使用 MongoDB 在 Python 中编写面向对象的决策树

Source: 约翰普莱纽斯

介绍

面向对象程序 (OOP) 受益于其模块化，因为可以隔离部分以进行故障排除。也可以调用函数在其他函数中使用，从而减少所需的编码时间。

决策树是一种流行的算法，因为与神经网络相比，它降低了计算成本。尽管由于参数固定，它们的适应性较差，但它们对于不易更改的数据结构很有用。

MongoDB 是一个安全的文档数据库，可以连接到 Python 以构建安全的、支持数据库的程序。它是一个 NoSQL 数据库，这意味着它以列表格式存储数据以实现多功能性。

在这个项目中，我们使用 Python 开发了一个面向对象的程序，该程序使用决策树来预测中风的风险，使用 MongoDB 进行数据库存储。

为了数据安全，任何敏感信息都将被审查。

第一步：获取数据。

我使用 Kaggle 找到了一个具有高票数和高可用性的数据集，以防止任何有关数据完整性的问题。我下载了 中风预测数据集 经过 费德索里亚诺 ，谁已将 30 个数据集上传到 Kaggle，所有数据集的可用性均为 10.0，请查看！该文件以逗号分隔值 (.csv) 格式提供。

步骤 2：配置 MongoDB 客户端。

要使用 MongoDB，您需要创建一个 帐户 .它是完全免费的，他们提供 订阅 如果需要。注册后，您将被定向到 MongoDB 仪表板的“项目”部分。点击“新建项目”。

MongoDB dashboard projects section.

命名您的项目（我命名为 0），然后按“下一步”。

Name your project

添加成员并为您的项目设置权限，方法是添加他们的电子邮件地址以向他们发送邀请。这样做时，您可以使用下拉框设置角色，以确保项目的安全性。点击“创建项目”。

Add members and set permissions.

您将被带到项目仪表板的“数据库部署”部分，并会提示您创建数据库。点击“建立数据库”。

Data

然后，您将部署一个免费的云数据库，它将使用共享服务器。单击共享服务器框上的“创建”。

Cloud database deployment options

MongoDB 将自动配置您的集群。您可以自定义云提供商、更改服务器、升级集群大小、探索备份选项并命名您的集群。我使用了默认设置。

Cluster configuration

设置集群的登录详细信息。或者，x.509 证书可用于无密码身份验证。完成后，登录方法将出现在表格中。

Security configuration

接下来，选择是要在本地连接还是通过云连接。我选择在本地连接以进行演示。单击“添加您当前的 IP 地址”以连接到集群，然后单击“完成并关闭”。

Connection configuration

出现提示时，单击“转到数据库”。

Congratulations prompt

您将返回“数据库部署”页面以查找新集群。点击“连接”。

Database Deployments

要连接到 Python 应用程序，请单击“连接您的应用程序”。

Application connection options

使用以下代码检查您的 Python 版本。

从平台导入 python_version
python_version()


在 MongoDB 上选择您的版本并选择“包含完整的驱动程序代码示例”。将代码复制到剪贴板。

Connecting the Python application to the cluster

在与数据集相同的文件夹中创建一个空白的 Jupyter 笔记本。导入 pymongo，然后将 MongoDB 中的代码粘贴到下一行，更改“

”（包括<>）作为您的密码。

# MongoDB 连接。
# 导入 pymongo 以连接到 MongoDB。
导入pymongo # 使用 MongoDB 中的代码，将帐户连接到客户端。
客户端 = pymongo.MongoClient("mongodb+srv://user:

@cluster0.2z3xdjn.mongodb.net/?retryWrites=true&w=majority") # 尝试连接到客户端。
db = client.test


