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# 5.1.1 探索性数据分析(EDA)

探索性数据分析(`EDA`)说白了就是通过可视化的方式来看看数据中特征与特征之间，特征与目标之间的潜在关系，看看有什么有用的线索可以挖掘，例如哪些数据是噪声，有哪些特征的相关性比较低，后续可以造出哪些新的特征等。

## 初窥

当然，在`EDA`之前先要加载数据，我们不妨先将训练集`train.csv`读到内存中，并看一看。

```python
import numpy as np 
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

data=pd.read_csv('./Titanic/train.csv')

# 看看data的前5行
data.head()
```

<div align=center><img src="../img/32.jpg"/, height="200" width="550"></div>

从图中可以看出数据是由`11`个特征和`1`个标签(`Survived`)组成的。其中各个特征和标签的意义如下:



| 特征  | 意义  |
|:-:|:-:|
| Survived  | 是否生还，1表示是，0表示否  |
| PassengerId| 乘客ID|
| Pclass| 船票类型， 总共3种类型：1(一等舱)，2(二等舱)，3(三等舱)|
| Name | 船客姓名|
| Sex | 船客性别：female，male|
| Age|船客年龄|
|SibSp|船客的兄弟姐妹妻子丈夫的数量|
|Parch|船客的父母，孩子的数量|
|Ticket|船票|
|Fare|船客在船上所花的钱|
|Cabin|船客的船舱号|
|Embarked|船客登船的口岸：C，Q，S|

了解了数据种各个属性的含义之后，我们可以看看这个数据集中有没有缺失值。

```python
data.isnull().sum()
```

<div align=center><img src="../img/33.jpg", height="200" width="150"/></div>


可以看出`Age`，`Cabin`和`Embarked`这三个特征中有缺失值，我们需要处理这些缺失值。怎样处理呢？先不着急，我们可以先看看数据中有哪些信息可以挖掘。

## 有多少人活了下来

我们首先可以看看训练集中有多少人活了下来。

```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(18,8))
# 生还比例饼图
data['Survived'].value_counts().plot.pie(explode=[0,0.1],autopct='%1.1f%%',ax=ax[0],shadow=True)
ax[0].set_title('Survived')
ax[0].set_ylabel('')
# 生还数量直方图
sns.countplot('Survived',data=data,ax=ax[1])
ax[1].set_title('Survived')
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/34.jpg"/></div>

从图中可以看出泰坦尼克沉船事件中还是凶多吉少的。因为在`891`名船客中，只有约`38%`左右的人幸免于难，那么接下来尝试使用数据集中不同的特征，来看看他们的生还率有多少。其实这样一个过程可以看出大概有哪些类型的船客活了下来。

## 性别与生还率的关系

首先，看看不同性别的生还者数量。

```python
data.groupby(['Sex','Survived'])['Survived'].count()
```

<div align=center><img src="../img/35.jpg"/></div>

看上去好像女性船客的生还率高一些，不妨再可视化一下。

```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(18,8))
data[['Sex','Survived']].groupby(['Sex']).mean().plot.bar(ax=ax[0])
ax[0].set_title('Survived vs Sex')
sns.countplot('Sex',hue='Survived',data=data,ax=ax[1])
ax[1].set_title('Sex:Survived vs Dead')
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/36.jpg"/></div>

从图中可以看出一个比较有趣的现象，船上的男人是比女人多了`200`多人，但是女人生还的人数几乎是男人生还的人数的两倍，女人的存活率约为`75%`，而男人的存活率约为`19%`的样子。所以 `Sex`这个特征应该是一个能够很好的区分一个人是否生还的特征。而且对于生还来说，好像是女士优先。

