KMeans聚类实例分析（汽车产品聚类分析
2024-05-11 02:44:42
天池比赛——汽车产品聚类分析（KMeans+PCA
前言
这是天池中一个关于产品聚类分析的比赛，题目给了一个车购买表，整体数据量不大，分析起来比较简单，还是比较有代表性的。
目录
天池比赛——汽车产品聚类分析（KMeans+PCA
前言
零、Notebook中引入包和绘图设置
一、分析df_car_price_dictionary文件
二.分析car_price文件
2.1 分析字符类
2.2 分析数值型数据
2.3 分析车名和ID
3. 聚类预处理与聚类分析
3.1 编码obejct类型数据
3.2 处理数值型数据
3.3 标准化数值型数据
3.4 整合数据
3.5 PCA降维
3.6 KMeans聚类分析
3.7 选择最后的聚类结果，并进行聚类
4. 分析竞品
总结
题目要求：赛题以竞品分析为背景，通过数据的聚类，为汽车提供聚类分类。对于指定的车型，可以通过聚类分析找到其竞品车型。
下面直接开始分析（整体代码是运行在notebook中的）
博客里有一些图片可能看不太清，还有一些展示的部分博客上不方面放出来，如果想看的比较仔细的，可以从下面这个链接，fork我的notebook
零、Notebook中引入包和绘图设置
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder, StandardScaler
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import silhouette_score
from pylab import *
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import warnings
# 去除警告
warnings.filterwarnings("ignore")
# 正常画图
%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'svg'
# 正常显示负号
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False
# 中文正常显示
mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
pd.set_option('display.max_columns', None)
pd.set_option('display.width', 500)
一、分析df_car_price_dictionary文件
题目中还给了个对应名词的解释表，而且是个不太规则的表，需要处理一下，具体处理如下代码
df_car_price_dictionary = pd.read_excel('./data/car_price_dictionary.xlsx', skiprows=2)
df_car_price = pd.read_csv('./data/car_price.csv')
# 清除掉数据中的缺失值
df_car_price_dictionary.dropna(axis='index', how='all', inplace=True)
df_car_price_dictionary.dropna(axis='columns', how='all', inplace=True)
df_car_price_dictionary.drop('Unnamed: 13', axis=1, inplace=True)
df_car_price_dictionary.drop('DATA DICTONARY', axis=1,inplace=True)
df_car_price_dictionary.drop(28, axis=0, inplace=True)
# #修改列名
df_car_price_dictionary.columns=['名词','解释']
df_car_price_dictionary.set_index('名词', inplace=True)
df_car_price_dictionary| 解释 | |
|---|---|
| 名词 | |
| Car_ID | Unique id of each observation (Interger) |
| Symboling | Its assigned insurance risk rating, A value of... |
| carCompany | Name of car company (Categorical) |
| fueltype | Car fuel type i.e gas or diesel (Categorical) |
| aspiration | Aspiration used in a car (Categorical) |
| doornumber | Number of doors in a car (Categorical) |
| carbody | body of car (Categorical) |
| drivewheel | type of drive wheel (Categorical) |
| enginelocation | Location of car engine (Categorical) |
| wheelbase | Weelbase of car (Numeric) |
| carlength | Length of car (Numeric) |
| carwidth | Width of car (Numeric) |
| carheight | height of car (Numeric) |
| curbweight | The weight of a car without occupants or bagga... |
| enginetype | Type of engine. (Categorical) |
| cylindernumber | cylinder placed in the car (Categorical) |
| enginesize | Size of car (Numeric) |
| fuelsystem | Fuel system of car (Categorical) |
| boreratio | Boreratio of car (Numeric) |
| stroke | Stroke or volume inside the engine (Numeric) |
