Applying Data Science Techniques in Python to Evaluate Ionospheric Perturbations from Earthquakes

Multi-GNSS (Galileo, GPS, and GLONASS) Vertical Total Electron Content Estimates: Applying Data Science techniques in Python to Evaluate Ionospheric Perturbations from Earthquakes

1 Introduction

Today, Global Navigation Satellite System (GNSS) observations are routinely used to study the physical processes that occur within the Earth’s upper atmosphere. Due to the experienced satellite signal propagation effects the total electron content (TEC) in the ionosphere can be estimated and the derived Global Ionosphere Maps (GIMs) provide an important contribution to monitoring space weather. While large TEC variations are mainly associated with solar activity, small ionospheric perturbations can also be induced by physical processes such as acoustic, gravity and Rayleigh waves, often generated by large earthquakes.

In this study Ionospheric perturbations caused by four earthquake events have been observed and are subsequently used as case studies in order to validate an in-house software developed using the Python programming language. The Python libraries primarily utlised are Pandas, Scikit-Learn, Matplotlib, SciPy, NumPy, Basemap, and ObsPy. A combination of Machine Learning and Data Analysis techniques have been applied. This in-house software can parse both receiver independent exchange format (RINEX) versions 2 and 3 raw data, with particular emphasis on multi-GNSS observables from GPS, GLONASS and Galileo. BDS (BeiDou) compatibility is to be added in the near future.

Several case studies focus on four recent earthquakes measuring above a moment magnitude (MW) of 7.0 and include: the 11 March 2011 MW 9.1 Tohoku, Japan, earthquake that also generated a tsunami; the 17 November 2013 MW 7.8 South Scotia Ridge Transform (SSRT), Scotia Sea earthquake; the 19 August 2016 MW 7.4 North Scotia Ridge Transform (NSRT) earthquake; and the 13 November 2016 MW 7.8 Kaikoura, New Zealand, earthquake.

Ionospheric disturbances generated by all four earthquakes have been observed by looking at the estimated vertical TEC (VTEC) and residual VTEC values. The results generated from these case studies are similar to those of published studies and validate the integrity of the in-house software.

2 Data Cleaning and Data Processing Methodology

Determining the absolute VTEC values are useful in order to understand the background ionospheric conditions when looking at the TEC perturbations, however small-scale variations in electron density are of primary interest. Quality checking processed GNSS data, applying carrier phase leveling to the measurements, and comparing the TEC perturbations with a polynomial fit creating residual plots are discussed in this section.

Time delay and phase advance observables can be measured from dual-frequency GNSS receivers to produce TEC data. Using data retrieved from the Center of Orbit Determination in Europe (CODE) site (, the differential code biases are subtracted from the ionospheric observables.

2.1 Determining VTEC: Thin Shell Mapping Function

The ionospheric shell height, H, used in ionosphere modeling has been open to debate for many years and typically ranges from 300 – 400 km, which corresponds to the maximum electron density within the ionosphere. The mapping function compensates for the increased path length traversed by the signal within the ionosphere. Figure 1 demonstrates the impact of varying the IPP height on the TEC values.

Figure 1 Impact on TEC values from varying IPP heights. The height of the thin shell, H, is increased in 50km increments from 300 to 500 km.

2.2 Phase Smoothing

For dual-frequency GNSS users TEC values can be retrieved with the use of dual-frequency measurements by applying calculations. Calculation of TEC for pseudorange measurements in practice produces a noisy outcome and so the relative phase delay between two carrier frequencies – which produces a more precise representation of TEC fluctuations – is preferred. To circumvent the effect of pseudorange noise on TEC data, GNSS pseudorange measurements can be smoothed by carrier phase measurements, with the use of the carrier phase smoothing technique, which is often referred to as carrier phase leveling.

Figure 2 Phase smoothed code differential delay

2.3 Residual Determination

For the purpose of this study the monitoring of small-scale variations in ionospheric electron density from the ionospheric observables are of particular interest. Longer period variations can be associated with diurnal alterations, and changes in the receiver- satellite elevation angles. In order to remove these longer period variations in the TEC time series as well as to monitor more closely the small-scale variations in ionospheric electron density, a higher-order polynomial is fitted to the TEC time series. This higher-order polynomial fit is then subtracted from the observed TEC values resulting in the residuals. The variation of TEC due to the TID perturbation are thus represented by the residuals. For this report the polynomial order applied was typically greater than 4, and was chosen to emulate the nature of the arc for that particular time series. The order number selected is dependent on the nature of arcs displayed upon calculating the VTEC values after an initial inspection of the VTEC plots.

3 Results

3.1 Tohoku Earthquake

For this particular report, the sampled data focused on what was retrieved from the IGS station, MIZU, located at Mizusawa, Japan. The MIZU site is 39N 08′ 06.61″ and 141E 07′ 58.18″. The location of the data collection site, MIZU, and the earthquake epicenter can be seen in Figure 3.

