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第 42章 数据清洗和预处理(部分举例)

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    数据清洗和预处理是数据科学和数据分析过程中非常重要的一步。它包括识别和处理数据集中的错误、缺失值、异常值和重复数据等。以下是一些常见的数据清洗和预处理的步骤:

    1 数据审查:数据审查是数据预处理的第一步,它涉及对数据集进行全面、细致的检查,以了解数据结构、缺失值、异常值和重复数据等情况。数据审查的目的是确保数据集的质量,从而提高数据分析和建模的准确性和可靠性。以下是进行数据审查时需要关注的一些关键点:

    1 数据维度:查看数据集的形状(行数和列数),以了解数据集的规模和复杂度。

    2 数据类型:识别数据集中各列的数据类型,如数值、分类、日期等,以便于后续的数据处理和建模。

    3 缺失值:检查数据集中的缺失值,包括完全缺失(na或nan)和空值(如 &34;&34; 或空格)。了解缺失值的分布情况,以确定如何处理缺失值。

    4 异常值:识别数据集中的异常值,包括离群值和噪声。可以通过绘制箱线图、散点图等可视化方法来辅助识别异常值。

    5 重复数据:检查数据集中是否存在重复记录,可以使用主键或其他唯一标识符进行筛选和去重。

    6 数据格式:检查日期、时间等数据的格式是否统一,以便于后续处理。

    7 数据范围:查看数据的最小值、最大值和分布范围,以了解数据的量级和波动情况。

    8 数据一致性:检查数据集中数据的逻辑一致性,例如检查分类变量中的值是否合理,是否符合业务规则。

    9 数据相关性:分析数据集中各变量之间的相关性,以了解变量之间的关系。可以使用相关系数、协方差矩阵等方法来衡量变量之间的相关性。

    10 数据分桶:将连续变量划分为离散的区间,以便于进行后续分析和建模。例如,将年龄分为不同的年龄段。

    2 缺失值处理:缺失值是指数据集中某些字段的值为空或缺失的情况。处理缺失值是数据清洗和预处理的重要步骤之一,其目的是确保数据的完整性和准确性。以下是一些处理缺失值的常用方法:

    1 删除包含缺失值的行或列:

    删除包含缺失值的整行或整列数据。这种方法简单易行,但可能会导致信息丢失和样本量减少。

    2 插值法:

    利用已知数据估计缺失值。例如,对于数值型数据,可以使用均值、中位数或众数进行插补;对于时间序列数据,可以使用线性插值、样条插值等方法进行插补。

    3 基于统计模型的预测:

    利用回归、决策树、随机森林等统计模型预测缺失值。例如,在回归模型中,可以使用其他变量来预测缺失值。这种方法比插值法更准确,但需要足够的训练数据和计算资源。

    4 使用特定领域知识填补缺失值:

    某些情况下,可以根据特定领域的知识或业务规则来填补缺失值。例如,在客户数据库中,如果已知客户的年龄分布,可以根据年龄分布来估计缺失的年龄值。

    5 通过数据融合填补缺失值:

    将多个数据源进行融合,利用其他数据源的信息填补缺失值。例如,在客户数据库中,可以将内部客户数据与外部数据(如社交媒体数据)进行融合,以填补缺失值。

    6 不处理缺失值:

    在某些情况下,可以保留缺失值,并在建模过程中考虑缺失值。例如,可以使用随机森林等可以处理缺失值的算法进行建模。

    3 异常值处理:异常值是指在数据集中与其他数据值明显不同的数据点。异常值可能是由于数据输入错误、测量误差或其他非典型情况引起的。处理异常值是数据清洗和预处理的重要步骤之一,其目的是确保数据的准确性和可靠性。以下是一些处理异常值的常用方法:

    1 删除异常值:

    删除包含异常值的数据点。这种方法简单易行,但可能会导致信息丢失和样本量减少。

    2 修正异常值:

    根据特定领域的知识或业务规则来修正异常值。例如,在客户数据库中,如果发现某个客户的年龄值明显异常,可以根据年龄分布进行修正。

    3 使用统计方法识别和修正异常值:

    利用统计方法(如z-score、iqr方法等)来识别和修正异常值。例如,可以使用z-score方法计算出数据的标准分数,然后将标准分数大于某个阈值(如3或4)的数据点视为异常值,并进行修正。

    4 使用数据平滑技术处理异常值:

    利用数据平滑技术(如移动平均、指数平滑等)来平滑异常值。例如,可以使用移动平均法对时间序列数据进行平滑,以减少异常值的影响。

    5 使用机器学习方法识别和修正异常值:

