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Python数据分析--Iris数据集实战

2018-10-29 15:30:26来源：博客园阅读 ()

本次主要围绕Iris数据集进行一个简单的数据分析, 另外在数据的可视化部分进行了重点介绍.

环境

win8, python3.7, jupyter notebook

正文

1. 项目背景

鸢尾属(拉丁学名：Iris L.), 单子叶植物纲, 鸢尾科多年生草本植物, 开的花大而美丽, 观赏价值很高. 鸢尾属约300种, Iris数据集中包含了其中的三种: 山鸢尾(Setosa), 杂色鸢尾(Versicolour), 维吉尼亚鸢尾(Virginica), 每种50个数据, 共含150个数据. 在每个数据包含四个属性: 花萼长度，花萼宽度，花瓣长度，花瓣宽度, 可通过这四个属性预测鸢尾花卉属于 (山鸢尾, 杂色鸢尾, 维吉尼亚鸢尾) 哪一类.

2. 数据概览

数据来源: https://www.kaggle.com/benhamner/python-data-visualizations/data

2.1 读取数据

数据为csv文件, 读取数据:

import pandas as pd
df_Iris = pd.read_csv('Iris.csv')

2.2 查看前/后5行数据

#前5行
df_Iris.head()
#后5行
df_Iris.tail()

通过这10行数据也就大致确定数据维度150行X6列以及各特征内的基本信息:

Id: 鸢尾花编号

SepaLengthCm: 花萼长度, 单位cm

SepalWidthCm: 花萼宽度, 单位cm

PetalLengthCm: 花瓣长度, 单位cm

PetalWidthCm; 花瓣宽度, 单位cm

Species: 鸢尾花种类.

2.3 查看数据整体信息

#查看数据整体信息
df_Iris.info()

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 150 entries, 0 to 149
Data columns (total 6 columns):
Id               150 non-null int64
SepalLengthCm    150 non-null float64
SepalWidthCm     150 non-null float64
PetalLengthCm    150 non-null float64
PetalWidthCm     150 non-null float64
Species          150 non-null object
dtypes: float64(4), int64(1), object(1)
memory usage: 7.1+ KB

得出信息: 150行, 6列,4个64位浮点数, 1个64位整型, 1个python对象, 数据中无缺失值.

2.4 描述性统计

df_Iris.describe()

花萼长度最小值4.30, 最大值7.90, 均值5.84, 中位数5.80, 右偏

花萼宽度最小值2.00, 最大值4.40, 均值3.05, 中位数3.00, 右偏

花瓣长度最小值1.00, 最大值6.90, 均值3.76, 中位数4.35, 左偏

花瓣宽度最小值0.10, 最大值2.50, 均值1.20, 中位数1.30, 左偏

按中位数来度量: 花萼长度 > 花瓣长度 > 花萼宽度 > 花瓣宽度

#注意这里是大写的字母O, 不是数字0.
df_Iris.describe(include =['O']).T

总数150, 3个种类, 最大频数为50, 也就是每种都为50个. 注意top里的指的不是Iris-versicolor最多, 是在频数相同的基础上按照字符串长度进行排名.

可以通过这样对每种进行计数:

df_Iris.Species.value_counts()

Iris-versicolor    50
Iris-virginica     50
Iris-setosa        50
Name: Species, dtype: int64

通过以上, 大致了解数据的基本信息, 现想把Species特征中的'Iris-'字符去掉, 进入特征工程环节.

3. 特征工程

3.1 数据清洗

去掉Species特征中的'Iris-'字符.

#第一种方法: 替换
# df_Iris['Species']= df_Iris.Species.str.replace('Iris-','')
#第二种方法: 分割
df_Iris['Species']= df_Iris.Species.apply(lambda x: x.split('-')[1])
df_Iris.Species.unique()

array(['setosa', 'versicolor', 'virginica'], dtype=object)

3.2 数据可视化

Seaborn是一个python的可视化库, 它基于matplotlib, 这使得它能与pandas紧密结合, 并且提供了高级绘图界面, 能更方便地完成探索性分析.

我想在这个项目上对seaborn多加练习, 因此, 会对这部分内容着重介绍.

3.2.1 relplot

import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
#sns初始化
sns.set()
#设置散点图x轴与y轴以及data参数
sns.relplot(x='SepalLengthCm', y='SepalWidthCm', data = df_Iris)
plt.title('SepalLengthCm and SepalWidthCm data analysize')

花萼的长度和宽度在散点图上分了两个簇, 而且两者各自都有一定的关系. 鸢尾花又分为三个品种, 不妨看看关于这三个品种的分布.

#hue表示按照Species对数据进行分类, 而style表示每个类别的标签系列格式不一致.
sns.relplot(x='SepalLengthCm', y='SepalWidthCm', hue='Species', style='Species', data=df_Iris )
plt.title('SepalLengthCm and SepalWidthCm data by Species')

可以看到setosa这种花的花萼长度和宽度有明显的线性关系, 当然其他两种也存在一定的关系, 花萼的属性看完了, 看下花瓣的:

#花瓣长度与宽度分布散点图
sns.relplot(x='PetalLengthCm', y='PetalWidthCm', hue='Species', style='Species', data=df_Iris )
plt.title('PetalLengthCm and PetalWidthCm data by Species')

花的品种和花瓣的长度, 宽度之间存在一定的关系.

