207 KiB
207 KiB
Вариант задания: Прогнозирование выручки в магазинах¶
Бизнес-цели:¶
Цель: Разработать модель машинного обучения, которая позволит прогнозировать распродажи магазина в зависимоси от его ассортимента.
Цели технического проекта:¶
Сбор и подготовка данных: Очистка данных от пропусков, выбросов и дубликатов. Преобразование категориальных переменных в числовые. Разделение данных на обучающую и тестовую выборки.
In [62]:
import pandas as pn
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
import matplotlib.ticker as ticker
df = pn.read_csv(".//static//csv//Stores.csv")
print(df.columns)
Разделим на 3 выборки
In [63]:
from sklearn.model_selection import train_test_split
# Разделение данных на обучающую и тестовую выборки (80% - обучение, 20% - тест)
train_data, test_data = train_test_split(df, test_size=0.2, random_state=42)
# Разделение обучающей выборки на обучающую и контрольную (80% - обучение, 20% - контроль)
train_data, val_data = train_test_split(train_data, test_size=0.2, random_state=42)
print("Размер обучающей выборки:", len(train_data))
print("Размер контрольной выборки:", len(val_data))
print("Размер тестовой выборки:", len(test_data))
In [64]:
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
# Гистограмма распределения цены в обучающей выборке
sns.histplot(train_data["Store_Sales"], kde=True)
plt.title('Распределение цены в обучающей выборке')
plt.show()
# Гистограмма распределения цены в контрольной выборке
sns.histplot(val_data["Store_Sales"], kde=True)
plt.title('Распределение цены в контрольной выборке')
plt.show()
# Гистограмма распределения цены в тестовой выборке
sns.histplot(test_data["Store_Sales"], kde=True)
plt.title('Распределение цены в тестовой выборке')
plt.show()
In [65]:
import pandas as pd
# Пример категориальных признаков
categorical_features = [
"Store ID ",
"Store_Area"
]
# Применение one-hot encoding
train_data_encoded = pd.get_dummies(train_data, columns=categorical_features)
val_data_encoded = pd.get_dummies(val_data, columns=categorical_features)
test_data_encoded = pd.get_dummies(test_data, columns=categorical_features)
Дискретизация числовых признаков¶
In [66]:
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
import numpy as np
labels = ["small", "medium", "large"]
num_bins = 3
hist1, bins1 = np.histogram(
df["Store_Area"].fillna(df["Store_Area"].median()), bins=num_bins
)
bins1, hist1
pd.concat([df["Store_Area"], pd.cut(df["Store_Area"], list(bins1))], axis=1).head(20)
Out[66]:
In [67]:
pd.concat(
[df["Store_Area"], pd.cut(df["Store_Area"], list(bins1), labels=labels)], axis=1
).head(20)
Out[67]:
Ручной синтез¶
In [68]:
# Пример синтеза признака коэффициента отношения размера ассортимента к его распродажам
train_data_encoded["koeff"] = (
train_data_encoded["Items_Available"] / train_data_encoded["Store_Sales"]
)
val_data_encoded["koeff"] = (
val_data_encoded["Items_Available"] / val_data_encoded["Store_Sales"]
)
test_data_encoded["koeff"] = (
test_data_encoded["Items_Available"] / test_data_encoded["Store_Sales"]
)
Масштабирование признаков - это процесс преобразования числовых признаков таким образом, чтобы они имели одинаковый масштаб. Это важно для многих алгоритмов машинного обучения, которые чувствительны к масштабу признаков, таких как линейная регрессия, метод опорных векторов (SVM) и нейронные сети.
In [69]:
from sklearn.preprocessing import StandardScaler, MinMaxScaler
# Пример масштабирования числовых признаков
numerical_features = ["Daily_Customer_Count", "Items_Available"]
scaler = StandardScaler()
train_data_encoded[numerical_features] = scaler.fit_transform(train_data_encoded[numerical_features])
val_data_encoded[numerical_features] = scaler.transform(val_data_encoded[numerical_features])
test_data_encoded[numerical_features] = scaler.transform(test_data_encoded[numerical_features])
Конструирование признаков с применением фреймворка Featuretools¶
In [70]:
import featuretools as ft
# Определение сущностей
es = ft.EntitySet(id='shop_data')
es = es.add_dataframe(dataframe_name='shops', dataframe=train_data_encoded, index='id')
# Генерация признаков
feature_matrix, feature_defs = ft.dfs(entityset=es, target_dataframe_name='shops', max_depth=2)
# Преобразование признаков для контрольной и тестовой выборок
val_feature_matrix = ft.calculate_feature_matrix(features=feature_defs, entityset=es, instance_ids=val_data_encoded.index)
test_feature_matrix = ft.calculate_feature_matrix(features=feature_defs, entityset=es, instance_ids=test_data_encoded.index)
Оценка качества каждого набора признаков¶
Предсказательная способность Метрики: RMSE, MAE, R²
Методы: Обучение модели на обучающей выборке и оценка на контрольной и тестовой выборках.