    利用机器学习方法(如聚类、分类、回归等)来识别和修正异常值。例如,可以使用聚类算法将数据分为多个簇,然后根据簇内数据的平均值、中位数等统计量来修正异常值。

    4 重复数据处理:重复数据处理是指在数据集中识别和删除重复的数据记录。以下是一个处理重复数据的示例:

    假设你有一个包含客户信息的数据集,其中包含以下字段:客户id、姓名、地址、电话和邮箱。在进行数据处理时,你注意到数据集中可能存在重复记录。

    处理重复数据的步骤如下:

    1 识别重复记录:首先,你需要确定哪些字段可以唯一标识每个客户。在这个例子中,客户id(假设它是一个唯一的标识符)和电子邮件地址(假设每个客户只有一个电子邮件地址)可以唯一标识每个客户。

    2 删除重复记录:接下来,你需要删除重复的记录。你可以通过以下步骤来实现:

    a 将数据集按照客户id和电子邮件地址进行排序。

    b 检查相邻行中的客户id和电子邮件地址是否相同。如果相同,则可以认为这两行是重复的记录。

    c 删除重复记录。在大多数数据处理工具和库(如python的pandas库)中,都有内置的功能来删除重复记录。例如,在pandas中,可以使用`drop_duplicates()`函数来删除重复记录。

    示例代码(python,pandas库):

    ```python

    import pandas as pd

    读取数据集

    customer_data = pdread_csv(&34;customer_datacsv&34;)

    删除重复记录,按客户id和电子邮件地址进行排序,保留第一个出现的记录

    customer_data = customer_datadrop_duplicates(subset=[&34;customer_id&34;, &34;email&34;], keep=&34;first&34;)

    保存处理后的数据集

    customer_datato_csv(&34;cleaned_customer_datacsv&34;, index=false)

    ```

    这个示例展示了如何识别和处理重复数据。在处理重复数据时,需要根据具体问题和数据类型来选择合适的字段进行去重,同时,应权衡信息损失和计算成本等因素。

    5 数据转换:数据转换是指将数据从一种表示形式转换为另一种表示形式,以便于进一步分析和建模。以下是一个数据转换的示例:

    假设你有一个包含产品销售记录的数据集,其中包含以下字段:订单id、产品id、购买日期、购买数量和购买金额。在进行数据处理时,你注意到购买日期字段是一个字符串,包含日期和时间信息,你想要将其转换为日期类型,以便于后续的数据分析。

    处理数据转换的步骤如下:

    1 导入日期处理库:首先,你需要导入一个日期处理库,例如python中的`datetime`库。

    2 将字符串转换为日期类型:使用日期处理库中的函数将购买日期字段中的字符串转换为日期类型。在这个例子中,你可以使用`datetimestrptime()`函数将购买日期从字符串转换为日期类型。

    示例代码(python):

    ```python

    import pandas as pd

    from datetime import datetime

    读取数据集

    sales_data = pdread_csv(&34;sales_datacsv&34;)

    将购买日期从字符串转换为日期类型

    sales_data[&34;purchase_date&34;] = sales_data[&34;purchase_date&34;]apply(lambda x: datetimestrptime(x, &34;y-m-d h:m:s&34;))

    保存处理后的数据集

    sales_datato_csv(&34;converted_sales_datacsv&34;, index=false)

    ```

    这个示例展示了如何将字符串类型的购买日期转换为日期类型。

    6 数据标准化和规范化:数据标准化和规范化是将数据转换为具有相同量纲或范围的表示形式,以便于进一步分析和建模。以下是一个数据标准化和规范化的示例:

    假设你有一个包含客户信用评分的数据集,评分范围为0-1000。在进行数据处理时,你注意到评分数据的分布范围较广,导致某些算法在处理数据时可能受到影响。为了解决这个问题,你可以对数据进行标准化或规范化处理。

    数据标准化的步骤如下:

    1 计算每个样本的z-score:首先,你需要计算每个样本的z-score,表示样本距离均值的标准差数。公式为:z = (x - μ) / σ,其中x为样本值,μ为均值,σ为标准差。

    2 对数据进行标准化:使用计算得到的z-score替换原始数据,得到标准化后的数据。

    数据规范化的步骤如下:

    1 计算数据的最大值和最小值:首先,你需要计算数据的最大值(max)和最小值(min)。

    2 对数据进行规范化:使用规范化公式(x - min)/(max - min)将原始数据转换为0-1范围内的数值。

    示例代码(python,pandas库):

    ```python

    import pandas as pd

    import numpy as np

    读取数据集

    customer_data = pdread_csv(&34;customer_datacsv&34;)

