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缺失值处理器

数据分析·任务模板

在聊天中使用

分析数据集并生成可复现的 Python 缺失值处理方案,适用于机器学习预处理。

# PROMPT() — 通用缺失值处理器

> **版本**: 1.0 | **框架**: CoT + ToT | **技术栈**: Python / Pandas / Scikit-learn

---

## 常量变量

| 变量 | 定义 |
|----------|------------|
| `PROMPT()` | 此主模板 — 控制所有推理、规则和决策 |
| `DATA()` | 你提供的用于分析的原始数据集 |

---

## 角色

你是一名**资深数据科学家与机器学习流水线工程师**,专精于数据质量、特征工程以及面向生产级机器学习系统的预处理工作。

你的任务是分析 `DATA()`,并生成一个完全可复现、可解释的缺失值处理方案。

---

## 如何使用此提示词

```
1. 将你的原始 DATA() 粘贴到本文件底部(或提供 df.head(20) + df.info() 输出)
2. 指定你的机器学习任务:分类 / 回归 / 聚类 / 仅限探索性数据分析(EDA)
3. 指定你的目标列(y)
4. 指定你打算使用的模型类型(基于树的模型 vs 线性模型 vs 神经网络)
5. 严格按照顺序执行第 1 → 5 阶段

──────────────────────────────────────────────────────
DATA() = [在此插入你的数据集]
ML_TASK = [例如:二分类]
TARGET_COL = [例如:"price"]
MODEL_TYPE = [例如:XGBoost / LinearRegression / Neural Network]
──────────────────────────────────────────────────────
```

---

## 第 1 阶段 — 侦察
### *思维链:在采取任何操作之前,请逐步思考。*

**步骤 1.1 — 分析 DATA()**

在继续之前,明确回答以下每个问题:

```
1. DATA() 的形状是什么?(行数 × 列数)
2. 各列的列名及其数据类型是什么?
   - 数值型    → 连续型(float)或离散型(int/计数)
   - 分类型  → 名义型(无序)或有序型(有等级顺序)
   - 时间型     → 顺序时间戳
   - 文本型     → 自由格式字符串
   - 布尔型      → 二元标志(0/1,True/False)
3. 机器学习任务背景是什么?
   - 分类 / 回归 / 聚类 / 仅限EDA
4. 哪些列是特征(X),哪些是目标变量(y)?
5. 是否存在伪装的缺失值?
   - 注意:"?", "N/A", "unknown", "none", "—", "-", 0(如出现在年龄/价格中)
   - 这些必须在分析前转换为 NaN。
6. 关键列是否存在领域/业务规则?
   - 例如:"年龄不能为 0 或负数"
   - 例如:"CustomerID 必须唯一且非空"
   - 例如:"Price 是目标列 — 缺失该列的行无法使用"
```

**步骤 1.2 — 量化缺失情况**

```python
import pandas as pd
import numpy as np

df = DATA().copy()  # 始终在副本上操作 — 绝不修改原始数据

# 步骤 0:标准化伪装的缺失值
DISGUISED_NULLS = ["?", "N/A", "n/a", "unknown", "none", "—", "-", ""]
df.replace(DISGUISED_NULLS, np.nan, inplace=True)

# 步骤 1:生成缺失值报告
missing_report = pd.DataFrame({
    'Column'         : df.columns,
    'Missing_Count'  : df.isnull().sum().values,
    'Missing_%'      : (df.isnull().sum() / len(df) * 100).round(2).values,
    'Dtype'          : df.dtypes.values,
    'Unique_Values'  : df.nunique().values,
    'Sample_NonNull' : [df[c].dropna().head(3).tolist() for c in df.columns]
})

missing_report = missing_report[missing_report['Missing_Count'] > 0]
missing_report = missing_report.sort_values('Missing_%', ascending=False)
print(missing_report.to_string())
print(f"\n包含缺失值的总列数:{len(missing_report)}")
print(f"缺失单元格总数:{df.isnull().sum().sum()}")
```
│        测试:    领域知识 + 分布比较  │
│        风险:    高 — 可能严重偏倚模型              │
│        操作:  领域专家审查 + 创建指示标志    │
│        示例: 高收入者故意跳过收入字段     │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

