pandasでデータ欠損を解消！補間方法の基本と実践テクニック

はじめに

データ分析において、データ欠損は避けて通れない問題の一つです。欠損値があるまま分析を進めると、誤った結果や予測が導かれることがあります。そこで、欠損値を適切に補間することが重要になります。

本記事では、Pythonのデータ分析ライブラリであるpandasを用いて、データ欠損値の補間方法について解説します。また、実際のデータセットを用いた補間方法の実践例も紹介します。

データ欠損の問題とは

データ欠損とは、データに存在すべき値が欠落している状態のことです。欠損値があるまま分析を進めると、正確な結果が得られないだけでなく、分析自体ができなくなる場合もあります。

例えば、ある企業の社員データにおいて、給与の欠損値がある場合を考えてみましょう。給与の欠損値を含む社員データを分析すると、平均給与や最高給与などの指標が正確に算出できなくなります。また、給与の欠損値がある社員の業務内容やスキルなどが把握できなくなり、正確な人事評価ができなくなる可能性があります。

補間方法の重要性

データ欠損値を補間することは、正確な分析を行うために必要な作業です。ただし、補間方法によっては誤った結果を導くことがあるため、補間方法の選択には慎重になる必要があります。

補間方法の選択には、データの特性や欠損値のパターン、データ分析の目的などを考慮する必要があります。また、補間方法を選択する前に、欠損値の削除や他の方法での補間を検討することも重要です。

この記事の目的

本記事では、pandasを用いたデータ欠損の補間方法について解説します。具体的には、以下の内容を取り扱います。

• データの読み込み・保存方法
• 基本的なデータ操作方法
• 欠損値の検出・削除方法
• 平均値補間、中央値補間、最頻値補間、前方補間、後方補間、K近傍法による補間の説明と実装方法
• 実際のデータセットを用いた欠損値処理の例
• 補間方法を選択する際のポイント
• 補間処理後のデータ分析・可視化例

これらの内容を通じて、pandasを用いたデータ欠損の補間方法について理解を深めることを目的としています。

こんな人におすすめ

本記事は、以下のような方におすすめです。

• Pythonのpandasを使ったデータ分析に興味がある方
• データ分析において欠損値の補間方法を学びたい方
• 実際のデータセットを用いた欠損値処理の実装方法を知りたい方
• 補間方法を選択する際のポイントを知りたい方

使用する主なライブラリ

本記事で使用する主なライブラリは、以下の通りです。

• pandas
• numpy
• matplotlib
• sklearn

これらのライブラリを用いて、データの読み込み・保存、基本的なデータ操作、欠損値の検出・削除、補間方法の実装などを行います。

欠損値の検出・削除方法

Pandasを用いた欠損値の検出・削除方法について説明します。

Pandasでは、DataFrameのisnull()メソッドを使用することで、欠損値を検出することができます。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd
data = {'A': [1, 2, np.nan],
        'B': [3, np.nan, 5],
        'C': [np.nan, 7, 8]}

df = pd.DataFrame(data)

# 欠損値を検出する
print(df.isnull())

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、isnull()メソッドを使用して欠損値を検出しています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B	C
0	False	False	True
1	False	True	False
2	True	False	False

また、欠損値を削除するには、dropna()メソッドを使用します。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd

data = {'A': [1, np.nan, 4],
'B': [3, np.nan, 5],
'C': [np.nan, 7, 8]}

df = pd.DataFrame(data)

# 欠損値を削除する
df_dropna = df.dropna()

# 欠損値を削除したDataFrameを表示する
print(df_dropna)

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、dropna()メソッドを使用して欠損値を削除しています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B	C
0	4.0	5.0	8.0

ここでは、欠損値を削除する方法を紹介しました。しかし、欠損値を削除することによって、データが偏ってしまう場合があります。そのため、欠損値を補間することが必要な場合があります。

Pandasでのデータ欠損の補間方法

ここからは、Pandasを用いたデータ欠損の補間方法について説明します。Pandasでは、以下のような補間方法が用意されています。

• 平均値補間（mean imputation）
• 中央値補間（median imputation）
• 最頻値補間（mode imputation）
• 前方補間（forward fill）
• 後方補間（backward fill）
• K近傍法による補間（KNN imputation）

それぞれの補間方法について、説明と実装方法を解説します。

平均値補間（mean imputation）の説明と実装方法

平均値補間は、欠損値を全体の平均値で補間する方法です。全体の平均値を使うため、データ全体の傾向を反映し、外れ値の影響を受けにくいという特徴があります。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd

data = {'A': [1, 2, np.nan, 4, 5],
        'B': [6, np.nan, 8, np.nan, 10]}

df = pd.DataFrame(data)

# 平均値補間を行う
df_mean = df.fillna(df.mean())

# 平均値補間後のDataFrameを表示する
print(df_mean)

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、fillna()メソッドを使用して平均値補間を行っています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B
0	1.0	6.0
1	2.0	8.0
2	3.0	8.0
3	4.0	8.0
4	5.0	10.0

ここでは、平均値補間の方法と実装方法を紹介しました。

中央値補間（median imputation）の説明と実装方法

中央値補間は、欠損値を全体の中央値で補間する方法です。中央値は、平均値と比較して外れ値の影響を受けにくいという特徴があります。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd

data = {'A': [1, 2, np.nan, 4, 5],
        'B': [6, np.nan, 8, np.nan, 10]}

df = pd.DataFrame(data)