另外, 还可以对比花萼与花瓣的长度, 花萼与花瓣的宽度之间的关系.

#花萼与花瓣长度分布散点图
# sns.relplot(x='SepalLengthCm', y='PetalLengthCm', hue='Species', style='Species', data=df_Iris )
#plt.title('SepalLengthCm and PetalLengthCm data by Species')
#花萼与花瓣宽度分布散点图
sns.relplot(x='SepalWidthCm', y='PetalWidthCm', hue='Species', style='Species', data=df_Iris )
plt.title('SepalWidthCm and PetalWidthCm data by Species')

花萼的长度与花瓣的宽度, 花萼的宽度与花瓣的长度之间应当也存在某种关系:

#花萼的长度与花瓣的宽度分布散点图
# sns.relplot(x='SepalLengthCm', y='PetalWidthCm', hue='Species', style='Species', data=df_Iris )
#plt.title('SepalLengthCm and PetalWidthCm data by Species')
#花萼的宽度与花瓣的长度分布散点图
sns.relplot(x='SepalWidthCm', y='PetalLengthCm', hue='Species', style='Species', data=df_Iris )
plt.title('SepalWidthCm and PetalLengthCm data by Species')

Id编号与花萼长度, 花萼宽度, 花瓣长度, 花瓣宽度之间有没有关系呢:

#花萼长度与Id之间关系图
sns.relplot(x="Id", y="SepalLengthCm",hue="Species", style="Species",kind="line", data=df_Iris)
plt.title('SepalLengthCm and Id data analysize')
#花萼宽度与Id之间关系图
sns.relplot(x="Id", y="SepalWidthCm",hue="Species", style="Species",kind="line", data=df_Iris)
plt.title('SepalWidthCm and Id data analysize')
#花瓣长度与Id之间关系图
sns.relplot(x="Id", y="PetalLengthCm",hue="Species", style="Species",kind="line", data=df_Iris)
plt.title('PetalLengthCm and Id data analysize')
#花瓣宽度与Id之间关系图
sns.relplot(x="Id", y="PetalWidthCm",hue="Species", style="Species",kind="line", data=df_Iris)
plt.title('PetalWidthCm and Id data analysize')

可以得到信息: Id中前50个为setosa, 51到100为versicolour, 101到150为Virginica, 以及每个种类对应属性值的范围, 每个种类中的属性与其对应的Id没有明确的关系.

3.2.2 jointplot

sns.jointplot(x='SepalLengthCm', y='SepalWidthCm', data=df_Iris)
sns.jointplot(x='PetalLengthCm', y='PetalWidthCm', data=df_Iris)

散点图和直方图同时显示, 可以直观地看出哪组频数最大, 哪组频数最小.

对于频数的值, 在散点图上数点的话, 显然效率太低, 还易出错, 下面引出distplot

3.2.3 distplot

#绘制直方图, 其中kde=False表示不显示核函数估计图,这里为了更方便去查看频数而设置它为False.
# sns.distplot(df_Iris.SepalLengthCm,bins=8, hist=True, kde=False)
# sns.distplot(df_Iris.SepalWidthCm,bins=13, hist=True, kde=False)
# sns.distplot(df_Iris.PetalLengthCm, bins=5, hist=True, kde=False)
sns.distplot(df_Iris.PetalWidthCm, bins=5, hist=True, kde=False)

我这里的分组是按照上面jointplot里的组数进行设置, 现在就很直观地看到各组对应的频数

前面我们已经通过describe()方法计算出四个属性所对应的四分位数, 最大值以及最小值等统计量. 这些均是以表格的形式展示, 我们下面就介绍怎么以图样的形式展示四分位数.

3.2.4 boxplot

boxplot所绘制的就是箱线图, 它能显示出一组数据的最大值, 最小值, 四分位数以及异常点.

对于异常点的定义: 区间[Q1-1.5IQR, Q3+1.5IQR]之外的点, 其中Q1下四分位数(25%), Q3上四分位数(75%), IQR=Q3-Q1

在seaborn.boxplot中, 箱线图的画法分两种情况

如果数据中无异常点, 那么箱线图的下边缘就是数据中的最小值, 上边缘就是数据中的最大值, 即下图的实线部分(虚线以及红点部分不会显示)

如果数据中有异常点, 那么箱线图的下边缘Limit1指的是区间[Q1-1.5IQR, Q3+1.5IQR]内的最小值, 上边缘Limit2指的是区间内的最大值, 即下图的实线部分(虚线以及红点部分不会显示)

#比如数据中的SepalLengthCm属性
sns.boxplot(x='SepalLengthCm', data=df_Iris)
#比如数据中的SepalWidthCm属性
sns.boxplot(x='SepalWidthCm', data=df_Iris)

为了更直观地对比四个属性之间的关系, 我将四个属性对应的数值合并在新的DataFrame Iris中.

