【Python打卡Day36】信贷项目的神经网络训练@浙大疏锦行

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

import pandas as pd    #用于数据处理和分析，可处理表格数据。
import numpy as np     #用于数值计算，提供了高效的数组操作。
import matplotlib.pyplot as plt    #用于绘制各种类型的图表
import seaborn as sns   #基于matplotlib的高级绘图库，能绘制更美观的统计图形。
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

 # 设置GPU设备
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"使用设备: {device}")


 # 设置中文字体（解决中文显示问题）
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # Windows系统常用黑体字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False    # 正常显示负号
data = pd.read_csv(r"C:\Users\99568\Desktop\北航14复试\机器学习项目\项目一信贷风险预测\data.csv")    #读取数据
 
# 先筛选字符串变量 
discrete_features = data.select_dtypes(include=['object']).columns.tolist()
# Home Ownership 标签编码
home_ownership_mapping = {
    'Own Home': 1,
    'Rent': 2,
    'Have Mortgage': 3,
    'Home Mortgage': 4
}
data['Home Ownership'] = data['Home Ownership'].map(home_ownership_mapping)
 
# Years in current job 标签编码
years_in_job_mapping = {
    '< 1 year': 1,
    '1 year': 2,
    '2 years': 3,
    '3 years': 4,
    '4 years': 5,
    '5 years': 6,
    '6 years': 7,
    '7 years': 8,
    '8 years': 9,
    '9 years': 10,
    '10+ years': 11
}
data['Years in current job'] = data['Years in current job'].map(years_in_job_mapping)
 
# Purpose 独热编码，记得需要将bool类型转换为数值
data = pd.get_dummies(data, columns=['Purpose'])
data2 = pd.read_csv(r"C:\Users\99568\Desktop\北航14复试\机器学习项目\项目一信贷风险预测\data.csv") # 重新读取数据，用来做列名对比
list_final = [] # 新建一个空列表，用于存放独热编码后新增的特征名
for i in data.columns:
    if i not in data2.columns:
       list_final.append(i) # 这里打印出来的就是独热编码后的特征名
for i in list_final:
    data[i] = data[i].astype(int) # 这里的i就是独热编码后的特征名
 
 
 
# Term 0 - 1 映射
term_mapping = {
    'Short Term': 0,
    'Long Term': 1
}
data['Term'] = data['Term'].map(term_mapping)
data.rename(columns={'Term': 'Long Term'}, inplace=True) # 重命名列
continuous_features = data.select_dtypes(include=['int64', 'float64']).columns.tolist()  #把筛选出来的列名转换成列表
 
 
 
 # 连续特征用中位数补全
for feature in continuous_features:     
    mode_value = data[feature].mode()[0]            #获取该列的众数。
    data[feature].fillna(mode_value, inplace=True)          #用众数填充该列的缺失值，inplace=True表示直接在原数据上修改。
 
# 最开始也说了 很多调参函数自带交叉验证，甚至是必选的参数，你如果想要不交叉反而实现起来会麻烦很多
# 所以这里我们还是只划分一次数据集
 
from sklearn.model_selection import train_test_split
X = data.drop(['Credit Default'], axis=1)  # 特征，axis=1表示按列删除
y = data['Credit Default'] # 标签
# 按照8:2划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)  # 80%训练集，20%测试集
 
# 归一化数据
scaler = MinMaxScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)


 # 将数据转换为PyTorch张量并移至GPU
X_train = torch.FloatTensor(X_train).to(device)
y_train = torch.LongTensor(y_train.values).to(device)
X_test = torch.FloatTensor(X_test).to(device)
y_test = torch.LongTensor(y_test.values).to(device)
 
 #仅能使用numpy数组
 # pyTorch 的 torch.Tensor() 构造函数可以直接处理 NumPy 数组、Python 列表等标准数据类型
 # 但无法直接处理 Pandas Series 对象，因为 Series 有额外的元数据和索引信息
 # 如果你不想使用 .values，也可以先转换为 NumPy 数组：
# 替代方案：显式转换为NumPy数组
#y_train = torch.LongTensor(np.array(y_train)).to(device)
#y_test = torch.LongTensor(np.array(y_test)).to(device)