现在通过在下一行输入“db”并运行它来测试您的连接。在输出中，您应该会看到“cOnnect=True”（如果有效）。

Testing the client connection

做得好！如果您已经做到了这一点，那么您已经成功配置了 MongoDB 客户端。

第 3 步：将数据集上传到 MongoDB。

使用以下代码片段加载笔画数据集，将其转换为字典格式，创建数据库并上传转换后的数据。如果要使用替代数据集，您只需更改文件名以匹配。

# 上传数据到 MongoDB。
# Pandas 被导入以读取 (.csv) 文件。
将熊猫导入为 pd # 数据集是使用 pandas 的 read_csv 函数加载的。
df = pd.read_csv('healthcare-dataset-stroke-data.csv') # 数据集被转换为字典格式。
数据 = df.to_dict(orient = 'records') # 在客户端创建数据库。
db = 客户端['数据库'] # 转换后的数据被插入到MongoDB数据库中
db.stroke.insert_many（数据）


PyMongo 确认上传成功。

Successful upload comment

返回到 MongoDB 上的“数据库部署”，然后在您的集群上单击“浏览集合”。不出所料，数据传输成功。

Dataset uploaded to MongoDB

第 4 步：设计面向对象的程序。

将类定义为“模型”。

# 该类已定义并托管了任务所需的所有功能。
班级型号：


通过添加整个类中使用的任何变量来配置类的“init”函数。数据集从 MongoDB 加载并转换为 Pandas 数据框。导入并定义决策树，固定随机种子以确保可重复性。数据集已预览。

要使用您自己的详细信息登录，请从前面描述的连接向导中并用它替换我的详细信息。

要使用替代模型，请将“DecisionTreeClassifier”更改为替代模型。

# 数据集和模型的初始化。
def __init__(self):
# 导入必要的库
import pandas as pd # 用于数据操作。
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier # 用作分类算法。 # 用于 MongoDB 集成的 Pymongo 库。
import pymongo # 与 MongoDB 通信。
from pymongo.mongo_client import MongoClient # 登录 MongoDB。
from pymongo.server_api import ServerApi # 与 MongoDB 服务器通信。

# 使用 mongoDB 的用户名和密码登录客户端。
客户端 = pymongo.MongoClient("mongodb+srv://jayparekh:

@cluster0.m6t3kym.mongodb.net/?retryWrites=true&w=majority", server_api=ServerApi('1'))
# 创建数据库
db = 客户端['CMP6221']
# 在数据库中创建一个集合。
测试 = db.stroke
#将集合转换为 Pandas 数据框。
测试 = pd.DataFrame(list(test.find()))
# 定义转换后的数据框。
self.df = 测试
# 定义决策树设置随机状态的可重复性。
self.classifier = DecisionTreeClassifier(random_state=100)
# 显示数据集。
print('原始数据集：\n', self.df.head())


Dataset preview.

配置一个名为“corr”的函数，以使用数据框生成相关矩阵，从而深入了解数据。将矩阵绘制为热图以获得更好的可视化效果。

如果您的数据集被称为“df”以外的名称，请更改函数中的文件名。

# 可视化数据。
def corr（自我）：
from matplotlib import pyplot as plt # 可视化数据。
import seaborn as sns # 绘制可视化图。
# 使用 corr 函数计算数据集中的相关性，并定义它们以在热图中使用。
corrdata = self.df.corr()
# 绘制热图以显示数据集中名为相关热图的数据的相关性。
fig = plt.subplots (figsize = (10,10))
plt.title("相关热图")
sns.heatmap(corrdata)
plt.show()


配置一个名为“clean”的函数以删除空值并将字符串变量编码为二进制格式，以便决策树可以解释它们。

如果您的数据集被称为“df”以外的名称，请更改函数中的文件名。

如果您要在另一个数据集中对特征进行编码，则“ever_married”等特征将更改为您的特征，请根据需要复制脚本。

# 数据清理，删除空值和编码字符串变量。
def 清洁（自我）：
from sklearn import preprocessing # 用于标签编码。
self.df = self.df.dropna()
le = preprocessing.LabelEncoder()
self.df['ever_married'] = le.fit_transform(self.df['ever_married'])
self.df['work_type'] = le.fit_transform(self.df['work_type'])
self.df['吸烟状态'] = le.fit_transform(self.df['吸烟状态'])
self.df['Residence_type'] = le.fit_transform(self.df['Residence_type'])
self.df['gender'] = le.fit_transform(self.df['gender'])
print('清理的数据集：\n', self.df.head())


