Python으로 하는 탐색적 자료 분석 (Exploratory Data Analysis)

Python으로 하는 탐색적 자료 분석 (Exploratory Data Analysis)

Python을 통해 탐색적 자료분석을 할 때, 무엇을 해야하고, 순서는 어떻게 해야하는지 막막한 경우가 많은데요. 탐색적 자료분석의 기본은 바로 변수 별로 분포를 그려보는 것이겠죠. 수치형 데이터의 경우는 히스토그램을, 명목형 데이터의 경우는 빈도표를 통해 데이터의 분포를 살펴보게 됩니다. 본 포스팅에서는 파이썬을 통해 탐색적 자료 분석을 하는 방법을 유명한 데이터셋인 타이타닉 데이터를 통하여 차근차근 알아보겠습니다. 

titanic.csv

기본적인 탐색적 자료 분석의 순서는 아래와 같이 정리해보았습니다. 

1. 데이터를 임포트하여 메모리에 올린다.

2. 데이터의 모양을 확인 한다.

3. 데이터의 타입을 확인한다.

4. 데이터의 Null 값을 체크한다. 

5. 종속변수의 분포를 살펴본다.

6. 독립변수 - 명목형 변수의 분포를 살펴본다. 

7. 독립변수 - 수치형 변수의 분포를 살펴본다. 

8. 수치형, 명목형 변수간의 관계를 파악한다. 

1. 데이터를 임포트한다.

아래와 같이 패키지와 데이터를 임포트합니다. numpy, pandas, matplotlib, seaborn은 이 4가지의 패키지는 파이썬을 통한 EDA에서 거의 필수적으로 사용하는 라이브러리입니다.

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
 
titanic = pd.read_csv("titanic.csv")

2. 데이터의 모양을 확인한다. 

titanic.head()

	PassengerId	Survived	Pclass	Name	Sex	Age	SibSp	Parch	Ticket	Fare	Cabin	Embarked
0	1	0	3	Braund, Mr. Owen Harris	male	22.0	1	0	A/5 21171	7.2500	NaN	S
1	2	1	1	Cumings, Mrs. John Bradley (Florence Briggs Th...	female	38.0	1	0	PC 17599	71.2833	C85	C
2	3	1	3	Heikkinen, Miss. Laina	female	26.0	0	0	STON/O2. 3101282	7.9250	NaN	S
3	4	1	1	Futrelle, Mrs. Jacques Heath (Lily May Peel)	female	35.0	1	0	113803	53.1000	C123	S
4	5	0	3	Allen, Mr. William Henry	male	35.0	0	0	373450	8.0500	NaN	S

3. 데이터의 타입을 체크한다.

titanic.info()

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 891 entries, 0 to 890
Data columns (total 12 columns):
PassengerId    891 non-null int64
Survived       891 non-null int64
Pclass         891 non-null int64
Name           891 non-null object
Sex            891 non-null object
Age            891 non-null float64
SibSp          891 non-null int64
Parch          891 non-null int64
Ticket         891 non-null object
Fare           891 non-null float64
Cabin          204 non-null object
Embarked       889 non-null object
dtypes: float64(2), int64(5), object(5)
memory usage: 83.6+ KB

데이터의 타입을 체크하는 이유는 해당 변수의 타입을 제대로 맞추어주기 위해서입니다. 범주형 변수의 경우 object 또는 string, 수치형 변수의 경우 int64 혹은 float 64로 맞추어주면 됩니다. 범주형 변수의 경우 값이 문자열로 들어가 있으면 알아서 object 타입이 되지만, 만약의 숫자로된 범주형 변수의 경우 int64 등으로 잘못 타입이 들어가 있는 경우가 있습니다.  

위 데이터의 경우 Survived와 PClass 변수가 범주형 int64로 잘못 되어있으므로 형변환을 합니다.

titanic['Survived'] = titanic['Survived'].astype(object)
titanic['Pclass'] = titanic['Pclass'].astype(object)

4. 데이터의 Null 값을 체크한다. 

Null Check도 매우 중요한 작업 중 하나입니다. 단순히 Tutorial이나 학습을 위해 제작된 데이터셋이아닌 현실의 데이터셋의 경우, 많은 부분이 Null 인 경우가 많습니다. 따라서 이 Null 값을 어떻게 처리하느냐가 매우 중요합니다. 

titanic.isnull().sum()

PassengerId      0
Survived         0
Pclass           0
Name             0
Sex              0
Age              0
SibSp            0
Parch            0
Ticket           0
Fare             0
Cabin          687
Embarked         2
dtype: int64

Cabin 변수가  687 행이 missing이고 Embarked가 2개의 행이 missing인 것을 확인하였습니다.

