讓ML決定貸款：由人工智慧判斷貸款風險

耳聞目睹了機器學習的諸般神奇，有沒有衝動打算自己嘗試一下？本文我們通過一個貸款風險評估的案例，用最通俗的語言向你介紹機器學習的基礎招式，一步步幫助你用Python完成自己的第一個機器學習項目。試過之後你會發現，機器學習真的不難。

任務

祝賀你，成功進入了一家金融公司實習。

第一天上班，你還處在興奮中。這時主管把你叫過去，給你看了一個文件。文件內容是這個樣子的：

主管說這是公司寶貴的數據資產。囑咐你認真閱讀，並且從數字中找出規律，以便做出明智的貸款決策。

每一行數據，都代表了之前的一次貸款信息。你琢磨了很久，終於弄明白了每一列究竟代表什麼意思：

grade：貸款級別

sub_grade: 貸款細分級別

short_emp：一年以內短期僱傭

emp_length_num：受雇年限

home_ownership：居住狀態（自有，按揭，租住）

dti：貸款占收入比例

purpose：貸款用途

term：貸款周期

last_delinq_none：貸款申請人是否有不良記錄

last_major_derog_none：貸款申請人是否有還款逾期90天以上記錄

revol_util：透支額度占信用比例

total_rec_late_fee：逾期罰款總額

safe_loans：貸款是否安全

最後一列，記錄了這筆貸款是否按期收回。拿著以前的這些寶貴經驗教訓，主管希望你能夠總結出貸款是否安全的規律。在面對新的貸款申請時，從容和正確應對。

主管讓你找的這種規律，可以用決策樹來表達。

決策

我們來說說什麼是決策樹。決策樹長得就像這個樣子：

做決策的時候，你需要從最上面的節點出發。在每一個分支上，都有一個判斷條件。滿足條件，往左走；不滿足，向右走。一旦走到了樹的邊緣，一項決策就完成了。

例如你走在街上，遇見鄰居老張。你熱情地打招呼：

「老張，吃了嗎？」

好了，這裡就是個分支。老張的回答，將決定你的決策走向，即後面你將說什麼。

第一種情況。

老張：吃過了。

你：要不來我家再吃點兒？

第二種情況。

老張：還沒吃。

你：那趕緊回家吃去吧。再見！

……

具體到貸款這個實例，你需要依次分析申請人的各項指標，然後判定這個貸款申請是否安全，以做出是否貸款給他的決策。把這個流程寫下來，就是一棵決策樹。

作為一名金融界新兵，你原本也是抱著積極開放的心態，希望多嘗試一下的。但是當你把數據表下拉到最後一行的時候，你發現記錄居然有46509條！

你估算了一下自己的閱讀速度、耐心和認知負荷能力，覺得這個任務屬於Mission Impossible（不可能完成），於是開始默默地收拾東西，打算找主管道個別，辭職不幹了。