配置一个名为“split”的函数，将从查看相关热图中选择的必要特征数据与标签数据分开，然后使用“train-test split”将数据拆分为训练集和测试集。

使用“test_size”作为变量，以便用户可以在不修改脚本的情况下更改拆分的大小。

如果您的数据集被称为“df”以外的名称，请更改函数中的文件名。

如果要更改用于特征数据的变量，可以在“self.X”部分中选择它们。使用“self.y”设置标签变量。

# train-test-split 以 70:30 的比例由变量 test_size 设置。由于未显示相关性，因此省略了居住状况和性别。
def 拆分（自我，test_size）：
import numpy as np # 用于操作数组。
from sklearn.model_selection import train_test_split # 用于准备拟合数据。
self.X = np.array(self.df[['age', 'hypertension', 'heart_disease', 'ever_married', 'work_type', 'avg_glucose_level', 'bmi', 'Smoking_status']])
self.y = np.array(self.df['stroke'])
self.X_train，self.X_test，self.y_train，self.y_test = train_test_split（self.X，self.y，test_size = test_size，random_state = 42）


配置一个名为“fit”的函数，使用训练特征和标签数据训练决策树模型。

如果您配置的算法有另一个名称，请将“分类器”替换为该名称。

# 使用训练数据拟合模型。
默认适合（自我）：
self.model = self.classifier.fit(self.X_train, self.y_train)


配置一个名为“predict”的函数，以使用经过训练的模型使用测试数据来预测结果。

如果您配置的算法有另一个名称，请将“分类器”替换为该名称。

# 使用测试数据测试的模型。
def 预测（自我）：
self.predictiOns= self.classifier.predict(self.X_test)
返回自我预测


配置一个名为“cvscoring”的函数以使用 10 倍交叉验证对模型进行评分。

如果您配置的算法有另一个名称，请将“分类器”替换为该名称。

# 原始模型的交叉验证。
def cvscoring（自我）：
from sklearn.model_selection import cross_val_score # 用于模型的交叉验证。
from matplotlib import pyplot as plt # 可视化数据。
import seaborn as sns # 绘制可视化。
orig_cv_scores = cross_val_score(estimator = self.classifier, X = model_instance.X, y= model_instance.y, cv = 10)
fig = plt.subplots(1, figsize=(5, 5))
sns.boxplot（数据 = orig_cv_scores）
plt.title("初始交叉验证分数 DT")
plt.show()
print('\n 初始平均 CV 分数：', model_instance.model.score(model_instance.X_test, model_instance.y_test))


配置一个名为“initial_params”的函数来获取模型的参数。

如果您配置的算法有另一个名称，请将“分类器”替换为该名称。

# pprint 获取初始模型的参数。
定义初始参数（自我）：
from pprint import pprint # 评估模型参数。
print('\n 初始参数：')
pprint(self.classifier.get_params())


配置一个名为“tune”的函数来调整原始模型，对其进行 10 倍交叉验证，并返回新模型的改进百分比。

要更改调优中使用的参数，请修改 param_dist 表。

如果您配置的算法有另一个名称，请将“分类器”替换为该名称。

# 模型调整。该模型通过各种合适的组合进行了调整，这些组合使用 RandomizedSearchCV 进行实施。
# max_depth 考虑在预测之前可以进行的分割数。
# max_features 确定考虑的特征数量。
# min_samples_leaf 定义了节点分裂所需的最小样本。
# 标准确定用于测量拆分纯度的函数。
def 曲调（自我）：
from pprint import pprint # 评估模型参数
from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV # 调整模型。
import pandas as pd # 用于数据操作。
from matplotlib import pyplot as plt # 可视化数据。
import seaborn as sns # 绘制可视化。
from sklearn.metrics import accuracy_score # 计算准确率。
param_dist = {"max_depth": [5, 7, 10, 15, 无],
"max_features": [无, 2, 4, 6, 8, 10],
"min_samples_leaf": (1, 2, 4),
“标准”：[“基尼”，“熵”]}
self.tree_cv = RandomizedSearchCV(self.classifier, param_dist, cv=10)

