755 KiB
Датасет №1: Объекты вокруг Земли.¶
Описание датасета:¶
Данный набор данных представляет собой коллекцию сведений о ближайших к Земле объектах (астероидах), сертифицированных NASA. Он содержит данные, которые могут помочь идентифицировать потенциально опасные астероиды, которые могут оказать влияние на Землю или на космические миссии. Набор данных включает в себя такие ключевые характеристики астероидов, как их размер, скорость, расстояние до Земли и информация о возможной опасности столкновения.
Анализ сведений:¶
Проблемная область: Основной проблемной областью является отслеживание и оценка рисков, связанных с приближением астероидов к Земле. С помощью данных о движении и характеристиках астероидов можно предсказать возможные столкновения и минимизировать угрозу для Земли, планируя превентивные действия.
Актуальность: Набор данных высокоактуален для задач оценки рисков от космических объектов, мониторинга космического пространства и разработки превентивных мер по защите Земли. Также он важен для научных исследований в области астрономии и планетарной безопасности.
Объекты наблюдения: Объектами наблюдения в данном наборе данных являются астероиды, классифицированные NASA как "ближайшие к Земле объекты" (Near-Earth Objects, NEO). Эти объекты могут проходить в непосредственной близости от Земли, что потенциально представляет опасность.
Атрибуты объектов:
- id: Уникальный идентификатор астероида.
- name: Название, присвоенное астероиду NASA.
- est_diameter_min: Минимальный оценочные диаметры астероида в километрах.
- est_diameter_max: Максимальный оценочные диаметры астероида в километрах.
- relative_velocity: Скорость астероида относительно Земли (в км/с).
- miss_distance: Расстояние, на котором астероид пролетел мимо Земли, в километрах.
- orbiting_body: Планета, вокруг которой вращается астероид.
- sentry_object: Признак, указывающий на наличие астероида в системе автоматического мониторинга столкновений (система Sentry).
- absolute_magnitude: Абсолютная величина, описывающая яркость объекта.
- hazardous: Булев признак, указывающий, является ли астероид потенциально опасным.
Связь между объектами: В данном наборе данных отсутствует явная связь между астероидами, однако на основе орбитальных параметров можно исследовать группы объектов, имеющие схожие орбиты или величины риска столкновения с Землей.
Качество набора данных:¶
Информативность: Датасет предоставляет важные сведения о ключевых характеристиках астероидов, такие как размер, скорость и расстояние от Земли, что позволяет проводить качественный анализ их потенциальной опасности.
Степень покрытия: Набор данных включает данные о большом количестве астероидов (>90000 записей), что позволяет охватить значительную часть ближайших к Земле объектов. Однако не все астероиды могут быть обнаружены, так как данные зависят от возможности их наблюдения.
Соответствие реальным данным: Данные в наборе предоставлены NASA, что указывает на высокую достоверность и актуальность информации. Тем не менее, параметры, такие как диаметр и расстояние, могут быть оценочными и подвергаться уточнению с новыми наблюдениями.
Согласованность меток: Метрики в датасете четко обозначены, а булевы признаки, такие как "hazardous" (опасен или нет), соответствуют конкретным параметрам астероидов и легко интерпретируются.
Бизес-цели:¶
- Мониторинг космических угроз: Создание системы, которая анализирует астероиды и предсказывает риски столкновения с Землей, помогая государственным агентствам и частным компаниям разрабатывать превентивные меры.
- Поддержка космических миссий: Предоставление точных данных для планирования и безопасного проведения космических миссий, минимизация рисков столкновения с космическими объектами.
- Образовательные и научные исследования: Использование данных для поддержки образовательных программ и научных исследований в области астрономии и космической безопасности.
Эффект для бизнеса: Набор данных способствует развитию технологий космической безопасности, минимизирует финансовые риски от потенциальных катастроф и поддерживает стратегическое планирование космических миссий.
