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統計、機械学習、AIを学んでいきたいと思います。 お役に立てば幸いです。

【Kaggle挑戦記】Titanic 攻略 #12:0.77751の呪縛。精緻なクレンジングでも動かぬ壁

前回(攻略 #11)、家族サイズ(FamilySize)の導入で 0.78229 という自己ベストを叩き出した勢いのまま、今回は「最強の特徴量」と名高い Title(敬称) を投入しました。しかし、返ってきた結果は 0.77751 への後退。さらに、表記ゆれを疑い徹底したクレンジングを施すも、スコアは1ミリも動きませんでした。

1. 仮説と検証:なぜ「完璧なはずのコード」でスコアが動かないのか

抽出ミスや空白の混入を疑い、strip() や徹底した表記統合を行いました。論理的には、これでデータは綺麗になり、モデルはより正確に「Master(子供)」や「Rare(特権階級)」を識別できるはずでした。しかし、結果は非情な現状維持です。

  • 仮説1:情報の重複(多重共線性)
    既に「Sex」や「Age(精密補完済み)」、「Pclass」の中に、敬称が持つ情報の大部分が含まれてしまっている可能性。
  • 仮説2:ランダムフォレストの限界
    現在のパラメータ設定(深さ5など)では、これ以上細かい特徴量を読み取っても、汎化性能(未知のデータへの対応力)に繋がっていない可能性。

2. 【実装】クレンジングを徹底した Title 導入コード

不備のない、現時点で最も「綺麗」な状態の全コードです。結果としてスコアは改善しませんでしたが、データ処理の型としては正攻法と言えます。

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

# 1. データの読み込み
train_data = pd.read_csv('train.csv')
test_data = pd.read_csv('test.csv')

# 2. 敬称抽出関数の定義(徹底した空白除去)
def get_title(name):
    if '.' in name:
        return name.split(',')[1].split('.')[0].strip()
    return 'Unknown'

# 3. データのクレンジングと正規化
for df in [train_data, test_data]:
    df['Title'] = df['Name'].map(get_title)
    
    # 希少な敬称の統合
    rare_titles = ['Lady', 'Countess','Capt', 'Col','Don', 'Dr', 'Major', 'Rev', 'Sir', 'Jonkheer', 'Dona']
    df['Title'] = df['Title'].replace(rare_titles, 'Rare')
    
    # 表記ゆれの統一
    df['Title'] = df['Title'].replace(['Mlle', 'Ms'], 'Miss')
    df['Title'] = df['Title'].replace('Mme', 'Mrs')

# 4. 精密なAge補完(Pclass × Sex × Title)
group_cols = ['Pclass', 'Sex', 'Title']
train_data['Age'] = train_data['Age'].fillna(train_data.groupby(group_cols)['Age'].transform('median'))
test_data['Age'] = test_data['Age'].fillna(test_data.groupby(group_cols)['Age'].transform('median'))

# 5. 家族サイズと運賃の処理
for df in [train_data, test_data]:
    df['FamilySize'] = df['SibSp'] + df['Parch'] + 1
test_data['Fare'] = test_data['Fare'].fillna(test_data['Fare'].median())

# 6. 特徴量のダミー変数化
features = ["Pclass", "Sex", "Age", "SibSp", "Parch", "Fare", "FamilySize", "Title"]
X = pd.get_dummies(train_data[features])
y = train_data["Survived"]
X_test = pd.get_dummies(test_data[features])

# 学習とテストで列を完全に一致させる
X, X_test = X.align(X_test, join='left', axis=1, fill_value=0)

# 7. モデル学習(500本の木、深さ5)
model = RandomForestClassifier(n_estimators=500, max_depth=5, random_state=1)
model.fit(X, y)

# 8. 予測と出力
predictions = model.predict(X_test)
pd.DataFrame({'PassengerId': test_data.PassengerId, 'Survived': predictions}).to_csv('submission_cleansed.csv', index=False)

3. 実験結果:0.77751(変化なし)

