プログラマーのためのR言語入門 その2 ~分析・表示編~

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プログラマーのためのR言語入門の続きです。

R言語を始めるときのポイントまとめです。
前回はR言語の文法的な内容がメインでしたが、今回はR言語を使ってデータの分析をする際によく使うものを中心にまとめてみます。

apply関数群 補足

apply関数はよく使うので、前回分をもう少しまとめておきます。
apply関数群は「○○ごとに集計を行う」関数です。

apply

「行・列ごとに集計」を行います。

第2引数に"1","2"の指定で行ごとか列ごとかを切り替えます。
image

適当なサンプルで見てみると

applyサンプル
data.sample <- data.frame(
  "りんご" = c(120,110,150),
  "たまねぎ" = c(80,90,85),
  "にんじん" = c(50,45,60)
)
rownames(data.sample) <- c("A店","B店","C店")

>    りんご たまねぎ にんじん
> A店    120       80       50
> B店    110       90       45
> C店    150       85       60

apply(data.sample, 1, sum)
> A店 B店 C店 
> 250 245 295 

apply(data.sample, 2, mean)
>    りんご  たまねぎ  にんじん 
> 126.66667  85.00000  51.66667 

lapply

「リストごとに集計」を行います。
リストはデータフレームのような2次元構造ではなく、いわばなんでも入る入れ物です。

lapplyサンプル
list.sample <- list(
  "お店" = c("A店","B店"),
  "データ" = c(1,2,3,2,3,4,5),
  "評価" = c(T,F,T,F,F)
)

> $お店
> [1] "A店" "B店"
> 
> $データ
> [1] 1 2 3 2 3 4 5
> 
> $評価
> [1]  TRUE FALSE  TRUE FALSE FALSE

lapply(list.sample, length)

> $お店
> [1] 2
> 
> $データ
> [1] 7
> 
> $評価
> [1] 5

リストだけでなく、ベクトルを受け取ることもできます。
1個ずつ処理される動きになるので、ループの代わりとしても使えます。

lapplyサンプル
lapply(1:10, function(n){rep(n,n)})
> [[1]]
> [1] 1
> 
> [[2]]
> [1] 2 2
> 
> [[3]]
> [1] 3 3 3
> 
> [[4]]
> [1] 4 4 4 4

tapply

「グループごとに集計」を行います。
第一引数に集計対象、第二引数にグループを集計したいグループを指定します。

tapplyサンプル
data.train <- data.frame(
  "名前" = c("A","B","C","D","E","F"),
  "血液型" = c("A","B","A","O","AB","B"),
  "給料" = c(300,450,400,500,430,380),
  "身長" = c(170,160,180,168,172,165)
)
>  名前 血液型 給料 身長
>    A      A  300  170
>    B      B  450  160
>    C      A  400  180
>    D      O  500  168
>    E     AB  430  172
>    F      B  380  165

tapply(data.train$`給料`,data.train$`血液型`,mean)
>  A  AB   B   O 
> 350 430 415 500

同じデータフレームのデータでなくても可能です。
例として奇数偶数のグループ分け用のベクトルを作って集計してみます。
また、集計だけでなくリストを返すことも可能で、奇数偶数ごとにデータを集めて取り出すということが簡単にできます。これが結構便利。

tapplyサンプル
group <- c("奇数","偶数","奇数","偶数","奇数","偶数")

tapply(data.train, group, mean)
>    奇数     偶数 
> 376.6667 443.3333 

tapply(data.train$`給料`, group, list)
> $奇数
> [1] 300 400 430
>
> $偶数
> [1] 450 500 380

行列

行列計算もよく使うのでまとめます。行列用の型、matrixを利用します。
作り方はベクトルと何行何列にするかを引数で指定します。
与えたベクトルが順に要素になっていくので、どういう順番方向に埋めるかはbyrowで調整します。

matrixサンプル
matrix(1:12, nrow = 3)
>      [,1] [,2] [,3] [,4]
> [1,]    1    4    7   10
> [2,]    2    5    8   11
> [3,]    3    6    9   12

matrix(1:12, ncol = 4, byrow = T)
>      [,1] [,2] [,3] [,4]
> [1,]    1    2    3    4
> [2,]    5    6    7    8
> [3,]    9   10   11   12

行列演算の足し算引き算は"+","-"を使います。
各要素同士を掛けるのは"*"ですが、行列の掛け算は"%*%"です。

matrix演算サンプル
A <- matrix(1:4, nrow = 2, ncol = 2)
B <- matrix(2:5, nrow = 2)
A
     [,1] [,2]
[1,]    1    3
[2,]    2    4

B
     [,1] [,2]
[1,]    2    4
[2,]    3    5

A * B
     [,1] [,2]
[1,]    2   12
[2,]    6   20
A %*% B
     [,1] [,2]
[1,]   11   19
[2,]   16   28

他にも、転置するt()、逆行列を求めるsolve()、固有値固有ベクトルを求めるeigen()など、機能は盛りだくさんです。

モデル作成と予測

R言語の真髄として、データに対して様々な分析手法を適用して結果を利用するということがあります。
R言語ではいくつもの手法が利用可能ですが、ある程度使い方が共通するところがあるので回帰分析(lm)を例にまとめます。

