【Kaggle】特徴量エンジニアリングとパラメータチューニングで、titanic 上位10%に入りました。

#はじめに
kaggleのチュートリアルであるtitanicをpythonの練習がてらやっているのですが、Pycon JP 2018の記事を読んで、Target encodingといった特徴量エンジニアリングやhyperoptによるパラメータチューニングを試してみるとどうなるのか、実際にやってみました。

#使用するデータと環境
##分析対象
kaggleのtitanic
##環境
ローカル環境:mac book air 2012
実行環境:kaggle(kernelを使用)

#分析概要
以下の処理を進めて、分析しました。
【前処理】
　・欠損値の補完、Name等文字列の処理を実施。
【特徴量エンジニアリング】
　・Label encoding(全てのカテゴリに数値によるIDを割り当てる)
　・Count encoding(カテゴリの出現回数を特徴量とする)
　・LabelCount encoding(カテゴリの出現回数の順位を特徴量とする)
　・One-hot encoding（カテゴリごとにBooleanで表現）
【パラメータチューニング】
　・hyperoptによる学習器のパラメータ探索

#結果と感想
kaggelのLBは0.80861となりました。
まだまだ突っ込みどころは多いのですが、ご容赦ください。
実際に手を動かしてみて、GridSearchよりかはhyperoptのほうがパラメータチューニングによる恩恵を感じやすく、これからも使っていきたいと感じました。（私のGridSearchの仕方がまずいのかもですが）
特徴量エンジニアリングについては、Surnameによる生存率といったようなTarget encodingも試してみたのですが、特徴量を入れないほうが結果が良かったので、今回は省きました。
本当は特徴量も作ればいいってわけではなくて、特徴量選択していくことも大事なのかとも感じました。（そこまでやりきれずでしたが。。。）

#コード

import numpy as np
import scipy as sp
import pandas as pd
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
from xgboost import XGBClassifier
from hyperopt import hp, tpe, Trials, fmin
from sklearn.model_selection import train_test_split, cross_val_score
from sklearn.metrics import accuracy_score, f1_score, roc_curve, auc
import os
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

# データ読み込み
train = pd.read_csv('../input/train.csv')
test = pd.read_csv('../input/test.csv')

# データ表示
display(train.head())
display(test.head())

# 欠損値の集計。Age,Fare,Cabin,Embarkedに欠損値がある
display(train.isnull().sum())
display(test.isnull().sum())

# 前処理を行う前に、一旦train,testを集約
df = train.append(test)

# 以下、前処理を進めていきます。
# Fareについて、欠損値処理。お金に関することなので、平均値よりも中央値で補完
df['Fare'].fillna(df['Fare'].dropna().median(), inplace=True)

#Embarkedの欠損値処理。最頻値で補完
df['Embarked'] = df['Embarked'].fillna(df.Embarked.mode().iloc[0])

#Cabinの欠損値処理。Cabinについては頭文字だけ使用するため、とりあえず０で補完
df['Cabin'].fillna(str(0),inplace=True)

# Nameの前処理。名字と敬称を切り出し
df['Surname'] = df.Name.str.extract('([A-Za-z]+)\,', expand=False)
df['Title'] = df.Name.str.extract('([A-Za-z]+)\.', expand=False)
# 敬称については、意味を確認した上で5個のクラスに整理
df['Title'].replace(['Lady','Countess','Capt','Col','Don','Dr','Major','Rev','Sir','Jonkheer','Dona'],'Rare',inplace=True)
df['Title'].replace('Mlle', 'Miss',inplace=True)
df['Title'].replace('Ms', 'Miss',inplace=True)
df['Title'].replace('Mme', 'Mrs',inplace=True)

# Cabinの前処理。これは頭文字だけを使いました。
# Cabinの頭文字（A〜F）が部屋の位置を表しているそうです。
# しかし実際には存在しない頭文字があるため、０で置換。
df['Cabin_Lett'] = df['Cabin'].apply(lambda x: str(x)[0]) 
df['Cabin_Lett'] = np.where((df['Cabin_Lett']).isin([ 'F', 'E', 'D', 'C', 'B', 'A']),df['Cabin_Lett'], np.where((df['Cabin_Lett']).isin(['W', '4', '7', '6', 'L', '5', '8']), '0','0'))

