Kaggle-泰坦尼克号数据集的处理

是小刘
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Titanic - Machine Learning from Disaster

  • 关于数据集

它包含有关1912年沉没的著名船只泰坦尼克号上的乘客的信息。该数据集通常用于探索数据分析技术和预测建模算法。该数据集包含有关乘客的大量信息，包括他们的姓名、年龄、性别、乘客等级、登船港口以及他们是否幸存下来。有了这些信息，研究人员可以分析和了解在海难期间影响乘客生存的因素。

在对数据进行预处理之前引入一些需要使用的包，以及将数据导入进来。

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

from sklearn.preprocessing import RobustScaler,LabelEncoder

file_path_train = r'titanic\Input_data\train.csv'
file_path_test = r'titanic\Input_data\test.csv'
file_path_out = r'titanic\Out_put'

train = pd.read_csv(file_path_train)
test = pd.read_csv(file_path_test)

print(train.head())

数据详细信息如下：

PassengerId 乘客编号Survived 幸存Pclass PclassName 名字SexAgeSibSp 西卜斯普Parch 帕奇Ticket 票Fare 票价Cabin 舱Embarked 已启程
0103Braund, Mr. Owen Harris 布劳德，欧文·哈里斯先生male 雄22.010A/5 21171 A/5 211717.2500NaNS
1211Cumings, Mrs. John Bradley (Florence Briggs Th... 卡明斯，约翰·布拉德利夫人（弗洛伦斯·布里格斯·female 女性38.010PC 17599 邮编 1759971.2833C85C
2313Heikkinen, Miss. Laina 海基宁，莱娜小姐female 女性26.000STON/O2. 3101282 砰砰/O2。31012827.9250NaNS
3411Futrelle, Mrs. Jacques Heath (Lily May Peel) 富特雷尔，雅克·希思夫人（莉莉·梅·皮尔）female 女性35.01011380353.1000C123 C123S
4503Allen, Mr. William Henry 艾伦，威廉·亨利先生male 雄35.0003734508.0500NaNS

以下是泰坦尼克号数据集中列的说明：

PassengerId:乘客 ID：每位乘客的唯一标识符。

Survived: 幸存：表示乘客是幸存 （1） 还是未幸存 （0）。

Pclass: Pclass：乘客的舱位等级：

1 = 1 等舱，2 = 2 等舱，3 = 3 等舱，

Name: 姓名：乘客的姓名。

Sex: 性别：乘客的性别。

Age: 年龄：乘客的年龄。此列可能有缺失值。

SibSp: 与乘客一起旅行的兄弟姐妹或配偶的数量。

Parch: 与乘客一起旅行的父母或儿童人数。

Ticket: 票证：票证号。

Fare: 票价：乘客支付的票价。

Cabin:客舱：乘客所住的客舱编号。此列可能有缺失值。

Embarked: 登船：乘客登船的港口：

C = 瑟堡，法国的一个港口 Q = 皇后镇，爱尔兰的一个港口 S = 南安普敦，英格兰的一个港口

  • 观察数据集

使用info函数观察数据集的具体情况，包括特征数据，数据个数，数据类型等。

train.info()

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 891 entries, 0 to 890
Data columns (total 12 columns):
 #   Column       Non-Null Count  Dtype  
---  ------       --------------  -----  
 0   PassengerId  891 non-null    int64  
 1   Survived     891 non-null    int64  
 2   Pclass       891 non-null    int64  
 3   Name         891 non-null    object 
 4   Sex          891 non-null    object 
 5   Age          714 non-null    float64
 6   SibSp        891 non-null    int64  
 7   Parch        891 non-null    int64  
 8   Ticket       891 non-null    object 
 9   Fare         891 non-null    float64
 10  Cabin        204 non-null    object 
 11  Embarked     889 non-null    object 
dtypes: float64(2), int64(5), object(5)
memory usage: 83.7+ KB

  • 数据整理

缺失值：先使用isnull()函数检查一下数据集有哪些列数据存在缺失数据。

train.isnull().sum()