## 船票类型与生还率的关系

船票类型分三个档次，其中`1`为一等舱，`2`为二等舱，`3`为三等舱。既然船舱分三六九等，那么是不是越高级的舱，它的生还率越高呢？

```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(18,8))
data['Pclass'].value_counts().plot.bar(ax=ax[0])
ax[0].set_title('Number Of Passengers By Pclass')
ax[0].set_ylabel('Count')
sns.countplot('Pclass',hue='Survived',data=data,ax=ax[1])
ax[1].set_title('Pclass:Survived vs Dead')
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/37.jpg"/></div>

虽然说钱不是万能的，但从可视化结果可以看出，一等舱的生还率最高，大于为`63%`，二等舱的生还率约为`48%` ，而且虽然三等舱的船客人数是最多的，但生还率确是最低的。所以不难看出，金钱地位还是很重要的，也许一等舱周围有比较多的救生设备。

## 上流女性与生还率的关系

从前两次可视化结果可以看出，女性，上流人士成为了是否能够活下来的关键，那么上流女性(两者的结合)的生还率会不会很高呢？

```python
sns.factorplot('Pclass','Survived',hue='Sex',data=data)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/38.jpg"/></div>


从这张图可以看出一等舱的女性(上流女性)的生还率非常高！几乎接近了百分之百！而且二等舱和三等舱的女性的生还率也远比男性的生还率高。这也验证了我们的猜测，在沉船后是优先女性和一等舱的船客的。


## 年龄与生还率的关系

首先可以先看一下训练集中船客的年龄的最值和均值。

```python
print('Oldest Passenger was of:',data['Age'].max(),'Years')
print('Youngest Passenger was of:',data['Age'].min(),'Years')
print('Average Age on the ship:',data['Age'].mean(),'Years')
```

<div align=center><img src="../img/39.jpg"/></div>

年纪最大的是`80`岁的老爷爷或者老太太，最小的是刚出生的小 `baby`，平均年龄快`30`岁。这个还是符合常理的。接下来我们看看船舱等级，年龄和生还率的关系，以及性别，年龄和生还率的关系。

```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(18,8))
sns.violinplot("Pclass","Age", hue="Survived", data=data,split=True,ax=ax[0])
ax[0].set_title('Pclass and Age vs Survived')
ax[0].set_yticks(range(0,110,10))
sns.violinplot("Sex","Age", hue="Survived", data=data,split=True,ax=ax[1])
ax[1].set_title('Sex and Age vs Survived')
ax[1].set_yticks(range(0,110,10))
plt.show()
```


<div align=center><img src="../img/40.jpg"/></div>


从可视化结果可以看出：

- 儿童的数量随着船舱等级的增加而增加，`10`岁以下的小朋友存活率仿佛都还挺高的，跟船舱等级好像没有太大关系。

- 来自一等舱的`20-50`岁的船客的存活率很高，而且对女性的生还率一如既往的高。

- 对于男性来说，年纪越大，生还率越低。

不过我们的年龄是有缺失值的，如果图简单，可以使用平均年龄来填充缺失的年龄。但是这样做并不合适，比如人家只是个`5`岁的小屁孩，但是你把人家强行改成`29`岁显然是不合适的。那有没有能够更加准确地知道缺失的年龄是多少的方法呢？有！我们可以根据姓名来推断缺失的年龄，因为姓名中有很多类似`Mr`或者`Mrs`这样的前缀，所以我们可以根据姓名的前缀来填充缺失的年龄。

## 填充缺失年龄

外国人的姓名和我们中国人的姓名不太一样，一般都会有`Mr`、 `Mrs`、`Miss`、`Dr`等特殊前缀。所以我们可以先提取姓名中的前缀。

```python
data['Initial']=0
for _ in data:
    data['Initial']=data.Name.str.extract('([A-Za-z]+)\.')
```

这样我们能够提取出诸如：`Capt`、`Col`、`Don`、`Lady`、`Major`、`Sir`等前缀，接着我们可以将这些前缀替换成`Miss`、`Mr`、`Mrs`、`Other`这四个类别，并统计这四个类别的平均年龄。

```python
data['Initial'].replace(['Mlle','Mme','Ms','Dr','Major','Lady','Countess','Jonkheer','Col','Rev','Capt','Sir','Don'],['Miss','Miss','Miss','Mr','Mr','Mrs','Mrs','Other','Other','Other','Mr','Mr','Mr'],inplace=True)

data.groupby('Initial')['Age'].mean()
```