Технические цели:¶
- Моделирование риска столкновения: Построение алгоритмов машинного обучения для прогнозирования вероятности столкновения астероидов с Землей.
- Анализ и кластеризация астероидов: Исследование взаимосвязей между астероидами, анализ орбитальных данных и выделение групп астероидов, имеющих схожие характеристики.
- Оптимизация системы предупреждения угроз: Создание системы раннего оповещения, которая будет автоматически анализировать данные и предупреждать о потенциальных угрозах в реальном времени.
Входные данные: Диаметр, скорость, расстояние, орбитальные параметры астероидов.
Целевой признак: Признак "hazardous" – бинарная метка, указывающая на потенциальную опасность астероида.
Выгрузка данных из файла в DataFrame:¶
from typing import Any
from math import ceil
import pandas as pd
from pandas import DataFrame, Series
from sklearn.model_selection import train_test_split
from imblearn.over_sampling import ADASYN
from imblearn.under_sampling import RandomUnderSampler
import matplotlib.pyplot as plt
df: DataFrame = pd.read_csv('..//static//csv//neo.csv')
Краткая информация о DataFrame:¶
# Краткая информация о DataFrame
df.info()
# Статистическое описание числовых столбцов
df.describe().transpose()
Проблема пропущенных данных:¶
Проблема пропущенных данных — это отсутствие значений в наборе данных, что может искажать результаты анализа и статистические выводы.
Проверка на отсутствие значений, представленная ниже, показала, что DataFrame не имеет пустых значений признаков. Нет необходимости использовать методы заполнения пропущенных данных.
# Проверка пропущенных данных
def check_null_columns(dataframe: DataFrame) -> None:
# Присутствуют ли пустые значения признаков
print(dataframe.isnull().any(), '\n')
# Количество пустых значений признаков
print(dataframe.isnull().sum())
# Процент пустых значений признаков
for i in dataframe.columns:
null_rate: float = dataframe[i].isnull().sum() / len(dataframe) * 100
if null_rate > 0:
print(f"{i} процент пустых значений: %{null_rate:.2f}")
# Проверка пропущенных данных
check_null_columns(df)
Проблема зашумленности данных:¶
Зашумленность – это наличие случайных ошибок или вариаций в данных, которые могут затруднить выявление истинных закономерностей. Шум может возникать из-за ошибок измерений, неправильных записей или других факторов.
Выбросы – это значения, которые значительно отличаются от остальных наблюдений в наборе данных. Выбросы могут указывать на ошибки в данных или на редкие, но важные события. Их наличие может повлиять на статистические методы анализа.
Представленный ниже код помогает определить наличие выбросов в наборе данных и устранить их (при наличии), заменив значения ниже нижней границы (рассматриваемого минимума) на значения нижней границы, а значения выше верхней границы (рассматриваемого максимума) – на значения верхней границы.