#对于每个属性的data创建一个新的DataFrame
Iris1 = pd.DataFrame({"Id": np.arange(1,151), 'Attribute': 'SepalLengthCm', 'Data':df_Iris.SepalLengthCm, 'Species':df_Iris.Species})
Iris2 = pd.DataFrame({"Id": np.arange(151,301), 'Attribute': 'SepalWidthCm', 'Data':df_Iris.SepalWidthCm, 'Species':df_Iris.Species})
Iris3 = pd.DataFrame({"Id": np.arange(301,451), 'Attribute': 'PetalLengthCm', 'Data':df_Iris.PetalLengthCm, 'Species':df_Iris.Species})
Iris4 = pd.DataFrame({"Id": np.arange(451,601), 'Attribute': 'PetalWidthCm', 'Data':df_Iris.PetalWidthCm, 'Species':df_Iris.Species})
#将四个DataFrame合并为一个.
Iris = pd.concat([Iris1, Iris2, Iris3, Iris4])
#绘制箱线图
sns.boxplot(x='Attribute', y='Data', data=Iris)

对下图做一下简单分析: 就中位数来说, SepalLenthCm > PetalLengthCm > SepalWidthCm > PetalWidthCm; 就波动程度来说, PetalLengthCm > PetalWidthCm > SepalLengthCm > SepalWidthCm; 就异常值来说, 只有SepalWidthCm中存在异常值.

将鸢尾花的三种种类再加入到箱线图中:

sns.boxplot(x='Attribute', y='Data',hue='Species', data=Iris)

这样就很容易能够对比三个种类在四个属性中的表现状况:

除了SepalWidthCm属性外, 中位数在其他属性的三种花中均表现为: Virginica > versicolour > setosa

除了setosa种类外, 中位数在其他种类的四个属性中均表现为: SepalLengthCm > PetalLengthCm > SepalWidthCm > PetalWidthCm

下面将介绍一种更高级的四分位数展示方式: violinplot

3.2.5 violinplot

violinplot绘制的是琴图, 是箱线图与核密度图的结合体, 既可以展示四分位数, 又可以展示任意位置的密度.

sns.violinplot(x='Attribute', y='Data', hue='Species', data=Iris )

上图中具体细节显示不是很明显, 对于PetalWidthCm都有些模糊了, 下面将拆分成四个小图, 另外为了和箱线图对比, 将箱线图也绘制出来.

#花萼长度
# sns.boxplot(x='Species', y='SepalLengthCm', data=df_Iris)
# sns.violinplot(x='Species', y='SepalLengthCm', data=df_Iris)
# plt.title('SepalLengthCm data by Species')
#花萼宽度
# sns.boxplot(x='Species', y='SepalWidthCm', data=df_Iris)
# sns.violinplot(x='Species', y='SepalWidthCm', data=df_Iris)
# plt.title('SepalWidthCm data by Species')
#花瓣长度
# sns.boxplot(x='Species', y='PetalLengthCm', data=df_Iris)
# sns.violinplot(x='Species', y='PetalLengthCm', data=df_Iris)
# plt.title('PetalLengthCm data by Species')
#花瓣宽度
sns.boxplot(x='Species', y='PetalWidthCm', data=df_Iris)
sns.violinplot(x='Species', y='PetalWidthCm', data=df_Iris)
plt.title('PetalWidthCm data by Species')

可以明显看出, 琴图中的白点就是中位数, 黑色矩形的上短边则是上四分位数Q3, 黑色下短边则是下四分位数Q1; 而贯穿矩形的黑线的上端点则代表最小非异常值, 下端点则代表最大非异常值; 黑色矩形外部形状则表示核概率密度估计.

最后介绍一种图形, 它能直接显示各个特征之间的不同关系

3.2.6 pairplot

#删除Id特征, 绘制分布图
sns.pairplot(df_Iris.drop('Id', axis=1), hue='Species')
#保存图片, 由于在jupyter notebook中太大, 不能一次截图
plt.savefig('pairplot.png')
plt.show()

综上, 花萼的长度, 花萼的宽度, 花瓣的长度, 花瓣的宽度与花的种类之间均存在一定的相关性, 且对于这三个种类的分布, satosa在任何一种分布中较其他两者集中; 就同一种花的平均水平来看, 其花萼的长度最长, 花瓣的宽度最短; 就同一属性的平均水平来看, 三种花在除了花萼的宽度外的属性中平均水平均表现为: Virginica > versicolour > setosa.

4. 构建模型

采用决策树分类算法.

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

X = df_Iris[['SepalLengthCm','SepalWidthCm','PetalLengthCm','PetalWidthCm']]
y = df_Iris['Species']
#将数据按照8:2的比例随机分为训练集, 测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)
#初始化决策树模型
dt = DecisionTreeClassifier()
#训练模型
dt.fit(X_train, y_train)
#用测试集评估模型的好坏
dt.score(X_test, y_test)