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.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold, cross_validate # 引入分层 K 折和交叉验证工具
from sklearn.metrics import make_scorer, accuracy_score, precision_score, recall_score, f1_score, confusion_matrix, classification_report
import time
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
# 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('heart.csv')
# 提取连续值特征
continuous_features = ['age', 'trestbps', 'chol', 'thalach', 'oldpeak']
# 提取离散值特征
discrete_features = ['sex', 'cp', 'fbs', 'restecg', 'exang', 'slope', 'ca', 'thal', 'target']
# 使用映射字典进行转换
mapping = {
'cp': {0: 0, 1: 1, 2: 2, 3: 3},
'restecg': {0: 0, 1: 1, 2: 2},
'slope': {0: 0, 1: 1, 2: 2},
'ca': {0: 0, 1: 1, 2: 2, 3: 3, 4: 4},
'thal': {0: 0, 1: 1, 2: 2, 3: 3}
}
for feature, mapping in mapping.items():
data[feature] = data[feature].map(mapping)
# Purpose 独热编码
columns_to_encode = ['sex','fbs','exang']
data = pd.get_dummies(data, columns=columns_to_encode, drop_first=True)
data2 = pd.read_csv("heart.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
# 划分训练集和测试机
X = data.drop(['target'], axis=1) # 特征，axis=1表示按列删除
y = data['target'] # 标签
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.cluster import KMeans, DBSCAN, AgglomerativeClustering
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.metrics import silhouette_score, calinski_harabasz_score, davies_bouldin_score
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
# 标准化数据（聚类前通常需要标准化）
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)
# 评估不同 k 值下的指标
k_range = range(2, 11) # 测试 k 从 2 到 10
inertia_values = []
silhouette_scores = []
ch_scores = []
db_scores = []
for k in k_range:
kmeans = KMeans(n_clusters=k, random_state=42)
kmeans_labels = kmeans.fit_predict(X_scaled)
inertia_values.append(kmeans.inertia_) # 惯性（肘部法则）
silhouette = silhouette_score(X_scaled, kmeans_labels) # 轮廓系数
silhouette_scores.append(silhouette)
ch = calinski_harabasz_score(X_scaled, kmeans_labels) # CH 指数
ch_scores.append(ch)
db = davies_bouldin_score(X_scaled, kmeans_labels) # DB 指数
db_scores.append(db)
print(f"k={k}, 惯性: {kmeans.inertia_:.2f}, 轮廓系数: {silhouette:.3f}, CH 指数: {ch:.2f}, DB 指数: {db:.3f}")
# 绘制评估指标图
plt.figure(figsize=(15, 10))
# 肘部法则图（Inertia）
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.plot(k_range, inertia_values, marker='o')
plt.title('肘部法则确定最优聚类数 k（惯性，越小越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('惯性')
plt.grid(True)
# 轮廓系数图
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.plot(k_range, silhouette_scores, marker='o', color='orange')
plt.title('轮廓系数确定最优聚类数 k（越大越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('轮廓系数')
plt.grid(True)
# CH 指数图
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(k_range, ch_scores, marker='o', color='green')
plt.title('Calinski-Harabasz 指数确定最优聚类数 k（越大越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('CH 指数')
plt.grid(True)
# DB 指数图
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(k_range, db_scores, marker='o', color='red')
plt.title('Davies-Bouldin 指数确定最优聚类数 k（越小越好）')
plt.xlabel('聚类数 (k)')
plt.ylabel('DB 指数')
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()
# 提示用户选择 k 值
selected_k = 4
# 使用选择的 k 值进行 KMeans 聚类
kmeans = KMeans(n_clusters=selected_k, random_state=42)
kmeans_labels = kmeans.fit_predict(X_scaled)
X['KMeans_Cluster'] = kmeans_labels
# 使用 PCA 降维到 2D 进行可视化
pca = PCA(n_components=2)
X_pca = pca.fit_transform(X_scaled)
# KMeans 聚类结果可视化
plt.figure(figsize=(6, 5))
sns.scatterplot(x=X_pca[:, 0], y=X_pca[:, 1], hue=kmeans_labels, palette='viridis')
plt.title(f'KMeans Clustering with k={selected_k} (PCA Visualization)')
