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分布の可視化

分布の可視化 - スケッチノート by @nitya

前のレッスンでは、ミネソタ州の鳥に関するデータセットについていくつか興味深い事実を学びました。外れ値を可視化することで誤ったデータを発見し、鳥のカテゴリ間の最大長の違いを確認しました。

講義前のクイズ

鳥のデータセットを探索する

データを掘り下げるもう一つの方法は、その分布、つまりデータが軸に沿ってどのように整理されているかを見ることです。例えば、このデータセットでミネソタ州の鳥の最大翼幅や最大体重の一般的な分布について知りたいと思うかもしれません。

このデータセットの分布に関するいくつかの事実を発見してみましょう。レッスンフォルダのルートにある notebook.ipynb ファイルで、Pandas、Matplotlib、およびデータをインポートします:

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
birds = pd.read_csv('../../data/birds.csv')
birds.head()

	Name	ScientificName	Category	Order	Family	Genus	ConservationStatus	MinLength	MaxLength	MinBodyMass	MaxBodyMass	MinWingspan	MaxWingspan
0	Black-bellied whistling-duck	Dendrocygna autumnalis	Ducks/Geese/Waterfowl	Anseriformes	Anatidae	Dendrocygna	LC	47	56	652	1020	76	94
1	Fulvous whistling-duck	Dendrocygna bicolor	Ducks/Geese/Waterfowl	Anseriformes	Anatidae	Dendrocygna	LC	45	53	712	1050	85	93
2	Snow goose	Anser caerulescens	Ducks/Geese/Waterfowl	Anseriformes	Anatidae	Anser	LC	64	79	2050	4050	135	165
3	Ross's goose	Anser rossii	Ducks/Geese/Waterfowl	Anseriformes	Anatidae	Anser	LC	57.3	64	1066	1567	113	116
4	Greater white-fronted goose	Anser albifrons	Ducks/Geese/Waterfowl	Anseriformes	Anatidae	Anser	LC	64	81	1930	3310	130	165

一般的に、前のレッスンで行ったように散布図を使用することで、データがどのように分布しているかをすばやく確認できます:

birds.plot(kind='scatter',x='MaxLength',y='Order',figsize=(12,8))

plt.title('Max Length per Order')
plt.ylabel('Order')
plt.xlabel('Max Length')

plt.show()

これは鳥の「Order」ごとの体長の一般的な分布を示していますが、真の分布を表示する最適な方法ではありません。このタスクは通常、ヒストグラムを作成することで処理されます。

ヒストグラムの操作

Matplotlibはヒストグラムを使用してデータ分布を視覚化する非常に優れた方法を提供します。このタイプのチャートは棒グラフのようなもので、バーの上昇と下降を通じて分布を見ることができます。ヒストグラムを作成するには数値データが必要です。ヒストグラムを作成するには、チャートの種類を「hist」と定義してプロットします。このチャートは、データセット全体の数値データ範囲における「MaxBodyMass」の分布を示します。与えられたデータ配列を小さなビンに分割することで、データ値の分布を表示できます:

birds['MaxBodyMass'].plot(kind = 'hist', bins = 10, figsize = (12,12))
plt.show()

ご覧のとおり、このデータセットに含まれる400以上の鳥のほとんどは、最大体重が2000未満の範囲に収まっています。binsパラメータを30などの高い数値に変更して、データについてさらに洞察を得てみましょう:

birds['MaxBodyMass'].plot(kind = 'hist', bins = 30, figsize = (12,12))
plt.show()

このチャートは、より細かい粒度で分布を示しています。左に偏りすぎないチャートを作成するには、特定の範囲内のデータのみを選択するようにします:

体重が60未満の鳥のみをフィルタリングし、40のbinsを表示します:

filteredBirds = birds[(birds['MaxBodyMass'] > 1) & (birds['MaxBodyMass'] < 60)]      
filteredBirds['MaxBodyMass'].plot(kind = 'hist',bins = 40,figsize = (12,12))
plt.show()     

✅ 他のフィルタやデータポイントを試してみましょう。データの完全な分布を表示するには、['MaxBodyMass']フィルタを削除してラベル付き分布を表示します。

ヒストグラムには、色やラベルの強化機能もあります:

2Dヒストグラムを作成して、2つの分布間の関係を比較します。MaxBodyMassとMaxLengthを比較してみましょう。Matplotlibは、明るい色を使用して収束を表示する組み込みの方法を提供しています:

x = filteredBirds['MaxBodyMass']
y = filteredBirds['MaxLength']

fig, ax = plt.subplots(tight_layout=True)
hist = ax.hist2d(x, y)

これら2つの要素間には予想される軸に沿った相関があるようで、特に強い収束点が1つあります:

ヒストグラムはデフォルトで数値データに適しています。テキストデータに基づいて分布を確認する必要がある場合はどうしますか？

テキストデータを使用したデータセットの分布を探索する

このデータセットには、鳥のカテゴリ、属、種、科、および保全状況に関する良い情報も含まれています。この保全情報を掘り下げてみましょう。鳥の保全状況に応じた分布はどのようになっていますか？