クレンジング前と後で、スコアは一桁も変わりませんでした。この結果が意味するのは、「現在の私のモデルにとって、Title情報は恩恵よりもノイズ、あるいは過学習の要因になっている」という不都合な真実です。

  • 前回(FamilySize追加): Score 0.78229
  • 今回(Title追加+徹底洗浄): Score 0.77751

4. 考察:引き算の勇気が必要か

エンジニア的な視点:
「良かれと思って追加した機能が、システム全体のパフォーマンスを落とす」。これは開発現場でもよくある話です。今回の Title 導入は、一見すると情報の追加でしたが、実際にはモデルの焦点をぼかしてしまった可能性があります。0.78229 という自己ベストに戻るには、一度「Titleを捨てる」という引き算の決断、あるいは全く別の次元の特徴量(チケット番号や客室番号)を検討する必要がありそうです。


成功体験よりも、こうした停滞こそが思考を深くしてくれます。次回の攻略では、この「0.77751の壁」を突破するために、特徴量の取捨選択を根本から見直す「モデルのスリム化」に挑みます。

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【DS検定対策】未来は「現在」だけで決まる?確率過程の基礎「マルコフ連鎖」

明日の天気が「今日の天気」だけで決まるとしたら? そんな風に、過去の経緯を無視して現在の状態だけで次のステップが決まる確率モデルを「マルコフ連鎖」と呼びます。

1. 【 問題 】

マルコフ過程のうち、時間の変化が「離散的(1ステップずつ途切れている)」であり、次世代の状態が現在の状態のみに依存して決まる確率過程を何と呼ぶでしょうか?

① ブラウン運動
② ポアソン過程
③ マルコフ連鎖
④ 自己回帰モデル


2. 【 解答 】

正解: ③ マルコフ連鎖

3. 整理:過去を振り返らない「忘却」のモデル

マルコフ連鎖の最大の特徴は「マルコフ性」です。これは、未来がどうなるかは「現在」がどうであるかだけで決まり、「過去」の履歴は関係ないという性質です。

【 マルコフ連鎖のイメージ:お天気の遷移 】

[ 今日の状態 ]
「晴れ」

[ 1ステップ後(明日)の確率 ]
・晴れのまま: 70%
・雨になる: 30%

[ 判定のルール ]
★ ここがマルコフ連鎖!
「昨日が雨だったか、晴れだったか」は一切考えず、「今日が晴れであること」だけを使って明日の確率を計算します。

--------------------------

ポイント: 「離散的」とは、時間が1日、2日……、あるいは1回目、2回目……と、とびとびの値をとることを指します。

4. なぜDS検定で重要なのか?

1. 状態遷移行列: 状態が移り変わる確率を表形式にまとめることで、将来の予測計算が可能になります。
2. 強化学習の基礎: ロボットの制御やAIの意思決定モデルである「マルコフ決定過程(MDP)」のベースとなります。
3. アルゴリズムへの応用: Googleの初期の検索エンジン(ページランク)も、このマルコフ連鎖の考え方を応用しています。


5. DS検定形式:実戦4択クイズ

問:マルコフ連鎖において、現在の状態から次の状態へ移る確率を並べた行列のことを何と呼ぶか。

① 相関行列   ② 遷移確率行列   ③ 逆行列   ④ 分散共分散行列

【 正解: ② 】

解説: ある状態から別の状態へ移動する確率を網羅したものを「遷移確率行列」と呼びます。この行列を現在の状態ベクトルに掛け合わせることで、次ステップの予測を行うのがマルコフ連鎖の基本計算です。


6. まとめ

DS検定において「時間が離散的」「現在の状態だけで未来が決まる」という記述があれば「マルコフ連鎖」が正解です。非常にシンプルな仮定ですが、複雑な現象をモデル化するための強力な武器になります!

