Alura Challenges - Data Science - 2022

Este projeto é resultado da minha participação no Challenge promovido pela Alura, uma plataforma online brasileira de cursos de tecnologia. O desafio foi fazer uma análise de Churn Rate para uma empresa de telecom.

🪧 Vitrine.Dev
✨ Nome	Análise de Churn Rate da Alura Voz
🏷️ Tecnologias	python
🚀 URL	https://github.com/zingarelli/Alura_Voz-Data_Science_Challenge
🔥 Desafio	https://www.alura.com.br/challenges/data-science

Detalhes do projeto

O Alura Challenges é uma proposta de desafio para colocar em prática aquilo que se aprende nos cursos de tecnologia da Alura. Nele, é possível simular uma experiência de trabalho e entrega de um projeto para uma empresa fictícia. São 4 semanas de desafio, sendo que em cada uma é disponibilizado um quadro no Trello com as solicitações da empresa. A cada semana, o desafio aumenta.

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Análise de Churn Rate

Solicitante: Alura Voz, operadora de telecomunicações.

Objetivo: a área de vendas da empresa gostaria de reduzir o Churn Rate, isto é, a Taxa de Evasão de Clientes. Para isso, solicitou uma análise da sua base de dados de clientes para identificar potenciais candidatos a cancelarem seus planos (telefônicos e de Internet) com a empresa.

Material: por meio da API da Alura Voz, é possível acessar os dados de clientes da empresa, que são retornados em um arquivo JSON. A empresa também disponibilizou um dicionário de dados, com a explicação de cada uma das colunas.

Entrega: ao final de cada semana, será entregue um Notebook Python, desenvolvido no Google Colab, com o código e análises efetuados para a resolução das atividades solicitadas pela empresa. Adicionalmente, poderão ser disponibilizados arquivos CSV com resultados obtidos, bem como imagens de gráficos gerados. Tanto os Notebooks quanto os arquivos adicionais ficarão disponíveis no Repositório criado para o projeto no GitHub.

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Semana 1

A primeira semana é dedicada a acessar a base de dados e ter um primeiro contato com as informações disponíveis. É necessário obter os dados da base e formatá-la, para posteriormente verificar sua estrutura, os tipos de dados e valores armazenados, e, por fim, fazer a limpeza e correções apropriadas de informações faltantes ou inconsistentes.

A empresa também fez duas solicitações adicionais que gostaria de ver sendo entregues na primeira semana: tradução das colunas, que estão em inglês, e criação de uma coluna adicional contendo os gastos diários de cada cliente da base.

Resultados obtidos

A base de dados veio em um formato JSON, com os dados estruturados em diferentes níveis. Foi utilizada a função json_normalize() para tabular esses dados e ficarem mais fáceis de se visualizar e trabalhar no DataFrame.

Uma das colunas da base, Charges.Total, que contém o valor total gasto pelo cliente, estava com alguns registros em branco. Após análise, foi constatado se tratar de clientes novos, que provavelmente não tinham 1 mês completo de plano e que por isso ainda não havia valor nessa coluna. Para sanar esse problema, foi copiado o valor mensal desses clientes para a coluna de valor total.

A coluna de Churn (que é o target desse projeto) possuía cerca de 3% dos seus registros vazios. Decidi por fazer uma cópia da base como um backup e então eliminar esses dados vazios na base a ser trabalhada.

Por fim, a base foi adaptada para o português, não apenas as colunas como também o conteúdo delas, para que ficasse tudo padronizado em um mesmo idioma. Foi também criada a coluna gasto_diário, calculada dividindo o valor de gasto mensal por 30.

O resultado final foi exportado para um arquivo CSV. O backup da base (sem a remoção dos dados de Churn vazios), também foi exportado para outro arquivo CSV.

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Semana 2

O foco nesta semana é analisar graficamente os dados, gerando diversos tipos de visualizações e cruzamento entre os valores nas colunas do banco. Grande parte dos gráficos envolveu a coluna Churn (que agora se chama cancelou_plano), por ser o target do projeto, aquilo que busca-se entender.

