一部分作为本次训练集，因此这里不适用Cross Validation(交叉验证)

可以看到SGDClassifier的训练效果还不错，准确率几乎达到92%。我们可以继续使用scikit-learn中封装的一些降维方法，这里我们使用三种方法进行降维——Random，Projection，PCA和T-SNE embedding

from sklearn import manifold, decomposition, random_projection
from matplotlib import offsetbox
from time import timeimages = []
images.append([[0., 0., 5., 13., 9., 1., 0., 0.],[0., 0., 13., 15., 10., 15., 5., 0.],[0., 3., 15., 2., 0., 11., 8., 0.],[0., 4., 12., 0., 0., 8., 8., 0.],[0., 5., 8., 0., 0., 9., 8., 0.],[0., 4., 11., 0., 1., 12., 7., 0.],[0., 2., 14., 5., 10., 12., 0., 0.],[0., 0., 6., 13., 10., 0., 0., 0.]
])
images.append([[0., 0., 0., 12., 13., 5., 0., 0.],[0., 0., 0., 11., 16., 9., 0., 0.],[0., 0., 3., 15., 16., 6., 0., 0.],[0., 7., 15., 16., 16., 2., 0., 0.],[0., 0., 1., 16., 16., 3., 0., 0.],[0., 0., 1., 16., 16., 6., 0., 0.],[0., 0., 1., 16., 16., 6., 0., 0.],[0., 0., 0., 11., 16., 10., 0., 0.]
])
# 1000 pieces of data were selected for visual display
show_instances = 1000# define the drawing function
def plot_embedding(X, title = None):x_min, x_max = np.min(X, 0), np.max(X, 0)X = (X - x_min) / (x_max - x_min)plt.figure()ax = plt.subplot(111)for i in range(X.shape[0]):plt.text(X[i,0], X[i,1], str(train_target[i]),color = plt.cm.Set1(train_target[i] / 2.),fontdict = {'weight':'bold','size':9})if hasattr(offsetbox, 'AnnotationBbox'):shown_images = np.array([[1., 1.]])for i in range(show_instances):dist = np.sum((X[i] - shown_images) ** 2, 1)if np.min(dist) < 4e-3:# don't show points that are too closecontinueshown_images = np.r_[shown_images, [X[i]]]auctionbox = offsetbox.AnnotationBbox(offsetbox.OffsetImage(images[train_target[i]], cmap = plt.cm.gray_r), X[i])ax.add_artist(auctionbox)plt.xticks([]), plt.yticks([])if title is not None:plt.title(title)# Random Projuection
start_time = time()
rp = random_projection.SparseRandomProjection(n_components = 2,random_state = 50)
rp.fit(train_data[:show_instances])
train_projected = rp.transform(train_data[:show_instances])
plot_embedding(train_projected, "Random Projecion of the auction (time: %.3fs)" % (time() - start_time))# PCA
start_time = time()
train_pca = decomposition.TruncatedSVD(n_components = 2).fit_transform(train_data[:show_instances])
plot_embedding(train_projected, "Pricincipal Components Projection of the auction (time: %.3fs)" % (time() - start_time))# t-sns
start_time = time()
tsne= manifold.TSNE(n_components = 2, init = 'pca', random_state = 0)
train_tsne = tsne.fit_transform(train_data[:show_instances])
plot_embedding(train_projected, "T-SNE embedding of the auction (time: %.3fs)" % (time() - start_time))

随机投影效果如下图

PCA降维效果

T-SNE降维效果

从上面三幅图中，我们可以看出数字0和1的重叠情况，判断出数据的可区分度并不是特别大，因此我们训练效果也并没有特别好

分类训练结束后，查看分类器在测试集上的效果

from sklearn.metrics import precision_score, recall_score, f1_scoretrain_data = scaler.fit_transform(train_data)train_pred = clf.predict(train_data)print("SGDClassifier training performance on testing dataset:")
print("\tPrecision：%1.3f" % precision_score(train_target, train_pred))
print("\tRecall：%1.3f" % recall_score(train_target, train_pred))
print("\tF1：%1.3f \n" % f1_score(train_target, train_pred))

测试效果：

SGDClassifier training performance on testing dataset:Precision：0.875Recall：0.730F1：0.796

预测拍卖最终成交价格

由于价格Price是一个Numerical的值，而拍卖是否成功是一个Category的值，因此两者做法是不一样的，预测价格是一个回归任务，而判断拍卖是否成功是一个分类任务

同样根据机器学习算法使用图谱，这里我们采取SGDRegressor，代码如下：

from sklearn.linear_model import SGDRegressor
import random
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler# prepare data
test_subset = pd.read_csv('Data/TestSubset.csv')
train_subset = pd.read_csv('Data/TrainingSubset.csv')# Training Data
train = train_subset.drop(['EbayID','Price','SellerName','EndDay'],axis=1)
train_target = train_subset['Price']scaler = MinMaxScaler()
train = scaler.fit_transform(train)
n_trainSamples, n_features = train.shape# ploting example from scikit-learn
def plot_learning(clf,title):plt.figure()validationScore = []trainScore = []mini_batch = 500# define the shuffle indexidx = list(range(n_trainSamples))random.shuffle(idx)for i in range(int(np.ceil(n_trainSamples / mini_batch))):x_batch = train[idx[i * mini_batch: min((i + 1) * mini_batch, n_trainSamples)]]y_batch = train_target[idx[i * mini_batch: min((i + 1) * mini_batch, n_trainSamples)]]if i > 0:validationScore.append(clf.score(x_batch, y_batch))clf.partial_fit(x_batch, y_batch)if i > 0:trainScore.append(clf.score(x_batch, y_batch))plt.plot(trainScore, label="train score")plt.plot(validationScore, label="validation socre")plt.xlabel("Mini_batch")plt.ylabel("Score")plt.legend(loc='best')plt.title(title)sgd_regresor = SGDRegressor(penalty='l2',alpha=0.001)
plot_learning(sgd_regresor,"SGDRegressor")# 准备测试集查看测试情况
test = test_subset.drop(['EbayID','Price','SellerName','EndDay'],axis=1)
test = scaler.fit_transform(test)
test_target = test_subset['Price']print("SGD regressor prediction result on testing data: %.3f" % sgd_regresor.score(test,test_target))plt.show()

在测试集上的测试结果：SGD regressor prediction result on testing data: 0.936，由于SGDRegressor回归效果不错，因此就不太需要进一步选择其他的模型进行尝试了

总结

本篇文章大概讲解了如何使用scikit-learn进行数据分析，其实在数据分析过程中，运用到机器学习的算法进行模型训练并不是最重要的，大量的时间花费在数据的预处理上，我不止一次听到很多机器学习大牛说过一句话数据分析，最重要的不是算法，是数据。关于更多scikit-learn的机器学习算法，可以查看官方文档，上面有很多例子，可以帮助大家快速入门

备注：公众号菜单包含了整理了一本AI小抄，非常适合在通勤路上用学习。

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