原理+代碼|手把手教你使用Python實(shí)戰(zhàn)反欺詐模型

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本文將基于不平衡數(shù)據(jù)，使用Python進(jìn)行反欺詐模型數(shù)據(jù)分析實(shí)戰(zhàn)，模擬分類預(yù)測(cè)模型中因變量分類出現(xiàn)不平衡時(shí)該如何解決，具體的案例應(yīng)用場(chǎng)景除反欺詐外，還有客戶違約和疾病檢測(cè)等。只要是因變量中各分類占比懸殊，就可對(duì)其使用一定的采樣方法，以達(dá)到除模型調(diào)優(yōu)外的精度提升。主要將分為兩個(gè)部分：

• 原理介紹
  

• Python實(shí)戰(zhàn)
  

原理介紹

與其花大量的時(shí)間對(duì)建好的模型進(jìn)行各種調(diào)優(yōu)操作，不如在一開始就對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶幚怼６鴶?shù)據(jù)處理背后的算法原理又常是理解代碼的支撐。所以本節(jié)將詳細(xì)介紹不平衡采樣的多種方法。

在以往的學(xué)習(xí)中，數(shù)據(jù)大多是對(duì)稱分布的，就像下圖一樣，即正負(fù)樣本的數(shù)量相當(dāng)。這樣可以更好的把注意力集中在特定的算法上，而不被其他問題干擾。以分離算法為例，它的目標(biāo)是嘗試學(xué)習(xí)出一個(gè)能夠分辨二者的分離器（分類器）。根據(jù)不同的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)或幾何假設(shè)，達(dá)成這一目標(biāo)的方法很多：邏輯回歸，嶺回歸，決策樹，和各種聚類算法等。

但當(dāng)我們開始面對(duì)真實(shí)的、未經(jīng)加工過的數(shù)據(jù)時(shí)，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)要嘈雜且不平衡得多。真實(shí)數(shù)據(jù)看起來更像是如下圖般毫無規(guī)律且零散。對(duì)于不平衡類的研究通常認(rèn)為 “不平衡” 意味著少數(shù)類只占 10% ~ 20%。但其實(shí)這已經(jīng)算好的了，在現(xiàn)實(shí)中的許多例子會(huì)更加的不平衡（1~2%），如規(guī)劃中的客戶信用卡欺詐率，重大疾病感染率等。就像下圖一樣

如果我們拿到像上圖那樣的數(shù)據(jù)，哪怕經(jīng)過了清洗，已經(jīng)非常整潔了，之后把它們直接丟進(jìn)邏輯回歸或者決策樹和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型里面的話，效果一定會(huì)見得好嗎？。以根據(jù)患者體征來預(yù)測(cè)其得某種罕見病為例：可能模型在預(yù)測(cè)該患者不得病上特準(zhǔn)，畢竟不得病的數(shù)據(jù)占到了98%，那把剩下的得病的那 2% 也都預(yù)測(cè)成了不得病的情況下模型的整體準(zhǔn)確度還是非常高...但整體準(zhǔn)確度高并不代表模型在現(xiàn)實(shí)情況就能有相同的優(yōu)良表現(xiàn)，所以最好還是能夠拿到 1:1 的數(shù)據(jù)，這樣模型預(yù)測(cè)出來的結(jié)果才最可靠。

所以對(duì)于這類數(shù)據(jù)，常見而有效的處理方式有基本的數(shù)據(jù)處理、調(diào)整樣本權(quán)重與使用模型等三類。

本文將專注于從數(shù)據(jù)處理的角度來解決數(shù)據(jù)不平衡問題，后續(xù)推文會(huì)涉及使用模型來處理。

注意事項(xiàng)：

• 評(píng)估指標(biāo)：使用精確度（Precise Rate）、召回率（Recall Rate）、Fmeasure或ROC曲線、準(zhǔn)確度召回曲線（precision-recall curve）；不要使用準(zhǔn)確度（Accurate Rate）
• 不要使用模型給出的標(biāo)簽，而是要概率估計(jì)；得到概率估計(jì)之后，不要盲目地使用0.50的決策閥值來區(qū)分類別，應(yīng)該再檢查表現(xiàn)曲線之后再自己決定使用哪個(gè)閾值。

問：為什么數(shù)據(jù)處理的幾種采樣方法都只對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行操作？