主要是Age列和Cabin列存在大量缺失数据，Embarked列仅存在2个缺失数据。

PassengerId      0
Survived         0
Pclass           0
Name             0
Sex              0
Age            177
SibSp            0
Parch            0
Ticket           0
Fare             0
Cabin          687
Embarked         2
dtype: int64

缺失数据的图形：为了更直观的观察缺失数据的样子，使用missingno库中的bar函数，将特征个数数据画出来。

import missingno as msno
msno.bar(train)
plt.show()

image-20230828180531849.png

  • 数据预处理：

  1. 名字数据特征列--Name

    先打印前面几行，看看数据的的样子，外国人名字很长，对于中国人来说局的冗余且难以辨别，但是仔细观察，发现这一列中会出现头衔，如“Mr.”，“Mrs.”等，后面都是以“.”结尾，查找了一下资料，外国人喜欢在名字中加上头衔称谓，来表明一个人的身份，故我们只需要头衔来证明一个人的社会身份地位即可，名字对我们分析数据不是那么重要。接来下就是将复杂的名字数据简化为头衔称谓，再将非数值的头衔称谓转化为数值型数据，进行下一步的数据分析。

    train['Name'].head()

image-20230829182418996.png

由于train和test的数据都需要处理，就将两份数据组成一份列表数据，首先从每个人的姓名中提取头衔，$([A-Za-z]+)\.$这个表达式使用正则表达式匹配任何以点号结尾的字母串，例如’Mr.'，‘Miss.’等，并返回它们作为一个新的字符串。

然后将提取出的头衔赋值给一个名为“Title”的新列，以便后续分析。

```python
combine = [train,test]

for dataset in combine:
    dataset['Title'] = dataset.Name.str.extract('([A-Za-z]+)\.',expand=False)

print(train['Title'])
```

Title列数据都简化成头衔称谓数据，如下所示：

image-20230829182506160.png

似乎头衔称谓有很多中，检查一下，发现竟然多达17种，其中有常见的“Mr.”，“Mrs.”，“Miss.”等，还要许多罕见的“Sir.”，“Ms”等称谓。代码和头衔称谓如下所示：

```python
print(train['Title'].nunique())
train['Title'].value_counts()
```

image-20230829182216708.png

Title列数据中的称谓多种多样，其中有些称谓个数极少，不太利于后面的模型训练，为了统一数据，将出现次数很少的那些头衔称谓数据统称为“rare”类型。然后参考了一下其他大神的处理方法，发现我考虑的还是太少了，因为这些称谓中还有一些法语单词，在英语中也同样表示一样的意思，如“Mlle”：法语称呼未婚女性，类似于英语中的“Miss”等。

*   首先将列表中的头衔替换为“Rare”。这个表达式使用replace方法将第一个参数中的任何字符串替换为第二个参数中的字符串。
*   然后将“Mlle”替换为“Miss”，将“Ms”替换为“Miss”，将“Mme”替换为“Mrs”。所以将具有一样意思的称谓也需要合并，具体代码如下所示：

```python
for dataset in combine:
    dataset['Title'] = dataset['Title'].replace(['Lady', 'Countess', 'Capt', 'Col','Don', 'Dr', 'Major', 'Rev', 'Sir', 'Jonkheer', 'Dona'], 'Rare')

    dataset['Title'] = dataset['Title'].replace('Mlle', 'Miss')
    dataset['Title'] = dataset['Title'].replace('Ms', 'Miss')
    dataset['Title'] = dataset['Title'].replace('Mme', 'Mrs')

train[['Title', 'Survived']].groupby(['Title'], as_index=False).mean()
print(train['Title'].value_counts())
```

image-20230829182138349.png

再次检查一下Title列数据，是否已经全部处理完毕。

```python
train.isnull().sum()
```

image-20230829182120472.png

  1. 年龄数据特征列--Age

    由于Age是乘客数据，包括“先生”，“夫人”，“小姐”，“主人”等头衔，可以使用此信息来估计年龄。具有相似头衔的人可能具有相似的年龄分布。计算每个标题的年龄中位数，将用它来填充缺失值。