| compressionratio | compression ratio of car (Numeric) |
| horsepower | Horsepower (Numeric) |
| peakrpm | car peak rpm (Numeric) |
| citympg | Mileage in city (Numeric) |
| highwaympg | Mileage on highway (Numeric) |
| price(Dependent variable) | Price of car (Numeric) |
二.分析car_price文件
分析题目给的car_price文件，主要是对其中3类进行分析，一类是关于名字ID的，一类是字符型的（dataframe中的object）还有一类是数值型，每一种都有不同的处理方法，需要我们每个逐一处理
先整体分析一下car_price
df_car_price.info()
df_car_price.duplicated().sum()
"""# Column Non-Null Count Dtype
--- ------ -------------- ----- 0 car_ID 205 non-null int64 1 symboling 205 non-null int64 2 CarName 205 non-null object 3 fueltype 205 non-null object 4 aspiration 205 non-null object 5 doornumber 205 non-null object 6 carbody 205 non-null object 7 drivewheel 205 non-null object 8 enginelocation 205 non-null object 9 wheelbase 205 non-null float6410 carlength 205 non-null float6411 carwidth 205 non-null float6412 carheight 205 non-null float6413 curbweight 205 non-null int64 14 enginetype 205 non-null object 15 cylindernumber 205 non-null object 16 enginesize 205 non-null int64 17 fuelsystem 205 non-null object 18 boreratio 205 non-null float6419 stroke 205 non-null float6420 compressionratio 205 non-null float6421 horsepower 205 non-null int64 22 peakrpm 205 non-null int64 23 citympg 205 non-null int64 24 highwaympg 205 non-null int64 25 price 205 non-null float640
"""数据没有缺失项和重复项
2.1 分析字符类
# 选出obejct类
df_object = df_car_price.select_dtypes(include='object').drop(columns='CarName')
# 看object类中的类型有啥
for object in df_object.columns:print(object, df_object[object].unique())fueltype ['gas' 'diesel']
aspiration ['std' 'turbo']
doornumber ['two' 'four']
carbody ['convertible' 'hatchback' 'sedan' 'wagon' 'hardtop']
drivewheel ['rwd' 'fwd' '4wd']
enginelocation ['front' 'rear']
enginetype ['dohc' 'ohcv' 'ohc' 'l' 'rotor' 'ohcf' 'dohcv']
cylindernumber ['four' 'six' 'five' 'three' 'twelve' 'two' 'eight']
fuelsystem ['mpfi' '2bbl' 'mfi' '1bbl' 'spfi' '4bbl' 'idi' 'spdi']我们这里分析一下字符类里的取值，我们从上面的名词解释，可以分析出来，除了cylindernumber（气缸数）这个点的数字，越大越好，可以做为数值型处理，其他都为表示类型，可以使用one-hot编码
这里我们先直接对cylindernumber 进行编码，然后把他归为数值型数据处理
enc_cylindernumber = {'two':2, 'three':3, 'four':4, 'five':5, 'six':6, 'eight':8, 'twelve': 12}
for index, value in enumerate(df_object['cylindernumber']):df_object['cylindernumber'][index] = enc_cylindernumber[value]
df_numeric['cylindernumber'] = df_object['cylindernumber'].astype('int32')
df_object.drop(columns='cylindernumber',inplace=True)2.2 分析数值型数据
分析数值型数据，主要是分析数字型数据有无异常值和分析数据间的相关性，为后续聚类降维做准备
从箱线图可以看出，整体上数据没有什么离异点，有异常点的值为price等特征，在汽车行业属于正常现象（有高端车和低端车），所有可以认为数据正常。
然后我们可以去用热力图去分析数据的相关性
df_numeric_corr = df_numeric.corr()
plt.figure(figsize=(10,10))
mask = np.zeros_like(df_numeric_corr, dtype=np.bool)
# 将mask右上三角(列号》=行号)设置为True
mask[np.triu_indices_from(mask)] = True