✅ データセットでは、保全状況を説明するためにいくつかの略語が使用されています。これらの略語は、種の状況をカタログ化する組織であるIUCNレッドリストカテゴリから来ています。

• CR: 絶滅危惧種
• EN: 絶滅危惧種（危機）
• EX: 絶滅
• LC: 軽度懸念
• NT: 準絶滅危惧種
• VU: 危急種

これらはテキストベースの値なので、ヒストグラムを作成するには変換が必要です。filteredBirdsデータフレームを使用して、その保全状況と最小翼幅を表示します。何が見えますか？

x1 = filteredBirds.loc[filteredBirds.ConservationStatus=='EX', 'MinWingspan']
x2 = filteredBirds.loc[filteredBirds.ConservationStatus=='CR', 'MinWingspan']
x3 = filteredBirds.loc[filteredBirds.ConservationStatus=='EN', 'MinWingspan']
x4 = filteredBirds.loc[filteredBirds.ConservationStatus=='NT', 'MinWingspan']
x5 = filteredBirds.loc[filteredBirds.ConservationStatus=='VU', 'MinWingspan']
x6 = filteredBirds.loc[filteredBirds.ConservationStatus=='LC', 'MinWingspan']

kwargs = dict(alpha=0.5, bins=20)

plt.hist(x1, **kwargs, color='red', label='Extinct')
plt.hist(x2, **kwargs, color='orange', label='Critically Endangered')
plt.hist(x3, **kwargs, color='yellow', label='Endangered')
plt.hist(x4, **kwargs, color='green', label='Near Threatened')
plt.hist(x5, **kwargs, color='blue', label='Vulnerable')
plt.hist(x6, **kwargs, color='gray', label='Least Concern')

plt.gca().set(title='Conservation Status', ylabel='Min Wingspan')
plt.legend();

最小翼幅と保全状況の間には良い相関関係がないようです。この方法を使用してデータセットの他の要素をテストしてください。異なるフィルタを試すこともできます。何か相関関係が見つかりますか？

密度プロット

これまで見てきたヒストグラムは「段階的」であり、滑らかな弧を描いていないことに気付いたかもしれません。滑らかな密度チャートを表示するには、密度プロットを試してみることができます。

密度プロットを操作するには、新しいプロットライブラリSeabornに慣れる必要があります。

Seabornを読み込み、基本的な密度プロットを試してみましょう:

import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
sns.kdeplot(filteredBirds['MinWingspan'])
plt.show()

このプロットは、最小翼幅データに関する以前のプロットを反映していますが、少し滑らかになっています。Seabornのドキュメントによると、「ヒストグラムに比べて、KDEは複数の分布を描画する際に、より解釈しやすく、視覚的に煩雑でないプロットを生成できます。ただし、基礎となる分布が境界付きである場合や滑らかでない場合には歪みを引き起こす可能性があります。ヒストグラムと同様に、表現の品質は良好なスムージングパラメータの選択にも依存します。」source つまり、外れ値は常にチャートの動作を悪化させる可能性があります。

2番目に作成したギザギザの「MaxBodyMass」ラインを再訪したい場合、この方法を使用して非常に滑らかにすることができます:

sns.kdeplot(filteredBirds['MaxBodyMass'])
plt.show()

滑らかすぎないラインを作成したい場合は、bw_adjustパラメータを編集します:

sns.kdeplot(filteredBirds['MaxBodyMass'], bw_adjust=.2)
plt.show()

✅ このタイプのプロットで利用可能なパラメータについて調べて、実験してみましょう！

このタイプのチャートは、非常に説明的な視覚化を提供します。例えば、数行のコードで鳥の「Order」ごとの最大体重密度を表示できます:

sns.kdeplot(
   data=filteredBirds, x="MaxBodyMass", hue="Order",
   fill=True, common_norm=False, palette="crest",
   alpha=.5, linewidth=0,
)

また、1つのチャートで複数の変数の密度をマッピングすることもできます。鳥の最大長と最小長を保全状況と比較してみましょう:

sns.kdeplot(data=filteredBirds, x="MinLength", y="MaxLength", hue="ConservationStatus")

「危急種」の鳥の長さに基づくクラスターが意味を持つかどうかを調査する価値があるかもしれません。

🚀 チャレンジ

ヒストグラムは、基本的な散布図、棒グラフ、折れ線グラフよりも洗練されたタイプのチャートです。インターネットでヒストグラムの良い使用例を探してみましょう。どのように使用されているか、何を示しているか、どの分野や調査領域で使用される傾向があるかを調べてください。

講義後のクイズ

復習と自己学習

このレッスンでは、Matplotlibを使用し、Seabornを使い始めて、より洗練されたチャートを表示しました。Seabornのkdeplotについて調べてみてください。「1次元または複数次元での連続確率密度曲線」です。ドキュメントを読んで、その仕組みを理解してください。

課題

スキルを応用する

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