# Числовые столбцы DataFrame
numeric_columns: list[str] = [
'est_diameter_min',
'est_diameter_max',
'relative_velocity',
'miss_distance',
'absolute_magnitude'
]
# Проверка выбросов в DataFrame
def check_outliers(dataframe: DataFrame, columns: list[str]) -> None:
for column in columns:
if not pd.api.types.is_numeric_dtype(dataframe[column]): # Проверяем, является ли колонка числовой
continue
Q1: float = dataframe[column].quantile(0.25) # 1-й квартиль (25%)
Q3: float = dataframe[column].quantile(0.75) # 3-й квартиль (75%)
IQR: float = Q3 - Q1 # Вычисляем межквартильный размах
# Определяем границы для выбросов
lower_bound: float = Q1 - 1.5 * IQR # Нижняя граница
upper_bound: float = Q3 + 1.5 * IQR # Верхняя граница
# Подсчитываем количество выбросов
outliers: DataFrame = dataframe[(dataframe[column] < lower_bound) | (dataframe[column] > upper_bound)]
outlier_count: int = outliers.shape[0]
print(f"Колонка {column}:")
print(f"\tЕсть выбросы: {'Да' if outlier_count > 0 else 'Нет'}")
print(f"\tКоличество выбросов: {outlier_count}")
print(f"\tМинимальное значение: {dataframe[column].min()}")
print(f"\tМаксимальное значение: {dataframe[column].max()}")
print(f"\t1-й квартиль (Q1): {Q1}")
print(f"\t3-й квартиль (Q3): {Q3}\n")
# Визуализация выбросов
def visualize_outliers(dataframe: DataFrame, columns: list[str]) -> None:
# Диаграммы размахов
plt.figure(figsize=(15, 10))
rows: int = ceil(len(columns) / 3)
for index, column in enumerate(columns, 1):
plt.subplot(rows, 3, index)
plt.boxplot(dataframe[column], vert=True, patch_artist=True)
plt.title(f"Диаграмма размахов для \"{column}\"")
plt.xlabel(column)
# Отображение графиков
plt.tight_layout()
plt.show()
# Проверка выбросов
check_outliers(df, numeric_columns)
visualize_outliers(df, numeric_columns)
# Устранить выборсы в DataFrame
def remove_outliers(dataframe: DataFrame, columns: list[str]) -> DataFrame:
for column in columns:
if not pd.api.types.is_numeric_dtype(dataframe[column]): # Проверяем, является ли колонка числовой
continue
Q1: float = dataframe[column].quantile(0.25) # 1-й квартиль (25%)
Q3: float = dataframe[column].quantile(0.75) # 3-й квартиль (75%)
IQR: float = Q3 - Q1 # Вычисляем межквартильный размах
# Определяем границы для выбросов
lower_bound: float = Q1 - 1.5 * IQR # Нижняя граница
upper_bound: float = Q3 + 1.5 * IQR # Верхняя граница
# Устраняем выбросы:
# Заменяем значения ниже нижней границы на нижнюю границу
# А значения выше верхней границы – на верхнюю
dataframe[column] = dataframe[column].apply(lambda x: lower_bound if x < lower_bound else upper_bound if x > upper_bound else x)
return dataframe
# Устраняем выборсы
df: DataFrame = remove_outliers(df, numeric_columns)
# Проверка выбросов
check_outliers(df, numeric_columns)
visualize_outliers(df, numeric_columns)
Разбиение набора данных на выборки:¶
Групповое разбиение данных – это метод разделения данных на несколько групп или подмножеств на основе определенного признака или характеристики. При этом наблюдения для одного объекта должны попасть только в одну выборку.
Основные виды выборки данных:
- Обучающая выборка (60-80%). Обучение модели (подбор коэффициентов некоторой математической функции для аппроксимации).
- Контрольная выборка (10-20%). Выбор метода обучения, настройка гиперпараметров.
- Тестовая выборка (10-20% или 20-30%). Оценка качества модели перед передачей заказчику.
Разделим выборку данных на 3 группы и проанализируем качество распределения данных.
Весь набор данных состоит из 90836 объектов, из которых 81996 (около 90.3%) неопасны (False), а 8840 (около 9.7%) опасны (True). Это говорит о том, что класс "неопасные" значительно преобладает.
Все выборки показывают одинаковое распределение классов, что свидетельствует о том, что данные были отобраны случайным образом и не содержат явного смещения.
Однако, несмотря на сбалансированность при разбиении данных, в целом данные обладают значительным дисбалансом между классами. Это может быть проблемой при обучении модели, так как она может иметь тенденцию игнорировать опасные объекты (True), что следует учитывать при дальнейшем анализе и выборе методов обработки данных.
Для получения более сбалансированных выборок данных необходимо воспользоваться методами приращения (аугментации) данных, а именно методами oversampling и undersampling.
# Функция для создания выборок
def split_stratified_into_train_val_test(
df_input,
stratify_colname="y",
frac_train=0.6,
frac_val=0.15,
frac_test=0.25,
random_state=None,
) -> tuple[Any, Any, Any]:
"""
Splits a Pandas dataframe into three subsets (train, val, and test)
following fractional ratios provided by the user, where each subset is
stratified by the values in a specific column (that is, each subset has
the same relative frequency of the values in the column). It performs this
splitting by running train_test_split() twice.
