Predicting Credit Card Fraud using Supervised Machine Learning Methods: Comparative Analysis

Year 2024, , 242 - 262, 13.08.2024

Güner Altan , Metin Recep Zafer

https://doi.org/10.26650/JEPR1433315

Abstract

Currently, with the progress of technology, people’s and institutions’ range of expenditure channels via digital platforms has expanded. In addition, payment methods have become easier with the digital age. An expenditure, made from even a distant corner of the World, takes place instantaneously through the Internet. Although the rapid and global nature of digitisation contains many advantages, ensuring transaction security can be challenging. In this context, banks have undoubtedly become the most crucial institutions that mediate safe transactions between customers and sellers. In an era where credit card transactions are so prevalent, it is seen as a problem that needs to be solved by banks to determine whether these transactions involve fraud or not, both for their profitability and reputation. It takes a serious effort to determine that credit card expenditures, characterised by dynamic nature, are real expenses of the customer. Therefore, the aim of this study is to propose a model based on supervised machine learning with using real and current data with a few key features. The objective is to reduce banks’ operational burden and cost when identifying credit card fraud. In this context, the credit card transactions of a state-owned bank in January 2023 were considered, using a dataset comprising 13,050 observations. Python programming language is used for model building, and classification algorithms with high discriminatory power, such as Random Forest, Logistic Regression, K-Nearest Neighbours, Decision Trees, and Gradient Boosting, are preferred, which are machine learning techniques. The accuracy scores of the algorithms used in the model setup were determined as follows: Logistic Regression, 92.5%; Decision Tree, 93.1%; K-Nearest Neighbour 86.4%; Random Forest 91.8% and Gradient Boosting 86.9% and performance metrics, such as precision, recall, F1 score, and ROC-AUC, were also examined. Based on their performances, five algorithms were recommended for this study.

Keywords

Credit card fraud, Machine learning, Supervised learning, Random forest, Gradient boosting

Denetimli Makine Öğrenmesi Yöntemleri ile Kredi Kartı Sahteciliğini Tahmin Etme: Karşılaştırmalı Analiz

Abstract

Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle birlikte kişi ve kurumların dijital platform aracılığıyla harcama kanal yelpazesi genişlemiştir. Bununla birlikte ödeme yöntemleri dijital çağ ile birlikte kolaylaşmıştır. İnternet aracılığıyla dünyanın bir ucundan yapılan bir harcama saniyeler içinde gerçekleşmektedir. Dijitalleşmenin bu kadar hızlı ve global olması, birçok avantajı barındırırken yapılan harcamaların güvenliğini tespit etmek bir o kadar zor olabilmektedir. Bu bağlamda; bankalar şüphesiz, müşteri ile satıcı arasında güvenli bir alışverişe aracılık eden en önemli kurum haline gelmiştir. Kredi kartı harcamalarının bu denli yoğun olduğu dönemde bankaların söz konusu işlemlerin dolandırıcılık olup olmadığını tespit etmesi hem bankaların karlılığını hem de itibarlarını korumaları açısından çözüme kavuşturulması gereken bir problem olarak görülmektedir. Dinamik bir yapıya sahip olan kredi kartı harcamalarının banka müşterisine ait gerçek bir harcama olduğunu tespit etmek ciddi bir efor gerektirmektedir. Bu bağlamda çalışmanın amacı, denetimli makine öğrenmesi yöntemiyle gerçek ve güncel verilerden yola çıkarak az sayıda öz nitelik ile bir model önerisi sunmaktır. Bu bağlamda bankaların kredi kartı sahteciliği tespitindeki operasyon ve maliyet yükünün hafifletilmesi hedeflenmektedir. Bu kapsamda çalışmamızda kamu sermayeli bir bankaya ait 2023 yılı ocak ayı kredi kartı işlemleri baz alınmıştır. Veri seti 13050 gözlem sayısından oluşmaktadır. Model kurulmasında Python programlama dili kullanılmış olup denetimli makine öğrenmesi tekniklerinden Rassal Orman, Lojistik Regresyon, K-En Yakın Komşu, Karar Ağaçları, Gradyan Güçlendirme gibi sınıflandırmada ayırt etme gücü yüksek olan algoritmalar tercih edilmiştir. Algoritmaların kredi kartı sahtecilik işlemini tahmin etme doğruluk skorları ise Lojistik Regresyon % 92.5, Karar Ağaçları %93.1, K- En Yakın Komşu %86.4, Rassal Orman %91.8, Gradyan Güçlendirme %86. 9 olup bunun yanı sıra kesinlik, duyarlılık, F1 skoru ve ROC-AUC gibi performans metrikleri de incelenmiştir. Çalışmada performanslarından dolayı beş algoritmada önerilmektedir.