    乘客 - “Mr”，其年龄相关数据未填写，将他们的年龄中位数归咎于已经给出的“先生”乘客数据。 乘客 - “Miss/Mrs”，其年龄相关数据未填写，他们估算的年龄中位数已经给出了“小姐/女士/女士/夫人/夫人”乘客数据。 乘客 - “Master”，其年龄相关数据未填写，将他们推算为已经给出的“主人”乘客数据的中位年龄。 乘客 - 未填写年龄相关数据的“Rare”，将他们与已经给出的“稀有”乘客数据的年龄中位数归咎于他们。

    因为上面修改了将头衔str值改为数据值了，所以这里也是用到了数字。具体对应可以看这段代码：Title_mapping = {'Master':1,'Miss':2,'Mr':3,'Mrs':4,'Rare':5}

    
# filling age column according  to the passenger data with title based median:
combine.loc[(combine['Title'] == 3) & (combine['Age'].isnull()), 'Age'] = combine[combine['Title'] == 3]['Age'].median()

combine.loc[(combine['Title'] == 1) & (combine['Age'].isnull()), 'Age'] = combine[combine['Title'] == 1]['Age'].median()

combine.loc[(combine['Title'] == 2) & (combine['Age'].isnull()), 'Age'] = combine[combine['Title'] == 2]['Age'].median()

combine.loc[(combine['Title'] == 4) & (combine['Age'].isnull()), 'Age'] = combine[combine['Title'] == 4]['Age'].median()

combine.loc[(combine['Title'] == 5) & (combine['Age'].isnull()), 'Age'] = combine[combine['Title'] == 5]['Age'].median()

    检查一下Age列是否已经处理好了

    combine.isnull().sum()

    Age列已经没有空值了，处理好了。

image-20230908120509737.png

为什么选择标题来估算错过的乘客年龄？
由于有各种年龄段的乘客，根据各自的年龄填充他们是我的策略，通过定义年龄的标题来实现。

3. #### 船舱数据特征列--cabin

怀疑泰坦尼克数据集中身份地位更高的人更有可能存活，而购买的船票船舱等级和票价可以间接表明一个人的身份地位，故接下来分析船舱数据。

先观察一下机舱数据列的各等级机舱的个数

train['Pclass'].value_counts()

船舱数据中更多的是三等舱乘客，其次是一等舱乘客，最后是二等舱乘客。根据现实生活中的机舱和人数猜测，人数更多的机舱更有可能是便宜的机舱，所以三等舱是最便宜的船舱，按照顺序排序，一等舱是最昂贵的船舱。

image-20230829182839106.png

验证我们的猜想，昂贵的一等舱存活率果然远远高于便宜的三等舱，可能是因为一等舱定价更高，质量和安全将超过其他等级船舱，所以，一等舱的存活率很高。

train[['Pclass', 'Survived']].groupby(['Pclass'], as_index=False).mean()

image-20230830171716472.png

根据船舱等级和票价以及头衔称谓可以知道一个人的身份地位，以及cabin船舱范围，且cabin缺失数据确实是在太多，687/891，高达77.1%，数据缺口太大，处理存在太大的不确定性，故我直接舍去了这列数据。

  • 其他数据处理

对于Embarked列，由于缺失值较少，采用前一位乘客数据补全。

for dataset in combine:
    dataset['Embarked'] = dataset['Embarked'].fillna(dataset['Embarked'].shift(-1))

对于SibSp和Parch数据，显示的是兄弟姐妹和父母孩子，可以合并为一个Family特征。

for dataset in combine:
    dataset['Family'] = dataset['SibSp'] + dataset['Parch']

