Читать онлайн Data Science. Практика

Введение:

В этой книге мы рассмотрим практические примеры обработки данных. Мы будем работать с различными типами данных, включая текст, изображения и звуки. Книга адресована как начинающим дата-сенсам, так и опытным специалистам, которые хотят отдохнуть от постоянного подключения к сети и научиться работать с данными в офлайн-режиме.

Data Scientist – это специалист по работе с данными для решения задач бизнеса. Он работает на стыке программирования, машинного обучения и математики. В основные обязанности дата-сайентиста входит сбор и анализ данных, построение моделей, их обучение и тестирование

Они специализируются на работе с данными для решения бизнес-задач и используют свои знания в области программирования, машинного обучения и математики для сбора, анализа и обработки данных. К основным обязанностям дата-сайентиста относятся:

Сбор данных: это включает в себя сбор данных из различных источников, таких как базы данных, APIs, веб-сканирование и другие.

Очистка данных: дата-сайентисты должны удалять неточные или поврежденные данные и приводить данные к единому формату.

Анализ данных: это включает в себя изучение данных с использованием статистических методов и визуализации данных для обнаружения тенденций и моделей.

Построение моделей: дата-сайентисты используют алгоритмы машинного обучения, чтобы создать модели, которые могут предсказывать результаты на основе данных.

Обучение и тестирование моделей: дата-сайентисты обучают модели на основе обучающих данных, а затем тестируют их на тестовых данных, чтобы убедиться в их точности и эффективности.

Общая коммуникация: дата-сайентисты должны быть способны эффективно коммуницировать свои результаты и рекомендации другим членам команды и руководству.

В целом, роль дата-сайентиста является ключевой для многих компаний, которые стремятся использовать данные для принятия более информированных решений и повышения эффективности бизнеса.

Для дата-сайентистов наиболее важными языками программирования являются:

1. Python: это один из самых популярных языков программирования для дата-сайентистов, поскольку он легко учиться и имеет богатую экосистему библиотек для обработки данных, машинного обучения и визуализации. Python широко используется в научных и инженерных областях, и многие компании используют его для обработки больших данных.

2. R: это язык программирования, специально разработанный для статистического анализа и визуализации данных. Он популярен среди академических и научных кругов и имеет много полезных библиотек для статистического моделирования, машинного обучения и визуализации.

3. SQL: это язык запросов баз данных, используемый для извлечения, фильтрации и манипулирования данными в реляционных базах данных. SQL является основным инструментом для работы с данными для многих компаний, и знание этого языка является необходимым навыком для дата-сайентистов.

4. Java: это универсальный язык программирования, который используется во многих областях, включая веб-разработку, мобильное программирование и обработку больших данных. Java часто используется для создания распределенных систем обработки данных и имеет большую библиотеку библиотек для обработки данных, таких как Apache Hadoop и Spark.

5. JavaScript: это язык всем известный, который широко используется для создания веб-приложений и интерфейсов пользователя. JavaScript также может использоваться для анализа данных и визуализации, и он имеет несколько библиотек, таких как D3.js и Three.js, которые широко используются для визуализации данных.

Знание нескольких языков программирования может быть полезным для дата-сайентистов, поскольку это позволяет им работать с разными типами данных и инструментами, используемыми в их компаниях мы же будем разбирать Python.

Для обработки данных и машинного обучения в Python существует множество полезных библиотек такие как:

1. Pandas: это библиотека для обработки и анализа данных в Python. Она предоставляет эффективные инструменты для работы с табличными данными и позволяет легко читать, манипулировать и писать данные в различных форматах, таких как CSV, Excel и SQL.

2. NumPy: это библиотека для работы с многомерными массивами и матрицами в Python. Она предоставляет эффективные инструменты для операций с векторными и матричными данными, такие как вычисление матриц, транспонирование и умножение.

3. Scikit-learn: это библиотека машинного обучения в Python, которая предоставляет множество алгоритмов и инструментов для классификации, регрессии, кластеризации и других задач машинного обучения. Она также предоставляет функции для оценки моделей и выбора гиперпараметров.

4. Matplotlib: это библиотека визуализации данных в Python, которая предоставляет инструменты для создания различных типов графиков, таких как гистограммы, скаттеры, boxplots и т.д.

5. Seaborn: это библиотека, построенная поверх Matplotlib, которая предоставляет более высокоуровневые инструменты для статистической визуализации данных. Она делает простой визуализацию сложных данных, таких как множественная регрессия, графики распределения и т.д.