plt.xlabel('PCA Component 1')
plt.ylabel('PCA Component 2')
plt.show()
# 打印 KMeans 聚类标签的前几行
print(f"KMeans Cluster labels (k={selected_k}) added to X:")
print(X[['KMeans_Cluster']].value_counts())
print(X.columns)
x1= X.drop('KMeans_Cluster',axis=1) # 删除聚类标签列
y1 = X['KMeans_Cluster']
# 构建随机森林，用shap重要性来筛选重要性
import shap
import numpy as np
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier # 随机森林分类器
model = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42) # 随机森林模型
model.fit(x1, y1) # 训练模型,此时无需在意准确率 直接全部数据用来训练了
shap.initjs()
# 初始化 SHAP 解释器
explainer = shap.TreeExplainer(model)
shap_values = explainer.shap_values(x1) # 这个计算耗时
print(shap_values.shape) # 第一维是样本数，第二维是特征数，第三维是类别数
# --- 1. SHAP 特征重要性条形图 (Summary Plot - Bar) ---
print("--- 1. SHAP 特征重要性条形图 ---")
shap.summary_plot(shap_values[:, :, 0], x1, plot_type="bar",show=False) # 这里的show=False表示不直接显示图形,这样可以继续用plt来修改元素，不然就直接输出了
plt.title("SHAP Feature Importance (Bar Plot)")
plt.show()
# 此时判断一下这几个特征是离散型还是连续型
import pandas as pd
selected_features = ['sex_1', 'slope',
'thalach', 'age','oldpeak','restecg','chol']
for feature in selected_features:
unique_count = X[feature].nunique() # 唯一值指的是在某一列或某个特征中，不重复出现的值
# 连续型变量通常有很多唯一值，而离散型变量的唯一值较少
print(f'{feature} 的唯一值数量: {unique_count}')
if unique_count < 10: # 这里 10 是一个经验阈值，可以根据实际情况调整
print(f'{feature} 可能是离散型变量')
else:
print(f'{feature} 可能是连续型变量')
selected_features = ['sex_1', 'slope','restecg']
# X["Purpose_debt consolidation"].value_counts() # 统计每个唯一值的出现次数
import matplotlib.pyplot as plt
# 总样本中的三个重要性的特征分布图
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(12, 8))
axes = axes.flatten()
for i, feature in enumerate(selected_features):
axes[i].hist(X[feature], bins=20)
axes[i].set_title(f'Histogram of {feature}')
axes[i].set_xlabel(feature)
axes[i].set_ylabel('Frequency')
plt.tight_layout()
plt.show()
print(X[['KMeans_Cluster']].value_counts())
# 分别筛选出每个簇的数据
X_cluster0 = X[X['KMeans_Cluster'] == 0]
X_cluster1 = X[X['KMeans_Cluster'] == 1]
X_cluster2 = X[X['KMeans_Cluster'] == 2]
X_cluster3 = X[X['KMeans_Cluster'] == 3]
# 先绘制簇0的分布图
import matplotlib.pyplot as plt
# 总样本中的前四个重要性的特征分布图
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(12, 8))
axes = axes.flatten()
for i, feature in enumerate(selected_features):
axes[i].hist(X_cluster0[feature], bins=20)
axes[i].set_title(f'Histogram of {feature}')
axes[i].set_xlabel(feature)
axes[i].set_ylabel('Frequency')
plt.tight_layout()
plt.show()
# 再绘制簇1的分布图
import matplotlib.pyplot as plt
# 总样本中的前三个重要性的特征分布图
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(12, 8))
axes = axes.flatten()
for i, feature in enumerate(selected_features):
axes[i].hist(X_cluster1[feature], bins=20)
axes[i].set_title(f'Histogram of {feature}')
axes[i].set_xlabel(feature)
axes[i].set_ylabel('Frequency')
plt.tight_layout()
plt.show()
# 再绘制簇2的分布图
import matplotlib.pyplot as plt
# 总样本中的前三个重要性的特征分布图
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(12, 8))
axes = axes.flatten()
for i, feature in enumerate(selected_features):
axes[i].hist(X_cluster2[feature], bins=20)
axes[i].set_title(f'Histogram of {feature}')
axes[i].set_xlabel(feature)
axes[i].set_ylabel('Frequency')
plt.tight_layout()
plt.show()
# 再绘制簇3的分布图
import matplotlib.pyplot as plt
# 总样本中的前三个重要性的特征分布图
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(12, 8))
axes = axes.flatten()
for i, feature in enumerate(selected_features):
axes[i].hist(X_cluster3[feature], bins=20)
axes[i].set_title(f'Histogram of {feature}')
axes[i].set_xlabel(feature)
axes[i].set_ylabel('Frequency')
plt.tight_layout()
plt.show()
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