<div align=center><img src="../img/41.jpg"/></div>

接着可以根据前缀来填充缺失的年龄。

```python
data.loc[(data.Age.isnull())&(data.Initial=='Mr'),'Age']=33
data.loc[(data.Age.isnull())&(data.Initial=='Mrs'),'Age']=36
data.loc[(data.Age.isnull())&(data.Initial=='Miss'),'Age']=22
data.loc[(data.Age.isnull())&(data.Initial=='Other'),'Age']=46
```

填充完缺失值后，可以尝试可视化一下。

```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(20,10))
data[data['Survived']==0].Age.plot.hist(ax=ax[0],bins=20,edgecolor='black',color='red')
ax[0].set_title('Survived= 0')
x1=list(range(0,85,5))
ax[0].set_xticks(x1)
data[data['Survived']==1].Age.plot.hist(ax=ax[1],color='green',bins=20,edgecolor='black')
ax[1].set_title('Survived= 1')
x2=list(range(0,85,5))
ax[1].set_xticks(x2)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/42.jpg"/></div>

从图中可以看出`5`岁以下的小屁孩的生还率比较高，`80`岁的老人活下来了。

```python
sns.factorplot('Pclass','Survived',col='Initial',data=data)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/43.jpg"/></div>

嗯，女性和小孩的生还率比较高。


## 登船口岸与生还率的关系

先把口岸和生还率的关系画出来。

```python
sns.factorplot('Embarked','Survived',data=data)
fig=plt.gcf()
fig.set_size_inches(5,3)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/44.jpg"/></div>

可以看出从`C`号口岸上船的生还率最高，最低的是`S`号口岸。嗯，好像并没有什么线索，我们可以再深入一点。

```python
f,ax=plt.subplots(2,2,figsize=(20,15))
sns.countplot('Embarked',data=data,ax=ax[0,0])
ax[0,0].set_title('No. Of Passengers Boarded')
sns.countplot('Embarked',hue='Sex',data=data,ax=ax[0,1])
ax[0,1].set_title('Male-Female Split for Embarked')
sns.countplot('Embarked',hue='Survived',data=data,ax=ax[1,0])
ax[1,0].set_title('Embarked vs Survived')
sns.countplot('Embarked',hue='Pclass',data=data,ax=ax[1,1])
ax[1,1].set_title('Embarked vs Pclass')
plt.subplots_adjust(wspace=0.2,hspace=0.5)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/45.jpg"/></div>

现在能看出很多信息了：

- 上船人数最多的口岸是`S`号口岸，而且在`S`号口岸上船的人大多数都是三等舱的船客。
- `C`号口岸上船的生还率最高，可能大部分`C`口岸上船的人是一等舱和二等舱船客吧。
- 虽然有很多一等舱的土豪们基本上都是在`S`口岸上船的，但是 `S`口岸的的生还率最低。这是因为`S`口岸上船的人中有很多都是三等舱的船客。
- `Q`号口岸上船的人中有`90%`多都是三等舱的船客。

```python
sns.factorplot('Pclass','Survived',hue='Sex',col='Embarked',data=data)
plt.show()
```


<div align=center><img src="../img/46.jpg"/></div>

我们可以看出：

- 一等舱和二等舱的女性的生还率几乎为`100%`， 这与女性是一等舱还是二等舱没啥关系。
- `S`号口岸上船并且是三等舱的，不管是男的还是女的，生还率都很低。金钱决定命运。
- `Q`号口岸上船的男性几乎团灭，因为`Q`号口岸上船的基本上都是三等舱船客。


## 填充缺失口岸

由于大多数人都是从`S`号口岸上的船，我们可以假设由于人多，所以在`S`口岸登记信息时漏了几位船客，所以不妨用`S`号口岸填充缺失值。

```python
data['Embarked'].fillna('S',inplace=True)
```

## 兄弟姐妹的数量与生还率的关系

```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(20,8))
sns.barplot('SibSp','Survived',data=data,ax=ax[0])
ax[0].set_title('SibSp vs Survived')
sns.factorplot('SibSp','Survived',data=data,ax=ax[1])
ax[1].set_title('SibSp vs Survived')
plt.close(2)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/47.jpg"/></div>

从图可以看出，如果一位船客是单独一个人上船旅游，没有兄弟姐妹而且是单身，那么他有大约`34%`的生还率，生还率比较低。如果兄弟姐妹的数量变多，那么生还率还是呈下降趋势的。这其实挺合理的，因为如果是一个家庭在船上的话，可能会设法救他们而不是救自己，这样一来可能谁都救不了。


## 父母的数量与生还率的关系