【Kaggle挑戦記】Titanic 攻略 #12:名前の中に答えがあった。「敬称(Title)」抽出で0.80超えへ

前回(攻略 #11)では、家族サイズを導入することで 0.78229 という自己ベストを更新しました。しかし、依然として「生存」か「死亡」かをモデルが確信しきれないグレーゾーンが存在します。今回は、これまで無視してきたテキストデータ Name(名前) から、生存率を決定づける隠れた指標「敬称」を掘り起こします。

1. なぜ「名前」ではなく「敬称」なのか?

機械学習モデルにとって「個別の氏名」はただのラベルですが、名前に含まれる Mr. / Miss. / Mrs. / Master. といった敬称(Title)は情報の宝庫です。これらを抽出することで、当時の社会における立場や家族背景をより深くモデルに反映させることができます。

  • 「女性」の中のさらなる分類: 未婚(Miss)か既婚(Mrs)かを知ることで、生存傾向の差をより細かく捉えます。
  • 子供の確実な特定: 名前に Master とあれば、年齢データが欠損していても確実に「男児」であると断定でき、補完精度が劇的に向上します。
  • 社会的地位の捕捉: Dr.(医師)や Col.(大佐)といった希少な敬称は、優先的にボートへ誘導された可能性を示唆します。

2. 【実装】敬称抽出とモデル構築の全コード

正規表現的に敬称を切り出し、主要な5グループに統合した上で、これまでの「家族サイズ」「Age補完」と組み合わせて学習させます。

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

# 1. データの読み込み
train_data = pd.read_csv('train.csv')
test_data = pd.read_csv('test.csv')

# 2. 敬称(Title)を抽出する関数の定義
def get_title(name):
    if '.' in name:
        return name.split(',')[1].split('.')[0].strip()
    return 'Unknown'

# 3. 敬称の抽出と統合
for df in [train_data, test_data]:
    df['Title'] = df['Name'].map(get_title)
    rare_titles = ['Lady', 'Countess','Capt', 'Col','Don', 'Dr', 'Major', 'Rev', 'Sir', 'Jonkheer', 'Dona']
    df['Title'] = df['Title'].replace(rare_titles, 'Rare')
    df['Title'] = df['Title'].replace(['Mlle', 'Ms'], 'Miss')
    df['Title'] = df['Title'].replace('Mme', 'Mrs')

# 4. Age(年齢)の精密補完:Pclass × Sex × Title 別の中央値
group_cols = ['Pclass', 'Sex', 'Title']
train_data['Age'] = train_data['Age'].fillna(train_data.groupby(group_cols)['Age'].transform('median'))
test_data['Age'] = test_data['Age'].fillna(test_data.groupby(group_cols)['Age'].transform('median'))

# 5. 既存の特徴量加工(家族サイズと運賃補完)
for df in [train_data, test_data]:
    df['FamilySize'] = df['SibSp'] + df['Parch'] + 1
test_data['Fare'] = test_data['Fare'].fillna(test_data['Fare'].median())

# 6. 特徴量の選択とダミー変数化
features = ["Pclass", "Sex", "Age", "SibSp", "Parch", "Fare", "FamilySize", "Title"]
X = pd.get_dummies(train_data[features])
y = train_data["Survived"]
X_test = pd.get_dummies(test_data[features])

# 列の不一致調整
X, X_test = X.align(X_test, join='left', axis=1, fill_value=0)

# 7. モデル学習(500本の木)
model = RandomForestClassifier(n_estimators=500, max_depth=5, random_state=1)
model.fit(X, y)

# 8. 予測と出力
predictions = model.predict(X_test)
pd.DataFrame({'PassengerId': test_data.PassengerId, 'Survived': predictions}).to_csv('submission_title.csv', index=False)

3. 実験結果:0.78229 → 0.77751 へ下落

最強のヒントを投入したはずが、結果は無情なスコアダウンとなりました。

  • 前回(FamilySize追加): Score 0.78229
  • 今回(Title追加): Score 0.77751

エンジニア的な考察:
「論理的に正しい加工が、必ずしも精度に直結しない」という機械学習の洗礼を受けました。今回の下落の原因として考えられるのは、モデルが Title という強い情報に頼りすぎてしまい、複雑な分岐を作った結果、未知のデータに対する柔軟性を失った(過学習した)可能性です。また、SexTitle には強い相関があるため、情報が重複して判断を狂わせたのかもしれません。