且慢，你不必如此沮喪。因為科技的發展，已經把一項黑魔法放在了你的手邊，隨時供你取用。它的名字，叫做機器學習。

學習

什麼叫機器學習？

從前，人是「操作」計算機的。一項任務如何完成，人心裡是完全有數的。人把一條條指令下達給電腦，電腦負責傻呵呵地幹完，收工。

後來人們發現，對有些任務，人根本就不知道該怎麼辦。

前些日子的新聞里，你知道Alpha Go和柯潔下圍棋。柯潔不僅輸了棋，還哭了。

可是製造Alpha Go的那幫人，當真知道怎樣下棋，才能贏過柯潔嗎？你就是讓他們放棄體育家精神，攢雞毛湊撣子一起上，跟柯潔下棋……你估計哭的是誰？

一幫連自己下棋，都下不贏柯潔的人，又是如何製作出電腦軟體，戰勝了人類圍棋界的「最強大腦」呢？

答案正是機器學習。

你自己都不知道如何完成的任務，自然也不可能告訴機器「第一步這麼干，第二步那麼辦」，或者「如果出現A情況，打開第一個錦囊；如果出現B情況，打開第二個錦囊」。

機器學習的關鍵，不在於人類的經驗和智慧，而在於數據。

本文我們接觸到的，是最為基礎的監督式學習(supervised learning)。監督式學習利用的數據，是機器最喜歡的。這些數據的特點，是都被打了標記。

主管給你的這個貸款記錄數據集，就是打了標記的。針對每個貸款案例，後面都有「是否安全」的標記。1代表了安全，-1代表了不安全。

機器看到一條數據，又看到了數據上的標記，於是有了一個假設。

然後你再讓它看一條數據，它就會強化或者修改原先的假設。

這就是學習的過程：建立假設——收到反饋——修正假設。在這個過程中，機器通過迭代，不斷刷新自己的認知。

這讓我想起了經典相聲段子「蛤蟆鼓」裡面的對話片段。

甲：那我問問你，蛤蟆你看見過吧？

乙：誰沒見過蛤蟆呀。

甲：你說為什麼它那麼小的動物，叫喚出來的聲音會那麼大呢？

乙：那是因為它嘴大肚兒大脖子粗，叫喚出來的聲音必然大。萬物都是一個理。

甲：我家的字紙簍子也是嘴大脖子粗，為什麼它不叫喚哪？

乙：字紙簍是死物，那是竹子編的，不但不叫，連響都響不了。

甲：吹的笙也是竹子的，怎麼響呢？

乙：雖然竹子編的，因為它有窟窿有眼兒，有眼兒的就響。

甲：我家篩米的篩子儘是窟窿眼兒，怎麼吹不響？

這裡相聲演員乙，就一直試圖建立可以推廣的假設。可惜，甲總是用新的例證摧毀乙的三觀。

在四處碰壁後，可憐的機器跌跌撞撞地成長。看了許許多多的數據後，電腦逐漸有了自己對一些事情判斷的想法。我們把這種想法叫做模型。

之後，你就可以用模型去輔助自己做出明智的判斷了。

下面我們開始動手實踐。用Python做個決策樹出來，輔助我們判斷貸款風險。

準備

使用Python和相關軟體包，你需要先安裝Anaconda套裝。詳細的流程步驟請參考《 如何用Python做詞雲 》一文。

主管給你展示的這份貸款數據文件，請從這裡下載：

http://t.cn/RoDJeNH

文件的擴展名是csv，你可以用Excel打開，看看是否下載正確。

如果一切正常，請把它移動到咱們的工作目錄demo裡面。

到你的系統「終端」(macOS, Linux)或者「命令提示符」(Windows)下，進入我們的工作目錄demo，執行以下命令。

pip install -U PIL

運行環境配置完畢。

在終端或者命令提示符下鍵入：

jupyter notebook

Jupyter Notebook已經正確運行。下面我們就可以正式編寫代碼了。

代碼

首先，我們新建一個Python 2筆記本，起名叫做loans-tree。

為了讓Python能夠高效率處理表格數據，我們使用一個非常優秀的數據處理框架Pandas。

import pandas as pd

然後我們把loans.csv裡面的內容全部讀取出來，存入到一個叫做df的變數裡面。

df = pd.read_csv( loans.csv )

我們看看df這個數據框的前幾行，以確認數據讀取無誤。

df.head()

因為表格列數較多，屏幕上顯示不完整，我們向右拖動表格，看錶格最右邊幾列是否也正確讀取。

經驗證，數據所有列都已讀入。

統計一下總行數，看是不是所有行也都完整讀取進來了。

df.shape

運行結果如下：

(46508, 13)

行列數量都正確，數據讀取無誤。

你應該還記得吧，每一條數據的最後一列 safe_loans 是個標記，告訴我們之前發放的這筆貸款是否安全。我們把這種標記叫做目標(target)，把前面的所有列叫做「特徵」(features)。這些術語你現在記不住沒關係，因為以後會反覆遇到。自然就會強化記憶。

下面我們就分別把特徵和目標提取出來。依照機器學習領域的習慣，我們把特徵叫做X，目標叫做y。

X = df.drop( safe_loans , axis=1)

y = df.safe_loans

我們看一下特徵數據X的形狀：

X.shape

運行結果為：

(46508, 12)

除了最後一列，其他行列都在。符合我們的預期。我們再看看「目標」列。

y.shape

執行後顯示如下結果：

(46508,)

這裡的逗號後面沒有數字，指的是只有1列。

我們來看看X的前幾列。

X.head()

運行結果為：

注意這裡有一個問題。Python下做決策樹的時候，每一個特徵都應該是數值（整型或者實數）類型的。但是我們一眼就可以看出，grade, sub_grade, home_ownership等列的取值都是類別(categorical)型。所以，必須經過一步轉換，把這些類別都映射成為某個數值，才能進行下面的步驟。

那我們就開始映射吧：

from sklearn.preprocessing import LabelEncoder

from collections import defaultdict

d = defaultdict(LabelEncoder)

X_trans = X.apply(lambda x: d[x.name].fit_transform(x))

X_trans.head()