Parameters
----------
df_input : Pandas dataframe
Input dataframe to be split.
stratify_colname : str
The name of the column that will be used for stratification. Usually
this column would be for the label.
frac_train : float
frac_val : float
frac_test : float
The ratios with which the dataframe will be split into train, val, and
test data. The values should be expressed as float fractions and should
sum to 1.0.
random_state : int, None, or RandomStateInstance
Value to be passed to train_test_split().
Returns
-------
df_train, df_val, df_test :
Dataframes containing the three splits.
"""
if frac_train + frac_val + frac_test != 1.0:
raise ValueError(
"fractions %f, %f, %f do not add up to 1.0"
% (frac_train, frac_val, frac_test)
)
if stratify_colname not in df_input.columns:
raise ValueError("%s is not a column in the dataframe" % (stratify_colname))
X: DataFrame = df_input # Contains all columns.
y: DataFrame = df_input[
[stratify_colname]
] # Dataframe of just the column on which to stratify.
# Split original dataframe into train and temp dataframes.
df_train, df_temp, y_train, y_temp = train_test_split(
X, y,
stratify=y,
test_size=(1.0 - frac_train),
random_state=random_state
)
# Split the temp dataframe into val and test dataframes.
relative_frac_test: float = frac_test / (frac_val + frac_test)
df_val, df_test, y_val, y_test = train_test_split(
df_temp,
y_temp,
stratify=y_temp,
test_size=relative_frac_test,
random_state=random_state,
)
assert len(df_input) == len(df_train) + len(df_val) + len(df_test)
return df_train, df_val, df_test
# Вывод распределения количества наблюдений по меткам (классам)
print(df.hazardous.value_counts(), '\n')
data: DataFrame = df[[
'est_diameter_min',
'est_diameter_max',
'relative_velocity',
'miss_distance',
'absolute_magnitude',
'hazardous'
]].copy()
df_train, df_val, df_test = split_stratified_into_train_val_test(
df,
stratify_colname="hazardous",
frac_train=0.60,
frac_val=0.20,
frac_test=0.20
)
# Оценка сбалансированности
def check_balance(dataframe: DataFrame, dataframe_name: str, column: str) -> None:
counts: Series[int] = dataframe[column].value_counts()
print(dataframe_name + ": ", dataframe.shape)
print(f"Распределение выборки данных по классам \"{column}\":\n", counts)
total_count: int = len(dataframe)
for value in counts.index:
percentage: float = counts[value] / total_count * 100
print(f"Процент объектов класса \"{value}\": {percentage:.2f}%")
print()
# Определение необходимости аугментации данных
def need_augmentation(dataframe: DataFrame,
column: str,
first_value: Any, second_value: Any) -> bool:
counts: Series[int] = dataframe[column].value_counts()
ratio: float = counts[first_value] / counts[second_value]
return ratio > 1.5 or ratio < 0.67
# Визуализация сбалансированности классов
def visualize_balance(dataframe_train: DataFrame,
dataframe_val: DataFrame,
dataframe_test: DataFrame,
column: str) -> None:
fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(15, 5))
# Обучающая выборка
counts_train: Series[int] = dataframe_train[column].value_counts()
axes[0].pie(counts_train, labels=counts_train.index, autopct='%1.1f%%', startangle=90)
axes[0].set_title(f"Распределение классов \"{column}\" в обучающей выборке")
# Контрольная выборка
counts_val: Series[int] = dataframe_val[column].value_counts()
axes[1].pie(counts_val, labels=counts_val.index, autopct='%1.1f%%', startangle=90)
axes[1].set_title(f"Распределение классов \"{column}\" в контрольной выборке")
# Тестовая выборка
counts_test: Series[int] = dataframe_test[column].value_counts()
axes[2].pie(counts_test, labels=counts_test.index, autopct='%1.1f%%', startangle=90)
axes[2].set_title(f"Распределение классов \"{column}\" в тренировочной выборке")
# Отображение графиков
plt.tight_layout()
plt.show()
# Проверка сбалансированности
check_balance(df_train, 'Обучающая выборка', 'hazardous')
check_balance(df_val, 'Контрольная выборка', 'hazardous')
check_balance(df_test, 'Тестовая выборка', 'hazardous')
# Проверка необходимости аугментации
print(f"Для обучающей выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_train, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
print(f"Для контрольной выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_val, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
print(f"Для тестовой выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_test, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
# Визуализация сбалансированности классов
visualize_balance(df_train, df_val, df_test, 'hazardous')
Приращение данных:¶
Аугментация данных может быть полезна в том случае, когда имеется недостаточное количество данных и мы хотим сгенерировать новые данные на основе имеющихся, слегка модифицировав их.