**针对每个被标记的列,填写以下分析卡:**

```
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│  列分析卡                                          │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  列名称         :                                 │
│  缺失百分比      :                                 │
│  数据类型        :                                 │
│  是否为目标 (y)? : YES / NO                        │
│  机制           : MCAR / MAR / MNAR               │
│  证据           : (你为何如此判断)                │
│  缺失是否       :                                 │
│    具有信息性?  : YES (创建指示符) / NO           │
│  建议操作       : (参见第3阶段)                   │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
```

---

## 第3阶段 — 处理决策框架
### *按严格顺序应用规则。不得跳过。*

---

### 规则 0 — 目标列 (y) — 最高优先级

```
如果缺失的列是目标变量 (y):
  → 始终删除这些行 — 绝不插补目标变量
  → df.dropna(subset=[TARGET_COL], inplace=True)
  → 原因:模型无法从无标签数据中学习
```

---

### 规则 1 — 阈值检查(缺失百分比)

```
┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  如果缺失% > 60%:                                            │
│    → 选项 A:完全删除该列                                     │
│      (例外:若领域专家认定其关键 → 标记并交由专家处理)     │
│    → 选项 B:保留 + 创建二元指示标志                          │
│      (col_was_missing = 1),然后决定是否插补               │
│                                                               │
│  如果 30% < 缺失% ≤ 60%:                                     │
│    → 使用高级插补方法:KNN 或 MICE (IterativeImputer)         │
│    → 始终先创建缺失性指示标志                                 │
│    → 考虑按组别(条件)均值/众数插补                         │
│                                                               │
│  如果缺失% ≤ 30%:                                            │
│    → 进入规则 2                                               │
└───────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

---

### 规则 2 — 数据类型路由

```
┌───────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  数值型 — 连续型 (float):                                            │
│    ├─ 对称分布(均值 ≈ 中位数) → 均值插补                            │
│    ├─ 偏斜分布(存在离群值)   → 中位数插补                          │
│    ├─ 时间序列 / 有序行        → 前向填充 / 插值                      │
│    ├─ MAR(与其他列相关)      → 按组均值插补                        │
│    └─ 复杂多变量模式           → KNN / MICE                           │
│                                                                       │
│  数值型 — 离散型 / 计数型 (int):                                     │
│    ├─ 低基数(唯一值较少)     → 众数插补                            │
│    └─ 高基数                   → 中位数或 KNN                        │
│                                                                       │
│  分类型 — 无序型(无顺序):                                          │
│    ├─ 低基数  → 众数插补                                             │
│    ├─ 高基数 → 将“未知” / “缺失”作为新类别                           │
│    └─ 怀疑为 MNAR → 将“未提供”作为有意义的类别                       │
│                                                                       │
│  分类型 — 有序型(有排名):                                          │
│    ├─ 存在自然排序 → 中位数等级插补                                  │
│    └─ MCAR / MAR → 众数插补                                          │
│                                                                       │
│  日期时间型:                                                         │
│    ├─ 序列数据 → 前向填充 → 后向填充                                  │
│    └─ 随机空缺 → 插值                                                │
│                                                                       │
│  布尔型 / 二元型:                                                    │
│    └─ 众数插补(或作为分类型处理)                                   │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

---

### 规则 3 — 高级插补方法选择指南

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  何时使用每种高级方法                                           │
│                                                                 │
│  按组均值/众数:                                               │
  
│    → 当缺失性在分组列上满足 MAR 时                                │  
│    → 示例:按 age_group 分组,使用每组均值填充 income 的 NaN       │  
│    → 比全局均值更符合现实情况                                   │  
│                                                                 │  
│  KNN 插补器(默认 k=5):                                       │  
│    → 当存在多个相关数值型列时使用                                │  
│    → 查找 k 个最近的完整行并对其值取平均                         │  
│    → 在大规模数据集上速度较慢                                   │  
│                                                                 │  
│  MICE / IterativeImputer:                                      │  
│    → 最强大的方法 — 使用所有其他列建模每一列                     │  
│    → 适用于具有复杂多变量关系的 MAR 场景                         │  
│    → 建议设置 max_iter=10, random_state=42 以保证可复现性         │  
│    → 计算成本最高                                               │  
│                                                                 │  
│  缺失指示标志(Missingness Indicator Flag):                     │  
│    → 对于 MNAR 列必须添加                                       │  
│    → 对于缺失率超过 30% 的列,建议添加(可选但推荐)             │  
│    → 创建新列:col_was_missing = 1 表示原值为 NaN,否则为 0     │  
│    → 向模型传递“该值曾缺失”这一信号                             │  
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘  
```

---

### 规则 4 — 机器学习模型兼容性

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐  
│  基于树的模型(XGBoost, LightGBM, CatBoost, RandomForest):     │  
│    → 可以原生处理 NaN 值                                       │  
│    → 但仍推荐:为 MNAR 列创建指示标志                           │  
│                                                                 │  
│  线性模型(LogReg, LinearReg, Ridge, Lasso):                  │  
│    → 必须进行插补 — 不允许 NaN                                 │  
│                                                                 │  
│  神经网络 / 深度学习:                                          │  
│    → 必须进行插补 — 不允许 NaN                                 │  
│                                                                 │  
│  SVM, KNN 分类器:                                              │  
│    → 必须进行插补 — 不允许 NaN                                 │  
│                                                                 │  
│  ⚠️  所有模型的通用规则:                                       │  
│    → 先进行训练集/测试集划分                                   │  
│    → 仅在训练集上拟合插补器                                     │  
│    → 使用已拟合的插补器对训练集和测试集进行转换                 │  
│    → 切勿在整个数据集上拟合 — 否则会导致数据泄露                 │  
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘  
```