# Ticketの前処理。これも頭文字だけを使いました。
df['Ticket_Lett'] = df['Ticket'].apply(lambda x: str(x)[0])

# ここまでが前処理です。Ageについては、あとで欠損値処理等を行います。

# 次に特徴量エンジニアリング
# Count　encoding、LabelCount　encoding、Label encoding、One-hot encodingを実施します。

# Surnameから実施
# Count encoding
count = df.Surname.value_counts()
df['Surname_Count'] = df['Surname'].map(count)
# LabelCount encoding
count_rank = df.groupby('Surname')['Survived'].count().rank(ascending=False)
df['Surname_CountRank'] = df['Surname'].map(count_rank)

# 次にCabin。
# Label encoding
df['Cabin_Lett']=df['Cabin_Lett'].replace('A',1).replace('B',2).replace('C',3).replace('D',4).replace('E',5).replace('F',6)
# Count encoding
count = df.Cabin_Lett.value_counts()
df['CabinL_Count'] = df['Cabin_Lett'].map(count)
count = df.Cabin.value_counts()
df['Cabin_Count'] = df['Cabin'].map(count)
# LabelCount encoding
count_rank = df.groupby('Cabin_Lett')['Survived'].count().rank(ascending=False)
df['Cabinl_CountRank'] = df['Cabin_Lett'].map(count_rank)
#　Cabinについては部屋番号末尾が偶数か奇数かで生存率が変わるということを知ったため、フラグ化
df['Cabin_Right'] = df['Cabin'].apply(lambda x: str(x)[-1])
df['Cabin_end'] = 'unknown'
df.Cabin_end[(df['Cabin_Right'] == '1')|(df['Cabin_Right'] == '3')|(df['Cabin_Right'] == '5')|(df['Cabin_Right'] == '7')|(df['Cabin_Right'] == '9')] = 'Odd'
df.Cabin_end[(df['Cabin_Right'] == '0')|(df['Cabin_Right'] == '2')|(df['Cabin_Right'] == '4')|(df['Cabin_Right'] == '6')|(df['Cabin_Right'] == '8')] = 'Even'
df.Cabin_end[df['Cabin'] == '0'] = 'Nan'
del df['Cabin_Right']

# 次にTicket。
# Count encoding
count = df.Ticket_Lett.value_counts()
df['TicketL_Count'] = df['Ticket_Lett'].map(count)
count = df.Ticket.value_counts()
df['Ticket_Count'] = df['Ticket'].map(count)
#LabelCount encoding
count_rank = df.groupby('Ticket_Lett')['Survived'].count().rank(ascending=False)
df['TicketL_CountRank'] = df['Ticket_Lett'].map(count_rank)
# 新たな特徴量としてTicketの長さも作成
df['Ticket_Len'] = df['Ticket'].apply(lambda x: len(x)) 

# 最後にFare
# LabelCount encoding
count_rank = df.groupby('Fare')['Survived'].count().rank(ascending=False)
df['Fare_CountRank'] = df['Fare'].map(count_rank)

# 家族数を新たな特徴量として作成
df['FamilySize'] = df['SibSp'] + df['Parch'] + 1
# 家族がいない場合には、IsAloneフラグを作成
df['IsAlone'] = 0
df.loc[df['FamilySize'] == 1, 'IsAlone'] = 1

#Fareを10分割した特徴量を作成
df.loc[ df['Fare'] <= 51, 'Fare_band'] = 0
df.loc[(df['Fare'] > 51) & (df['Fare'] <= 102), 'Fare_band'] = 1
df.loc[(df['Fare'] > 102) & (df['Fare'] <= 153), 'Fare_band']   = 2
df.loc[(df['Fare'] > 153) & (df['Fare'] <= 204), 'Fare_band']   = 3
df.loc[(df['Fare'] > 204) & (df['Fare'] <= 256), 'Fare_band']   = 4
df.loc[(df['Fare'] > 256) & (df['Fare'] <= 307), 'Fare_band']   = 5
df.loc[(df['Fare'] > 307) & (df['Fare'] <= 358), 'Fare_band']   = 6
df.loc[(df['Fare'] > 358) & (df['Fare'] <= 409), 'Fare_band']   = 7
df.loc[(df['Fare'] > 409) & (df['Fare'] <= 461), 'Fare_band']   = 8
df.loc[ df['Fare'] > 461, 'Fare_band'] = 9
df['Fare_band'] = df['Fare_band'].astype(int)

# 性別について、Label encoding
df['Sex'] = df['Sex'].map( {'female': 1, 'male': 0} ).astype(int)

# カテゴリ変数をOne-hot encoding
df = df.drop(['PassengerId','Parch', 'SibSp','Name', 'Ticket','Cabin','Surname','Ticket_Lett'], axis=1)
df = pd.get_dummies(df)