6. TensorFlow: это библиотека машинного обучения от Google, которая предоставляет инструменты для создания и обучения сложных моделей глубокого обучения. Она поддерживает различные типы нейронных сетей, такие как свёрточные нейронные сети и рекуррентные нейронные сети.

7. Keras: это библиотека машинного обучения, которая предоставляет простой и модульный интерфейс для создания и обучения моделей глубокого обучения. Она поддерживает различные типы нейронных сетей и может работать поверх TensorFlow, Theano и CNTK.

Эти библиотеки являются лишь небольшим подбором из множества библиотек, доступных для обработки данных и машинного обучения в Python. Каждая библиотека имеет свои особенности и преимущества, поэтому выбор зависит от конкретных потребностей конкретного проекта, давайте рассмотрим мою любимую Scikit-learn на ней я разработал AI API-сервисы:

"GenderDetect AI" – модель определения пола по имени

"GeoLocate AI" – модель определения геолокации по IP-адресу

"ProviderInfo AI" – модель определения провайдера по IPv6

Библиотека Scikit-learn поддерживает множество алгоритмов машинного обучения, такие как:

1. Классификация:

* Logistic Regression (логистическая регрессия)

* Linear Discriminant Analysis (линейный дискриминантный анализ)

* Decision Trees (дерево решений)

* Random Forests (случайные леса)

* Support Vector Machines (машины опорных векторов)

* K-Nearest Neighbors (k ближайших соседей)

* Gradient Boosting (градиентный бустинг)

2. Регрессия:

* Linear Regression (линейная регрессия)

* Ridge Regression (линейная регрессия с регуляризацией)

* Lasso Regression (линейная регрессия с L1-регуляризацией)

* Polynomial Regression (полиномиальная регрессия)

* Support Vector Regression (регрессия с машиной опорных векторов)

* Decision Trees Regression (регрессия с деревом решений)

* Random Forests Regression (регрессия с случайными лесами)

3. Кластеризация:

* K-Means Clustering (кластеризация методом k-средних)

* Hierarchical Clustering (иерархическая кластеризация)

* DBSCAN (кластеризация с плотностью)

4. Дименсиональное сокращение:

* Principal Component Analysis (анализ главных компонент)

* Linear Discriminant Analysis (линейный дискриминантный анализ)

* t-SNE (t-Student стохастическая близость смещением и растяжением)

5. Избирательное обучение:

* Recursive Feature Elimination (рекурсивное удаление признаков)

* SelectKBest (выбор K лучших признаков)

* Lasso/Ridge Regression Feature Selection (выбор признаков с помощью линейной регрессии с L1/L2-регуляризацией)

6. Оценка моделей:

* Cross-Validation (перекрёстная проверка)

* Grid Search (поиск по сетке)

* Randomized Search (рандомизированный поиск)

* Learning Curve (график обучения)

Кроме основных алгоритмов машинного обучения, библиотека Scikit-learn также предоставляет множество вспомогательных функций и инструментов, которые могут быть полезны для обработки данных и обучения моделей. Вот некоторые из них:

1. Предобработка данных:

* Функции для нормализации и стандартизации данных

* Функции для обработки пропущенных данных

* Функции для кодирования категориальных переменных

* Функции для выборки данных

2. Извлечение признаков:

* Функции для извлечения текстовых признаков, такие как CountVectorizer и TfidfVectorizer

* Функции для извлечения признаков из изображений, такие как Histogram of Oriented Gradients (HOG) и Local Binary Patterns (LBP)

* Функции для извлечения признаков из аудио, такие как Mel-frequency cepstral coefficients (MFCC) и Chroma features

3. Оценка моделей:

* Функции для оценки качества моделей, такие как accuracy\_score, precision\_score, recall\_score, f1\_score и roc\_auc\_score

* Функции для визуализации результатов классификации, такие как confusion\_matrix, classification\_report и ROC curves

* Функции для оценки качества регрессии, такие как mean\_squared\_error, mean\_absolute\_error, r2\_score и explained\_variance\_score

4. Выбор параметров:

* Функции для выбора оптимальных параметров модели, такие как GridSearchCV и RandomizedSearchCV

* Функции для настройки гиперпараметров с помощью методов, таких как cross\_val\_score и validation\_curve

5. Визуализация данных и моделей:

* Функции для визуализации данных, такие как scatter\_plot, line\_plot, bar\_plot и histogram\_plot

* Функции для визуализации моделей, такие как decision\_boundary, decision\_function, feature\_importances\_ и permutation\_importance

Эти функции и инструменты помогают ускорить процесс обработки данных и обучения моделей, а также позволяют более эффективно работать с большими объемами данных. Кроме того, библиотека Scikit-learn имеет простой и интуитивно понятный интерфейс, который делает ее легко используемой даже для новичков в области машинного обучения и помимо основных функций и инструментов, библиотека Scikit-learn также предоставляет дополнительные возможности, которые могут быть полезны для специалистов в области машинного обучения.