sns.heatmap(df_numeric_corr,annot=True, mask=mask)
plt.show()
由于我们需要对数据进行聚类，一些强相关的属性可以融合成为一个属性，如carlength（车长），如carwidth（车宽），wheelbase（底盘长度）和curbweight（车净重量），在分析时就可以选择其中一个进行分析即可
相似的还有enginesize（引擎尺寸）和horsepower（马力）和price（价格）
citympg（城市里程）和highwaympg（高速里程）
当然具体是不是强相关的都当做一个属性来处理，得具体分析看效果
2.3 分析车名和ID
因为我们最后是为volkswagen做竞品分析的，所以方便我们做检索，我们要对车名的数据做了解，分析，看看数据有没有问题和处理成我们方便查看的情况。
# 查看有多少种车
s_CarName = df_car_price['CarName']
print(s_CarName.unique())
print(s_CarName.unique().shape)
print("重复的车名：",s_CarName.duplicated().sum())"""
['alfa-romero giulia' 'alfa-romero stelvio' 'alfa-romero Quadrifoglio''audi 100 ls' 'audi 100ls' 'audi fox' 'audi 5000' 'audi 4000''audi 5000s (diesel)' 'bmw 320i' 'bmw x1' 'bmw x3' 'bmw z4' 'bmw x4''bmw x5' 'chevrolet impala' 'chevrolet monte carlo' 'chevrolet vega 2300''dodge rampage' 'dodge challenger se' 'dodge d200' 'dodge monaco (sw)''dodge colt hardtop' 'dodge colt (sw)' 'dodge coronet custom''dodge dart custom' 'dodge coronet custom (sw)' 'honda civic''honda civic cvcc' 'honda accord cvcc' 'honda accord lx''honda civic 1500 gl' 'honda accord' 'honda civic 1300' 'honda prelude''honda civic (auto)' 'isuzu MU-X' 'isuzu D-Max ' 'isuzu D-Max V-Cross''jaguar xj' 'jaguar xf' 'jaguar xk' 'maxda rx3' 'maxda glc deluxe''mazda rx2 coupe' 'mazda rx-4' 'mazda glc deluxe' 'mazda 626' 'mazda glc''mazda rx-7 gs' 'mazda glc 4' 'mazda glc custom l' 'mazda glc custom''buick electra 225 custom' 'buick century luxus (sw)' 'buick century''buick skyhawk' 'buick opel isuzu deluxe' 'buick skylark''buick century special' 'buick regal sport coupe (turbo)''mercury cougar' 'mitsubishi mirage' 'mitsubishi lancer''mitsubishi outlander' 'mitsubishi g4' 'mitsubishi mirage g4''mitsubishi montero' 'mitsubishi pajero' 'Nissan versa' 'nissan gt-r''nissan rogue' 'nissan latio' 'nissan titan' 'nissan leaf' 'nissan juke''nissan note' 'nissan clipper' 'nissan nv200' 'nissan dayz' 'nissan fuga''nissan otti' 'nissan teana' 'nissan kicks' 'peugeot 504' 'peugeot 304''peugeot 504 (sw)' 'peugeot 604sl' 'peugeot 505s turbo diesel''plymouth fury iii' 'plymouth cricket' 'plymouth satellite custom (sw)''plymouth fury gran sedan' 'plymouth valiant' 'plymouth duster''porsche macan' 'porcshce panamera' 'porsche cayenne' 'porsche boxter''renault 12tl' 'renault 5 gtl' 'saab 99e' 'saab 99le' 'saab 99gle''subaru' 'subaru dl' 'subaru brz' 'subaru baja' 'subaru r1' 'subaru r2''subaru trezia' 'subaru tribeca' 'toyota corona mark ii' 'toyota corona''toyota corolla 1200' 'toyota corona hardtop' 'toyota corolla 1600 (sw)''toyota carina' 'toyota mark ii' 'toyota corolla''toyota corolla liftback' 'toyota celica gt liftback''toyota corolla tercel' 'toyota corona liftback' 'toyota starlet''toyota tercel' 'toyota cressida' 'toyota celica gt' 'toyouta tercel''vokswagen rabbit' 'volkswagen 1131 deluxe sedan' 'volkswagen model 111''volkswagen type 3' 'volkswagen 411 (sw)' 'volkswagen super beetle''volkswagen dasher' 'vw dasher' 'vw rabbit' 'volkswagen rabbit''volkswagen rabbit custom' 'volvo 145e (sw)' 'volvo 144ea' 'volvo 244dl''volvo 245' 'volvo 264gl' 'volvo diesel' 'volvo 246']