Keywords

Kredi kartı sahteciliği, Makine öğrenmesi, Denetimli öğrenme, Rassal orman, Gradyan güçlendirme

References

• Afriyie, J. K., Tawiah, K., Pels, W. A., Addai-Henne, S., Dwamena, H. A., Owiredu, E. O., ... & Eshun, J. (2023). A supervised machine learning algorithm for detecting and predicting fraud in credit card transactions. Decision Analytics Journal, 6, 100163. google scholar
• Alraddadi, A. S. (2023). A Survey and a Credit Card Fraud Detection and Prevention Model using the Decision Tree Algorithm. Engineering, Technology & Applied Science Research, 13(4), 11505-11510. google scholar
• Ay, A.K. (2022). Kredi Kartı Dolandırıcılığının Tespitinde Yeniden Örnekleme Tekniklerinin Kullanımı. (Yüksek Lisans Tezi), Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. google scholar
• Breiman, L. (2001). Random forests. Machine learning, 45, 5-32. google scholar
• Çilburunoğlu, K. (2023). Kredi Kartı Dolandırıcılık Tespitinde Makine Öğrenme Algoritmalarının Karşılaştırmalı Analizi. (Yüksek Lisans Tezi), İstanbul Gedik Üniversitesi Eğitim Enstitüsü. google scholar
• Çolak, U. (2021, 30 Mayıs). https://ufukcolak.medium.com/makine-öğrenmesi-veri-ön-işleme-5-58e1ce73c1fb. google scholar
• Goy, G., Gezer, C., & Güngör, V. C. (2019). Makine Öğrenmesi Yöntemleri ile Kredi Kartı Sahteciliği Tespiti. 4. Uluslararası Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Konferansı (UBMK) google scholar
• Hild, A. (2021). Estimating And Evaluating The Probability Of Default- A Machine Learning Approach. (Master Thesis). Uppsala Universitet, Statistics İn The Faculty Of Social Sciences. google scholar
• Kılıç, N. (2023). Makine Öğrenimi Algoritmaları ile Kredi Kartı İşlemlerinde Dolandırıcılık Tespiti. (Yüksek Lisans Tezi). Hitit Üniversitesi Eğitim Enstitüsü. google scholar
• Madhurya, M. J., Gururaj, H. L., Soundarya, B. C., Vidyashree, K. P., & Rajendra, A. B. (2022). Exploratory analysis of credit card fraud detection using machine learning techniques. Global Transitions Proceedings, 3(1), 31-37. google scholar
• Nie, G., Rowe, W., Zhang, L., Tian, Y., & Shi, Y. (2011). Credit card churn forecasting by logistic regression and decision tree. Expert Systems with Applications, 38(12), 15273-15285. google scholar
• Noviandy, T. R., Idroes, G. M., Maulana, A., Hardi, I., Ringga, E. S., & Idroes, R. (2023). Credit Card Fraud Detection for Contemporary Financial Management Using XGBoost-Driven Machine Learning and Data Augmentation Techniques. Indatu Journal of Management and Accounting, 1(1), 29-35. google scholar
• Sorhun, E. (2021). Python ile Makine Öğrenmesi. İstanbul: Abaküs Yayınları. google scholar
• Şahinaslan, E., Günerkan, M., & Şahinaslan, Ö. (2023). Makine Öğrenmesinde Kategorik Veri Kodlama Tekniğinin Kullanımına Alternatif Bir Çözüm Yöntemi. Journal of Intelligent Systems: Theory and Applications, 6(1), 1-11. google scholar
• Ren, Z., Wang, S., & Zhang, Y. (2023). Weakly supervised machine learning. CAAI Transactions on Intelligence Technology, 8(3), 549-580. google scholar
• Taşcı, E., & Onan, A. (2016). K-en yakın komşu algoritması parametrelerinin sınıflandırma performansı üzerine etkisinin incelenmesi. Akademik Bilişim, 1(1), 4-18. google scholar
• Osisanwo, F. Y., Akinsola, J. E. T., Awodele, O., Hinmikaiye, J. O., Olakanmi, O., & Akinjobi, J. (2017). Supervised machine learning algorithms: classification and comparison. International Journal of Computer Trends and Technology (IJCTT), 48(3), 128-138. google scholar
• Unogwu, O. J., & Filali, Y. (2023). Fraud detection and identification in credit card based on machine learning techniques. Wasit Journal of Computer and Mathematics Science, 2(3), 16-22. google scholar
• Yeşilyurt, F. (2023). Kredi Kartı Sahteciliğinin Yapay Sinir Ağları ile Tespiti. (Yüksek Lisans Tezi), Kütahya Dumlupınar Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü. google scholar