答：因?yàn)樵紨?shù)據(jù)集的 0-1 比為 1:99，所以隨即拆分成的訓(xùn)練集和測(cè)試集的 0-1 比也差不多是 1:99，又因?yàn)槲覀冇糜?xùn)練集來訓(xùn)練模型，如果不對(duì)訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)做任何操作，得出來模型就會(huì)在預(yù)測(cè)分類0的準(zhǔn)度上比1高，而我們希望的是兩者都要兼顧，所以我們才要使用欠采樣或者過采樣對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行處理，使訓(xùn)練集的 0-1 比在我們之前聊到的 1:1 ~ 1:10 這個(gè)比較合適的區(qū)間，用這樣的訓(xùn)練集訓(xùn)練出來的模型的泛化能力會(huì)更強(qiáng)。以打靶作為比喻，靶心面積很小，對(duì)應(yīng)了占比小的違約客戶群體。在 0-1 比為 1:99 的測(cè)試集的嚴(yán)酷考驗(yàn)下，模型打中靶心（成功預(yù)測(cè)違約客戶）與打中靶心周圍（成功預(yù)測(cè)履約客戶）的概率都得到了保證。

欠采樣與過采樣

過采樣會(huì)隨機(jī)復(fù)制少數(shù)樣例以增大它們的規(guī)模。欠采樣則隨機(jī)地少采樣主要的類。一些數(shù)據(jù)科學(xué)家（天真地）認(rèn)為過采樣更好，因?yàn)槠鋾?huì)得到更多的數(shù)據(jù)，而欠采樣會(huì)將數(shù)據(jù)丟掉。但請(qǐng)記住復(fù)制數(shù)據(jù)不是沒有后果的——因?yàn)槠鋾?huì)得到復(fù)制出來的數(shù)據(jù)，它就會(huì)使變量的方差表面上比實(shí)際上更小。而過采樣的好處是它也會(huì)復(fù)制誤差的數(shù)量：如果一個(gè)分類器在原始的少數(shù)類數(shù)據(jù)集上做出了一個(gè)錯(cuò)誤的負(fù)面錯(cuò)誤，那么將該數(shù)據(jù)集復(fù)制五次之后，該分類器就會(huì)在新的數(shù)據(jù)集上出現(xiàn)六個(gè)錯(cuò)誤。相對(duì)地，欠采樣會(huì)讓獨(dú)立變量（independent variable）的方差看起來比其實(shí)際的方差更高。

Tomek Link 法欠采樣

上圖為 Tomek Link 欠采樣法的核心。不難發(fā)現(xiàn)左邊的分布中 0-1 兩個(gè)類別之間并沒有明顯的分界。Tomek Link 法處理后，將占比多的一方（0），與離它(0)最近的一個(gè)少的另一方 (1) 配對(duì)，而后將這個(gè)配對(duì)刪去，這樣一來便如右邊所示構(gòu)造出了一條明顯一些的分界線。所以說欠采樣需要在占比少的那一類的數(shù)據(jù)量比較大的時(shí)候使用（大型互聯(lián)網(wǎng)公司與銀行），畢竟一命抵一命...

Random Over Sampling 隨機(jī)過采樣

隨機(jī)過采樣并不是將原始數(shù)據(jù)集中占比少的類簡(jiǎn)單的乘個(gè)指定的倍數(shù)，而是對(duì)較少類按一定比例進(jìn)行一定次數(shù)的隨機(jī)抽樣，然后將每次隨機(jī)抽樣所得到的數(shù)據(jù)集疊加。但如果只是簡(jiǎn)單的隨機(jī)抽樣也難免會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)槿我鈨纱蔚碾S機(jī)抽樣中，可能會(huì)有重復(fù)被抽到的數(shù)據(jù)，所以經(jīng)過多次隨機(jī)抽樣后疊加在一起的數(shù)據(jù)中可能會(huì)有不少的重復(fù)值，這便會(huì)使數(shù)據(jù)的變異程度減小。所以這是隨機(jī)過采樣的弊端。

SMOTE 過采樣

SMOTE 過采樣法的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了隨機(jī)過采樣的不足，其核心步驟如下圖但SMOTE 并不是一點(diǎn)壞處都沒有。上圖的數(shù)據(jù)分布 SMOTE 方法的步驟示意圖是比較理想的情況（兩個(gè)類別分得還比較開），通常數(shù)據(jù)不平衡的散點(diǎn)圖應(yīng)該是像下面這樣的：而這個(gè)時(shí)候如果我們依然使用 SMOTE 來過采樣的話就會(huì)出現(xiàn)下面的問題理想情況下的圖中我們可以看出黑點(diǎn)的分布似乎是可以用一條線連起來的，而現(xiàn)實(shí)情況中的數(shù)據(jù)往往太過分散，比如上圖中的黑點(diǎn)是呈現(xiàn)U型曲線的分布，在這個(gè)情況下，SMOTE 算法的第四步作中間插值后，可能這個(gè)新插入的點(diǎn)剛好就是某個(gè)白點(diǎn)所在的點(diǎn)。本來是 0 的地盤，密密集集的0當(dāng)中突然給生硬的插進(jìn)去了一個(gè)1......這就使數(shù)據(jù)又重復(fù)了