# 中央値補間を行う
df_median = df.fillna(df.median())

# 中央値補間後のDataFrameを表示する
print(df_median)

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、fillna()メソッドを使用して中央値補間を行っています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B
0	1.0	6.0
1	2.0	8.0
2	3.0	8.0
3	4.0	8.0
4	5.0	10.0

ここでは、中央値補間の方法と実装方法を紹介しました。

最頻値補間（mode imputation）の説明と実装方法

最頻値補間は、欠損値を全体の最頻値で補間する方法です。最頻値は、離散的なデータに対して適用されます。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd

data = {'A': [2, 2, np.nan, 4, 5],
        'B': ['a', np.nan, 'b', np.nan, 'c']}

df = pd.DataFrame(data)

# 最頻値補間を行う
df_mode = df.fillna(df.mode().iloc[0])


# 最頻値補間後のDataFrameを表示する
print(df_mode)

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、fillna()メソッドを使用して最頻値補間を行っています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B
0	2.0	a
1	2.0	a
2	2.0	b
3	4.0	b
4	5.0	c

ここでは、最頻値補間の方法と実装方法を紹介しました。

前方補間（forward fill）と後方補間（backward fill）の説明と実装方法

前方補間と後方補間は、前の値または後の値で欠損値を補間する方法です。時間的に連続したデータに対して適用されます。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd

data = {'A': [1, 2, np.nan, np.nan, 5],
        'B': [6, 7, np.nan, 9, 10]}

df = pd.DataFrame(data)

# 前方補間を行う
df_ffill = df.fillna(method='ffill')

# 後方補間を行う
df_bfill = df.fillna(method='bfill')

# 前方補間後のDataFrameを表示する
print(df_ffill)

# 後方補間後のDataFrameを表示する
print(df_bfill)

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、fillna()メソッドを使用して前方補間と後方補間を行っています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B
0	1.0	6.0
1	2.0	7.0
2	2.0	7.0
3	2.0	9.0
4	5.0	10.0

	A	B
0	1.0	6.0
1	2.0	7.0
2	5.0	9.0
3	5.0	9.0
4	5.0	10.0

ここでは、前方補間と後方補間の方法と実装方法を紹介しました。

カテゴリカルデータの補間方法

カテゴリカルデータの場合は、最頻値補間が一般的に使用されます。以下は、カテゴリカルデータの最頻値補間の例です。

# カテゴリカルデータを含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd

data = {'A': ['a', 'b', np.nan, 'b', 'c'],
        'B': ['x', np.nan, 'y', np.nan, 'z']}

df = pd.DataFrame(data)

# 最頻値補間を行う
df_mode = df.fillna(df.mode().iloc[0])

# 最頻値補間後のDataFrameを表示する
print(df_mode)

このコードでは、カテゴリカルデータを含むDataFrameを作成し、fillna()メソッドを使用して最頻値補間を行っています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B
0	a	x
1	b	x
2	b	y
3	b	x
4	c	z

ここでは、カテゴリカルデータの補間方法を紹介しました。

K近傍法による補間（KNN imputation）の説明と実装方法

K近傍法による補間は、欠損値の近くの値を参考にして補間する方法です。KNN imputationは、データの分布が複雑な場合に有効であるとされています。

# 欠損値を含むDataFrameを作成する
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.impute import KNNImputer

data = {'A': [1, 2, np.nan, np.nan, 5],
        'B': [6, 7, np.nan, 9, 10]}

df = pd.DataFrame(data)

# K近傍法による補間を行う
imputer = KNNImputer(n_neighbors=2)
df_knn = pd.DataFrame(imputer.fit_transform(df), columns=df.columns)

# KNN imputation後のDataFrameを表示する
print(df_knn)

このコードでは、欠損値を含むDataFrameを作成し、KNNImputerを使用してK近傍法による補間を行っています。結果は、以下のように表示されます。

	A	B
0	1.00000	6.0
1	2.00000	7.0
2	2.66667	8.0
3	3.50000	9.0
4	5.00000	10.0

ここでは、K近傍法による補間の方法と実装方法を紹介しました。

まとめ

この記事では、Pandasを使用したデータ欠損の補間方法について紹介しました。主な補間方法として、平均値補間、中央値補間、最頻値補間、前方補間、後方補間、K近傍法による補間があります。また、カテゴリカルデータを扱う場合には、最頻値補間が適しています。

欠損値処理は、データ分析において非常に重要なプロセスであり、欠損値が多い場合には正しい補間処理を行うことが求められます。この記事で紹介した補間方法を適切に使用し、データ分析の精度を高めることができるでしょう。

最後に、この記事で紹介した内容をまとめます。

• データ欠損は、データ分析において非常に重要な問題である。
• 欠損値の補間方法として、平均値補間、中央値補間、最頻値補間、前方補間、後方補間、K近傍法による補間がある。
• 欠損値の補間方法を選択する際には、補間対象のデータの性質に応じて適切な方法を選択することが重要である。
• Pandasを使用することで、データ欠損の補間が容易に行える。
• 欠損値処理後のデータに対して、可視化することでデータ分析の精度を高めることができる。

以上が、Pandasでデータ欠損を解消するための補間方法に関する記事でした。この記事が、Pandasを使用したデータ分析の一助となれば幸いです。