Методы решения:
- Выборка с избытком (oversampling). Копирование наблюдений или генерация новых наблюдений на основе существующих с помощью алгоритмов SMOTE и ADASYN (нахождение k-ближайших соседей).
- Выборка с недостатком (undersampling). Исключение некоторых наблюдений для меток с большим количеством наблюдений. Наблюдения можно исключать случайным образом или на основе определения связей Томека для наблюдений разных меток.
# Метод приращения с избытком (oversampling)
def oversample(df: DataFrame, column: str) -> DataFrame:
X: DataFrame = pd.get_dummies(df.drop(column, axis=1))
y: DataFrame = df[column] # type: ignore
adasyn = ADASYN()
X_resampled, y_resampled = adasyn.fit_resample(X, y) # type: ignore
df_resampled: DataFrame = pd.concat([X_resampled, y_resampled], axis=1)
return df_resampled
# Приращение данных (oversampling)
df_train_oversampled: DataFrame = oversample(df_train, 'hazardous')
df_val_oversampled: DataFrame = oversample(df_val, 'hazardous')
df_test_oversampled: DataFrame = oversample(df_test, 'hazardous')
# Проверка сбалансированности
print('После применения метода oversampling:')
check_balance(df_train_oversampled, 'Обучающая выборка', 'hazardous')
check_balance(df_val_oversampled, 'Контрольная выборка', 'hazardous')
check_balance(df_test_oversampled, 'Тестовая выборка', 'hazardous')
# Проверка необходимости аугментации
print(f"Для обучающей выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_train_oversampled, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
print(f"Для контрольной выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_val_oversampled, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
print(f"Для тестовой выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_test_oversampled, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
# Визуализация сбалансированности классов
visualize_balance(df_train_oversampled, df_val_oversampled, df_test_oversampled, 'hazardous')
# Метод приращения с недостатком (undersampling)
def undersample(df: DataFrame, column: str) -> DataFrame:
X: DataFrame = pd.get_dummies(df.drop(column, axis=1))
y: DataFrame = df[column] # type: ignore
undersampler = RandomUnderSampler()
X_resampled, y_resampled = undersampler.fit_resample(X, y) # type: ignore
df_resampled: DataFrame = pd.concat([X_resampled, y_resampled], axis=1)
return df_resampled
# Приращение данных (undersampling)
df_train_undersampled: DataFrame = undersample(df_train, 'hazardous')
df_val_undersampled: DataFrame = undersample(df_val, 'hazardous')
df_test_undersampled: DataFrame = undersample(df_test, 'hazardous')
# Проверка сбалансированности
print('После применения метода undersampling:')
check_balance(df_train_undersampled, 'Обучающая выборка', 'hazardous')
check_balance(df_val_undersampled, 'Контрольная выборка', 'hazardous')
check_balance(df_test_undersampled, 'Тестовая выборка', 'hazardous')
# Проверка необходимости аугментации
print(f"Для обучающей выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_train_undersampled, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
print(f"Для контрольной выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_val_undersampled, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
print(f"Для тестовой выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_test_undersampled, 'hazardous', True, False) else ''}требуется")
# Визуализация сбалансированности классов
visualize_balance(df_train_undersampled, df_val_undersampled, df_test_undersampled, 'hazardous')
Датасет №2: Зарплаты в области Data Science.¶
Описание датасета:¶
Данный набор данных предназначен для исследования факторов, влияющих на заработную плату специалистов по данным (Data Scientists) в 2023 году. Набор данных содержит информацию о различных характеристиках работников, таких как уровень опыта, тип занятости, местоположение сотрудника и компании, удалённость работы и размер компании. Этот анализ помогает понять, какие факторы наиболее значимо влияют на уровень зарплат в области Data Science, и как изменяются заработные платы в зависимости от этих факторов.