1. Расширенные возможности для классификации:

* Функции для многоклассовой классификации, такие как OneVsRestClassifier и MultinomialNB

* Функции для многократной классификации, такие как LabelBinarizer и LabelEncoder

2. Расширенные возможности для регрессии:

* Функции для многомерной регрессии, такие как LinearRegression и RidgeCV

* Функции для прогнозирования временных рядов, такие как SimpleExpSmoothing и HoltWinters

3. Расширенные возможности для кластеризации:

* Функции для иерархической кластеризации, такие как AgglomerativeClustering и Ward

* Функции для смешанной кластеризации, такие как SpectralClustering и KMeans++

4. Расширенные возможности для избирательного обучения:

* Функции для регуляризации, такие как Lasso и Ridge

* Функции для выбора признаков, такие как SelectKBest и RFE

5. Расширенные возможности для оценки моделей:

* Функции для кросс-валидации, такие как KFold, StratifiedKFold и TimeSeriesSplit

* Функции для рандомизированной проверки, такие как ShuffleSplit и RepeatedKFold

* Функции для оценки сбалансированных данных, такие как balanced\_accuracy\_score и fbeta\_score

6. Расширенные возможности для обработки текстовых данных:

* Функции для токенизации текста, такие как CountVectorizer и TfidfVectorizer

* Функции для преобразования текста в числовые признаки, такие как Word2Vec и Doc2Vec

7. Расширенные возможности для обработки изображений:

* Функции для масштабирования и изменения размера изображений, такие как resize и rescale

* Функции для преобразования изображений в числовые признаки, такие как extract\_patches\_2d и hog

8. Расширенные возможности для обработки временных рядов:

* Функции для преобразования временных рядов в числовые признаки, такие как DateOffset и TimeGrouper

* Функции для прогнозирования временных рядов, такие как SimpleExpSmoothing и HoltWinters

9. Scikit-learn API:

* API позволяет пользователям легко интегрировать модели Scikit-learn в свои приложения и проекты.

10. Scikit-learn документация:

* Подробная и полная документация, включающая описание функций, примеры кода и руководства по использованию библиотеки.

11. Scikit-learn учебные ресурсы:

* Учебные ресурсы, такие как видеоуроки, статьи и учебные материалы, которые помогают новичкам освоить библиотеку и улучшить свои навыки в области машинного обучения.

4. Scikit-learn сообщество:

* Активное сообщество пользователей, которые могут помочь в решении проблем, ответить на вопросы и обсудить новые идеи и подходы в области машинного обучения.

5. Scikit-learn расширения и дополнения:

* Множество расширений и дополнений, созданных сообществом, которые расширяют возможности библиотеки и позволяют решать более сложные задачи.

6. Scikit-learn конференции и мероприятия:

* Регулярные конференции и мероприятия, посвященные машинному обучению и использованию Scikit-learn, которые позволяют пользователям обсудить последние достижения в области машинного обучения и поделиться опытом.

7. Scikit-learn тестирование и поддержка:

* Регулярное тестирование и поддержка библиотеки, обеспечивающие ее стабильность и надежность.

8. Scikit-learn интеграция с другими библиотеками:

* Интеграция с другими популярными библиотеками Python, такими как NumPy, Pandas, Matplotlib и Seaborn, обеспечивающая гибкость и масштабируемость решений.

Эти возможности делают библиотеку Scikit-learn мощным инструментом для обработки данных и машинного обучения, который может быть использован для решения различных задач в различных областях. Кроме того, библиотека является открытым исходным кодом и имеет активное сообщество пользователей, которые могут помочь в решении проблем и предоставлять поддержку.