image-20230830181431504.png

每个特征变量和标签变量之间的关系：

数据可视化每个特征变量和标签变量之间的关系、

  • 首先设置seaborn的绘图风格为白色网格背景，以便于清晰的观察数据的分布和差异。在画布上创建一个2行3列的网格。
  • 第一个子图：使用seaborn的countplot函数来绘制一个柱状图，用于显示不同性别的乘客在生存和死亡两种情况下的数量。参数train是一个包含泰坦尼克号乘客数据的数据框。x='Survived’表示将生存情况作为x轴变量，hue='Sex’表示将性别作为不同颜色的分组变量，palette='tab20’表示使用tab20调色板来设置颜色，width=0.3表示设置柱子的宽度为0.3。调整子图之间的水平间距为0.3。给当前的子图添加一个标题，内容为“1. Survival Count by Sex”。
  • 第二个子图：用于显示不同舱位等级的乘客在生存和死亡两种情况下的数量。参数x="Survived"表示将生存情况作为x轴变量，hue="Pclass"表示将舱位等级作为不同颜色的分组变量，data=train表示使用train数据框作为数据源，palette="tab20"表示使用tab20调色板来设置颜色，width=0.5表示设置柱子的宽度为0.5。给当前的子图添加一个标题，内容为“2. Survival Count by Pclass”。
  • 第三个子图：使用seaborn的countplot函数来绘制一个柱状图，用于显示不同登船地点的乘客在生存和死亡两种情况下的数量。参数x="Survived"表示将生存情况作为x轴变量，hue="Embarked"表示将登船地点作为不同颜色的分组变量，data=train表示使用train数据框作为数据源，palette="tab20"表示使用tab20调色板来设置颜色，width=0.5表示设置柱子的宽度为0.5。给当前的子图添加一个标题，内容为“3. Survival Count by onboarding location”。
  • 第四个子图：使用seaborn的histplot函数来绘制一个直方图，用于显示不同年龄段的乘客在生存和死亡两种情况下的数量。参数data=train表示使用train数据框作为数据源，x='Age’表示将年龄作为x轴变量，hue='Survived’表示将生存情况作为不同颜色的分组变量，bins=8表示将x轴分成8个区间，multiple='stack’表示将不同分组的直方图堆叠在一起，kde=True表示在直方图上添加核密度估计曲线，palette='Set1’表示使用Set1调色板来设置颜色。给当前的子图添加一个标题，内容为“4. Distribution of survival with respect to Age”。
  • 第五个子图：使用seaborn的histplot函数来绘制一个直方图，用于显示不同票价段的乘客在生存和死亡两种情况下的数量。参数data=train表示使用train数据框作为数据源，x="Fare"表示将票价作为x轴变量，hue="Survived"表示将生存情况作为不同颜色的分组变量，bins=10表示将x轴分成10个区间，multiple='stack’表示将不同分组的直方图堆叠在一起，kde=True表示在直方图上添加核密度估计曲线，palette='Set1’表示使用Set1调色板来设置颜色。给当前的子图添加一个标题，内容为“5. Distribution of survival with respect to Fare”。
  • 第六个子图：使用seaborn的histplot函数来绘制一个直方图，用于显示不同家庭人数的乘客在生存和死亡两种情况下的数量。参数train表示使用train数据框作为数据源，x='Family’表示将家庭人数作为x轴变量，hue='Survived’表示将生存情况作为不同颜色的分组变量，bins=8表示将x轴分成8个区间，multiple='stack’表示将不同分组的直方图堆叠在一起，kde=True表示在直方图上添加核密度估计曲线，palette='Set1’表示使用Set1调色板来设置颜色。给当前的子图添加一个标题，内容为“6. Distribution of survival with respect to Family”。
  • plt.show()：这行代码是显示所有的子图。
sns.set(style="whitegrid")
plt.figure(figsize=(16,12))

plt.subplot(2,3,1)
sns.countplot(train,x='Survived',hue='Sex',palette='tab20',width=0.3)
plt.subplots_adjust(hspace=0.3)
plt.title('1. Survival Count by Sex')

plt.subplot(2,3,2)
sns.countplot(x="Survived", hue="Pclass", data=train,palette="tab20",width=0.5)
plt.title('2. Survival Count by Pclass')

plt.subplot(2,3,3)
sns.countplot(x="Survived", hue="Embarked", data=train, palette="tab20",width=0.5)
plt.title('3. Survival Count by onboarding location')

plt.subplot(2,3,4)
sns.histplot(data=train,x='Age',hue='Survived',bins=8,multiple='stack',kde=True, palette='Set1')
plt.title('4. Distribution of survival with respect to Age')

plt.subplot(2,3,5)
sns.histplot(data=train, x="Fare", hue="Survived", bins=10,multiple='stack',kde=True,palette='Set1')
plt.title('5. Distribution of survival with respect to Fare')

plt.subplot(2,3,6)
sns.histplot(train, x='Family', hue='Survived',bins=8,multiple='stack',kde=True,palette='Set1')
plt.title('6. Distribution of survival with respect to Family')
plt.show()

