Scikit-learn 缺失值处理：SimpleImputer 完整指南

一、为什么需要缺失值处理

真实数据集普遍存在缺失值（NaN）。缺失值会导致：

• 机器学习模型训练报错（大部分 estimator 不接受 NaN）
• 统计分析结果偏差（缺失值不参与计算）
• 数据质量下降（影响决策准确性）

处理策略对比：

SimpleImputer覆盖了均值、中位数、众数、常数四种策略，是工程实践中的首选方案。

二、数据准备

import pandas as pd import numpy as np # 构造含缺失值的测试数据集 data = { 'size': ['XL', 'L', 'M', np.nan, 'M', 'M'], # 类别型，有缺失 'color': ['red', 'green', 'blue', 'green', 'red', 'green'], 'gender': ['female', 'male', np.nan, 'female', 'female', 'male'], # 类别型，有缺失 'price': [199.0, 89.0, np.nan, 129.0, 79.0, 89.0], # 数值型，有缺失 'weight': [500, 450, 300, np.nan, 410, np.nan], # 数值型，有缺失 'bought': ['yes', 'no', 'yes', 'no', 'yes', 'no'] } df = pd.DataFrame(data)

数据概览：

缺失值检测：

# 统计每列缺失值数量 df.isnull().sum() # size 1 # color 0 # gender 1 # price 1 # weight 2 # bought 0

三、四种填充策略详解

策略 1：均值填充（mean）

适用场景：数值型特征，数据分布近似正态。

from sklearn.impute import SimpleImputer 创建填充器：strategy='mean' 使用列均值填充 imputer = SimpleImputer(missing_values=np.nan, strategy='mean') fit_transform 两步合一： fit() 计算 weight 列均值 = (500+450+300+410)/4 = 415.0 transform() 用 415.0 填充缺失位置 df[["weight"]] = imputer.fit_transform(df[["weight"]])

填充结果：第 3 行和第 5 行的 weight 被 415.0 填充。

查看填充统计值：

imputer.statistics_ # array([415.]) imputer.statistics_[0] array([415.]) imputer.statistics_[0] np.float64(415.0)

关键点：

• 输入必须是二维结构df[["weight"]]，不能是df["weight"]（一维 Series）
• 均值仅基于非缺失值计算
• 如果列全为 NaN，fit_transform 会报错

策略 2：常数填充（constant）

适用场景：需要用特定业务含义值填充时，如用 0 表示"未测量"、用 "unknown" 表示"未知"。

# strategy='constant' + fill_value 指定填充值 imputer = SimpleImputer( missing_values=np.nan, strategy='constant', fill_value=99.0 # 用 99.0 填充 price 列缺失值 ) df[["price"]] = imputer.fit_transform(df[["price"]])

填充结果：第 2 行 price 被 99.0 填充。

imputer.statistics_ # array([99.0], dtype=object)

关键点：

• fill_value可以是任意类型（数值、字符串）
• 数值型用数值填充，类别型用字符串填充
• statistics_返回dtype=object，与均值策略的float64不同

策略 3：众数填充（most_frequent）

适用场景：类别型特征，或数值型离散值。

# strategy='most_frequent' 使用列中出现次数最多的值 imputer = SimpleImputer(missing_values=np.nan, strategy='most_frequent') size 列中 'M' 出现 3 次（最多），NaN 被替换为 'M' df[["size"]] = imputer.fit_transform(df[["size"]])

填充结果：第 3 行 size 被 'M' 填充。

imputer.statistics_ # array(['M'], dtype=object)

关键点：

• 如果有多个值出现次数相同，选第一个
• 适用于类别型，也可用于数值型离散值
• 可能加剧类别不平衡（已有 'M' 3 个，填充后变 4 个）

策略 4：批量填充字符串列

适用场景：一次性填充所有类别型列。

# 重建数据集 df = pd.DataFrame(data) 创建常量填充器，用 "empty" 填充 imputer = SimpleImputer( missing_values=np.nan, strategy='constant', fill_value="empty" ) 自动筛选所有 object 类型的列 columns = df.select_dtypes(include=['object']).columns 选中: size, color, gender, bought 批量填充 df.loc[:, columns] = imputer.fit_transform(df[columns])

