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kaggleを試してみた

最近機械学習の勉強をはじめました。何冊か本を購入しザーッと目を通し(深くは理解できてません)、次に何か適当なサンプルで機械学習を試してみようと思いましたが、なかなか都合が良いデータというのはないです。
そんな時にKaggleを見つけました。Kaggleはデータ分析コンペを行うサイトですが、機械学習を勉強するのにも、すごく役立つサイトです。

「Titanic: Machine Learning from Disaster」という学習用のコンペをチュートリアルで最初にやるようになってますが、すでに日本語でたくさん紹介されてるので「House Prices: Advanced Regression Techniques」というのをやってみます。タイタニックが分類に対してこれは回帰の問題です。

やってみる、といっても初心者には何からやるのか検討がつきませんが、Kaggleには多くの方々が自分が行ったコード等(Kernels)を説明付きで公開してくれているので、それらを真似すればできます。
最初は人が作ったKernelsをひたすら見て自分のものにする、という感じかと思います。
以下も基本、人が作ったKernelsを参考に書いてます。

また、Kaggleには開発環境もあり、スクリプトまたはノートブック(Jupyter Notebook)の形式でブラウザから試すことできます。システムとしてよくできていると思います。

目的

アイオワ州のエイムズにある住宅価格を79の特徴量より予測します。Ames Housing dataset

データの前処理

ライブラリを読み込みます。

import pandas as pd
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.stats import skew
from scipy.stats.stats import pearsonr
%config InlineBackend.figure_format = 'retina' #set 'png' here when working on notebook
%matplotlib inline

データを確認してみます。

train = pd.read_csv("../input/train.csv")
test = pd.read_csv("../input/test.csv")
train.head()
Id MSSubClass MSZoning LotFrontage LotArea Street Alley LotShape LandContour Utilities LotConfig LandSlope Neighborhood Condition1 Condition2 BldgType HouseStyle OverallQual OverallCond YearBuilt YearRemodAdd RoofStyle RoofMatl Exterior1st Exterior2nd MasVnrType MasVnrArea ExterQual ExterCond Foundation BsmtQual BsmtCond BsmtExposure BsmtFinType1 BsmtFinSF1 BsmtFinType2 BsmtFinSF2 BsmtUnfSF TotalBsmtSF Heating CentralAir Electrical 1stFlrSF 2ndFlrSF LowQualFinSF GrLivArea BsmtFullBath BsmtHalfBath FullBath HalfBath BedroomAbvGr KitchenAbvGr KitchenQual TotRmsAbvGrd Functional Fireplaces FireplaceQu GarageType GarageYrBlt GarageFinish GarageCars GarageArea GarageQual GarageCond PavedDrive WoodDeckSF OpenPorchSF EnclosedPorch 3SsnPorch ScreenPorch PoolArea PoolQC Fence MiscFeature MiscVal MoSold YrSold SaleType SaleCondition SalePrice
0 1 60 RL 65.0 8450 Pave NaN Reg Lvl AllPub Inside Gtl CollgCr Norm Norm 1Fam 2Story 7 5 2003 2003 Gable CompShg VinylSd VinylSd BrkFace 196.0 Gd TA PConc Gd TA No GLQ 706 Unf 0 150 856 GasA Y SBrkr 856 854 0 1710 1 0 2 1 3 1 Gd 8 Typ 0 NaN Attchd 2003.0 RFn 2 548 TA TA Y 0 61 0 0 0 0 NaN NaN NaN 0 2 2008 WD Normal 208500
1 2 20 RL 80.0 9600 Pave NaN Reg Lvl AllPub FR2 Gtl Veenker Feedr Norm 1Fam 1Story 6 8 1976 1976 Gable CompShg MetalSd MetalSd None 0.0 TA TA CBlock Gd TA Gd ALQ 978 Unf 0 284 1262 GasA Y SBrkr 1262 0 0 1262 0 1 2 0 3 1 TA 6 Typ 1 TA Attchd 1976.0 RFn 2 460 TA TA Y 298 0 0 0 0 0 NaN NaN NaN 0 5 2007 WD Normal 181500
2 3 60 RL 68.0 11250 Pave NaN IR1 Lvl AllPub Inside Gtl CollgCr Norm Norm 1Fam 2Story 7 5 2001 2002 Gable CompShg VinylSd VinylSd BrkFace 162.0 Gd TA PConc Gd TA Mn GLQ 486 Unf 0 434 920 GasA Y SBrkr 920 866 0 1786 1 0 2 1 3 1 Gd 6 Typ 1 TA Attchd 2001.0 RFn 2 608 TA TA Y 0 42 0 0 0 0 NaN NaN NaN 0 9 2008 WD Normal 223500
3 4 70 RL 60.0 9550 Pave NaN IR1 Lvl AllPub Corner Gtl Crawfor Norm Norm 1Fam 2Story 7 5 1915 1970 Gable CompShg Wd Sdng Wd Shng None 0.0 TA TA BrkTil TA Gd No ALQ 216 Unf 0 540 756 GasA Y SBrkr 961 756 0 1717 1 0 1 0 3 1 Gd 7 Typ 1 Gd Detchd 1998.0 Unf 3 642 TA TA Y 0 35 272 0 0 0 NaN NaN NaN 0 2 2006 WD Abnorml 140000
4 5 60 RL 84.0 14260 Pave NaN IR1 Lvl AllPub FR2 Gtl NoRidge Norm Norm 1Fam 2Story 8 5 2000 2000 Gable CompShg VinylSd VinylSd BrkFace 350.0 Gd TA PConc Gd TA Av GLQ 655 Unf 0 490 1145 GasA Y SBrkr 1145 1053 0 2198 1 0 2 1 4 1 Gd 9 Typ 1 TA Attchd 2000.0 RFn 3 836 TA TA Y 192 84 0 0 0 0 NaN NaN NaN 0 12 2008 WD Normal 250000