綜合采樣

綜合采樣的核心：先使用過采樣，擴(kuò)大樣本后再對(duì)處在膠著狀態(tài)的點(diǎn)用 Tomek Link 法進(jìn)行刪除，有時(shí)候甚至連 Tomek Link 都不用，直接把離得近的對(duì)全部刪除，因?yàn)樵谶M(jìn)行過采樣后，0 和 1 的樣本量已經(jīng)達(dá)到了 1：1。

Python實(shí)戰(zhàn)

數(shù)據(jù)探索

首先導(dǎo)入相關(guān)包

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

為了方便敘述建模流程，這里準(zhǔn)備了兩個(gè)脫敏數(shù)據(jù)集：一個(gè)訓(xùn)練集一個(gè)測(cè)試集

train?=?pd.read_csv('imb_train.csv')
test?=?pd.read_csv('imb_test.csv')

print(f'訓(xùn)練集數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：{len(train)}，測(cè)試集數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：{len(test)}')
train.sample(3)

稍微解釋下參數(shù):

• X1 ~ X5：自變量，
• cls：因變量 care life of science - 科學(xué)關(guān)愛生命 0-不得病，1-得病

現(xiàn)在查看測(cè)試集與訓(xùn)練集的因變量分類情況

print('訓(xùn)練集中，因變量 cls 分類情況：')
print(train['cls'].agg(['value_counts']).T)
print('='*55?+?'\n')

print('測(cè)試集中，因變量 cls 分類情況：')
print(test['cls'].agg(['value_counts']).T)

可知訓(xùn)練集和測(cè)試集中的占比少的類別 1 實(shí)在是太少了，比較嚴(yán)重的不平衡，我們還可以使用 Counter 庫統(tǒng)計(jì)一下兩個(gè)數(shù)據(jù)集中因變量的分類情況，不難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不平衡問題還是比較嚴(yán)重

from?collections?import?Counter
print('訓(xùn)練集中因變量 cls 分類情況：{}'.format(Counter(train['cls'])))
print('測(cè)試集因變量 cls 分類情況：{}'.format(Counter(test['cls'])))
#訓(xùn)練集中因變量 cls 分類情況：Counter({0: 13644, 1: 356})
#測(cè)試集因變量 cls 分類情況：Counter({0: 5848, 1: 152})

不同的抽樣方法對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行處理

在處理前再次重申兩點(diǎn)：

• 測(cè)試集不做任何處理！保留嚴(yán)峻的比例考驗(yàn)來測(cè)試模型。
• 訓(xùn)練模型時(shí)用到的數(shù)據(jù)才是經(jīng)過處理的，0-1 比例在 1：1 ~ 1：10 之間拆分自變量與因變量

拆分自變量與因變量

y_train?=?train['cls'];????????y_test?=?test['cls']
X_train?=?train.loc[:,?:'X5'];??X_test?=?test.loc[:,?:'X5']
X_train.sample(),?y_train[:1]?
#(????????????X1????????X2????????X3???????X4????????X5
#?9382?-1.191287??1.363136?-0.705131?-1.24394?-0.520264,?0????0
#?Name:?cls,?dtype:?int64)

抽樣的幾種方法

• Random Over Sampling：隨機(jī)過抽樣
• SMOTE 方法過抽樣
• SMOTETomek 綜合抽樣

我們將用到imbalance learning這個(gè)包，pip install imblearn安裝一下即可，下面是不同抽樣方法的核心代碼，具體如何使用請(qǐng)看注釋

from?imblearn.over_sampling?import?RandomOverSampler
print('不經(jīng)過任何采樣處理的原始 y_train 中的分類情況：{}'.format(Counter(y_train)))

#?采樣策略 sampling_strategy =?'auto'?的 auto 默認(rèn)抽成 1：1，
?##?如果想要另外的比例如杰克所說的 1：5，甚至底線 1:10，需要根據(jù)文檔自行調(diào)整參數(shù)
?##?文檔：https://imbalanced-learn.readthedocs.io/en/stable/generated/imblearn.over_sampling.RandomOverSampler.html
#?先定義好好，未開始正式訓(xùn)練擬合
ros?=?RandomOverSampler(random_state=0,?sampling_strategy='auto')?
X_ros,?y_ros?=?ros.fit_sample(X_train,?y_train)
print('隨機(jī)過采樣后，訓(xùn)練集 y_ros 中的分類情況：{}'.format(Counter(y_ros)))