Анализ сведений:¶
Проблемная область: Основная задача – изучить, как различные факторы, такие как опыт, тип занятости, местоположение и удалённость работы, влияют на уровень зарплаты специалистов по данным. Это важно для понимания рыночных тенденций и формирования конкурентоспособной системы оплаты труда.
Актуальность: Данный набор данных актуален для компаний, стремящихся выстроить конкурентоспособные стратегии оплаты труда, а также для специалистов по данным, желающих оценить свои зарплатные ожидания в зависимости от их опыта, географии и типа занятости.
Объекты наблюдения: Объектами наблюдения являются специалисты по данным, работающие в различных компаниях и странах, с разным уровнем опыта и типом занятости.
Атрибуты объектов:
- work_year: Год, в который была выплачена зарплата.
- experience_level: Уровень опыта сотрудника.
- EN: Начальный.
- MI: Средний.
- SE: Старший.
- EX: Исполнительный.
- employment_type: Тип занятости.
- PT: Полная.
- FT: Частичная.
- CT: Контрактная.
- FL: Фриланс.
- job_title: Должность, которую занимал сотрудник.
- salary: Общая сумма выплаченной заработной платы.
- salary_currency: Валюта, в которой выплачена зарплата.
- salary_in_usd: Заработная плата, конвертированная в доллары США (USD).
- employee_residence: Страна проживания сотрудника в год выплаты зарплаты.
- remote_ratio: Доля удалённой работы (например, 100% удалённо или частично удалённо).
- company_location: Страна, в которой расположена основная офисная компания работодателя.
- company_size: Среднее количество сотрудников, работающих в компании.
Связь между объектами: Набор данных позволяет исследовать взаимосвязи между факторами, такими как уровень опыта, тип занятости и местоположение сотрудника, с уровнем его заработной платы. Взаимосвязи между этими факторами могут дать полезную информацию о влиянии определённых условий работы на доход.
Качество набора данных:¶
Информативность: Датасет предоставляет важную информацию для анализа различных факторов, влияющих на зарплату специалистов по данным. Он включает множество атрибутов, которые можно использовать для построения моделей и анализа.
Степень покрытия: Набор данных охватывает специалистов по данным с разным опытом, работающих в различных странах, что позволяет провести сравнительный анализ и выявить региональные и глобальные тренды.
Соответствие реальным данным: ДЗаработные платы специалистов по данным, приведенные в датасете, отражают реальную ситуацию на рынке труда в 2023 году, предоставляя точные данные для анализа текущих рыночных условий.
Согласованность меток: Все категории, такие как уровни опыта или типы занятости, имеют четко определённые метки, что упрощает анализ и моделирование.
Бизес-цели:¶
- Оптимизация структуры оплаты труда: Компании могут использовать данный анализ для создания конкурентных предложений по оплате труда, основываясь на опыте, географии и других значимых факторах.
