Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

发布时间:2020-09-23 04:49:20 作者:这一步就是天涯海角
来源:脚本之家 阅读:432

一、背景

1.项目描述

2.数据描述

字段名 描述
CustomerID 客户编号
Gender 性别
Age 年龄
Annual Income (k$) 年收入,单位为千美元
Spending Score (1-100) 消费分数,范围在1~100

二、相关模块

import numpy as np
import pandas as pd
from pandas import plotting
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import plotly.graph_objs as go
import plotly.offline as py
from sklearn.cluster import KMeans
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

三、数据可视化

1.数据读取

io = '.../Mall_Customers.csv'
df = pd.DataFrame(pd.read_csv(io))
# 修改列名
df.rename(columns={'Annual Income (k$)': 'Annual Income', 'Spending Score (1-100)': 'Spending Score'}, inplace=True)
print(df.head())
print(df.describe())
print(df.shape)
print(df.count())
print(df.dtypes)

输出如下。

CustomerID Gender Age Annual Income Spending Score
0 1 Male 19 15 39
1 2 Male 21 15 81
2 3 Female 20 16 6
3 4 Female 23 16 77
4 5 Female 31 17 40
-----------------------------------------------------------------
CustomerID Age Annual Income Spending Score
count 200.000000 200.000000 200.000000 200.000000
mean 100.500000 38.850000 60.560000 50.200000
std 57.879185 13.969007 26.264721 25.823522
min 1.000000 18.000000 15.000000 1.000000
25% 50.750000 28.750000 41.500000 34.750000
50% 100.500000 36.000000 61.500000 50.000000
75% 150.250000 49.000000 78.000000 73.000000
max 200.000000 70.000000 137.000000 99.000000
-----------------------------------------------------------------
(200, 5)
CustomerID 200
Gender 200
Age 200
Annual Income 200
Spending Score 200
dtype: int64
-----------------------------------------------------------------
CustomerID int64
Gender object
Age int64
Annual Income int64
Spending Score int64
dtype: object

2.数据可视化

2.1 平行坐标图

plotting.parallel_coordinates(df.drop('CustomerID', axis=1), 'Gender')
plt.title('平行坐标图', fontsize=12)
plt.grid(linestyle='-.')
plt.show()

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2.2 年龄/年收入/消费分数的分布

这里用了直方图和核密度图。(注:核密度图看的是(x<X)的面积,而不是高度)

sns.set(palette="muted", color_codes=True)  # seaborn样式
# 配置
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决无法显示符号的问题
sns.set(font='SimHei', font_scale=0.8)    # 解决Seaborn中文显示问题
# 绘图
plt.figure(1, figsize=(13, 6))
n = 0
for x in ['Age', 'Annual Income', 'Spending Score']:
  n += 1
  plt.subplot(1, 3, n)
  plt.subplots_adjust(hspace=0.5, wspace=0.5)
  sns.distplot(df[x], bins=16, kde=True)  # kde 密度曲线
  plt.title('{}分布情况'.format(x))
  plt.tight_layout()
plt.show()

如下图。从左到右分别是年龄、年收入和消费能力的分布情况。发现:

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2.3年龄/年收入/消费分数的柱状图

这里使用的是柱状图,和直方图不同的是:xxx轴上的每一个刻度对应的是一个离散点,而不是一个区间。

plt.figure(1, figsize=(13, 6))
k = 0
for x in ['Age', 'Annual Income', 'Spending Score']:
  k += 1
  plt.subplot(3, 1, k)
  plt.subplots_adjust(hspace=0.5, wspace=0.5)
  sns.countplot(df[x], palette='rainbow', alpha=0.8)
  plt.title('{}分布情况'.format(x))
  plt.tight_layout()
plt.show()

如下图。从上到下分别是年龄、年收入和消费能力的柱状图。发现:

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

2.4不同性别用户占比

df_gender_c = df['Gender'].value_counts()
p_lables = ['Female', 'Male']
p_color = ['lightcoral', 'lightskyblue']
p_explode = [0, 0.05]
# 绘图
plt.pie(df_gender_c, labels=p_lables, colors=p_color, explode=p_explode, shadow=True, autopct='%.2f%%')
plt.axis('off')
plt.legend()
plt.show()

如下饼图。女性以56%的份额居于领先地位,而男性则占整体的44%。特别是当男性人口相对高于女性时,这是一个比较大的差距。

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

2.5 两两特征之间的关系

# df_a_a_s = df.drop(['CustomerID'], axis=1)
sns.pairplot(df, vars=['Age', 'Annual Income', 'Spending Score'], hue='Gender', aspect=1.5, kind='reg')
plt.show()

pairplot主要展现的是属性(变量)两两之间的关系(线性或非线性,有无较为明显的相关关系)。注意,我对男、女性的数据点进行了区分(但是感觉数据在性别上的差异不大呀?)。如下组图所示:

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

2.6 两两特征之间的分布

# 根据分类变量分组绘制一个纵向的增强箱型图
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决无法显示符号的问题
sns.set(font='SimHei', font_scale=0.8)    # 解决Seaborn中文显示问题
sns.boxenplot(df['Gender'], df['Spending Score'], palette='Blues')
# x:设置分组统计字段,y:数据分布统计字段
sns.swarmplot(x=df['Gender'], y=df['Spending Score'], data=df, palette='dark', alpha=0.5, size=6)
plt.title('男女性的消费能力比较', fontsize=12)
plt.show()

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

# 根据分类变量分组绘制一个纵向的增强箱型图
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决无法显示符号的问题
sns.set(font='SimHei', font_scale=0.8)    # 解决Seaborn中文显示问题
sns.boxenplot(df['Gender'], df['Spending Score'], palette='Blues')
# x:设置分组统计字段,y:数据分布统计字段
sns.swarmplot(x=df['Gender'], y=df['Spending Score'], data=df, palette='dark', alpha=0.5, size=6)
plt.title('男女性的消费能力比较', fontsize=12)
plt.show()

其实,下面这一部分也包含了上面的信息。

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

四、K-means聚类分析

0.手肘法简介

核心指标

误差平方和(sum of the squared errors,SSE)是所有样本的聚类误差反映了聚类效果的好坏,公式如下:

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

核心思想

1.基于年龄和消费分数的聚类

所需要的数据有‘Age'和‘Spending Score'。

df_a_sc = df[['Age', 'Spending Score']].values
# 存放每次聚类结果的误差平方和
inertia1 = []

使用手肘法确定最合适的kkk值。

for n in range(1, 11):
  # 构造聚类器
  km1 = (KMeans(n_clusters=n,    # 要分成的簇数,int类型,默认值为8
         init='k-means++',  # 初始化质心,k-means++是一种生成初始质心的算法
         n_init=10,      # 设置选择质心种子次数,默认为10次。返回质心最好的一次结果(好是指计算时长短)
         max_iter=300,    # 每次迭代的最大次数
         tol=0.0001,     # 容忍的最小误差,当误差小于tol就会退出迭代
         random_state=111,  # 随机生成器的种子 ,和初始化中心有关
         algorithm='elkan')) # 'full'是传统的K-Means算法,'elkan'是采用elkan K-Means算法
  # 用训练数据拟合聚类器模型
  km1.fit(df_a_sc)
  # 获取聚类标签
  inertia1.append(km1.inertia_)

绘图确定kkk值,这里将kkk确定为4。

plt.figure(1, figsize=(15, 6))
plt.plot(np.arange(1, 11), inertia1, 'o')
plt.plot(np.arange(1, 11), inertia1, '-', alpha=0.7)
plt.title('手肘法图', fontsize=12)
plt.xlabel('聚类数'), plt.ylabel('SSE')
plt.grid(linestyle='-.')
plt.show()

通过如下图,确定kkk=4。

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确定kkk=4后。重新构建kkk=4的K-means模型,并且绘制聚类图。

km1_result = (KMeans(n_clusters=4, init='k-means++', n_init=10, max_iter=300,
           tol=0.0001, random_state=111, algorithm='elkan'))
# 先fit()再predict(),一次性得到聚类预测之后的标签
y1_means = km1_result.fit_predict(df_a_sc)
# 绘制结果图
plt.scatter(df_a_sc[y1_means == 0][:, 0], df_a_sc[y1_means == 0][:, 1], s=70, c='blue', label='1', alpha=0.6)
plt.scatter(df_a_sc[y1_means == 1][:, 0], df_a_sc[y1_means == 1][:, 1], s=70, c='orange', label='2', alpha=0.6)
plt.scatter(df_a_sc[y1_means == 2][:, 0], df_a_sc[y1_means == 2][:, 1], s=70, c='pink', label='3', alpha=0.6)
plt.scatter(df_a_sc[y1_means == 3][:, 0], df_a_sc[y1_means == 3][:, 1], s=70, c='purple', label='4', alpha=0.6)
plt.scatter(km1_result.cluster_centers_[:, 0], km1_result.cluster_centers_[:, 1], s=260, c='gold', label='质心')
plt.title('聚类图(K=4)', fontsize=12)
plt.xlabel('年收入(k$)')
plt.ylabel('消费分数(1-100)')
plt.legend()
plt.grid(linestyle='-.')
plt.show()