Graficamente, o objetivo foi procurar relações e tendências entre cancelou_plano e as outras colunas, bem como explorar a distribuição dos dados, buscando identificar, visualmente, perfis de clientes que optaram por sair do plano.

A empresa também solicitou como atividade extra analisar a correlação entre as variáveis.

Foi utilizado o arquivo CSV criado na primeira semana, contendo a base tratada e adaptada para português. Muito dos gráficos foram criados utilizando a biblioteca Seaborn.

Resultados obtidos

Fiz duas suposições, que depois tentei verificar a validade por meio de gráficos relacionando cancelou_plano com outras colunas:

• Suposição 1: um dos motivos para uma pessoa cancelar o plano é o valor pago.

• Suposição 2: clientes fiéis (com mais meses de plano ativo) dificilmente cancelam o plano.

Suposição 1

Para verificar a primeira suposição, criei um gráfico de distribuição categórica (catplot) com as colunas cancelou_plano e gasto_mensal. Para melhor visualizar a concentração dos pontos no gráfico, utilizei o chamado violinplot, em que, quanto maior a área ao redor do eixo y de cada região, maior a concentração de dados nela.

O gráfico abaixo mostra que, de fato, houve uma concentração de cancelamentos nos clientes cujos gastos mensais ficam por volta de 70 a 110 dólares, que representam os planos mais caros. A região em azul representa os clientes que não cancelaram o plano, enquanto a região em laranja representa os que cancelaram o plano.

Verifiquei também como a mesma distribuição se comportava ao separar os dados por gênero e entre os maiores de 65 anos.

No gráfico abaixo, a região azul representa clientes do gênero feminino e a região laranja, do gênero masculino. Foi possível verificar que, para os clientes que não cancelaram o plano, a distribuição de gasto mensal por gênero é bem semelhante. No entanto, dentre aqueles que cancelavam o plano havia um pequeno aumento nas mulheres na faixa de gastos mensais entre 70 e 90 dólares.

Por fim, no gráfico abaixo se encontra a distribuição entre os clientes maiores de 65 anos (em laranja) e os abaixo de 65 anos (azul). Foi possível notar que há um maior número de cancelamentos entre os que possuem mais de 65 anos e planos mais caros. Curiosamente, foi possível também notar que pessoas abaixo de 65 anos e que possuem o plano ativo se concentram em gastos mensais por volta de 20 dólares. Uma estratificação mais detalhada por idade poderia trazer mais detalhes desse fato.

Suposição 2

Nesta segunda suposição, utilizei a função displot para criar um histograma relacionando as colunas cancelou_plano e meses_contrato. Por meio do parâmetro multiple='fill', foi possível sobrepor os dois histogramas, criando um gráfico único que mostrava a proporção entre os clientes que cancelaram ou não o plano, de acordo com a quantidade de meses de contrato.

No gráfico abaixo, estão representados em laranja os clientes que cancelaram o plano, e em azul, os que não cancelaram. Os meses de contrato estão no eixo y. No eixo x temos a contagem proporcional de clientes, entre 0 e 1, que também pode ser interpretada como uma porcentagem. É possível notar uma saída expressiva de clientes com menos tempo de contrato (mais de 50% entre 0 e 5 meses) e que a quantidade de cancelamentos vai gradualmente diminuindo conforme a quantidade de meses de contrato aumenta.

Olhando com mais detalhes para os clientes com tempo de contrato até 5 meses, foi possível verificar que a maior parte dos cancelamentos ocorrem logo após o primeiro mês. Isso pode ser visto no gráfico abaixo, que mostra o histograma entre 0 e 5 meses de contrato, divididos entre os que cancelaram o plano (histograma azul) e os que não cancelaram (histograma laranja).

Esse fato levanta um questionamento: será que a empresa oferece algum tipo de "degustação" de um mês grátis e que, por isso, há tantos cancelamentos concentrados após um mês de contrato?