#?同理，SMOTE?的步驟也是如此
from?imblearn.over_sampling?import?SMOTE
sos?=?SMOTE(random_state=0)
X_sos,?y_sos?=?sos.fit_sample(X_train,?y_train)
print('SMOTE過采樣后，訓(xùn)練集 y_sos 中的分類情況：{}'.format(Counter(y_sos)))

#?同理，綜合采樣（先過采樣再欠采樣）
##?#?combine?表示組合抽樣，所以?SMOTE?與?Tomek?這兩個(gè)英文單詞寫在了一起
from?imblearn.combine?import?SMOTETomek
kos?=?SMOTETomek(random_state=0)??#?綜合采樣
X_kos,?y_kos?=?kos.fit_sample(X_train,?y_train)
print('綜合采樣后，訓(xùn)練集 y_kos 中的分類情況：{}'.format(Counter(y_kos)))

不難看出兩種過采樣方法都將原來 y_train 中的占比少的分類 1 提到了與 0 數(shù)量一致的情況，但因?yàn)榫C合采樣在過采樣后會(huì)使用欠采樣，所以數(shù)量會(huì)稍微少一點(diǎn)點(diǎn)

決策樹建模

看似高大上的梯度優(yōu)化其實(shí)也被業(yè)內(nèi)稱為硬調(diào)優(yōu)，即每個(gè)模型參數(shù)都給幾個(gè)潛在值，而后讓模型將其自由組合，根據(jù)模型精度結(jié)果記錄并輸出最佳組合，以用于測(cè)試集的驗(yàn)證。首先導(dǎo)入相關(guān)包

from?sklearn.tree?import?DecisionTreeClassifier
from?sklearn?import?metrics
from?sklearn.model_selection?import?GridSearchCV

現(xiàn)在創(chuàng)建決策樹類，但并沒有正式開始訓(xùn)練模型

clf?=?DecisionTreeClassifier(criterion='gini',?random_state=1234)
#?梯度優(yōu)化
param_grid?=?{'max_depth':[3,?4,?5,?6],?'max_leaf_nodes':[4,?6,?8,?10,?12]}
#?cv?表示是創(chuàng)建一個(gè)類，還并沒有開始訓(xùn)練模型
cv?=?GridSearchCV(clf,?param_grid=param_grid,?scoring='f1')

如下是模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的組合,注意！這里的數(shù)據(jù)使用大有玄機(jī),第一組數(shù)據(jù)X，y_train是沒有經(jīng)過任何操作的,第二組ros為隨機(jī)過采樣，第三組sos為SMOTE過采樣，最后一組kos則為綜合采樣

data?=?[[X_train,?y_train],
????????[X_ros,?y_ros],
????????[X_sos,?y_sos],
????????[X_kos,?y_kos]]

現(xiàn)在對(duì)四組數(shù)據(jù)分別做模型，要注意其實(shí)recall和precision的用處都不大，看auc即可，recall：覆蓋率，預(yù)測(cè)出分類為0且正確的，但本來數(shù)據(jù)集中分類為0的占比本來就很大。而且recall是以閾值為 0.5 來計(jì)算的，那我們就可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為預(yù)測(cè)的欺詐概率大于0.5就算欺詐了嗎？還是說如果他的潛在欺詐概率只要超過 20% 就已經(jīng)算為欺詐了呢？

for?features,?labels?in?data:
????cv.fit(features,?labels)?#?對(duì)四組數(shù)據(jù)分別做模型
????#?注意：X_test 是從來沒被動(dòng)過的，回應(yīng)了理論知識(shí)：
?????##?使用比例優(yōu)良的(1:1~1:10)訓(xùn)練集來訓(xùn)練模型，用殘酷的(分類為1的僅有2%)測(cè)試集來考驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>
????predict_test?=?cv.predict(X_test)?
????print('auc:%.3f'?%metrics.roc_auc_score(y_test,?predict_test),?
??????????'recall:%.3f'?%metrics.recall_score(y_test,?predict_test),
??????????'precision:%.3f'?%metrics.precision_score(y_test,?predict_test))

可以發(fā)現(xiàn)并不一定是綜合采樣就一定高分，畢竟每份數(shù)據(jù)集都有屬于它自己的特征，不過一點(diǎn)都不處理的模型的 auc 是最低的。

最后總結(jié)一下，隨機(jī)過采樣，SMOTE過采樣與綜合采樣只是解決數(shù)據(jù)不平衡問題方法中的冰山一角，后面還會(huì)繼續(xù)深入淺出使用其他模型來平衡數(shù)據(jù)，本文使用的數(shù)據(jù)及源碼可以使用電腦點(diǎn)擊閱讀原文下載。

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