(147,)
重复的车名： 58
"""可以看到车名是有重复的，但具体是登记错误，还是不同的款式，这里我们不好分析，我们就当作是不同的款式处理就好了。
我们从车名中，可以划分出对应的公司出来
car_companys = []
for name in df_car_price['CarName']:car_companys.append(name.split()[0])"""
{'Nissan','alfa-romero','audi','bmw','buick','chevrolet','dodge','honda','isuzu','jaguar','maxda','mazda','mercury','mitsubishi','nissan','peugeot','plymouth','porcshce','porsche','renault','saab','subaru','toyota','toyouta','vokswagen','volkswagen','volvo','vw'}
"""我们可以发现，有些公司名字是错误的，我们需要对其修改并把公司名字列入我们的表格中，方便后续操作，如maxda， porcshce， toyouta， volkswagen, Nissan*
replace_name = {'maxda':'mazda', 'porcshce':'porsche', 'toyouta':'toyota', 'vokswagen':'volkswagen', 'Nissan':'nissan'}
for key in replace_name.keys():s_CarName = s_CarName.str.replace(key, replace_name[key])car_companys = []
for name in df_car_price['CarName']:car_companys.append(name.split()[0])# 将改完名的整合回去
df_car_price['CarName'] = s_CarName
df_car_price['CarCompany'] = car_companys3. 聚类预处理与聚类分析
这里主要是对字符类的数据进行编码处理，对数值型数据去除冗余数据和标准化处理。然后就是整合数据，对待多维的数据，就需要做PCA降维后，再去做聚类分析。
3.1 编码obejct类型数据
这里就是简单的做一个one-hot编码即可
# 对除了cylindernumber的其他object类进行独热编码
df_enc_object = df_object.drop(columns='CarCompany').copy()
df_enc_object = pd.get_dummies(df_enc_object)3.2 处理数值型数据
这里要根据上面的分析，去去除掉冗余项，这里就看个人的分析和具体效果了，我这里简单粗暴的去除掉了相关系数高于80%的项
# 根据上面的分析去除carlength，curbweight，wheelbase，enginesize和citympg
df_numeric.drop(columns=['carlength', 'curbweight', 'enginesize', 'citympg'], inplace=True)3.3 标准化数值型数据
这里标准化数值型数据，由于我们的数据都是有数字意义的，所以不要使用标准化了，而要用归一化
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
minmax_scaler = MinMaxScaler()
df_scaler_numeric = minmax_scaler.fit_transform(df_numeric)
# 转换为DataFrame格式
df_scaler_numeric = pd.DataFrame(df_scaler_numeric)
df_scaler_numeric.columns = df_numeric.columns3.4 整合数据
df_train = pd.concat([df_scaler_numeric, df_enc_object],axis=1)3.5 PCA降维
我们整合后的数据，维度会变大，我们这时候需要PCA来对数据降维，但具体降到多少维度，我们根据解释方差，和二八法则来确定（这也不是标准的法则，需要具体问题具体分析，但我这里也暴力的直接这么用了）
from sklearn.decomposition import PCA
pca = PCA()
df_pca_train = pca.fit_transform(df_train)
pca_var_ration = pca.explained_variance_ratio_
pca_cumsum_var_ration = np.cumsum(pca.explained_variance_ratio_)
print("PCA 累计解释方差")
print(pca_cumsum_var_ration)"""
PCA 累计解释方差
[0.23314511 0.43849978 0.56306421 0.63555569 0.70014848 0.748268020.79179606 0.82485026 0.84781286 0.86854948 0.88792651 0.904514320.91954628 0.93184813 0.94168537 0.95115811 0.95984862 0.96758580.97423751 0.9789124 0.9830742 0.98645196 0.98952764 0.991661510.99347482 0.99480493 0.99603279 0.99716348 0.99814921 0.998828050.9993374 0.99969817 0.99990424 1. 1. 1.1. 1. 1. 1. 1. 1.1. ]
"""