Conclusão

Baseado nos gráficos aqui apresentados e em outros que podem ser vistos no Notebook desta semana, foi possível concluir que os clientes que cancelaram seus planos tinham gastos mensais na faixa de 70 a 110 dólares, com uma concentração ligeiramente maior por volta de 80 dólares. Dentro dessa faixa, há uma quantidade maior de clientes mulheres e uma concentração relevante de pessoas com idade maior ou igual a 65 anos.

Foi também possível observar que a maior parte dos cancelamentos está concentrada em clientes novos, com até 5 meses de contrato, e que muitos deles estão cancelando o plano logo após o primeiro mês de contrato.

Por fim, há também uma concentração maior de cancelamentos entre clientes que não possuem dependentes. Além disso, quando se olha para o tipo de contrato feito (1 ano, mensal ou 2 anos) a grande maioria dos cancelamentos ocorre nos clientes com plano mensal.

Atividade Extra

Para verificar a correlação entre as colunas da base de dados, foi utilizada a função corr(), com o cálculo do coeficiente de correlação pelo método de Pearson. O resultado foi mostrado em um Heatmap, que facilita a visualização das correlações e sua força por meio de cores de intensidade e tonalidades diferentes. O heatmap foi salvo em um arquivo PNG.

Semana 3 - Modelagem

Para esta semana final (a quarta semana é para organizar o projeto e refinar o storytelling), o foco é preparar a base para criação de modelos de Machine Learning que consigam fazer a classificação dos clientes entre aqueles que talvez venham a cancelar seus planos ou não, que é o target do projeto. Para isso, deve-se verificar se o target está balanceado e corrigir este problema caso não esteja. Antes de utilizar os dados da base para o treinamento dos modelos, também é necessário efetuar o encoding dos valores categóricos.

Com essas etapas superadas, é possível seguir com a criação e treinamento de dois modelos de Machine Learning e testá-los com os dados da base, comparando os resultados das métricas obtidos em cada um para escolher o melhor deles, que irá, por fim, passar por uma etapa de otimização.

As features utilizadas para treinar os modelos são aquelas identificadas na Semana 2.

Resultados obtidos

Balanceamento

A análise de balanceamento do target revelou que este de fato se encontrava desbalanceado: cerca de 75% da base é formada por clientes que não cancelaram o plano e o restante, por clientes que cancelaram. Uma variável balanceada precisa ter uma quantidade equivalente de registros para cada um dos valores possíveis que ela pode assumir.

No caso da base deste projeto, o target possui dois valores possíveis: Sim (a pessoa cancelou o plano) e Nao (a pessoa não cancelou o plano). Para sanar este problema, foram exploradas duas estratégias: oversampling, isto é, criação de novos dados sintéticos (utilizando a técnica SMOTE) e undersampling, que seria o contrário, remoção de registros até se obter a mesma quantidade de registros para os dois valores possíveis para o target (neste caso, utilizando a técnica Near Miss).

Encoding

Como as variáveis categóricas possuíam entre 2 a 4 valores possíveis (com exceção do ID do cliente, o qual não foi utilizado na modelagem), apliquei primeiramente a técnica de Label Encoding em cada coluna, que é mais simples. Nessa técnica, cada valor categórigo diferente é convertido para um valor numérico. Por exemplo, Nao pode ser convertido para 0 e Sim para 1, e assim por diante.

Outra técnica que foi aplicada, porém em um momento posterior do projeto, foi o One-Hot Encoding. No One-Hot, cada coluna é substituída por várias outras colunas, cada uma representando um dos valores categóricos possíveis. Indo linha a linha, nestas colunas, é colocado o valor 1 naquela em que o valor categórico está presente e 0 nas restantes. Isso é feito para que não se tenha nenhum tipo de relação de hierarquia entre os valores (por exemplo, o modelo "entender" que o número 2 tem mais relevância que o número 1).

Como o One-Hot Encoding foi feito no final do projeto, ele foi testado somente na etapa em que os modelos estavam prontos. Os resultados obtidos com ele foram próximos dos obtidos com o Label Encoding, sendo melhor em alguns casos (as diferenças chegaram no máximo a 0,05 na comparação das métricas utilizadas).