 


class MLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MLP, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(31, 16)  # 输入层到隐藏层
        self.relu = nn.ReLU()
        self.fc2 = nn.Linear(16, 2)  # 隐藏层到输出层

    def forward(self, x):
        out = self.fc1(x)
        out = self.relu(out)
        out = self.fc2(out)
        return out

# 实例化模型并移至GPU
model = MLP().to(device)

# 分类问题使用交叉熵损失函数
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

# 使用随机梯度下降优化器
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

# 训练模型
num_epochs = 20000  # 训练的轮数

# 用于存储每100个epoch的损失值和对应的epoch数
losses = []

start_time = time.time()  # 记录开始时间

for epoch in range(num_epochs):
    # 前向传播
    outputs = model(X_train)  # 隐式调用forward函数
    loss = criterion(outputs, y_train)

    # 反向传播和优化
    optimizer.zero_grad() #梯度清零，因为PyTorch会累积梯度，所以每次迭代需要清零，梯度累计是那种小的bitchsize模拟大的bitchsize
    loss.backward() #  反向传播计算梯度
    optimizer.step() # 更新参数

    # 记录损失值
    if (epoch + 1) % 200 == 0:
        losses.append(loss.item()) # item()方法返回一个Python数值，loss是一个标量张量
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')
    
    # 打印训练信息
    if (epoch + 1) % 100 == 0: # range是从0开始，所以epoch+1是从当前epoch开始，每100个epoch打印一次
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')

time_all = time.time() - start_time  # 计算训练时间
print(f'Training time: {time_all:.2f} seconds')


# 可视化损失曲线
plt.plot(range(len(losses)), losses)
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.title('Training Loss over Epochs')
plt.show()

在神经网络中，全连接层（nn.Linear）的参数设置需要根据数据特性和网络结构来决定。下面是确定这些数字的具体方法：

1. 输入维度（31）的确定 必须匹配数据特征数：这个数字直接来自输入数据的特征维度 查看数据形状： python 复制 下载 print(X_train.shape) # 输出类似 (6000, 31) 表示6000个样本，每个样本31个特征 31表示每个样本有31个特征值（例如：31个传感器读数/31维特征向量）

2. 隐藏层维度（50）的确定 设计选择：这是可调整的超参数，没有固定答案 选择原则： 通常取输入维度和输出维度的中间值（31 → 50 → 10） 复杂问题可用更大维度（如128、256） 简单问题可用更小维度（如16、32） 经验公式：输入维度和输出维度的几何平均数 $\sqrt{31 \times 10} \approx 17.6$ → 取整为16-20，但实际常取2的幂次（32、64）

3. 输出维度（10）的确定 由任务决定： 分类任务：等于类别数量

• 回归任务：等于要预测的数值数量（如预测1个值就是1）

# 在测试集上评估模型，此时model内部已经是训练好的参数了
# 评估模型
model.eval() # 设置模型为评估模式
with torch.no_grad(): # torch.no_grad()的作用是禁用梯度计算，可以提高模型推理速度
    outputs = model(X_test)  # 对测试数据进行前向传播，获得预测结果
    _, predicted = torch.max(outputs, 1) # torch.max(outputs, 1)返回每行的最大值和对应的索引
    #这个函数返回2个值，分别是最大值和对应索引，参数1是在第1维度（行）上找最大值，_ 是Python的约定，表示忽略这个返回值，所以这个写法是找到每一行最大值的下标
    # 此时outputs是一个tensor，p每一行是一个样本，每一行有3个值，分别是属于3个类别的概率，取最大值的下标就是预测的类别


    # predicted == y_test判断预测值和真实值是否相等，返回一个tensor，1表示相等，0表示不等，然后求和，再除以y_test.size(0)得到准确率
    # 因为这个时候数据是tensor，所以需要用item()方法将tensor转化为Python的标量
    # 之所以不用sklearn的accuracy_score函数，是因为这个函数是在CPU上运行的，需要将数据转移到CPU上，这样会慢一些
    # size(0)获取第0维的长度，即样本数量

    correct = (predicted == y_test).sum().item() # 计算预测正确的样本数
    accuracy = correct / y_test.size(0)
    print(f'测试集准确率: {accuracy * 100:.2f}%')

测试集准确率: 77.07%

@浙大疏锦行