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» 2021年12月10日 05時00分 公開

Titanicから始めよう:データを可視化して、EDAのまねごとをしてみた僕たちのKaggle挑戦記

今回はseabornライブラリを使用して、Titanicデータセットの各列が生死とどのような関係にあるかを(少しだけ)確認してみました。それだけで、スコアはアップ!

[かわさきしんじ,Deep Insider編集部]

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連載目次

 前回は、Kaggleのコンペティションに初参加ということで、皆さんの多くが手始めに触るであろうTitanicコンペティションに自分も参加して、取りあえずデータをDNN(Deep Neural Network)に突っ込んでみました。その後、コードの再利用を念頭に置いたプログラムの構造化というちょっとズレた方向に進んだり、k-fold交差検証をしたりしてみました。

 今回はちょっと方向性をまた変えて、探索的データ分析(Explanatory Data Analysis、EDA)の初歩の初歩を体験してみることにしました。seabornというデータ視覚化ライブラリを使用して、Titanicのデータを少々分析して、その結果から、テストデータのSurvived列の値を推測するという感じです。


かわさき

 前回に最後に触れた「PyTorchのrandom_split関数があれば、scikit-learnのKFoldクラスを使わずとも、K-fold交差検証を行うコードを書けるんじゃないか」という話についても最後に簡単に触れようかなぁ。結果だけいえばできるんですが、まあだからナニ? という話にしかなりませんでした(笑)。[かわさき]



一色

 PyTorchで交差検証するときも、scikit-learnのKFoldクラスを使うのが一般的なのですかね。Google検索したらそのサンプルコードばかりヒットしたので。[一色]



かわさき

 本稿の最後に示すget_kfold_datasets2関数のコードに出てくるように、(random_split関数などを使って)データセットを複数のSubsetクラスのインスタンスに分割して、それらをConcatDatasetクラスでまとめるという方法もあるみたいです。


 まずは今回のスコアの変遷について、まとめておきます。以下のスコアは前回に作成したDNNのようなモデルを使わずに、EDAから得られたデータ特性を基に「○○という条件の下では××の生死はこうなる」ということをそのままベタに予測して得られたものです。

条件 スコア
女性は全員生存/男性は全員死亡 0.76555
女性は全員生存/男性で旅客運賃のレンジが一番上の人は生存 0.76555
女性は全員生存/男性で年齢のレンジが最小または最大の人は生存 0.76794
旅客クラスが3、出港地が'S'の女性は死亡 0.77990
今回のスコアの変遷
スコアは正解率なので1.0に近いほど良いです。

探索的データ分析とは

 探索的データ分析を簡単にまとめると「何らかの課題を解決するためにそろえられたデータから、それらがどんな意味を持つのか、本当に必要なデータは何か、課題を解決する上で無視すべきデータ(外れ値)はどれか、データにどんな相関が見られるか」などの情報を見いだすことといえます。

 Titanicコンペであれば、以下のようなデータがそろえられています。

  • PassengerId:コンペ用に割り当てられた乗客ID。独自に割り当てられたものなので生死とは直接は関係ない
  • Survival:生死情報(0:死亡、1:生存)。学習する際には教師データとして使われ、EDAを行う際には各種データがこの値とどんな関係にあるかを調べていく
  • Pclass:旅客クラス。1が1等、2が2等、3が3等(1が高級で、3が下級)
  • Name:乗客の名前。たぶん、生死とは直接は関係ない
  • Sex:性別('male'か'female')
  • Age:年齢(浮動小数点数値)
  • Sibsp:Titanic号に同時に乗船している兄弟や配偶者の数
  • Parch:Titanic号に同時に乗船している親や子どもの数
  • Ticket:チケット番号。これもたぶん、生死とは直接は関係ない
  • Fare:旅客運賃
  • Cabin:部屋番号。これも生死とは直接は関係ないかもしれない
  • Embarked:乗船した港('S'、'C'、'Q')

 Kaggleではこうした情報が事前にまとめられていることもあれば、そうではないこともあるようです。Titanicコンペであれば、コンペページの[Data]タブにこうした情報がまとめられています。

 以下では、このデータセットをざっくりと眺めてみることにしましょう。

各列の相関とヒートマップの表示

 ここではpandasを使ってTitanicのデータセット(CSVファイル)を読み込んでいます。その後、上で「直接は関係ない」と述べた列を削除しています。

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

df0 = pd.read_csv('../input/titanic/train.csv')
droprows = ['PassengerId', 'Name', 'Ticket', 'Cabin']
df0 = df0.drop(droprows, axis=1)

データセットの読み込み

 この後に何をすればよいかと考えましたが、まずは各列が生死情報とどの程度の相関を持っているかを計算してみることにしました。というと難しそうですが、実際にはpandasのデータフレームが持つcorrメソッドを呼び出すだけです。

df1 = df0.replace('male', 0).replace('female', 1)
df1 = df1.replace('S', 0).replace('C', 1).replace('Q', 2)

df1.corr()