- Планирование найма и удержание специалистов: Помогает работодателям понять, какие факторы могут привлечь или удержать специалистов по данным, и оптимизировать HR-процессы для сокращения текучести кадров.**
- Анализ глобальных и региональных зарплатных трендов: Позволяет компаниям проводить сравнительный анализ зарплат по регионам, уровням опыта и типам занятости, помогая в принятии решений о расширении бизнеса в разные страны.**
Эффект для бизнеса: Компании, использующие данную информацию, могут предлагать конкурентоспособные зарплаты, улучшить процессы найма и удержания специалистов, а также сократить издержки, связанные с высокими зарплатными ожиданиями. Это также помогает улучшить планирование бюджета на персонал.
Технические цели:¶
- Построение модели прогнозирования зарплат: Создание модели, которая будет предсказывать уровень зарплаты специалиста по данным на основе таких факторов, как опыт, регион и удалённость работы.
- Анализ влияния опыта и удалённости на зарплату: Исследование того, как уровень опыта и удалённость работы влияют на заработную плату, что может помочь компаниям лучше планировать условия найма.
- Оптимизация найма специалистов: С помощью анализа компания может определить наиболее значимые факторы для назначения зарплат, чтобы предлагать более конкурентные условия и привлекать лучших специалистов.
Входные данные: Год, уровень опыта, тип занятости, должность, зарплата, страна проживания, удалённость работы.
Целевой признак: Признак "salary_in_usd" – заработная плата в долларах США.
Выгрузка данных из файла в DataFrame:¶
df: DataFrame = pd.read_csv('..//static//csv//ds_salaries.csv')
Краткая информация о DataFrame:¶
# Краткая информация о DataFrame
df.info()
# Статистическое описание числовых столбцов
df.describe().transpose()
Проблема пропущенных данных:¶
Проверка на отсутствие значений, представленная ниже, показала, что DataFrame не имеет пустых значений признаков. Нет необходимости использовать методы заполнения пропущенных данных.
# Проверка пропущенных данных
check_null_columns(df)
Проблема зашумленности данных:¶
Представленный ниже код помогает определить наличие выбросов в наборе данных и устранить их (при наличии), заменив значения ниже нижней границы (рассматриваемого минимума) на значения нижней границы, а значения выше верхней границы (рассматриваемого максимума) – на значения верхней границы.
# Числовые столбцы DataFrame
numeric_columns: list[str] = [
'work_year',
'salary',
'salary_in_usd',
'remote_ratio'
]
# Проверка выбросов
check_outliers(df, numeric_columns)
visualize_outliers(df, numeric_columns)
# Устраняем выборсы
df: DataFrame = remove_outliers(df, numeric_columns)
# Проверка выбросов
check_outliers(df, numeric_columns)
visualize_outliers(df, numeric_columns)
Разбиение набора данных на выборки:¶
Разделим выборку данных на 3 группы и проанализируем качество распределения данных.
Стратифицированное разбиение требует, чтобы в каждом классе, по которому происходит стратификация, было минимум по два элемента, иначе метод не сможет корректно разделить данные на тренировочные, валидационные и тестовые наборы.
Чтобы решить эту проблему введём категории для значения зарплаты. Вместо того, чтобы использовать точные значения зарплаты для стратификации, мы создадим категории зарплат, основываясь на квартилях (25%, 50%, 75%) и минимальном и максимальном значении зарплаты. Это позволит создать более крупные классы, что устранит проблему с редкими значениями:
Категории для разбиения зарплат:
- Низкая зарплата: зарплаты ниже первого квартиля (25%) — это значения меньше 95000.
- Средняя зарплата: зарплаты между первым квартилем (25%) и третьим квартилем (75%) — это зарплаты от 95000 до 175000.
- Высокая зарплата: зарплаты выше третьего квартиля (75%) и до максимального значения — это зарплаты выше 175000.
Весь набор данных состоит из 3755 объектов, из которых 1867 (около 49.7%) имеют средний уровень зарплаты (medium), 956 (около 25.4%) – низкий уровень зарплаты (low), и 932 (около 24.8%) – высокий уровень зарплаты (high).