```python
f,ax=plt.subplots(1,2,figsize=(20,8))
sns.barplot('Parch','Survived',data=data,ax=ax[0])
ax[0].set_title('Parch vs Survived')
sns.factorplot('Parch','Survived',data=data,ax=ax[1])
ax[1].set_title('Parch vs Survived')
plt.close(2)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/48.jpg"/></div>

从图上看会发现结果和上面的比较相似，父母在船上的船客有更大的生还机会。而且对于那些在船上有`1-3`个父母的人来说，生还率还是比较高的。


## 花费与生还率的关系


首先，先看一下花费的最值和均值。

```python
print('Highest Fare was:',data['Fare'].max())
print('Lowest Fare was:',data['Fare'].min())
print('Average Fare was:',data['Fare'].mean())
```

<div align=center><img src="../img/49.jpg"/></div>

惊奇的发现，居然有人可以享受免费豪华邮轮！！！！

```python
f,ax=plt.subplots(1,3,figsize=(20,8))
sns.distplot(data[data['Pclass']==1].Fare,ax=ax[0])
ax[0].set_title('Fares in Pclass 1')
sns.distplot(data[data['Pclass']==2].Fare,ax=ax[1])
ax[1].set_title('Fares in Pclass 2')
sns.distplot(data[data['Pclass']==3].Fare,ax=ax[2])
ax[2].set_title('Fares in Pclass 3')
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/50.jpg"/></div>

从图中可以看出平均花费其实是二等舱的普遍消费水平，但是三等舱的人数是最多的，而三等舱的人群中花费人数最多的是`10`左右，因此平均`32`的花费是被有钱的大佬给提上去的。

## 简单总结一下

看了这么多特征对于生还的影响，可能有点懵，不妨先简单总结一下根据可视化结果所获得的信息。

- 性别：女性的生还率高。
- 船舱等级：越有钱越容易活下来，头等舱的生还率最高，三等舱的生还率最低。
- 年龄：`10`岁以下的小朋友的存活率比较高，`15-35`岁的年轻人存活率低。可能年轻人就是炮灰吧。
- 口岸：即使大多数一等舱的船客在`S`号口岸上的船， 但生还率不是最高的。`Q`号口岸的基本上是三等舱的船客。
- 兄弟姐妹父母爱人数量：有`1-2`个兄弟姐妹，配偶在船上，或 `1-3`个父母的生还率比较高，独自一人或者一个大家庭都在船上的生还率比较低。



## 特征之间的相关性系数

相关性分为正相关与负相关，正相关指的是：如果特征`A`的数值变大会导致特征`B`的数值变大；负相关指的是：如果特征`A`的数值变小会导致特征`B`的数值变大。通常使用`[-1, 1]`的数值来表示两个特征之间的相关性，这个值称为**相关性系数**。若该系数为`1`那么表示两个特征之间完全正相关，若为`-1`则表示完全负相关，若为`0`则表示两个特征之间没有相关性(线性的)。

如果现在两个特征高度相关或者完全相关，这就意味着这两个特征都包含高度相似的信息，并且信息的差异非常小，所以其中一个特征是多余的。在构建模型时，我们应该尽量消除这种多余的特征，因为这样能减少训练的时间，也可以在某种程度上缓解过拟合。

所以接下来用热力图对相关性系数进行可视化。

```python
sns.heatmap(data.corr(),annot=True,cmap='RdYlGn',linewidths=0.2) #data.corr()-->correlation matrix
fig=plt.gcf()
fig.set_size_inches(10,8)
plt.show()
```

<div align=center><img src="../img/51.jpg", height="400" width="400"/></div>

从热力图上可以看出这些特征之间没有太大的相关性，最高的也就 `SibSp`与`Parch`，值为`0.41`。