    数据标准化

    customer_data[&34;credit_score&34;] = (customer_data[&34;credit_score&34;] - customer_data[&34;credit_score&34;]mean()) / customer_data[&34;credit_score&34;]std()

    数据规范化

    customer_data[&34;credit_score&34;] = (customer_data[&34;credit_score&34;] - customer_data[&34;credit_score&34;]min()) / (customer_data[&34;credit_score&34;]max() - customer_data[&34;credit_score&34;]min())

    保存处理后的数据集

    customer_datato_csv(&34;standardized_and_normalized_customer_datacsv&34;, index=false)

    ```

    这个示例展示了如何对信用评分数据进行标准化和规范化处理。

    7 数据集成:数据集成是将来自不同来源、格式和结构的数据整合到一个一致的、统一的数据结构中的过程。数据集成是数据预处理的一个重要步骤,它可以帮助提高数据质量、减少数据冗余、消除数据不一致性,从而为后续的数据分析和建模奠定基础。以下是一个数据集成的示例:

    假设你有两个数据集:

    数据集a:

    | 客户id | 姓名 | 年龄 | 城市 |

    |--------|--------|-----|--------------|

    | 1 | 张三 | 25 | 北京 |

    | 2 | 李四 | 30 | 上海 |

    | 3 | 王五 | 28 | 广州 |

    数据集b:

    | 客户id | 姓名 | 性别 | 学历 |

    |--------|--------|------|------|

    | 1 | 张三 | 男 | 本科 |

    | 2 | 李四 | 女 | 硕士 |

    | 4 | 赵六 | 男 | 本科 |

    在这个例子中,两个数据集都包含客户信息,但结构和内容有所不同。为了进行数据分析和建模,你需要将这两个数据集合并为一个统一的数据结构。

    数据集成的步骤如下:

    1 确定合并键:首先,你需要确定用于合并两个数据集的键,即可以唯一标识每个客户的字段。在这个例子中,可以使用“客户id”作为合并键。

    2 合并数据集:使用pandas库的`merge()`函数将两个数据集按照合并键合并。在这个例子中,可以使用以下代码将两个数据集合并为一个数据集:

    示例代码(python,pandas库):

    ```python

    import pandas as pd

    读取数据集a

    data_a = pdread_csv(&34;data_acsv&34;)

    读取数据集b

    data_b = pdread_csv(&34;data_bcsv&34;)

    使用merge()函数合并两个数据集

    merged_data = pdmerge(data_a, data_b, on=&34;客户id&34;)

    保存合并后的数据集

    merged_datato_csv(&34;merged_datacsv&34;, index=false)

    ```

    这个示例展示了如何将两个具有不同结构和内容的数据集合并为一个统一的数据结构。

    8 数据降维:数据降维是将高维数据转换为低维数据的过程,目的是减少数据维度,降低计算成本,同时保留数据的关键信息。数据降维在机器学习、数据挖掘等领域具有广泛的应用。以下是一个数据降维的示例:

    假设你有一个包含客户特征的数据集,其中包括100个特征。在进行数据分析和建模时,你注意到数据维度较高,可能导致计算成本增加和过拟合问题。为了解决这个问题,你可以对数据进行降维处理。

    数据降维的步骤如下:

    1 选择降维方法:根据具体问题和数据类型,选择合适的降维方法。常用的降维方法包括主成分分析(pca)、线性判别分析(lda)和t-分布邻域嵌入算法(t-sne)等。

    2 对数据进行降维:使用选择的降维方法将高维数据转换为低维数据。在这个例子中,我们使用pca方法将100维数据降至10维。

    示例代码(python,scikit-learn库):

    ```python

    import pandas as pd

    from sklearndeposition import pca

    from sklearnpreprocessing import standardscaler

    读取数据集

    customer_data = pdread_csv(&34;customer_datacsv&34;)

    对数据进行标准化

    scaler = standardscaler()

    customer_data_scaled = scalerfit_transform(customer_data)

    使用pca进行降维

    pca = pca(n_ponents=10)

    customer_data_reduced = pcafit_transform(customer_data_scaled)

    将降维后的数据与原始数据合并

    customer_data_reduced = pddataframe(customer_data_reduced, columns=[f&34;pc{i+1}&34; for i in range(10)])

    merged_data = pdconcat([customer_data, customer_data_reduced], axis=1)

    保存降维后的数据集

    merged_datato_csv(&34;reduced_dimensionality_customer_datacsv&34;, index=false)

    ```

    这个示例展示了如何使用pca方法对高维数据进行降维处理。

    9 数据划分:数据划分是指将数据集划分为训练集、验证集和测试集三个子集的过程。数据划分有助于在模型训练过程中进行有效的模型评估和调优,提高模型的泛化能力。以下是一个数据划分的示例:

    假设你有一个包含1000个样本的数据集,用于训练一个机器学习模型。在进行模型训练和评估时,你注意到需要将数据集划分为训练集、验证集和测试集。

    数据划分的步骤如下:

    1 确定划分比例:首先,你需要确定训练集、验证集和测试集的划分比例。一般来说,训练集占较大比例(如70-80),验证集用于调整模型参数(如15-20),测试集用于评估模型性能(如10-15)。在这个例子中,我们使用70的训练集、15的验证集和15的测试集。

    2 划分数据集:将数据集随机划分为三个子集。在这个例子中,我们使用python的`train_test_split()`函数进行划分。

    示例代码(python,scikit-learn库):

    ```python

    from sklearnmodel_selection import train_test_split

    读取数据集

    data = pdread_csv(&34;datacsv&34;)

    将数据集划分为训练集、验证集和测试集

    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(datadrop(&34;target&34;, axis=1), data[&34;target&34;], test_size=03, random_state=42)

    x_train, x_val, y_train, y_val = train_test_split(x_train, y_train, test_size=025, random_state=42)

    输出划分后的数据集大小

    print(&34;training set size:&34;, x_trainshape[0])

    print(&34;validation set size:&34;, x_valshape[0])

    print(&34;test set size:&34;, x_testshape[0])

    ```

    这个示例展示了如何使用`train_test_split()`函数将数据集划分为训练集、验证集和测试集。

    在完成数据预处理后,可以进行以下步骤来进行数据分析和建模:

    1 特征工程:特征工程是指从原始数据中提取、构建和选择有用特征的过程,以便于提高模型的性能和泛化能力。特征工程是机器学习和深度学习项目中的关键步骤之一。以下是一个特征工程的示例:

    假设你有一个包含房屋信息的数据集,用于预测房价。在进行模型训练和评估时,你注意到原始数据中的特征可能不足以提供足够的信息来构建一个高性能的模型。

    特征工程的步骤如下:

    1 特征提取:从原始数据中提取有用特征。在这个例子中,我们提取房屋的面积、卧室数量、浴室数量、楼层、建筑年代等特征。

    2 特征构建:基于原始特征构建新的特征。在这个例子中,我们可以构建一个新的特征“每平方米价格”,表示房屋单价。

    3 特征选择:从所有特征中选择对模型预测效果最好的特征子集。在这个例子中,我们可以使用相关性分析、信息增益等方法来筛选特征。

    示例代码(python,pandas库):

    ```python

    import pandas as pd

    读取数据集

    data = pdread_csv(&34;housing_datacsv&34;)

    特征提取

    data[&34;area_per_room&34;] = data[&34;area&34;] / data[&34;rooms&34;]

    data[&34;floor_per_room&34;] = data[&34;floors&34;] / data[&34;rooms&34;]

    data[&34;price_per_sqm&34;] = data[&34;price&34;] / data[&34;area&34;]

    特征选择

    correlations = datacorr()

    relevant_features = correlations[&34;price&34;]sort_values(ascending=false)

    relevant_features = relevant_featuresindexdrop(&34;price&34;)

    选择相关性较高的特征

    selected_features = relevant_features[:10]

    data_selected = data[selected_features]

    保存特征工程后的数据集

    data_selectedto_csv(&34;feature_engineered_housing_datacsv&34;, index=false)

    ```

    这个示例展示了如何进行特征工程,包括特征提取、特征构建和特征选择。

    3 数据分析:对预处理后的数据进行描述性统计分析,以获取数据的基本概貌和特征。这有助于了解数据分布、异常点、相关性等信息。

    4 建立模型:根据问题类型和数据特点,选择合适的机器学习算法或统计模型,如线性回归、决策树、支持向量机、神经网络等。

    5 模型训练:使用预处理后的数据对模型进行训练,调整模型参数以优化性能。

    6 模型评估:使用验证集对模型进行评估,以了解模型在新数据上的表现。可以使用各种评估指标,如准确率、精确度、召回率、f1 分数等。

    7 模型优化:根据模型评估结果,对模型进行优化,如调整参数、增加特征、减少特征等。

    8 模型应用:将训练好的模型应用于实际问题,如预测、分类、聚类等。

    9 结果解释和呈现:对模型的预测结果进行解释和可视化,以便于向相关人员展示和分析。

    请注意,这些步骤并不是固定的,根据具体问题和需求,可以适当调整。在进行数据分析和建模时,应始终保持对数据的敏感性,关注数据质量和分析结果的可靠性。
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