# 调整后的模型适合数据。
self.tuned_tree = self.tree_cv.fit(model_instance.X_train, model_instance.y_train)

# 使用'.cv_results_'以表格形式获得交叉验证结果数组。
tune_results = self.tree_cv.cv_results_ # “DataFrame”函数用于将结果数组转换为定义为“Tuned_Results”的数据帧。
Tuned_Results = pd.DataFrame(tuned_results) # 绘制箱线图，显示获得的平均交叉验证分数。
fig = plt.subplots(1, figsize=(5, 5))
sns.boxplot（数据 = Tuned_Results，y = 'mean_test_score'）
plt.title("调谐平均 CV 分数 DT")
plt.show()

# 显示调整后的模型参数。
print('\n 最优参数：')
打印（self.tree_cv.best_params_）

# 显示了调整模型的平均交叉验证分数。
print("\n 调整后的平均 CV 分数：")
打印（self.tree_cv.best_score_）

# 显示了相对于原始模型参数的百分比改进。
print("\n 使用 RandomizedSearchCV 的百分比改进")
print(((self.tree_cv.best_score_-accuracy_score(model_instance.y_test, model_instance.predictions))/accuracy_score(model_instance.y_test, model_instance.predictions))*100)


配置一个名为“confmatrix”的函数来评估调整后的模型并可视化其预测。

# 一个混淆矩阵表示模型输出。
def confmatrix（自我）：
from sklearn.metrics import chaos_matrix # 可视化结果。
import seaborn as sns # 绘制可视化。
from matplotlib import pyplot as plt # 可视化数据。
COnfMatrix= 混淆矩阵（model_instance.y_test,model_instance.predictions）
sns.heatmap（ConfMatrix，不=真）
plt.title("优化决策树混淆矩阵")


配置一个名为“classreport”的函数，获取调优模型的分类报告。

# 调优模型的分类报告。
def 类报告（自我）：
from sklearn.metrics import classification_report # 打印性能指标。
print('调整后的模型分类报告：\n', classification_report(model_instance.y_test,model_instance.predictions))


配置一个名为“treeviz”的函数来可视化决策树。

如果您配置的算法有另一个名称，请将“分类器”替换为该名称。

# 可视化决策树。
def treeviz（自我）：
from matplotlib import pyplot as plt # 可视化数据。
from sklearn import tree # 绘制决策树。
fig = plt.figure(figsize=(25,20))
plt.suptitle("决策树可视化")
_ = tree.plot_tree(self.classifier, feature_names=self.df.columns.values, class_names='stroke',filled=True)


第 5 步：设计 main 函数，执行模型。

每个函数都按所需的顺序调用，并在使用它们的地方添加变量。要更改训练-测试拆分，请将变量“0.3”更改为所需的测试数据大小，介于 0 和 1 之间。

# main: 函数已定义。每个阶段调用函数来执行模型。
如果 __name__ == '__main__'：
模型实例 = 模型（）
model_instance.corr()
model_instance.clean()
model_instance.split(0.3)
model_instance.fit()
model_instance.predict()
model_instance.initial_params()
model_instance.cvscoring()
model_instance.tune()
model_instance.confmatrix()
model_instance.classreport()
model_instance.treeviz()


结果

原始数据集：
_id id 性别 年龄 高血压 heart_disease \
0 630c2d66ccb4d1494b0bba11 9046 男 67.0 0 1
1 630c2d66ccb4d1494b0bba12 51676 女 61.0 0 0
2 630c2d66ccb4d1494b0bba13 31112 男 80.0 0 1
3 630c2d66ccb4d1494b0bba14 60182 女 49.0 0 0
4 630c2d66ccb4d1494b0bba15 1665 女 79.0 1 0

ever_married work_type Residence_type avg_glucose_level bmi \
0 是 民营 城市 228.69 36.6
1 是 个体户 农村 202.21 NaN
2 是 民营 农村 105.92 32.5
3 是 民营 城市 171.23 34.4
4 是 个体户 农村 174.12 24.0