Скорость вычисления Методы: Измерение времени выполнения генерации признаков и обучения модели.
Надежность Методы: Кросс-валидация, анализ чувствительности модели к изменениям в данных.
Корреляция Методы: Анализ корреляционной матрицы признаков, удаление мультиколлинеарных признаков.
Цельность Методы: Проверка логической связи между признаками и целевой переменной, интерпретация результатов модели.
In [71]:
import featuretools as ft
# Определение сущностей
es = ft.EntitySet(id='shop_data')
es = es.add_dataframe(dataframe_name='shops', dataframe=train_data_encoded, index='id')
# Генерация признаков
feature_matrix, feature_defs = ft.dfs(entityset=es, target_dataframe_name='shops', max_depth=2)
# Преобразование признаков для контрольной и тестовой выборок
val_feature_matrix = ft.calculate_feature_matrix(features=feature_defs, entityset=es, instance_ids=val_data_encoded.index)
test_feature_matrix = ft.calculate_feature_matrix(features=feature_defs, entityset=es, instance_ids=test_data_encoded.index)
In [72]:
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score, mean_absolute_error
from sklearn.model_selection import cross_val_score
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
# Удаление строк с NaN
feature_matrix = feature_matrix.dropna()
val_feature_matrix = val_feature_matrix.dropna()
test_feature_matrix = test_feature_matrix.dropna()
# Разделение данных на обучающую и тестовую выборки
X_train = feature_matrix.drop("Store_Sales", axis=1)
y_train = feature_matrix["Store_Sales"]
X_val = val_feature_matrix.drop("Store_Sales", axis=1)
y_val = val_feature_matrix["Store_Sales"]
X_test = test_feature_matrix.drop("Store_Sales", axis=1)
y_test = test_feature_matrix["Store_Sales"]
# Выбор модели
model = RandomForestRegressor(random_state=42)
# Обучение модели
model.fit(X_train, y_train)
# Предсказание и оценка
y_pred = model.predict(X_test)
rmse = mean_squared_error(y_test, y_pred, squared=False)
r2 = r2_score(y_test, y_pred)
mae = mean_absolute_error(y_test, y_pred)
print(f"RMSE: {rmse}")
print(f"R²: {r2}")
print(f"MAE: {mae}")
# Кросс-валидация
scores = cross_val_score(model, X_train, y_train, cv=5, scoring='neg_mean_squared_error')
rmse_cv = (-scores.mean())**0.5
print(f"Cross-validated RMSE: {rmse_cv}")
# Анализ важности признаков
feature_importances = model.feature_importances_
feature_names = X_train.columns
# Проверка на переобучение
y_train_pred = model.predict(X_train)
rmse_train = mean_squared_error(y_train, y_train_pred, squared=False)
r2_train = r2_score(y_train, y_train_pred)
mae_train = mean_absolute_error(y_train, y_train_pred)
print(f"Train RMSE: {rmse_train}")
print(f"Train R²: {r2_train}")
print(f"Train MAE: {mae_train}")
# Визуализация результатов
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.scatter(y_test, y_pred, alpha=0.5)
plt.plot([y_test.min(), y_test.max()], [y_test.min(), y_test.max()], 'k--', lw=2)
plt.xlabel('Actual Sales')
plt.ylabel('Predicted Sales')
plt.title("Actual vs Predicted Sales")
plt.show()
Точность предсказаний: Модель показывает довольно высокий R² (0.9975), что указывает на хорошее объяснение вариации распродаж. Значения RMSE и MAE довольно низки, что говорит о том, что модель достаточно точно предсказывает цены.
Переобучение: Разница между RMSE на обучающей и тестовой выборках не очень большая, что указывает на то, что переобучение не является критическим. Однако, стоит быть осторожным и продолжать мониторинг этого показателя.