回帰分析のイメージは、データの分布を表す線を引くものです。
image

モデル作成

回帰分析の詳しい内容や理論は他の記事に任せるとして…、
R言語を使って「データを使ってある数値を予測する」ということをすることがよくあります。
その時の記述方法として予測対象 ~ 利用するデータとすることで分析結果が得られます。

lmサンプル
data.train <- data.frame(
  "名前" = c("A","B","C","D","E","F"),
  "血液型" = c("A","B","A","O","AB","B"),
  "給料" = c(300,450,400,500,430,380),
  "身長" = c(170,160,180,168,172,165)
)

model <- lm("給料 ~ 血液型 + 身長", data.train)
summary(model)

> Call:
> lm(formula = "給料 ~ 血液型 + 身長", data = data.train)
> 
> Residuals:
>          1          2          3          4          5 
> -2.400e+01  4.800e+01  2.400e+01 -1.776e-15  9.770e-15 
>          6 
> -4.800e+01 
> 
> Coefficients:
>             Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
> (Intercept)  -560.00    1680.86  -0.333    0.795
> 血液型AB       95.60      97.31   0.982    0.506
> 血液型B       130.00     141.99   0.916    0.528
> 血液型O       186.40     114.70   1.625    0.351
> 身長            5.20       9.60   0.542    0.684
> 
> Residual standard error: 75.89 on 1 degrees of freedom
> Multiple R-squared:  0.7517,  Adjusted R-squared:  -0.2414 
> F-statistic: 0.7569 on 4 and 1 DF,  p-value: 0.6856

血液型と身長を使って給料を予測する場合、給料~血液型+身長という記述方法になります。
回帰分析ではlm()関数を使いますが他の関数でも同じように記述すると実行できるものがたくさんあります。

実行するとその結果が戻り値として返ってきます。これは単一の数値というわけではなく、その評価などが詰まったもので、summary()関数で中身が確認できます。
実際にデータ分析する際はこの値をみて、ちゃんとできてるかなーと確認します。

予測

モデルの活用方法として、予測に使うことがあります。
例えば、先程のモデルを使うと、血液型と身長をつかって給料を導き出すことができます。(モデルの良し悪しは置いておいて。)

予測にはpredict関数を使います。
今回は血液型と身長のデータがあればよいのでデータを準備して給料を予測してみます。データはnewdataに指定します。

predictサンプル
data.test <- data.frame(
  "名前" = c("G","H","I"),
  "血液型" = c("O","B","A"),
  "身長" = c(178,165,175)
)

predict(model,newdata = data.test)
>  1   2   3 
> 552 428 350 

これで、G,H,Iさんの給料予測ができました。
なんとlm(…)とpredict(…)の2行でここまでできてしまいます。

一つ注意点、先程のpredictnewdataを指定しなかった場合。

predictサンプル
predict(model)
>   1   2   3   4   5   6 
> 324 402 376 500 430 428 

こうなります。これは、predict(model, newdata = data.train)とした場合と同じ意味になります。
ややこしいですが、予測モデルを作成するために使ったデータを使って予測している状態です。
予測モデルのできを調べるために使うこともありますが、「予測対象を指定してないのに動いた!」と混乱しないように注意しましょう。(私は昔混乱した。)

plot関数

R言語の特徴としてデータの可視化がサクッとできることがあります。
さすが統計用言語。
可視化の方法もいろいろありますが、何はともあれplot関数です。
plot関数は受け取るデータに合わせて様々なグラフを表示してくれます。先程のデータで試してみます。
たとえばplot(data.train$血液型)のようにfactor型を指定すると
image
のような棒グラフになったり、データフレームをそのまま指定すると
image
のように各要素の関連が見れる図になったりします。

またパラメータ設定によって見せ方を変えることもできます。
代表的なものとして、

  • main …タイトル
  • sub …サブタイトル
  • type …プロットする点/線の設定
  • xlab/ylab …軸のラベル
  • col …色
  • lty …線の形式
  • lwd …線の太さ
  • pch …プロットのマーカー

などがあります。

plotサンプル
plot(data.train[,c("身長","給料")], 
     main = "タイトル",
     sub = "サブ",
     type = "b",
     xlab = "xxx",
     ylab = "yyy",
     pch = 6,
     lty = 4,
     lwd = 2,
     col=data.train$`血液型`)

image

colの設定は"red"のように色名を直接指定することもできますし、サンプルのようにベクトルを指定すると対応するプロットの色が変わるので何かと便利です。

参考: グラフィックスパラメータ(弐)

おすすめライブラリ

R言語はlibraryを利用することでどんどん機能を拡張できます。
R言語専用のものもありますが、javascriptライブラリとして有名なものがR言語用に拡張されているものもあります。

  • magrittr
    • パイプ処理の記述が書けるようになる。pipeRも。
  • Leaflet
    • Rから地図を簡単に扱えるようになります。
  • dygraph
    • 時系列データのグラフ化にどうぞ。
  • dyplr
    • データ操作。そういえばあんまり使ったことがない。。。
  • ggplot2
    • 多機能できれいなグラフライブラリ

上記のものはデータ操作や可視化のためのものですが、いろいろな分析手法用のライブラリもたくさんあります。
以下のようなまとめが非常に参考になります。

参考

おわりに

R言語入門向けということで最初に覚えたらよいと思う内容をまとめてきましたが、ちょっとしたRの文法や分析機能の記述方法さえ抑えてしまえば、他のプログラム言語の知識を活用してなんとかなります。統計向けとかデータ分析向けとは言っても近代的なスクリプト言語なイメージです。
データ分析やちょっと高度な集計をやってみたい方はこういった言語を触りながら遊んでみるのがいいですね。