吸烟状态中风
0 以前吸过 1
1 从不吸烟 1
2 从不吸烟 1
3 抽 1
4 从不吸烟 1


Correlation heatmap

清理数据集：
_id id 性别 年龄 高血压 heart_disease \
0 630c2d66ccb4d1494b0bba11 9046 1 67.0 0 1
2 630c2d66ccb4d1494b0bba13 31112 1 80.0 0 1
3 630c2d66ccb4d1494b0bba14 60182 0 49.0 0 0
4 630c2d66ccb4d1494b0bba15 1665 0 79.0 1 0
5 630c2d66ccb4d1494b0bba16 56669 1 81.0 0 0

ever_married work_type Residence_type avg_glucose_level bmi \
0 1 2 1 228.69 36.6
2 1 2 0 105.92 32.5
3 1 2 1 171.23 34.4
4 1 3 0 174.12 24.0
5 1 2 1 186.21 29.0

吸烟状态中风
0 1 1
2 2 1
3 3 1
4 2 1
5 1 1

初始参数：
{'ccp_alpha': 0.0,
'class_weight'：无，
“标准”：“基尼”，
“最大深度”：无，
'max_features'：无，
'max_leaf_nodes'：无，
'min_impurity_decrease': 0.0,
'min_samples_leaf': 1,
'min_samples_split': 2,
'min_weight_fraction_leaf'：0.0，
“随机状态”：100，
“分离器”：“最佳”} 初始平均 CV 分数：0.9205702647657841


Initial cross validation score

最佳参数：
{'min_samples_leaf'：1，'max_features'：4，'max_depth'：5，'criterion'：'gini'}

调整后的平均 CV 分数：
0.9540180690216286 使用 RandomizedSearchCV 的百分比改进
3.6333787366415136


Tuned cross validation score

调整后的模型分类报告：
精确召回 f1 分数支持

0 0.97 0.95 0.96 1413
1 0.15 0.20 0.17 60

精度 0.92 1473
宏平均 0.56 0.58 0.56 1473
加权平均 0.93 0.92 0.93 1473


Tuned confusion matrix

Decision tree visualization

结论

总之，该模型的交叉验证分数增加了 3.63%（至 2 dp）。该模型使用了面向对象的编程，尽管大多数函数没有输入，例如，这会使更改数据集变得困难。一种改进的方法是使用一个名为“config”的文件来存储每个函数的参数，以便可以安全地控制程序。

参考

[

scikit-学习

“我们使用 scikit-learn 来支持前沿基础研究 [...]”

scikit-learn.org

](https://scikit-learn.org/stable/index.html)

[

MongoDB：开发者数据平台 | MongoDB

产品解决方案客户故事了解企业如何利用 MongoDB 白皮书和演示文稿……

www.mongodb.com

](https://www.mongodb.com/)

[

数字货币

为什么选择 NumPy？强大的 n 维数组。数值计算工具。可互操作。高性能。开源。

numpy.org

](https://numpy.org/)

[

熊猫

pandas 是一个快速、强大、灵活且易于使用的开源数据分析和操作工具，建立在...

pandas.pydata.org

](https://pandas.pydata.org/)

[

seaborn：统计数据可视化 - seaborn 0.11.2 文档

Seaborn 是一个基于 matplotlib 的 Python 数据可视化库。它为绘图提供了一个高级界面……

seaborn.pydata.org

](https://seaborn.pydata.org/)

[

pprint - 数据漂亮的打印机 - Python 3.10.6 文档

源代码：Lib/pprint.py 该模块提供了“漂亮打印”任意 Python 数据结构的能力。

docs.python.org

](https://docs.python.org/3/library/pprint.html)

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