效果如下,基于年龄和消费能力这两个参数,可以将用户划分成4类。

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

2.基于年收入和消费分数的聚类

所需要的数据

df_ai_sc = df[['Annual Income', 'Spending Score']].values
# 存放每次聚类结果的误差平方和
inertia2 = []

同理,使用手肘法确定合适的kkk值。

for n in range(1, 11):
  # 构造聚类器
  km2 = (KMeans(n_clusters=n, init='k-means++', n_init=10, max_iter=300, tol=0.0001, random_state=111, algorithm='elkan'))
  # 用训练数据拟合聚类器模型
  km2.fit(df_ai_sc)
  # 获取聚类标签
  inertia2.append(km2.inertia_)
# 绘制手肘图确定K值
plt.figure(1, figsize=(15, 6))
plt.plot(np.arange(1, 11), inertia1, 'o')
plt.plot(np.arange(1, 11), inertia1, '-', alpha=0.7)
plt.title('手肘法图', fontsize=12)
plt.xlabel('聚类数'), plt.ylabel('SSE')
plt.grid(linestyle='-.')
plt.show()

通过如下图,确定kkk=5。

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

确定kkk=5后。重新构建kkk=5的K-means模型,并且绘制聚类图

km2_result = (KMeans(n_clusters=5, init='k-means++', n_init=10, max_iter=300,
           tol=0.0001, random_state=111, algorithm='elkan'))
# 先fit()再predict(),一次性得到聚类预测之后的标签
y2_means = km2_result.fit_predict(df_ai_sc)
# 绘制结果图
plt.scatter(df_ai_sc[y2_means == 0][:, 0], df_ai_sc[y2_means == 0][:, 1], s=70, c='blue', label='1', alpha=0.6)
plt.scatter(df_ai_sc[y2_means == 1][:, 0], df_ai_sc[y2_means == 1][:, 1], s=70, c='orange', label='2', alpha=0.6)
plt.scatter(df_ai_sc[y2_means == 2][:, 0], df_ai_sc[y2_means == 2][:, 1], s=70, c='pink', label='3', alpha=0.6)
plt.scatter(df_ai_sc[y2_means == 3][:, 0], df_ai_sc[y2_means == 3][:, 1], s=70, c='purple', label='4', alpha=0.6)
plt.scatter(df_ai_sc[y2_means == 4][:, 0], df_ai_sc[y2_means == 4][:, 1], s=70, c='green', label='5', alpha=0.6)
plt.scatter(km2_result.cluster_centers_[:, 0], km2_result.cluster_centers_[:, 1], s=260, c='gold', label='质心')
plt.title('聚类图(K=5)', fontsize=12)
plt.xlabel('年收入(k$)')
plt.ylabel('消费分数(1-100)')
plt.legend()
plt.grid(linestyle='-.')
plt.show()

效果如下,基于年收入和消费能力这两个参数,可以将用户划分成如下5类:

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

3.基于年龄、收入和消费分数的聚类所需要的数据

df_a_ai_sc = df[['Age', 'Annual Income', 'Spending Score']].values

聚类,kkk=5。

km3 = KMeans(n_clusters=5, init='k-means++', max_iter=300, n_init=10, random_state=0)
km3.fit(df_a_ai_sc)

绘图。

df['labels'] = km3.labels_
# 绘制3D图
trace1 = go.Scatter3d(
  x=df['Age'],
  y=df['Spending Score'],
  z=df['Annual Income'],
  mode='markers',
   marker=dict(
    color=df['labels'],
    size=10,
    line=dict(
      color=df['labels'],
      width=12
    ),
    opacity=0.8
   )
)
df_3dfid = [trace1]

layout = go.Layout(
  margin=dict(
    l=0,
    r=0,
    b=0,
    t=0
  ),
  scene=dict(
      xaxis=dict(title='年龄'),
      yaxis=dict(title='消费分数(1-100)'),
      zaxis=dict(title='年收入(k$)')
    )
)

fig = go.Figure(data=df_3dfid, layout=layout)
py.offline.plot(fig)

效果如下。

Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现

五、小结

到此这篇关于Python用K-means聚类算法进行客户分群的实现的文章就介绍到这了,更多相关Python K-means客户分群内容请搜索亿速云以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持亿速云!

推荐阅读:
  1. 怎么在python中利用K-means聚类算法对图像进行分割
  2. python实现鸢尾花三种聚类算法(K-means,AGNES,DBScan)

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python k-means 客户分群

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