Все выборки показывают одинаковое распределение классов, что свидетельствует о том, что данные были отобраны случайным образом и не содержат явного смещения.
Однако, несмотря на сбалансированность при разбиении данных, в целом данные обладают значительным дисбалансом между классами. Это может быть проблемой при обучении модели, так как она может иметь тенденцию игнорировать низкие или высокие зарплаты (low или high), что следует учитывать при дальнейшем анализе и выборе методов обработки данных.
Для получения более сбалансированных выборок данных необходимо воспользоваться методами приращения (аугментации) данных, а именно методами oversampling и undersampling.
# Вывод распределения количества наблюдений по меткам (классам)
print(df.salary_in_usd.value_counts(), '\n')
# Статистическое описание целевого признака
print(df['salary_in_usd'].describe().transpose(), '\n')
# Определим границы для каждой категории зарплаты
bins: list[int] = [0, 95000, 175000, 450000]
labels: list[str] = ['low', 'medium', 'high']
# Создаем новую колонку с категориями зарплат
df['salary_category'] = pd.cut(df['salary_in_usd'], bins=bins, labels=labels)
# Вывод распределения количества наблюдений по меткам (классам)
print(df['salary_category'].value_counts(), '\n')
df_train, df_val, df_test = split_stratified_into_train_val_test(
df,
stratify_colname="salary_category",
frac_train=0.60,
frac_val=0.20,
frac_test=0.20
)
# Проверка сбалансированности
check_balance(df_train, 'Обучающая выборка', 'salary_category')
check_balance(df_val, 'Контрольная выборка', 'salary_category')
check_balance(df_test, 'Тестовая выборка', 'salary_category')
# Проверка необходимости аугментации
print(f"Для обучающей выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_train, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
print(f"Для контрольной выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_val, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
print(f"Для тестовой выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_test, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
# Визуализация сбалансированности классов
visualize_balance(df_train, df_val, df_test, 'salary_category')
Приращение данных:¶
# Приращение данных (oversampling)
df_train_oversampled: DataFrame = oversample(df_train, 'salary_category')
df_val_oversampled: DataFrame = oversample(df_val, 'salary_category')
df_test_oversampled: DataFrame = oversample(df_test, 'salary_category')
# Проверка сбалансированности
print('После применения метода oversampling:')
check_balance(df_train_oversampled, 'Обучающая выборка', 'salary_category')
check_balance(df_val_oversampled, 'Контрольная выборка', 'salary_category')
check_balance(df_test_oversampled, 'Тестовая выборка', 'salary_category')
# Проверка необходимости аугментации
print(f"Для обучающей выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_train_oversampled, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
print(f"Для контрольной выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_val_oversampled, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
print(f"Для тестовой выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_test_oversampled, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
# Визуализация сбалансированности классов
visualize_balance(df_train_oversampled, df_val_oversampled, df_test_oversampled, 'salary_category')
# Приращение данных (undersampling)
df_train_undersampled: DataFrame = undersample(df_train, 'salary_category')
df_val_undersampled: DataFrame = undersample(df_val, 'salary_category')
df_test_undersampled: DataFrame = undersample(df_test, 'salary_category')
# Проверка сбалансированности
print('После применения метода undersampling:')
check_balance(df_train_undersampled, 'Обучающая выборка', 'salary_category')
check_balance(df_val_undersampled, 'Контрольная выборка', 'salary_category')
check_balance(df_test_undersampled, 'Тестовая выборка', 'salary_category')
# Проверка необходимости аугментации
print(f"Для обучающей выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_train_undersampled, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
print(f"Для контрольной выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_val_undersampled, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
print(f"Для тестовой выборки аугментация данных {'не ' if not need_augmentation(df_test_undersampled, 'salary_category', 'low', 'medium') else ''}требуется")
# Визуализация сбалансированности классов
visualize_balance(df_train_undersampled, df_val_undersampled, df_test_undersampled, 'salary_category')