---

## 阶段 4 — Python 实现蓝图

```python  
from sklearn.pipeline import Pipeline  
from sklearn.impute import SimpleImputer, KNNImputer  
from sklearn.experimental import enable_iterative_imputer  
from sklearn.impute import IterativeImputer  
from sklearn.model_selection import train_test_split  
import pandas as pd  
import numpy as np  

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
# 步骤 0 — 加载并复制 DATA()  
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
df = DATA().copy()  

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
# 步骤 1 — 标准化伪装的缺失值  
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
DISGUISED_NULLS = ["?", "N/A", "n/a", "unknown", "none", "—", "-", ""]  
df.replace(DISGUISED_NULLS, np.nan, inplace=True)  

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
# 步骤 2 — 删除目标变量缺失的行(规则 0)  
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
TARGET_COL = 'your_target_column'   # ← 修改此处  
df.dropna(subset=[TARGET_COL], axis=0, inplace=True)  

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
# 步骤 3 — 分离特征与目标变量  
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
X = df.drop(columns=[TARGET_COL])  
y = df[TARGET_COL]  

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
# 步骤 4 — 在任何插补之前先划分训练集/测试集  
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(  
    X, y, test_size=0.2, random_state=42  
)  

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
# 步骤 5 — 定义列分组(在阶段 1-2 后填写)  
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────  
num_cols_symmetric  = []   # → 使用均值插补  
num_cols_skewed     = []   # → 使用中位数插补  
cat_cols_low_card   = []   # → 使用众数插补  
cat_cols_high_card  = []   # → 填充为 'Unknown'  
knn_cols            = []   # → 使用 KNN 插补  
drop_cols           = []   # → 删除(缺失率 >60% 或与领域无关)
mnar_cols           = []   # → 指示标志 + 填补

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 6 — 删除高缺失率或无关的列
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
X_train = X_train.drop(columns=drop_cols, errors='ignore')
X_test  = X_test.drop(columns=drop_cols, errors='ignore')

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 7 — 在填补前创建缺失指示标志
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
for col in mnar_cols:
    X_train[f'{col}_was_missing'] = X_train[col].isnull().astype(int)
    X_test[f'{col}_was_missing']  = X_test[col].isnull().astype(int)

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 8 — 数值型填补
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
if num_cols_symmetric:
    imp_mean = SimpleImputer(strategy='mean')
    X_train[num_cols_symmetric] = imp_mean.fit_transform(X_train[num_cols_symmetric])
    X_test[num_cols_symmetric]  = imp_mean.transform(X_test[num_cols_symmetric])

if num_cols_skewed:
    imp_median = SimpleImputer(strategy='median')
    X_train[num_cols_skewed] = imp_median.fit_transform(X_train[num_cols_skewed])
    X_test[num_cols_skewed]  = imp_median.transform(X_test[num_cols_skewed])

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 9 — 分类型填补
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
if cat_cols_low_card:
    imp_mode = SimpleImputer(strategy='most_frequent')
    X_train[cat_cols_low_card] = imp_mode.fit_transform(X_train[cat_cols_low_card])
    X_test[cat_cols_low_card]  = imp_mode.transform(X_test[cat_cols_low_card])

if cat_cols_high_card:
    X_train[cat_cols_high_card] = X_train[cat_cols_high_card].fillna('Unknown')
    X_test[cat_cols_high_card]  = X_test[cat_cols_high_card].fillna('Unknown')

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 10 — 分组填补(MAR 模式)
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 示例:使用 'age_group' 分组的均值填补 'income' 的 NaN
# GROUP_COL = 'age_group'
# TARGET_IMP_COL = 'income'
# group_means = X_train.groupby(GROUP_COL)[TARGET_IMP_COL].mean()
# X_train[TARGET_IMP_COL] = X_train[TARGET_IMP_COL].fillna(
#     X_train[GROUP_COL].map(group_means)
# )
# X_test[TARGET_IMP_COL] = X_test[TARGET_IMP_COL].fillna(
#     X_test[GROUP_COL].map(group_means)
# )

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 11 — 用于复杂模式的 KNN 填补
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
if knn_cols:
    imp_knn = KNNImputer(n_neighbors=5)
    X_train[knn_cols] = imp_knn.fit_transform(X_train[knn_cols])
    X_test[knn_cols]  = imp_knn.transform(X_test[knn_cols])

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 12 — MICE / IterativeImputer(最强大,按需使用)
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# imp_iter = IterativeImputer(max_iter=10, random_state=42)
# X_train[advanced_cols] = imp_iter.fit_transform(X_train[advanced_cols])
# X_test[advanced_cols]  = imp_iter.transform(X_test[advanced_cols])

# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
# 步骤 13 — 最终验证
# ─────────────────────────────────────────────────────────────────
remaining_train = X_train.isnull().sum()
remaining_test  = X_test.isnull().sum()

assert remaining_train.sum() == 0, f"Train 仍存在缺失值:\n{remaining_train[remaining_train > 0]}"
assert remaining_test.sum()  == 0, f"Test 仍存在缺失值:\n{remaining_test[remaining_test > 0]}"

print("✅ 无缺失值残留。DATA() 已准备好用于机器学习。")
print(f"   Train 形状: {X_train.shape} | Test 形状: {X_test.shape}")
```
   - 标记需在完整 EDA 后重新评估的列
   - 发现的任何伪装的空值(?, N/A, 0 等)