而且二八法则，我们直接选取前8个主成分进行聚类分析。
pca = PCA(n_components=8)
df_8pca_train = pca.fit_transform(df_train)
pca.explained_variance_ratio_.sum()"""
0.8248502560723865
"""
3.6 KMeans聚类分析
这里聚成几类，要分析起来也不好确定，但我们可以大概通过SSE手肘法和看轮廓系数来分析
from sklearn.metrics import silhouette_score
# 手肘法和平均轮廓法分析一下聚几类
sse = []
scores = []
for i in range(2, 9):kmeans = KMeans(n_clusters=i)kmeans.fit(df_8pca_train)scores.append(silhouette_score(df_8pca_train, kmeans.labels_, metric='euclidean'))sse.append(kmeans.inertia_)x = [i for i in range(2,9)]plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.subplot(1,2,1)
plt.title('KMeans聚类SSE系数')
plt.xlabel('聚类数')
plt.plot(x, sse, 'o-')plt.subplot(1,2,2)
plt.title('KMeans聚类平均轮廓系数')
plt.xlabel('聚类数')
for i in range(2, 9):plt.text(i, scores[i-2], (str(round(scores[i-2], 2))))
plt.plot(x, scores, 'o-')这个地方看轮廓系数，明显不好使了，因为聚类数增加，轮廓系数增加，就说明数据的集合属性不是很明显，我们大概通过手肘法，可以看出应该聚为4类或者5类，我们通过可视化分析一下。
def plot_3or2d_KMeans(kmeans, data, dimension):colors = ['b','g','r','c','k','m','y','#e24fff','#524C90','#845868']kmeans_center = kmeans.cluster_centers_[:,0:3]kmeans_labels = kmeans.labels_#fig = plt.figure(figsize=(6,6))if dimension == 3:ax = plt.axes(projection='3d')elif dimension == 2:ax = plt.axes()for i in range(kmeans.labels_.max()+1):labels = np.nonzero(kmeans_labels == i)for label in labels:if dimension == 3:ax.scatter3D(data[:,0][label], data[:, 1][label], data[:, 2][label], marker='.',s=30,lw=0,alpha=0.7, color=colors[i])ax.scatter3D(kmeans_center[:,0][i], kmeans_center[:, 1][i], kmeans_center[:, 2][i], marker='o', color='w', alpha=1,s=100, edgecolor='k')plt.title('聚类数为{}，取前3维特征可视化分析'.format(kmeans.labels_.max()+1))if dimension == 2:ax.scatter(data[:, 0][label], data[:, 1][label],marker='.',s=30,lw=0,alpha=0.7, color=colors[i])ax.scatter(kmeans_center[:,0][i], kmeans_center[:, 1][i], marker='o', color='w', alpha=1,s=100, edgecolor='k')plt.title('聚类数为{}，取前2维特征可视化分析'.format(kmeans.labels_.max()+1))plt.show()df_0to3_pca_train = df_8pca_train[:, 0:3]
df_0to2_pca_train = df_8pca_train[:, 0:2]
# kmeans = KMeans(n_clusters=3)
# kmeans.fit(df_8pca_train)
# plot_3or2d_KMeans(kmeans, df_0to2_pca_train, 2)
for i in range(2, 8):kmeans = KMeans(n_clusters=i)kmeans.fit(df_8pca_train)plot_3or2d_KMeans(kmeans, df_0to3_pca_train, 3)plot_3or2d_KMeans(kmeans, df_0to2_pca_train, 2)
我们粗略的取前三维的信息进行可视化分析，从可视化图可以看出，当聚为5类的时候，有两个类别的中心点过于靠近，会导致类别边界不明显，所以我们最后选择聚为4类
3.7 选择最后的聚类结果，并进行聚类
kmeans = KMeans(n_clusters=4)
kmeans.fit(df_8pca_train)
kmeans_pred = kmeans.fit_predict(df_8pca_train)df_result = df_car_price.copy()
df_result['km_result'] = kmeans_pred
df_result4. 分析竞品
我们聚完类后，就可以去分析我们指定的车型所在类的，和知道它所属类别中的其他竞品，进而去进一步的分析。下面就只分析其中一个类别了
df_result_pivot_table = df_result.pivot_table(index='CarCompany', columns='km_result', values='car_ID', aggfunc=np.count_nonzero).fillna(0)| km_result | 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|---|
