数据清洗第3篇章 - 数据异常处理

news2024/12/26 0:19:18

数据清洗是数据分析过程中至关重要的一步，它确保数据的准确性、一致性和完整性。这不仅有助于提高分析结果的可靠性和有效性，还能为算法建模决策提供高质量的数据基础。在进行数据分析和建模的过程中，大量的时间花在数据准备上：加载、清理、转换和重新排列，这样的工作占用了工程师 80% 以上的时间。所以掌握常用的数据清洗方法，将帮助我们能更高效、更高质量完成数据清洗工作。

我们将从易到难来讲述数据清洗系列三篇章，本文为第三篇章：数据异常处理，包括基础常量法、标准差法、四分位距法、Isolation Forest 机器学习方法，我们将理论和实践结合，层层递进一步一步掌握缺数据异常的识别、处理方法。

第一篇章：处理缺失值和重复值

第二篇章：数据转换处理

1、基础常量法

如果我们已经很清晰筛选异常数据的规则，例如大于什么值或者小于什么值时，数据则是为异常的数据，那么我们可以直接按规则筛选出异常数据。如下所示，我们定义大于 60 的数据则为异常数据

import pandas as pd
data = pd.Series([50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 100])
# 检测异常值
outliers = data[data > 60]
outliers

# ----输出----
12    100
dtype: int64

2、标准差法

标准差法是一种常用的识别异常值的方法，它基于数据的均值和标准差来判断哪些数据点偏离正常范围。需要注意的是：

适用性：标准差法假设数据是正态分布的，对于偏态分布的数据可能不适用。
选择阈值：根据具体情况选择合适的倍数（2或3倍标准差），以避免误判正常数据为异常值。

import pandas as pd
data = pd.Series([50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 100])
# 计算均值和标准差
mean = data.mean()
std_dev = data.std()
# 设置阈值（通常是2或3倍标准差）
threshold = 3
# 检测异常值
outliers = data[(data - mean).abs() > threshold * std_dev]
outliers

# --输出--
12    100
dtype: int64

3、四分位距法

四分位距法是一种基于统计学的异常值识别方法，适用于数据分布不对称的情况。它通过计算数据的四分位数来识别异常值。需要注意的是：

鲁棒性：四分位距法对极值不敏感，因此适用于非正态分布的数据。
调节系数：1.5是常用的系数，可以根据具体需求调整以提高识别的灵敏度。

import pandas as pd

data = pd.Series([50, 48, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 100])

# 计算四分位数
Q1 = data.quantile(0.25)
Q3 = data.quantile(0.75)
IQR = Q3 - Q1

# 设置上下限
lower_bound = Q1 - 1.5 * IQR
upper_bound = Q3 + 1.5 * IQR

# 检测异常值
outliers = data[(data < lower_bound) | (data > upper_bound)]
outliers

# ----输出----
12    100
dtype: int64

4、Isolation Forest

Isolation Forest 是一种基于树结构的异常值检测方法，特别适合处理高维数据集。它通过随机选择特征和分割值来构建多棵树，从而隔离数据点。异常值通常更容易被隔离，因为它们需要更少的分割。需要注意的是：

参数调整：contamination 参数表示数据集中异常值的比例，需要根据具体情况调整。
随机性：Isolation Forest 是一种随机算法，设置随机种子（random_state）可以确保结果可重复。
适用场景：适合大规模、高维数据集的异常检测。

from sklearn.ensemble import IsolationForest

data = pd.Series([50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 50, 49, 51, 100])
# 转换数据为二维数组
data_reshaped = data.values.reshape(-1, 1)
# 初始化IsolationForest，contamination：数据集中异常点的比例，用于确定阈值
iso_forest = IsolationForest(contamination=0.1, random_state=42)

# 训练模型
iso_forest.fit(data_reshaped)

# 预测异常值, 结果: -1 表示异常，1 表示正常
outliers = iso_forest.predict(data_reshaped)
data[outliers == -1]

# ----输出----
12    100
dtype: int64

本文，我们详细介绍了在数据清洗中我们可以如何进行数据异常处理，包括基础常量法、标准差法、四分位距法、Isolation Forest 机器学习方法，希望对阅读本文的读者有一定的学习提升和借鉴启发，不足之处也欢迎留言指出。

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