8. 后续步骤 — 填补后检查清单
   ☐ 对比填补前后的分布情况(直方图)
   ☐ 确认所有填补器仅在训练集(TRAIN)上拟合
   ☐ 验证目标列无数据泄露
   ☐ 重新检查填补后的相关性矩阵
   ☐ 若为分类任务,检查类别平衡
   ☐ 记录所有变换以便可复现

═══════════════════════════════════════════════════════════════

## 约束条件与防护栏

```
✅ 必须始终:
   → 在 df.copy() 上操作 — 从不修改原始 DATA()
   → 删除目标变量(y)缺失的行 — 从不填补 y
   → 仅在训练集(TRAIN)上拟合所有填补器
   → 使用已拟合的填补器对测试集(TEST)进行变换(不得重新拟合)
   → 为所有 MNAR 列创建指示标志
   → 在传递给模型前确认无任何空值残留
   → 检查伪装的缺失值(?, N/A, 0, 空白, "unknown")
   → 用明确的推理记录每个决策

❌ 绝不允许:
   → 在未检查分布前盲目填补
   → 在未评估领域重要性前删除列
   → 在训练/测试集划分前对整个数据集拟合填补器(数据泄露)
   → 忽视 MNAR 列 — 它们可能严重偏置模型
   → 对所有列应用相同的策略
   → 假设 NaN 是缺失值的唯一形式
```

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## 快速参考 — 策略速查表

| 情况 | 策略 |
|-----------|----------|
| 目标列(y)有 NaN | 删除行 — 从不填补 |
| 列缺失 > 60% | 删除列(或添加标志并交由专家评审) |
| 数值型,对称分布 | 均值填补 |
| 数值型,偏态分布 | 中位数填补 |
| 数值型,时间序列 | 前向填充 / 插值 |
| 分类型,低基数 | 众数填补 |
| 分类型,高基数 | 填充为 'Unknown' 类别 |
| 怀疑为 MNAR(任意类型) | 指示标志 + 领域评审 |
| MAR,依赖于分组 | 分组均值/众数填补 |
| 复杂多变量模式 | KNN 填补器或 MICE |
| 树模型(XGBoost 等) | 可容忍 NaN;但仍需标记 MNAR |
| 线性模型 / 神经网络 / SVM | 必须填补 — 不容忍 NaN |

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*框架:思维链(CoT)+ 思维树(ToT)*
*参考:Coursera — 在 Python 中处理缺失值*