Pandasでデータフレームの微分を簡単に実行する方法｜自作で機械学習モデル・AIの使い方を学ぶ

はじめに

この記事では、Pandasを使ってデータフレームの微分を簡単に実行する方法について説明します。データフレームの微分は、時系列データ分析などで頻繁に使われる処理の一つであり、Pandasを使うことで簡単に実行することができます。

データフレームの微分とその利用シーン

データフレームの微分とは、ある時間tとt+1の値の差を求めることです。例えば、株価の変動や気温の変化など、ある変数が時間によってどのように変化するかを分析する場合に利用されます。

差分を求めるdiff()関数を使った方法

Pandasでは、データフレームの差分を求めるために、diff()関数を使用することができます。diff()関数は、前の値との差分を計算することができます。

import pandas as pd

# サンプルデータの作成
data = {'value': [10, 20, 30, 40, 50]}
df = pd.DataFrame(data)

# データフレームの差分を求める
diff_df = df.diff()

# 結果の表示
print(diff_df)

上記のコードでは、データフレームを作成し、diff()関数を使用して差分を求めています。結果は、以下のようになります。

	value
0	NaN
1	10.0
2	10.0
3	10.0
4	10.0

最初の行にNaNが表示されていますが、これは前の値がないために差分を計算できなかったことを示しています。

shift()関数を使った微分の計算方法

diff()関数を使って差分を求めることができますが、データフレームの行数が多い場合は、処理に時間がかかることがあります。そのため、shift()関数を使用して、前の値を参照する方法があります。

import pandas as pd

# サンプルデータの作成
data = {'value': [10, 20, 30, 40, 50]}
df = pd.DataFrame(data)

# shift()関数を使用して前の値を参照する
prev_df = df.shift(1)

# データフレームの差分を求める
diff_df = df - prev_df

# 結果の表示
print(diff_df)

上記のコードでは、shift()関数を使用して前の値を参照し、その差分を求めています。結果は、以下のようになります。

	value
0	NaN
1	10.0
2	10.0
3	10.0
4	10.0

diff()関数と同様に、最初の行にNaNが表示されています。

特定の列だけを微分する方法

データフレームには、複数の列がある場合があります。特定の列だけを微分する場合は、以下のようにして、列を指定します。

import pandas as pd

# サンプルデータの作成
data = {'value1': [10, 20, 30, 40, 50],
        'value2': [15, 25, 35, 45, 55]}
df = pd.DataFrame(data)

# value1列の差分を求める
diff_df = df['value1'].diff()

# 結果の表示
print(diff_df)

上記のコードでは、列を指定して、差分を計算しています。結果は、以下のようになります。

0     NaN
1    10.0
2    10.0
3    10.0
4    10.0
Name: value1, dtype: float64

微分を利用した時系列データ分析の例微分を利用した時系列データ分析の例

微分を利用した時系列データ分析の一例として、以下のようなデータがあるとします。

import pandas as pd

# サンプルデータの作成
data = {'date': ['2022/01/01', '2022/01/02', '2022/01/03', '2022/01/04', '2022/01/05'],
        'value': [100, 200, 150, 300, 250]}
df = pd.DataFrame(data)

# 日付をインデックスにする
df.set_index('date', inplace=True)

# 差分を求める
diff_df = df.diff()

# 結果の表示
print(diff_df)

上記のコードでは、日付をインデックスに設定し、差分を求めています。結果は、以下のようになります。

            value
date             
2022/01/01    NaN
2022/01/02  100.0
2022/01/03  -50.0
2022/01/04  150.0
2022/01/05  -50.0

このデータから、変化量が大きい日を抽出することができます。

# 変化量が100以上の日を抽出する
result = diff_df[diff_df['value'] >= 100]

# 結果の表示
print(result)

上記のコードでは、変化量が100以上の日を抽出しています。結果は、以下のようになります。

            value
date             
2022/01/02  100.0
2022/01/04  150.0

このように、微分を利用することで、時系列データ分析が簡単にできるようになります。

注意点：欠損値やデータ型の扱い

データフレームの微分を行う際には、欠損値やデータ型に注意する必要があります。

欠損値が含まれる場合は、差分を計算することができません。そのため、欠損値を取り除くか、fillna()関数を使って、適切な値で補完する必要があります。

また、データ型によっては差分を計算できないことがあります。例えば、文字列型のデータフレームは差分を計算することができません。そのため、データ型を変換する必要があります。

まとめ

この記事では、Pandasを使ってデータフレームの微分を簡単に実行する方法について説明しました。

データフレームの差分を求めるために、diff()関数を使用することができます。また、shift()関数を使用して前の値を参照する方法もあります。さらに、特定の列だけを微分する場合は、列を指定することができます。

微分を利用した時系列データ分析の一例として、変化量が大きい日を抽出することができます。

注意点としては、欠損値やデータ型に注意する必要があります。

以上が、Pandasでデータフレームの微分を簡単に実行する方法についての説明でした。