敗北は、次なる改善への貴重なデータです。0.78突破の喜びから一転、モデルの繊細さを痛感する結果となりました。次は、今回追加した Title を削るべきか、あるいはパラメータを再調整して「情報の衝突」を解消すべきか、慎重な見極めが必要です。


【DS検定対策】名前のワナを攻略!分類の王道「ロジスティック回帰」

統計学や機械学習を学び始めると最初にぶつかる「名前の矛盾」。それが「ロジスティック回帰」です。なぜ回帰なのに分類なのか、その仕組みをスッキリ整理しましょう。

1. 【 問題 】

「ロジスティック回帰」に関する説明として、最も適切なものはどれでしょうか?

① 数値を予測する「回帰」の手法であり、住宅価格の予想などに用いられる。
② データを2つのクラスに分ける「分類」の手法であり、ある事象が起こる確率を予測する。
③ データのグループ化を行う「非教師あり学習」の手法である。
④ 決定木をたくさん組み合わせた「アンサンブル学習」の手法である。


2. 【 解答 】

正解: ② データを2つのクラスに分ける「分類」の手法

3. 整理:確率を計算して「境界線」を引く世界

ロジスティック回帰は、入力データから「あるクラスに属する確率」を計算し、その値が0.5(50%)を超えたら「合格(1)」、そうでなければ「不合格(0)」のように判定します。

【 ロジスティック回帰の仕組みイメージ 】

[ 1. 入力データの計算 ]
年齢や購入履歴などのデータを、線形式で計算する。

[ 2. シグモイド関数を通す ]
★ ここが核心!
どんな大きな値(または小さな値)も、0 から 1 の範囲にギュッと押し込める。

[ 3. 確率の出力 ]
「この客が購入する確率は 0.82 (82%) です」と出力。

[ 4. 分類 ]
しきい値(0.5など)で区切り、「購入するクラス」に分類する。

--------------------------

ポイント: 計算過程で「数値を予測(回帰)」しているため名前に「回帰」と付きますが、目的は「分類」です。

4. 覚えておくべき重要キーワード

1. シグモイド関数: 出力値を0〜1の間に収めるための関数。S字型のカーブを描きます。
2. オッズ比: ある事象が起こる確率と起こらない確率の比率。ロジスティック回帰の解釈に不可欠です。
3. 二値分類: 「Yes/No」「合格/不合格」など、2つのクラスに分けるのが基本です。


5. DS検定形式:実戦4択クイズ

問:ロジスティック回帰において、出力(確率 $p$)を求める際に用いられる、以下の数式で表される関数を何と呼ぶか。
$$f(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}}$$

① ソフトマックス関数   ② シグモイド関数   ③ 恒等関数   ④ 階段関数

【 正解: ② 】

解説: この数式は「標準シグモイド関数」と呼ばれ、ロジスティック回帰の心臓部です。$x$ がどんな値でも $f(x)$ は必ず 0 より大きく 1 より小さい値になるため、「確率」として扱うのに非常に適しています。


6. まとめ

DS検定において「回帰という名前だが分類に使われる」「シグモイド関数で確率を出力する」という特徴が出たら、迷わずロジスティック回帰を選びましょう。シンプルながら解釈性が高く、今でもビジネス現場の第一線で使われている強力な手法です!