 

データの変換

ほとんどのモデルは特徴量及び出力がガウス分布に従っている方がうまくいきます。ヒストグラムが左右対称の「ベルカーブ」になるように、特徴量及び出力にlogを適用します。

matplotlib.rcParams['figure.figsize'] = (12.0, 6.0)
prices = pd.DataFrame({"price":train["SalePrice"], "log(price + 1)":np.log1p(train["SalePrice"])})
prices.hist()

出力「SalePrice」はlog(price + 1)で、歪度がだいぶ減りました。1を足してるのは、データに値 0 があるので(そして対数 は0に対して定義できないので)、直接logを使うことはできないためです。

train["SalePrice"] = np.log1p(train["SalePrice"])

特徴量で、数値でかつ歪度が大きい場合のみ同様の変換を行います。

all_data = pd.concat((train.loc[:,'MSSubClass':'SaleCondition'],
                      test.loc[:,'MSSubClass':'SaleCondition']))
# 数値のみ
numeric_feats = all_data.dtypes[all_data.dtypes != "object"].index

# 欠損値NaNを除外後、歪度を計算
skewed_feats = train[numeric_feats].apply(lambda x: skew(x.dropna())) 
skewed_feats = skewed_feats[skewed_feats > 0.75]
skewed_feats = skewed_feats.index

all_data[skewed_feats] = np.log1p(all_data[skewed_feats])

カテゴリ変数の変換

特徴量がカテゴリ文字列のデータを、回帰で扱えるようするため数値に変換します。ワンホットエンコー ディングという方法を使い、カテゴリ変数を1つ以上の0と1の値を持つ新しい特徴量で置き換えます。
たとえばGarageQualという特徴量は、Ex(Excellent)、Gd(Good)、TA(Typical/Average)、Fa(Fair)、Po(Poor)、NA(No Garage)のいづれかの値を持ちますが、新たに以下の0または1の値を持つ特徴量を作ります。

GarageQual_Ex、GarageQual_Gd、GarageQual_TA、GarageQual_Fa、GarageQual_Po、GarageQual_NA。

というのを以下の一行でやってくれます。

all_data = pd.get_dummies(all_data)

欠損値を平均値で埋める

all_data = all_data.fillna(all_data.mean())

モデル作成

特徴量の中にはあまり重要でないものがあるようなので、L1正則化を行うLasso回帰でモデルを作ります。L1正則化を行うと、いくつかの係数は無視されます。

X_train = all_data[:train.shape[0]]
X_test = all_data[train.shape[0]:]
y = train.SalePrice

from sklearn.linear_model import Lasso
model_lasso = Lasso()
scores = cross_val_score(model_lasso, X_train, y) # 交差検証で評価
scores.mean()
0.54583131173476207

デフォルトだとスコア低いです。Lassoのパラメータalphaをいろいろ変えて最適な値を見つけます。
というのを、交差検証を用いて最適なalphaを探してくれるLassoCVがやってくれます。

from sklearn.linear_model import LassoCV
model_lasso = LassoCV(alphas = [1, 0.1, 0.001, 0.0005]).fit(X_train, y)
scores = cross_val_score(model_lasso, X_train, y) # 交差検証で評価
scores.mean()
0.90117979437604168

どの特徴量が影響を及ぼしているか確認してみます。

coef = pd.Series(model_lasso.coef_, index = X_train.columns)
imp_coef = pd.concat([coef.sort_values().head(10),
                     coef.sort_values().tail(10)]) 
matplotlib.rcParams['figure.figsize'] = (8.0, 10.0)
imp_coef.plot(kind = "barh")
plt.title("Coefficients in the Lasso Model")

GrLivAreaとは、地上の建物面積です。
Above grade (ground) living area square feet

テストデータを予測

テストデータを予測し、expを適用し元に戻します。

y_test_pred = model_lasso.predict(X_test)
y_test_pred = np.exp(y_test_pred)-1

提出ファイル「submission.csv」を作成

submission = pd.DataFrame({"Id": test["Id"],"SalePrice": y_test_pred})
submission.loc[submission['SalePrice'] <= 0, 'SalePrice'] = 0
fileName = "submission.csv"
submission.to_csv(fileName, index=False)

あとは、outputタブを開き、「Submit to Competition」ボタンを押すと、ファイルがサブミットされ、Score計算が行われ、結果がLeader board上で表示されます。

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