通过绘制出来的图形显示可以知道：

  1. 第一张图：

    与女性相比，大多数男性死亡，其数量达到>400。 题目描述，几乎是两倍的女性幸存下来。

  2. 第二张图：

    大多数3等舱乘客死亡，这表明根据票价，将有更多的质量和安全。1等舱乘客票价更高，因此与其他2个乘客舱位相比，质量和安全将更多。

  3. 第三张图：

    大部分乘客在英格兰的一个港口南安普敦登船。图显示，在南安普敦（S）和皇后镇（Q）港口上船的人根据生存情况死亡，但在瑟堡（C）港口上船的人根据生存情况大多还活着。

  4. 第四张图：

    剧情描绘了在泰坦尼克号沉船中死亡的乘客年龄在20-30岁之间（年轻人）。

  5. 第五张图：

    题目描绘了Fare在他们的生存中没有任何作用，而是他们的命运。

  6. 第六张图

    家庭人数在0-2人的乘客，存活率更高。

Figure_1.png

  • 相关矩阵：

选择['Title','Sex', 'Age','Family', 'Pclass', 'Embarked','Survived']这几类列标签进行热力图分析，分析数据之间的相关性。

column_headers = ['Title','Sex', 'Age','Family', 'Pclass', 'Embarked','Survived']
train_df = train[column_headers]
train_after = train_df[:891]
test_after = train_df[892:]
plt.figure(figsize=(12,6))
sns.heatmap(train_after.corr(),annot=True,fmt='.2f')
plt.show()

显示目标变量如何与其他变量关系的协关系矩阵。所有独立特征都显示与目标变量没有关系或否定关系。

image-20230908115405216.png

从热力图中可以看出，数据框中各个变量之间的相关系数用不同的颜色来表示，颜色越深，表示相关系数越大（无论正负）；颜色越浅，表示相关系数越小（无论正负）。

逻辑回归算法预测数据

X_train = train_after.drop('Survived', axis=1)
y_train = train_after['Survived']
X_test = test_after.drop('Survived', axis=1)
y_test = test_after['Survived']

model = LogisticRegression()
model.fit(X_train,y_train)
y_pred = model.predict(X_test)
print(y_pred)

image-20230908125003899.png

将数据保存起来，然后提交。

predict = [X_test['PassengerId'],y_pred]
predict_df = pd.DataFrame(predict).T
predict_df.to_csv(file_path_out+r'\test.csv')

提交的结果如下：

image-20230908133225317.png

这次结果较第一次简单处理数据已经产生了挺多的进步，提高了0.5。

第一次处理数据的结果如下图：

image-20230908133427624.png

当然我的排名也有所提高啦！

image-20230908133828661.png

对于数据预测，数据是十分重要的，任何一个数据都可能对结果有影响，对于数据的处理，一定要仔细慎重的考虑，正确的处理数据之间的关系。

（ps：看了一些前辈对Titanic数据的处理，有了很多启发，使我更加全面的了解这份数据，写这篇文章的时候，恰逢研究生入学，事务繁多，断断续续才写完了这篇数据分析，今天外面下暴雨。但是看着这份成绩心里说不出的高兴，希望新的三年可以认真对数据进行处理和分析，在毕业之时可以找到一份薪资待遇还不错的工作。）

参考学习链接：📊EDA|🚢Titanic_Survivals🌊🧊|LogisticRegression🚀 | Kaggle --- 📊EDA|🚢Titanic_Survivals🌊🧊|逻辑回归🚀 |卡格尔

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