填充结果：size 和 gender 列的 NaN 被替换为 "empty"。

关键点：

• select_dtypes(include=['object'])选中所有字符串列
• df.loc[:, columns]确保 inplace 赋值不触发 SettingWithCopyWarning
• 一次 fit_transform 处理多列，各列用同一个 fill_value

四、进阶技巧

技巧 1：按非缺失子集计算统计量

场景：需要基于某列的非缺失值计算其他列的统计量。

df = pd.DataFrame(data) 筛选 weight 非缺失的行，计算数值列均值 df[~df["weight"].isnull()].select_dtypes(include=['float']).mean() price 122.333333 weight 415.000000

拆解说明：

# 步骤 1: df["weight"].isnull() → 布尔序列，True 表示缺失 # [False, False, False, True, False, True] 步骤 2: ~ 取反，True 变 False，筛选非缺失行 [True, True, True, False, True, False] 步骤 3: select_dtypes(include=['float']) 选中 price 和 weight 列 步骤 4: .mean() 计算均值 price = (199+89+129+79+89)/5 = 122.33（注意 price 第2行也缺失，被排除） weight = (500+450+300+410)/4 = 415.0

技巧 2：fit 与 transform 分离

场景：训练集 fit，测试集用训练集的统计量 transform，避免数据泄露。

from sklearn.model_selection import train_test_split # 划分训练集和测试集 train_df, test_df = train_test_split(df, test_size=0.3, random_state=42) 训练集 fit：计算均值 imputer = SimpleImputer(strategy='mean') imputer.fit(train_df[["weight"]]) 测试集 transform：用训练集均值填充 避免测试集信息泄露到训练过程 test_df["weight"] = imputer.transform(test_df[["weight"]])

技巧 3：Pipeline 集成

场景：将缺失值填充与模型训练组合成流水线。

from sklearn.pipeline import Pipeline from sklearn.linear_model import LogisticRegression 构建 Pipeline：先填充缺失值，再训练模型 pipeline = Pipeline([ ('imputer', SimpleImputer(strategy='mean')), # 第一步：均值填充 ('classifier', LogisticRegression()) # 第二步：训练模型 ]) 直接 fit/predict，填充过程自动执行 pipeline.fit(X_train, y_train) predictions = pipeline.predict(X_test)

五、策略选型决策树

缺失值类型？ ├── 数值型 │ ├── 分布近似正态 → 均值填充（mean） │ ├── 有离群值 → 中位数填充（median） │ └── 离散值/业务含义明确 → 常数填充（constant） └── 类别型 ├── 分布均匀 → 众数填充（most_frequent） ├── 需要区分缺失与有效值 → 常数填充（constant，如 "unknown"） └── 缺失比例高（>50%）→ 考虑删除该列

缺失比例阈值参考：

六、常见陷阱

陷阱 1：一维输入报错

# ❌ 错误：传入一维 Series imputer.fit_transform(df["weight"]) # ValueError: Expected 2D array, got 1D array instead ✅ 正确：传入二维 DataFrame imputer.fit_transform(df[["weight"]])

陷阱 2：fit_transform 混用导致数据泄露

# ❌ 错误：测试集重新 fit imputer.fit(test_df[["weight"]]) # 测试集信息泄露 # ✅ 正确：用训练集的统计量 imputer.fit(train_df[["weight"]]) imputer.transform(test_df[["weight"]])

陷阱 3：众数填充加剧类别不平衡

# size 列原始分布：M=3, L=1, XL=1 # 众数填充后：M=4, L=1, XL=1 # 'M' 占比从 50% 升至 67%

应对：缺失比例高时，改用常数填充并标记为独立类别。

陷阱 4：SettingWithCopyWarning

# ❌ 可能触发警告 df[columns] = imputer.fit_transform(df[columns]) ✅ 使用 loc 显式赋值 df.loc[:, columns] = imputer.fit_transform(df[columns])

七、速查表

SimpleImputer 参数速查

申明：本文主要内容来源于ant-exercises-sklearn: scikit-learn 编程练习 100例，是个人进行sklearn学习时的产物，如有不适、请告之。