Глава 1: Работа с текстовыми данными

– Парсинг текстовых файлов

– Очистка и преобразование текстовых данных

– Анализ частот словарного запаса

– Создание словоря дял анализа текстов

– Удаление стоп-слов и лемматизация

– Создание словосочетаний (n-грамм)

– Анализ текстов с помощью классификации и кластеризации

Текстовые данные являются одним из самых распространенных типов данных, с которыми мы сталкиваемся каждый день. В этой главе мы рассмотрим, как работать с текстовыми данными без подключения к Интернету.

Парсинг текстовых файлов является первым шагом в обработке текстовых данных. Мы можем использовать различные библиотеки Python, такие как `pandas`, `numpy` и `re`, чтобы прочитать текстовые файлы и преобразовать их в удобный для анализа формат.

После парсинга текстовых файлов мы обычно сталкиваемся с различными проблемами, такими как неоднородность форматов, лишние пробелы и знаки препинания. Мы можем использовать различные методы очистки и преобразования текстовых данных, такие как удаление стоп-слов, перевод текста в нижний регистр и нормализация текста.

Пример кода на языке Python для парсинга текстовых файлов:

```python

# Импорт необходимых модулей

import re

# Определение функции для парсинга текстового файла

def parse_text_file(file_path):

# Открытие файла в режиме чтения

with open(file_path, 'r') as file:

# Чтение содержимого файла

content = file.read()

# Применение регулярного выражения для извлечения информации

pattern = r'Pattern' # Замените 'Pattern' на нужное вам регулярное выражение

matches = re.findall(pattern, content)

# Возврат найденных совпадений

return matches

# Пример использования функции парсинга текстового файла

file_path = 'example.txt' # Замените 'example.txt' на путь к вашему текстовому файлу

results = parse_text_file(file_path)

# Вывод результатов

for result in results:

print(result)

```

В данном примере функция `parse_text_file` принимает путь к текстовому файлу в качестве аргумента и возвращает список найденных совпадений, которые соответствуют определенному регулярному выражению. Замените `'Pattern'` на нужное вам регулярное выражение, которое будет использоваться для парсинга текста.

Вот еще два примера кода на языке Python для парсинга текстовых файлов:

Пример 1: Парсинг CSV файла

```python

import csv

def parse_csv_file(file_path):

results = []

with open(file_path, 'r') as file:

csv_reader = csv.reader(file)

for row in csv_reader:

results.append(row)

return results

file_path = 'example.csv' # Замените 'example.csv' на путь к вашему CSV файлу

results = parse_csv_file(file_path)

for row in results:

print(row)

```

В данном примере функция `parse_csv_file` принимает путь к CSV файлу в качестве аргумента и использует модуль `csv` для чтения содержимого файла. Функция возвращает список, содержащий строки CSV файла, где каждая строка представлена в виде списка значений. Замените `'example.csv'` на путь к вашему CSV файлу и запустите код для парсинга данных из файла.

Пример 2: Парсинг JSON файла

```python

import json

def parse_json_file(file_path):

with open(file_path, 'r') as file:

data = json.load(file)

return data

file_path = 'example.json' # Замените 'example.json' на путь к вашему JSON файлу

data = parse_json_file(file_path)

# Обработка данных JSON

# Например, вывод значения определенного ключа

value = data['key']

print(value)

```

В этом примере функция `parse_json_file` принимает путь к JSON файлу в качестве аргумента и использует модуль `json` для загрузки содержимого файла в структуру данных Python. Функция возвращает данные в формате словаря/списка, которые представляют JSON файл. Замените `'example.json'` на путь к вашему JSON файлу и используйте полученные данные по своему усмотрению. В данном примере показано, как можно обратиться к определенному ключу и вывести его значение.

Вы можете сохранить этот код в файл с расширением `.py`, заменив `'example.txt'` на путь к вашему текстовому файлу, и запустить его для парсинга данных из файла.

Примера кода на языке Python для очистки и преобразования текстовых данных:

Пример 1: Удаление знаков препинания и приведение к нижнему регистру

```python

import string

def clean_text(text):

# Удаление знаков препинания

text = text.translate(str.maketrans('', '', string.punctuation))

# Приведение к нижнему регистру

text = text.lower()

return text

# Пример использования функции очистки текста

text = "Это пример текста! Он содержит знаки препинания."

cleaned_text = clean_text(text)

print(cleaned_text)

```

В данном примере функция `clean_text` принимает текст в качестве аргумента и использует метод `translate` для удаления знаков препинания с помощью модуля `string`. Затем текст приводится к нижнему регистру с помощью метода `lower()`. Функция возвращает очищенный текст. Запустите код, чтобы увидеть результат.