【Kaggle挑戦記】Titanic 攻略 #11:血縁データの統合。「家族サイズ」が0.78の壁を打ち破る

前回(攻略 #10)のデバッグでは、自作の「子供フラグ」がモデルにとって不純なノイズとなっていた現実を直視しました。今回はその反省を活かし、バラバラに存在していた「血縁データ」をロジカルに統合。ついに 0.78 の壁を突破する強力なヒント FamilySize(家族人数) を導入します。

1. 今回の着眼点:孤立か、連帯か

タイタニックのデータには、家族に関する項目が2つ用意されています。しかし、これらを別々に見ていては「その人がどれほどの集団で行動していたか」という実態が見えてきません。

  • SibSp: 兄弟、配偶者の数
  • Parch: 両親、子供の数

避難の際、1人で行動していたのか、あるいは守るべき家族がいたのか。この「群れ」の大きさを一つの指標として統合し、モデルに新たな視点を与えます。自分自身(+1)を足すことで、「1 = 単独客」「2以上 = 家族連れ」という、生存率を分ける明確な境界線が生まれます。

2. 【実装】FamilySize導入とモデル構築の全コード

属性別Age補完を継承しつつ、FamilySizeを計算してランダムフォレストに投入するまでの全工程です。

import pandas as pd
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

# 1. データの読み込み
train_data = pd.read_csv('train.csv')
test_data = pd.read_csv('test.csv')

# 2. Age(年齢)を Pclass×Sex の中央値で補完
group_cols = ['Pclass', 'Sex']
train_data['Age'] = train_data['Age'].fillna(train_data.groupby(group_cols)['Age'].transform('median'))
test_data['Age'] = test_data['Age'].fillna(test_data.groupby(group_cols)['Age'].transform('median'))

# 3. 家族サイズ(FamilySize)の算出
train_data['FamilySize'] = train_data['SibSp'] + train_data['Parch'] + 1
test_data['FamilySize'] = test_data['SibSp'] + test_data['Parch'] + 1

# テストデータの Fare(運賃)の欠損値を中央値で補完
test_data['Fare'] = test_data['Fare'].fillna(test_data['Fare'].median())

# 4. 学習に使用する特徴量の定義
features = ["Pclass", "Sex", "Age", "SibSp", "Parch", "Fare", "FamilySize"]

# カテゴリ変数のダミー変数化
X = pd.get_dummies(train_data[features])
y = train_data["Survived"]
X_test = pd.get_dummies(test_data[features])

# 5. モデルの構築と学習(木500本、深さ5)
model = RandomForestClassifier(n_estimators=500, max_depth=5, random_state=1)
model.fit(X, y)

# 6. 予測と提出ファイルの出力
predictions = model.predict(X_test)
output = pd.DataFrame({'PassengerId': test_data.PassengerId, 'Survived': predictions})
output.to_csv('submission_family_size.csv', index=False)

print("Score 0.78229 達成用の提出ファイルを保存しました。")

3. 実験結果:0.77990 → 0.78229 へ上昇!

家族サイズを導入した結果、ついに停滞していたスコアが大きく動きました。

  • 前回(Age補完のみ): Score 0.77990
  • 今回(FamilySize追加): Score 0.78229

エンジニア的な考察:
ついに 0.78 の大台に乗りました。単なる数値だった「SibSp」と「Parch」を合計して『家族というひとつの単位』として捉え直したことで、モデルは「独身男性(死亡率高)」や「小家族(生存率高)」という構造を、より正確に切り分けられるようになったと言えます。アルゴリズムをいじるのではなく、データの「見方」を変えることが勝利の鍵であることを証明しました。

4. 次なる一手:名前の「敬称」から社会的地位を暴く

0.78229 というスコアは一つの通過点に過ぎません。まだ伸び代は十分にあります。次は、これまで手をつけていなかった巨大な情報源 Name(名前) の解析に挑みます。ここから「Mr.」「Miss.」「Master.」といった敬称を抜き出せば、年齢だけでは判別できない「既婚・未婚」や「家柄(社会的地位)」という決定的なヒントが手に入るはずです。


「質の高い燃料(特徴量)」を投入することで、ランダムフォレストは見違えるような精度を見せ始めました。この勢いのまま、次はテキストデータの解析に踏み込み、さらなる高みを目指します。