【python】iris(アヤメ)のデータセットをpandasとseabornを使って可視化する

この記事はこんな人にオススメです

irisのデータセットを具体的に知りたい人
seabornとpandasを使って展開したい人

こんにちは．けんゆー（@kenyu0501_)です．
サポートベクターマシンなどの機械学習を試してみたいと思ったときには，Scikit-learnのデータセットを使ってみるのは楽で良い方法だと思います．
その中でも，提供されているアヤメのデータ(iris)は，よく使われるデータセットです．
今回は，そのアヤメのデータセットがどのような構造になっているのかや，実際にseabornやpandasを用いてグラフ化してみようと思います．

アヤメのデータセットとは！？

アヤメ(iris)は，もしかしたら機械学習を扱う世界中のデータサイエンティストに最も知られた花の品種かもしれないですね．
なぜなら，1936年に「The use of multiple measurements in taxonomic problems (分類問題における複数箇所の測定の使用) 」(実際の論文PDFはこちら)で3種類のアヤメが使用されて以来，機械学習などの分野で広く扱われてきたからです．
Ronald Fisherさんという方が執筆されましたが，この論文は現在2000回以上も引用されており，irisのデータは，機械学習を学ぶ上で登竜門的なSVMなどに使用される有名なデータセットです．

irisのデータセット

3種類の花 (Setosa, Virginia, Versicolor )
4つの特徴量 (がく片と花びらの幅と長さ)
150サンプル(50サンプルずつ)

3種類のアヤメ(Setosa, Virginica, Versicolor )

実際にScikit-Learnで提供されているアヤメ(iris)は以下の3種類です．

画像データはClassification of Iris Varietiesから引用させていただきました．
3種類のアヤメですが，それぞれ4つの特徴量を持っています．

3種類のアヤメは，以下です．

Setosa (ヒオウギアヤメ)
Virginica
Versicolor

setosaは日本でも取れるようなので和名がありましたが，残りの二つは和名はありませんでした．
（2015年の北海道医療大学学術レポジトリの植物の学名，英名および和名で検索しました➡︎「PDFはこちら」）

ただ，アヤメは世界でも150種以上存在しているので，かなり多いです．Scikit-Learnのデータセットはその中の3種類なのですね．

4つの特徴量

4つの特徴量は，sepal(がく片)とpetal(花びら)の長さと幅ですね．cmで数値が入っています．
これら4つの特徴が，種間で異なると報告されて以来，よく機械学習のデータセットとして用いられています．

150のサンプル（1種類は50サンプルずつ）

これらのデータが全部で150サンプル提供されています．
1種類は50サンプルずつです．では，実際にどのようなものが入っているのか確認していきましょう．

（この図は，pythonのseabornで作りました．また後ほどプログラムについて解説します．）

縦軸と横軸には4つの特徴量の，がく片の長さ，がく片の幅，花びらの長さ，花びらの幅の分布をプロットしてます．
赤がSetosa，緑がVersicolor，青がVirginicaです．

それぞれの大きさの特徴量から，種別間の違いが見れます．

花びらの長さと幅は，Virginica > Versicolor > Setosa の順である．
がく片の幅に関しては，Setosa が最も大きくて，VirginicaとVersicolorがほぼ同じくらいである．
がく片の長さは，Virginica > Versicolor > Setosa である．
VirginicaとVersicolorはほとんど似ているが，若干，Virginicaが大きい．
Setosaを見分けることは，他の二つに比べて簡単そうである．

こういった種別間の違いが提供されているデータから観察することができます．

提供されているデータの構造を見る

実際に，Pythonを用いて提供されているデータ構造にアクセスしてみます．

from sklearn.datasets import load_iris

iris_dataset = load_iris()

############データの確認として###################
print("Keys of iris_dataset: \n{}" .format(iris_dataset.keys()))

print("First five columns of data: {}" .format(iris_dataset['data'][:5]))
print("Shape of data: {}" .format(iris_dataset['data'].shape))

print(iris_dataset['DESCR'][:193] + "\n...")

print("Feature names: {}" .format(iris_dataset['feature_names']))


print("First five columns of target: {}" .format(iris_dataset['target'][:5]))

print("Filename: {}" .format(iris_dataset['filename']))

print("Target names: {}" .format(iris_dataset['target_names']))

以上のプログラムを回すと，とりあえず，どのようなデータが入っているのか確認することができます．
具体的に説明していくと以下のようになります．

load_irisが返すデータは，キーと値を持ちます．
キーDESCRは，データセットの簡単な説明(description)を表します．
dataの配列には，花の特徴量の測定結果が格納されています．
それぞれじっくり確認してみてください．

pandasを使って図示する

pandasを使って図示するプログラムを掲載しておきます．
pandasをしようすると以下のような分布図が書けます．

プログラムに関して

プログラムは以下です．細かい設定は各自で行なってください．

import pandas as pd
import mglearn
from sklearn.datasets import load_iris

iris_dataset = load_iris()

############pandasを使った図示###################

iris_dataframe = pd.DataFrame(data=iris_dataset.data, columns=iris_dataset.feature_names)
print(iris_dataframe.head())

iris_datalabel = pd.Series(data=iris_dataset.target)
print(iris_datalabel.head())

gr = pd.plotting.scatter_matrix(iris_dataframe, c=iris_datalabel, figsize=(8,8), marker = 'o', hist_kwds = {'bins':20}, s=60, alpha=.8, cmap = mglearn.cm3)
plt.show()

pd.plotting.scatter_matrix( )の関数で図を書いていますが，内側の引数で色々と設定が可能です．詳しくはこちらの公式ドキュメント(こちら英語)をご覧ください

ざっくりと分かる範囲で解説をしてきます．

c=iris_datalabel
散布図(matplotlibのscatter)に渡る引数で，iris_datalabel(3種類)に応じた配色．
figsize=(8,8)
図の全体のサイズ
marker = ‘o’
散布図に渡る引数でマーカーの形を指定．他にも’+’や’^’がある．
hist_kwds = {‘bins’:20}
ヒストグラムの棒の数．
s=60
マーカーのサイズ．
alpha=.8
透明度を指定．
cmap = mglearn.cm3
matplotlibのカラーマップを指定．

ぜひ使ってみてくださいね！

Seabornで図示する

今度はpandasではなく，seabornを使って図示します．
おいらはどちらかというと，このseabornを使って図示する方が多いです．

from sklearn.datasets import load_iris
import seaborn as sns

############seabornを使った図示###################
iris_dataset = sns.load_dataset("iris")
sns.pairplot(iris_dataset, hue='species', palette="husl").savefig('seaborn_iris.png')

こっちはライブラリインポートの定義を含めて4行で書けます．
sns.load_dataset("iris")を使って，irisデータセットをpandasのDataFrameとして読み込んでいます．
その後，pairplot()でグラフをつくります．
.pngの拡張子で保存するところまでやっときましょう．

seabornのpairplotの詳細は，公式ページに詳しく書かれています．

また，seabornに関しては，以下の記事もオススメです．
(参考：【jointplot】実験データ(.txtや.csv)の分布図をpythonで図示化し比較する)