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金子邦彦研究室

Iris データセットの次元削減（t-SNE, Isomap, Script Embedding, LLE, kernel approximation 法）（Python, scikit-learn を使用）

前準備

Python の準備

Google Colaboratory のノートブックを使うか， 自分のパソコンで Python を動かすなどがありえる．

• Google Colaboratory のノートブックを使う場合: 必要に応じて，下の「(1)」を参考に準備する．
• 自分のパソコンで Python を動かす場合: 必要に応じて，下の「(2)」を参考に準備する．

(1) （Google Colaboratory を使う場合）Google Colaboratory のノートブックの準備

Google Colaboratory のノートブックを新規作成を行う．

1. Google Colaboratory のWebページを開く

   https://colab.research.google.com

   Google Colab はオンラインの Python 開発環境． 使用するには Google アカウントが必要

2. 「ファイル」で、「ノートブックを新規作成」を選ぶ
3. Google アカウントでのログインが求められたときはログインする

(2) （自分のパソコンで Python を動かす場合）Python の準備

Python のインストール: 別ページで説明している．，pip と setuptools の更新，Python 開発環境

• Windows での Python のインストール: 別ページで説明している．，pip と setuptools の更新: 別ページで説明している．（あとのトラブルが起きにくいような手順を定めている）
• Ubuntu の場合:

  システム Python を使うことができる（システム Python を使う場合，Python のインストールは行わない）

  システム Python を用いるときは，pip, setuptools の更新は次のコマンドで行う．

  sudo apt -y update
  sudo apt -y install python3-pip python3-setuptools
  

  Ubuntu で，システム Python 以外の Python をインストールしたい場合は pyenv が便利である: 別ページで説明している．

Python の URL: http://www.python.org/

Python の numpy, pandas, seaborn, matplotlib, scikit-learn のインストール

• Windows の場合

  コマンドプロンプトを管理者として実行し，次のコマンドを実行．

  python -m pip install -U pip setuptools numpy pandas matplotlib seaborn scikit-learn scikit-learn-intelex
  
• Ubuntu の場合

  端末で，次のコマンドを実行

  sudo apt -y update
  sudo apt -y install python3-numpy python3-pandas python3-seaborn python3-matplotlib python3-sklearn
  

3. Iris データセットの準備

1. Iris データセットの読み込み

   import pandas as pd
   import seaborn as sns
   sns.set()
   iris = sns.load_dataset('iris')
   
2. データの確認

   print(iris.head())
   
3. 形と次元を確認

   配列（アレイ）の形： サイズは 150 ×5．次元数は 2． 最後の列は，iris.target は花の種類のデータである

   print(iris.shape)
   print(iris.ndim)
   
4. Iris データセットの0, 1, 2, 3列目を表示

   print( iris.iloc[:,0:4] )
   

t-SNE 法による次元削減

1. 散布図にプロットの準備

   import numpy as np
   import sklearn.decomposition
   %matplotlib inline
   import matplotlib.pyplot as plt
   import warnings
   warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings
   # M の最初の2列を，b で色を付けてプロット．b はラベル
   def scatter_label_plot(M, b, alpha):
       a12 = pd.DataFrame( M[:,0:2], columns=['a1', 'a2'] )
       f = pd.factorize(b)
       a12['target'] = f[0]
       g = sns.scatterplot(x='a1', y='a2', hue='target', data=a12, palette=sns.color_palette("hls", np.max(f[0]) + 1), legend="full", alpha=alpha)
       # lenend を書き換え
       labels=f[1]
       for i, label in enumerate(labels):
           g.legend_.get_texts()[i].set_text(label) 
       plt.show()
   

2. Iris データセットの0, 1, 2, 3列目について、t-SNE を実行

   from sklearn.manifold import TSNE
   d = TSNE(n_components = 2).fit_transform(iris.iloc[:,0:4]) 
   print(d)
   

   scatter_label_plot(d, iris.iloc[:,4], 1)   
   

isomap 法による次元削減

from sklearn.manifold import Isomap
d = Isomap(n_components=2, n_neighbors=10).fit_transform(iris.iloc[:,0:4]) 
print(d)
scatter_label_plot(d, iris.iloc[:,4], 1)   

Spectral Embeddeing 法による次元削減

from sklearn.manifold import SpectralEmbedding
d = SpectralEmbedding(n_components=2, n_neighbors=10).fit_transform(iris.iloc[:,0:4]) 
print(d)
scatter_label_plot(d, iris.iloc[:,4], 1)   

Locally Linear Embedding (LLE) 法による次元削減

scikit-learn の cheet sheet によれば、isomap, Spectral Embedding が働かないときは Locally Linear Embedding (LLE) が候補になっている

from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding
d = LocallyLinearEmbedding(n_components=2, n_neighbors=10).fit_transform(iris.iloc[:,0:4]) 
print(d)
scatter_label_plot(d, iris.iloc[:,4], 1)   

kernel approximation 法による次元削減

scikit-learn の cheet sheet によれば、 データ数が10000以上のときは kernel approximation が候補になっている．

from sklearn.kernel_approximation import RBFSampler
d = RBFSampler(gamma=1).fit_transform(iris.iloc[:,0:4]) 
print(d)
scatter_label_plot(d, iris.iloc[:,4], 1)