相関関係の算出

 注意したいのは、corrメソッドは数値型の値だけを対象とすることと、欠損値があればその値は無視されることです。上のコードで、'male'や'female'あるいは'S'や'C'などの値を数値に置き換えているのはこのためです。また、ここでは欠損値については無視しています。


かわさき

 欠損値については、それをDNNに入力するようなときには何らかの形で対応する必要がありますが、今回はそこまでたどり着いていないので、無視したままとしましょう。


 これを実行した結果が以下です。

何やら数値がズラズラと表示された 何やら数値がズラズラと表示された

 各列の相関関係はこれを見ても分かりますが、より分かりやすくするにはseabornのheatmap関数を使うとよいようです。

_, ax = plt.subplots(figsize=(10, 8))
sns.heatmap(df1.corr(), annot=True, ax=ax)

ヒートマップの表示

 1行目は表示領域の指定で、2行目が実際にヒートマップを表示するコードとなっています(annot=Trueを指定すると、上の画像に表示されていた数値群がヒートマップにも表示されます)。

ヒートマップが表示されたところ ヒートマップが表示されたところ

 相関関係が色を使って分かりやすく表示されました。右側のバーを見ると分かる通り、相関関係相関関係は黒(負の相関)〜赤紫(無相関)〜クリーム色(正の相関)のようになっています。そして、生死情報に関連する項目を知りたいのですから、注目すべきは一番上の行(Survived行)でしょう。パッと見には、オレンジ色で表示されているSex列と、明るめの赤で表示されているFare列の相関が強そうです。まずは性別の違いが生死にどう関係しているかを確認してみましょう。


かわさき

 Titanic号からは女性と子どもが優先して脱出したという話を聞いたことがあるので、年齢がそれほど強く出てこないのが意外でした。



一色

 おお ! 確かにSex列とFare列は正の相関が高いですね。でもPclass列は負の相関が高いので、こちらも確認した方がよかったかもと思いました。

 このように相関を可視化すれば、有効な特徴量が分かりやすいですね。これは必須な作業だと思えました。今度やろう。


性別による生死の違い

 ここではseabornのcatplot関数を使って、男女で生死がどう違っているかをプロットしました。

sns.catplot(x='Survived', col='Sex', kind='count', data=df0)

男女での生存数の違い

 その結果は以下の通りです。

女性の生存率の方が圧倒的に高い 女性の生存率の方が圧倒的に高い

 大きく分けて、左側が男性の死者数と生存者数、右側が女性の死者数と生存者数です。一目で女性の生前率の方が高いことが分かりますね。そこで、テストデータに対して、女性が全員生存、男性は全員死亡と予測して、その結果を保存、提出してみました。

dft = pd.read_csv('../input/titanic/test.csv')
dft['Survived'] = dft['Sex'] == 'female'
dft['Survived'] = dft['Survived'].astype(int)
dft[['PassengerId', 'Survived']].to_csv('onlygender_submission.csv', index=False)

女性が全員生存、男性が全員死亡という予測をする

 この予測のスコアはなんと「0.76555」でした。前回のモデル4(3種類のモデルを使って、K-fold交差検証を行ったもの)のスコアが「0.76794」だったことを考えると、たったこれだけのことでそこまでのスコアが出てしまうというのが……。


かわさき

 むやみやたらとDNNに突っ込んでみる方針がいとも簡単に否定された(笑)。データの分析と前処理はきちんとやらないとダメってことですね。



一色

 うんうん。やっぱり探索的データ分析とか特徴量選択とか特徴量エンジニアリングとか機械学習では大切だな、と実感できます。

ところで、この結果をもって「Titanicの機械学習では、性別(Sex)の特徴量を使った方がいい」という理解でいいのかな?



かわさき

 次回にそれは考えることにしましょう。指摘のあったPclassなど、ちゃんと話に上がってきていないものもありますし。この後出てくる連続量の離散化など以外にもまだやることはあるっぽいので(ぐっ)。


旅客運賃

 次に旅客運賃の差が、生存率にどのように関連しているかを見てみます。高いお金を払ったお客さんが優先して救助されていそうな気はしますね。ただし、その前に旅客運賃の範囲を調べておく必要があるでしょう。

df0['Fare'].describe()

Fare列の詳細な説明を表示

 このコードを実行すると、以下のような出力が表示されます。

Fare列の詳細な説明 Fare列の詳細な説明

 ここからはデータ数、平均、標準偏差、最小値、最大値などの情報が得られます。ここでは最小値と最大値を知ることを目的でした。また、以下のコードでデータの分布を確認できます。

sns.histplot(df0['Fare'])

データの分布を表示

 実行結果は以下の通りです。

低い方に集中し、高い方はまばら 低い方に集中し、高い方はまばら

 運賃は低い方に集中して、高い運賃を支払った人は少ないようです。ところで、この分布が生存率とどの程度関係しているかを調べるには、少し工夫が必要です。運賃は連続する浮動小数点数値なので、それらの値を価格帯ごとにまとめた方がよいでしょう。


一色

 ビニング(binning:ビンにグループ化)とか離散化(discretization)とか言われている特徴量エンジニアリングのテクニックですよね。


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