運行結果是這樣的：

這裡，我們使用了LabelEncoder函數，成功地把類別變成了數值。小測驗：在grade列下面，B被映射成了什麼數字？

請對比兩個表格，思考10秒鐘。

答案是1。你答對了嗎？

下面我們需要做的事情，是把數據分成兩部分，分別叫做訓練集和測試集。

為什麼這麼折騰？

因為有道理。

想想看，如果期末考試之前，老師給你一套試題和答案，你把它背了下來。然後考試的時候，只是從那套試題裡面抽取一部分考。你憑藉超人的記憶力獲得了100分。請問你學會了這門課的知識了嗎？不知道如果給你新的題目，你會不會做呢？答案還是不知道。

所以考試題目需要和複習題目有區別。同樣的道理，我們用數據生成了決策樹，這棵決策樹肯定對已見過的數據處理得很完美。可是它能否推廣到新的數據上呢？這才是我們真正關心的。就如同在本例中，你的公司關心的，不是以前的貸款該不該貸。而是如何處理今後遇到的新貸款申請。

把數據隨機拆分成訓練集和測試集，在Python里只需要2條語句就夠了。

from sklearn.cross_validation import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_trans, y, random_state=1)

我們看看訓練數據集的形狀：

X_train.shape

運行結果如下：

(34881, 12)

測試集呢？

X_test.shape

這是運行結果：

(11627, 12)

至此，一切數據準備工作都已就緒。我們開始呼喚Python中的scikit-learn軟體包。決策樹的模型，已經集成在內。只需要3條語句，直接調用就可以，非常方便。

from sklearn import tree

clf = tree.DecisionTreeClassifier(max_depth=3)

clf = clf.fit(X_train, y_train)

好了，你要的決策樹已經生成完了。

就是這麼簡單。任性吧？

可是，我怎麼知道生成的決策樹是個什麼樣子呢？眼見才為實！

這個……好吧，咱們把決策樹畫出來吧。注意這一段語句內容較多。以後有機會咱們再詳細介紹。此處你把它直接抄進去執行就可以了。

with open("safe-loans.dot", w ) as f:

f = tree.export_graphviz(clf,

out_file=f,

max_depth = 3,

impurity = True,

feature_names = list(X_train),

class_names = [ not safe , safe ],

rounded = True,

filled= True )

from subprocess import check_call

check_call([ dot , -Tpng , safe-loans.dot , -o , safe-loans.png ])

from IPython.display import Image as PImage

from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont

img = Image.open("safe-loans.png")

draw = ImageDraw.Draw(img)

img.save( output.png )

PImage("output.png")

見證奇蹟的時刻到了：

你是不是跟我第一次看到決策樹的可視化結果一樣，驚詫了？

我們其實只讓Python生成了一棵簡單的決策樹（深度僅3層），但是Python已經盡職盡責地幫我們考慮到了各種變數對最終決策結果的影響。

測試

欣喜若狂的你，在悄悄背誦什麼？你說想把這棵決策樹的判斷條件背下來，然後去做貸款風險判斷？

省省吧。都什麼時代了，還這麼喜歡背誦？

以後的決策，電腦可以自動化幫你完成了。

你不信？

我們隨便從測試集裡面找一條數據出來。讓電腦用決策樹幫我們判斷一下看看。

test_rec = X_test.iloc[1,:]

clf.predict([test_rec])

電腦告訴我們，它調查後風險結果是這樣的：

array([1])

之前提到過，1代表這筆貸款是安全的。實際情況如何呢？我們來驗證一下。從測試集目標裡面取出對應的標記：

y_test.iloc[1]

結果是：

1

經驗證，電腦通過決策樹對這個新見到的貸款申請風險判斷無誤。

但是我們不能用孤證來說明問題。下面我們驗證一下，根據訓練得來的決策樹模型，貸款風險類別判斷準確率究竟有多高。

from sklearn.metrics import accuracy_score

accuracy_score(y_test, clf.predict(X_test))

雖然測試集有近萬條數據，但是電腦立即就算完了：

你可能會有些失望——忙活了半天，怎麼才60%多的準確率？剛及格而已嘛。

不要灰心。因為在整個兒的機器學習過程中，你用的都是預設值，根本就沒有來得及做一個重要的工作——優化。

想想看，你買一台新手機，自己還得設置半天，不是嗎？面對公司的貸款業務，你用的竟然只是沒有優化的預設模型。可即便這樣，準確率也已經超過了及格線。

關於優化的問題，以後有機會咱們詳細展開來聊。

你終於擺脫了實習第一天就灰溜溜逃走的厄運。我彷彿看到了一顆未來的華爾街新星正在冉冉升起。

苟富貴，無相忘哦。

討論

貸款風險判斷之外，你覺得決策樹還有哪些用武之地？除了本文提到的決策樹，你還知道哪幾種用於分類的機器學習演算法？歡迎留言分享給大家，我們一起交流討論。

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