# ここまでが特徴量エンジニアリング

# Ageについて、欠損値をRandomForestを使って、補完して見たく、ここでやっています。
df_Age = df.copy()
df_Age.Survived = df_Age.Survived.fillna(99)

Train = df_Age.dropna(subset=['Age'])
dev_y = Train['Age']
dev_x = Train.drop(['Age'],axis=1)

Test = df_Age[df_aAge['Age'].isnull()]
Test = Test.drop(['Age'],axis=1)

model = RandomForestRegressor(random_state=1)
model.fit(dev_x,np.array(dev_y))
Test['Age'] = model.predict(Test)

Age =  pd.concat([Train['Age'],Test['Age']])
df['Age'] = np.array(Age)

# Ageについても１０分割した特徴量を作成しています。
df.loc[ df['Age'] <= 8, 'Age_band'] = 0
df.loc[(df['Age'] > 8) & (df['Age'] <= 16), 'Age_band'] = 1
df.loc[(df['Age'] > 16) & (df['Age'] <= 24), 'Age_band'] = 2
df.loc[(df['Age'] > 24) & (df['Age'] <= 32), 'Age_band'] = 3
df.loc[(df['Age'] > 32) & (df['Age'] <= 40), 'Age_band'] = 4
df.loc[(df['Age'] > 40) & (df['Age'] <= 48), 'Age_band'] = 5
df.loc[(df['Age'] > 48) & (df['Age'] <= 56), 'Age_band'] = 6
df.loc[(df['Age'] > 56) & (df['Age'] <= 64), 'Age_band'] = 7
df.loc[(df['Age'] > 64) & (df['Age'] <= 72), 'Age_band'] = 8
df.loc[(df['Age'] > 72) & (df['Age'] <= 80), 'Age_band'] = 9


# データの処理が終わったので、モデリングを進めていきます。
# データの分割
train = df[df['Survived'].notnull()]
test = df[df['Survived'].isnull()]
ytrain = train['Survived']
Xtrain = train.drop('Survived',axis=1)

dev_X,val_X,dev_y,val_y = train_test_split(Xtrain,ytrain,test_size=0.3,random_state=0,shuffle=True)

# hyperoptによるパラメータチューニング
def objective(params):
    classifier = XGBClassifier(**params, random_state=0,n_jobs=-1)
    loss = cross_val_score(X=dev_X,estimator=classifier,n_jobs=-1,y=dev_y,scoring='neg_log_loss',cv=3).mean()
    return -1*loss

hyperopt_parameters = {
    'max_depth': hp.choice('max_depth', range(3, 8)),
    'colsample_bytree': hp.uniform('colsample_bytree', 0.5, 1.0),
    'learning_rate': hp.uniform('learning_rate', 0.01, 0.2),
    'subsample': hp.uniform('subsample', 0.5, 1.0),
    'reg_alpha' :  hp.uniform('reg_alpha', 0.03, 1.0),
    'reg_lambda' :  hp.uniform('reg_lambda', 0.03, 1.0),
    'min_child_weight': hp.quniform('min_child_weight', 1, 6, 1),
    'gamma': hp.quniform('gamma', 0, 1, 0.05),}

max_evals = 300
trials = Trials()

# rstateの設定をしないと再現性が担保されないので、注意です。
best = fmin(objective,hyperopt_parameters,algo=tpe.suggest,max_evals=max_evals,trials=trials,verbose=-1,rstate=np.random.RandomState(0))

# ROCによるパフォーマンス確認用の関数
def Performance(Model,Y,X):
    # Perforamnce of the model
    fpr, tpr, _ = roc_curve(Y, Model.predict_proba(X)[:,1])
    AUC  = auc(fpr, tpr)
    print ('the AUC is : %0.4f' %  AUC)
    plt.figure()
    plt.plot(fpr, tpr, label='ROC curve (area = %0.4f)' % AUC)
    plt.plot([0, 1], [0, 1], 'k--')
    plt.xlim([0.0, 1.0])
    plt.ylim([0.0, 1.05])
    plt.xlabel('False Positive Rate')
    plt.ylabel('True Positive Rate')
    plt.title('ROC Curve')
    plt.legend(loc='lower right')
    plt.show()

# モデルのパフォーマンス確認
xgbm = XGBClassifier(**best, random_state=0,n_jobs=-1)
xgbm.fit(dev_X,dev_y)
Performance(Model=xgbm,Y=val_y,X=val_X)

# 結果出力
index = pd.read_csv('../input/test.csv')
submit = pd.DataFrame()
submit['PassengerId'] = index['PassengerId']
predict = xgbm.predict(test.drop('Survived',axis=1)).astype(int)
submit['Survived'] = predict
submit.to_csv('result.csv', index=False)