Null 값이 있는 경우, 크게 그 값을 빼고 하는지, 혹은 결측치를 대치하는지 2개의 방법으로 나눌 수 있습니다. 각각의 방법에 대한 이름이 다르긴한데 보통 첫 번째 방법을 complete data analysis, 두 번째 방법을 Imputation이라고 이름 붙입니다. 

missing_df = titanic.isnull().sum().reset_index()
missing_df.columns = ['column', 'count']
missing_df['ratio'] = missing_df['count'] / titanic.shape[0]
missing_df.loc[missing_df['ratio'] != 0]

	column	count	ratio
10	Cabin	687	0.771044
11	Embarked	2	0.002245

위 명령어를 통해 전체의 몇 %가 missing 인지를 확인할 수 있습니다. 

5. 종속변수 체크

titanic['Survived'].value_counts().plot(kind='bar')
plt.show()

기본적으로 종속변수의 분포를 살펴봅니다. 종속변수란 다른 변수들의 관계를 주로 추론하고, 최종적으로는 예측하고자 하는 변수입니다. 

6. 명목형 변수의 분포 살펴보기

 

단변수 탐색

category_feature = [ col for col in titanic.columns if titanic[col].dtypes == "object"]
category_feature

['Survived', 'Pclass', 'Name', 'Sex', 'Ticket', 'Cabin', 'Embarked']

앞에서 명목형 변수의 형을 object로 모두 변경했기 때문에 이처럼 컬럼 중에서 object 타입을 가진 컬럼만 뽑아서 명목형 변수의 리스트를 만듭니다. 이 때, 데이터의 기본키(인덱스), 종속변수 등을 제외하고 분석하는 것이 좋습니다. 

category_feature = list(set(category_feature) - set(['PassengerId','Survived']))
category_feature

  ['Cabin', 'Embarked', 'Ticket', 'Sex', 'Name', 'Pclass']

다음으로는 그래프를 통해 명목형 변수의 분포를 살펴보는 것입니다. 

for col in categorical_feature:
    titanic[col].value_counts().plot(kind='bar')
    plt.title(col)
    plt.show()

이렇게 살펴봄으로써 명목형 변수를 어떻게 다룰지를 판단할 수 있습니다. 예를 들어, 카테고리수가 너무 많고, 종속변수와 별로 관련이 없어보이는 독립 변수들은 빼고 분석하는 것이 나을 수도 있습니다.

이변수 탐색

sex_df = titanic.groupby(['Sex','Survived'])['Survived'].count().unstack('Survived')
sex_df.plot(kind='bar', figsize=(20,10))
plt.title('Sex')
plt.show()

성별-생존의 관계 파악처럼 두 변수의 관계를 파악하기 위해서는 위와 같이 확인할 수 있습니다.

7. 수치형 변수의 분포 살펴보기

단변수 탐색

단변수 탐색은 seaborn 패키지의 distplot 함수를 이용하면 매우 편합니다.

우선 이와 같이 전체 변수 중에서 범주형 변수와 기타 인덱스 변수, 종속변수들을 제외하고 수치형 변수만 골라냅니다.

numerical_feature = list(set(titanic.columns) - set(category_feature) - set(['PassengerId','Survived']))
numerical_feature = np.sort(numerical_feature)
numerical_feature

변수별로 for문을 돌면서 distplot을 그립니다

for col in numerical_feature:
    sns.distplot(titanic.loc[titanic[col].notnull(), col])
    plt.title(col)
    plt.show()

이변수, 삼변수 탐색

seaborn 패키지의 pairplot을 통해 종속변수를 포함한 3개의 변수를 한 번에 볼 수 있도록 플로팅합니다.

sns.pairplot(titanic[list(numerical_feature) + ['Survived']], hue='Survived', 
             x_vars=numerical_feature, y_vars=numerical_feature)
plt.show()

pairplot은 어러 변수의 관계를 한 번에 파악할 수 있으며,  hue 파라미터를 통해 종속변수를 지정함으로써 세 변수의 관계를 파악할 수 있습니다.

8. 수치형, 명목형 변수 간의 관계 탐색

앞서서 수치형-수치형  간의 관계, 그리고 명목형-명목형 간의 관계에 종속변수까지 포함해서 보았습니다. 이 번에는 수치형-명목형 간의 관계를 파악해 보는 것입니다. 예를 들어, 성별, 나이, 생존여부 3개의 변수를 동시에 탐색하고 싶을 수 있습니다. 이 경우에 명목형 변수에 따라 수치형변수의 boxplot을 그려봄으로써 대략적인 데이터의 형태를 살펴볼 수 있습니다. 

unique_list = titanic['Sex'].unique()
 
for col in numerical_feature:
    plt.figure(figsize=(12,6))
    sns.boxplot(x='Sex', y=col, hue='Survived', data=titanic.dropna())
    plt.title("Sex - {}".format(col))
    plt.show()