| CarCompany | ||||
| alfa-romero | 3.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| audi | 0.0 | 1.0 | 6.0 | 0.0 |
| bmw | 8.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| buick | 4.0 | 0.0 | 0.0 | 4.0 |
| chevrolet | 0.0 | 2.0 | 1.0 | 0.0 |
| dodge | 0.0 | 5.0 | 4.0 | 0.0 |
| honda | 0.0 | 7.0 | 6.0 | 0.0 |
| isuzu | 0.0 | 1.0 | 3.0 | 0.0 |
| jaguar | 3.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| mazda | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 2.0 |
| mercury | 1.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| mitsubishi | 0.0 | 9.0 | 4.0 | 0.0 |
| nissan | 3.0 | 2.0 | 12.0 | 1.0 |
| peugeot | 6.0 | 0.0 | 0.0 | 5.0 |
| plymouth | 0.0 | 3.0 | 4.0 | 0.0 |
| porsche | 5.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| renault | 0.0 | 1.0 | 1.0 | 0.0 |
| saab | 0.0 | 3.0 | 3.0 | 0.0 |
| subaru | 2.0 | 3.0 | 7.0 | 0.0 |
| toyota | 13.0 | 3.0 | 13.0 | 3.0 |
| volkswagen | 0.0 | 0.0 | 6.0 | 4.0 |
| volvo | 10.0 | 0.0 | 0.0 | 1.0 |
| vw | 0.0 | 2.0 | 0.0 | 0.0 |
# 其竞品
competitons_2type = df_result.loc[df_result['km_result'] == 2]['CarName']
S_temp = ~competitons_2type.str.contains('volkswagen')
competitons_2type = competitons_2type[S_temp]
print('竞品种类数有：{}'.format(competitons_2type.shape[0]))
for competition in competitons_2type:print(competition)"""
竞品种类数有：69
audi 100 ls
audi 100ls
audi fox
audi 100ls
audi 5000
audi 4000
chevrolet vega 2300
dodge monaco (sw)
dodge colt hardtop
dodge colt (sw)
dodge dart custom
honda accord lx
honda civic 1500 gl
honda prelude
honda accord
honda civic
honda civic (auto)
isuzu MU-X
isuzu D-Max
isuzu D-Max V-Cross
mazda rx-4
mazda glc deluxe
mazda glc custom l
mazda rx-4
mazda 626
mitsubishi montero
mitsubishi pajero
mitsubishi outlander
mitsubishi mirage g4
nissan versa
nissan rogue
nissan latio
nissan titan
nissan leaf
nissan latio
nissan note
nissan rogue
nissan nv200
nissan dayz
nissan fuga
nissan otti
plymouth fury iii
plymouth satellite custom (sw)
plymouth fury gran sedan
plymouth valiant
renault 12tl
saab 99le
saab 99gle
saab 99e
subaru
subaru brz
subaru baja
subaru r1
subaru trezia
subaru tribeca
subaru dl
toyota corolla 1200
toyota corona hardtop
toyota corolla 1600 (sw)
toyota carina
toyota mark ii
toyota corolla 1200
toyota corona
toyota corolla
toyota mark ii
toyota corolla
toyota corona
toyota corolla
toyota mark ii
"""总结
这篇文章写的有点长了，算是对一个流程的整体分析，下面总结一下自己做的不足的地方吧（也别问我知道有什么不足，为什么不改/doge）
1. 对于车这个具体的产品分析，根据搜查一下资料，很容易发现车大致可以分为可分为微型、普遍级、中级、中高级和高级轿车五种，所以分析的时候，如果把微型车和高级轿车进行比较其实是不合理的。(真正做数据分析，也需要查阅相关文献，我这里也偷懒没做了）
2.去除冗余数据的时候比较暴力，其实需要做更多的资料查询或者实验比较，到底去除哪些可以得到比较好的效果。
3.PCA降维时同上
4.做竞品分析的时候，没有去分析产品的定位（这其实就是第一点留下的问题），虽然聚类完了，但就像前面说的微型车和高级轿车，有可能有些特征都很相似，但两种车是没有比较的必要的。
最后，本文大部分思路只是我借鉴了很多人思路和自己的一些思考，并且自己相关的专业知识并不是很足够，所以会有错的地方，如果有请评论区指正！
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