Пример 2: Токенизация текста

```python

from nltk.tokenize import word_tokenize

def tokenize_text(text):

tokens = word_tokenize(text)

return tokens

# Пример использования функции токенизации текста

text = "Это пример предложения."

tokens = tokenize_text(text)

print(tokens)

```

В этом примере используется библиотека NLTK (Natural Language Toolkit) для токенизации текста. Функция `tokenize_text` принимает текст в качестве аргумента и использует метод `word_tokenize` для разделения текста на отдельные слова (токены). Функция возвращает список токенов. Запустите код, чтобы увидеть результат.

Пример 3: Удаление стоп-слов

```python

from nltk.corpus import stopwords

def remove_stopwords(tokens):

stop_words = set(stopwords.words('russian')) # Замените 'russian' на нужный язык

filtered_tokens = [token for token in tokens if token not in stop_words]

return filtered_tokens

# Пример использования функции удаления стоп-слов

tokens = ['это', 'пример', 'текста', 'со', 'стоп-словами']

filtered_tokens = remove_stopwords(tokens)

print(filtered_tokens)

```

В этом примере используется библиотека NLTK для удаления стоп-слов из списка токенов. Функция `remove_stopwords` принимает список токенов в качестве аргумента и использует набор стоп-слов для определенного языка (в примере использован русский язык). Затем функция фильтрует токены, исключая стоп-слова. Функция возвращает отфильтрованный список токенов. Запустите код, чтобы увидеть результат.

Обратите внимание, что для использования примера 3 вам потребуется предварительно установить библиотеку NLTK и скачать соответствующие ресурсы для выбранного языка.

Анализ частот словарного запаса является одним из самых простых и эффективных методов анализа текстовых данных. Мы можем использовать различные библиотеки Python, такие как `nltk` и `collections`, чтобы подсчитать частоту словарного запаса в текстовых данных и вывести самое часто используемые слова.

Пример кода на языке Python, который поможет вам проанализировать частоту словарного запаса:

```python

from nltk.tokenize import word_tokenize

from nltk.probability import FreqDist

def analyze_word_frequency(text):

# Токенизация текста

tokens = word_tokenize(text)

# Вычисление частоты встречаемости слов

freq_dist = FreqDist(tokens)

return freq_dist

# Пример использования функции анализа частоты словарного запаса

text = "Это пример текста. Он содержит несколько слов, и некоторые слова повторяются."

word_freq = analyze_word_frequency(text)

# Вывод наиболее часто встречающихся слов

most_common_words = word_freq.most_common(5)

for word, frequency in most_common_words:

print(f"{word}: {frequency}")

```

В этом примере используется библиотека NLTK. Функция `analyze_word_frequency` принимает текст в качестве аргумента. Сначала текст токенизируется с помощью `word_tokenize`, затем вычисляется частота встречаемости слов с использованием `FreqDist`. Функция возвращает объект `FreqDist`, который представляет собой словарь, где ключами являются слова, а значениями – их частоты встречаемости.

В примере после анализа частоты словарного запаса выводятся пять наиболее часто встречающихся слов и их частоты. Измените число `5` на нужное количество слов, которые вы хотите вывести.

Обратите внимание, что для использования кода вам нужно предварительно установить библиотеку NLTK и скачать необходимые ресурсы, такие как токенизаторы и словари, с помощью функции `nltk.download()`.

Еще один пример кода на языке Python для анализа частоты словарного запаса:

```python

from nltk.tokenize import word_tokenize

from nltk.probability import FreqDist

import matplotlib.pyplot as plt

def analyze_word_frequency(text):

# Токенизация текста

tokens = word_tokenize(text)

# Вычисление частоты встречаемости слов

freq_dist = FreqDist(tokens)

return freq_dist

# Пример использования функции анализа частоты словарного запаса

text = "Это пример текста. Он содержит несколько слов, и некоторые слова повторяются."

word_freq = analyze_word_frequency(text)

# Вывод наиболее часто встречающихся слов

most_common_words = word_freq.most_common(5)

for word, frequency in most_common_words:

print(f"{word}: {frequency}")

# Визуализация частоты слов

word_freq.plot(30, cumulative=False)

plt.show()

```

В этом примере также используется библиотека NLTK. Функция `analyze_word_frequency` принимает текст в качестве аргумента. Текст токенизируется с помощью `word_tokenize`, а затем вычисляется частота встречаемости слов с использованием `FreqDist`.