Modelagem e Validação

Foram criados dois modelos de Machine Learning para classificação: Random Forest e SVC (Support Vector Classification). Ambos foram importados da biblioteca do Scikit-learn. Cada um segue uma estratégia diferente para classificação, então foi possível compará-los para escolher aquele que produziu os melhores resultados.

Para treinamento do modelo, foram utilizadas as seguintes colunas (features):

• Gasto mensal;
• Senioridade (idade acima ou abaixo de 65 anos);
• Gênero;
• Meses de contrato;
• Pessoas com ou sem dependentes;
• Tipo de plano contratado.

Para validar os modelos, foram utilizadas quatro métricas, também importadas da biblioteca do Scikit-learn:

• Acurácia: quanto o modelo acertou em geral;
• Precisão: dentre os resultados positivos reais, quanto o modelo acertou;
• Recall (Sensibilidade): dentre todos os resultados positivos, quanto o modelo acertou;
• F1: média harmônica da Precisão e Recall.

Para analisar visualmente os resultados, foi utilizada a Matriz de Confusão (do Scikit-learn, mais uma vez), que mostra, em quatro quadrantes, a quantidade de Verdadeiros Negativos, Falsos Positivos, Falsos Negativos e Verdadeiros Positivos.

Modelo escolhido

Os modelos, as métricas e a separação dos dados para treino foram modularizados em funções, o que possibilitou aplicar o modelo em diferentes cenários e com diferentes features.

Os melhores resultados foram com a base balanceada com Oversampling, codificada com o Label Encoding.

Dentre os dois modelos, o melhor foi o Random Forest. A diferença para o SVC, no entanto, não foi tão alta.

Todos os resultados e testes podem ser conferidos no Notebook. Na tabela abaixo estão os resultados para o Random Forest, base com Oversampling e Label Encoding:

Métrica	Resultado
Acurácia	0.78121
Precisão	0.74836
Recall	0.86254
F1	0.80140

A imagem abaixo exibe a Matriz de Confusão:

Otimização do modelo

O primeiro teste foi rodar o modelo utilizando todas as colunas no treinamento, para comparar os resultados com os obtidos com as colunas que foram selecionadas. Os resultados foram próximos, sendo que o modelo com todas as colunas foi melhor em termos de acurácia e precisão, e levemente melhor no F1 (diferença na terceira casa decimal). As diferenças na comparação entre os resultados não chegou a 0,03. Considero, então, que as features selecionadas estão adequadas ao modelo.

Testei diferentes variações do Random Forest alterando dois parâmetros: n_estimators, que altera a quantidade de árvores de decisão, e max_depth, que é o quão profunda é a árvore (quanto mais profunda, mais específica ela vai ficando na classificação). Mais uma vez, todos os testes e resultados detalhados podem ser conferidos no Notebook.

Após diferentes testes, chegou-se à seguinte especificação:

• n_estimators=100, que já é o valor padrão da função no Scikit-learn;

• max_depth=12.

Os resultados obtidos com essa seleção e a Matriz de Confusão são mostrados abaixo:

Métrica	Resultado
Acurácia	0.79590
Precisão	0.77601
Recall	0.84517
F1	0.80911

Conclusões finais

O modelo escolhido foi otimizado de modo a balancear os acertos de Verdadeiros Positivos e Negativos, mas procurando não impactar demais nos acertos de Verdadeiros Positivos (pessoas que cancelam o plano), pois acredito que seja o interesse principal da empresa em identificar os clientes em potencial de cancelar seu plano, já que isso impacta nas receitas.

Em conjunto com a análise gráfica realizada, está sendo entregue à empresa um material que possibilita a ela identificar os tipos de clientes que podem cancelar seus planos, auxiliando o time de marketing e de vendas a atuar em grupos específicos de clientes para melhorar a retenção.

Agradecimentos

Agradeço à Alura por esta oportunidade de praticar Data Science em uma simulação de projeto real. Ao Scuba Team da Alura, que criou o desafio e acompanhou a evolução dos alunos por meio de lives. E a todos os alunos no Discord, pelas dicas, reflexões e compartilhamento de código. Foi um mês intenso, mas de bastante aprendizado.