Figure 3 MIZU IGS station and Tohoku earthquake epicenter [generated using the Python library, Basemap]

Figure 4 displays the ionospheric delay in terms of vertical TEC (VTEC), in units of TECU (1 TECU = 1016 el m-2). The plot is split into two smaller subplots, the upper section displaying the ionospheric delay (VTEC) in units of TECU, the lower displaying the residuals. The vertical grey-dashed lined corresponds to the epoch of the earthquake at 05:46:23 UT (2:46:23 PM local time) on March 11 2011. In the upper section of the plot, the blue line corresponds to the absolute VTEC value calculated from the observations, in this case L1 and L2 on GPS, whereby the carrier phase leveling technique was applied to the data set. The VTEC values are mapped from the STEC values which are calculated from the LOS between MIZU and the GPS satellite PRN18 (on Figure 4 denoted G18). For this particular data set as seen in Figure 4, a polynomial fit of  five degrees was applied, which corresponds to the red-dashed line. As an alternative to polynomial fitting, band-pass filtering can be employed when TEC perturbations are desired. However for the scope of this report polynomial fitting to the time series of TEC data was the only method used. In the lower section of Figure 4 the residuals are plotted. The residuals are simply the phase smoothed delay values (the blue line) minus the polynomial fit line (the red-dashed line). All ionosphere delay plots follow the same layout pattern and all time data is represented in UT (UT = GPS – 15 leap seconds, whereby 15 leap seconds correspond to the amount of leap seconds at the time of the seismic event). The time series shown for the ionosphere delay plots are given in terms of decimal of the hour, so that the format follows hh.hh.

Figure 4 VTEC and residual plot for G18 at MIZU on March 11 2011

3.2 South Georgia Earthquake

In the South Georgia Island region located in the North Scotia Ridge Transform (NSRT) plate boundary between the South American and Scotia plates on 19 August 2016, a magnitude of 7.4 MW earthquake struck at 7:32:22 UT. This subsection analyses the data retrieved from KEPA and KRSA. As well as computing the GPS and GLONASS TEC values, four Galileo satellites (E08, E14, E26, E28) are also analysed. Figure 5 demonstrates the TEC perturbations as computed for the Galileo L1 and L5 carrier frequencies.

Figure 5 VTEC and residual plots at KRSA on 19 August 2016. The plots are from the perspective of the GNSS receiver at KRSA, for four Galileo satellites (a) E08; (b) E14; (c) E24; (d) E26. The y-axes and x-axes in all plots do not conform with one another but are adjusted to fit the data. The y-axes for the residual section of each plot is consistent with one another.

Figure 6 Geometry of the Galileo (E08, E14, E24 and E26) satellites’ projected ground track whereby the IPP is set to 300km altitude. The orange lines correspond to tectonic plate boundaries.

4 Conclusion

The proximity of the MIZU site and magnitude of the Tohoku event has provided a remarkable – albeit a poignant – opportunity to analyse the ocean-ionospheric coupling aftermath of a deep submarine seismic event. The Tohoku event has also enabled the observation of the origin and nature of the TIDs generated by both a major earthquake and tsunami in close proximity to the epicenter. Further, the Python software developed is more than capable of providing this functionality, by drawing on its mathematical packages, such as NumPy, Pandas, SciPy, and Matplotlib, as well as employing the cartographic toolkit provided from the Basemap package, and finally by utilizing the focal mechanism generation library, Obspy.

Pre-seismic cursors have been investigated in the past and strongly advocated in particular by Kosuke Heki. The topic of pre-seismic ionospheric disturbances remains somewhat controversial. A potential future study area could be the utilization of the Python program – along with algorithmic amendments – to verify the existence of this phenomenon. Such work would heavily involve the use of Scikit-Learn in order to ascertain the existence of any pre-cursors.

Finally, the code developed is still retained privately and as of yet not launched to any particular platform, such as GitHub. More detailed information on this report can be obtained here:

Download as PDF

Lineare Regression in Python mit Scitkit-Learn

Die lineare Regressionsanalyse ist ein häufiger Einstieg ins maschinelle Lernen um stetige Werte vorherzusagen (Prediction bzw. Prädiktion). Hinter der Regression steht oftmals die Methode der kleinsten Fehlerquadrate und die hat mehr als eine mathematische Methode zur Lösungsfindung (Gradientenverfahren und Normalengleichung). Alternativ kann auch die Maximum Likelihood-Methode zur Regression verwendet werden. Wir wollen uns in diesem Artikel nicht auf die Mathematik konzentrieren, sondern uns direkt an die Anwendung mit Python Scikit-Learn machen:


  • Einführung in Machine Learning mit Scikit-Learn
  • Lineare Regression mit Scikit-Learn


  • Datenvorbereitung (Data Preparation) mit Pandas und Scikit-Learn
  • Datenvisualisierung mit der Matplotlib direkt und indirekt (über Pandas)

Was wir inhaltlich tun:

Der Versuch einer Vorhersage eines Fahrzeugpreises auf Basis einer quantitativ-messbaren Eigenschaft eines Fahrzeuges.

Die Daten als Download

Für dieses Beispiel verwende ich die Datei “Automobil_data.txt” von Die Daten lassen sich über folgenden Link downloaden, nur leider wird ein (kostenloser) Account benötigt:
Sollte der Download-Link unerwartet mal nicht mehr funktionieren, freue ich mich über einen Hinweis als Kommentar 🙂

Die Entwicklungsumgebung

Ich verwende hier die Python-Distribution Anaconda 3 und als Entwicklungs-Umgebung Spyder (in Anaconda enthalten). Genauso gut funktionieren jedoch auch Jupyter Notebook, Eclipse mit PyDev oder direkt die IPython QT-Console.

Zuerst einmal müssen wir die Daten in unsere Python-Session laden und werden einige Transformationen durchführen müssen. Wir starten zunächst mit dem Importieren von drei Bibliotheken NumPy und Pandas, deren Bedeutung ich nicht weiter erläutern werde, somit voraussetze.

Wir nutzen die Pandas-Bibliothek, um die “Automobile_data.txt” in ein pd.DataFrame zu laden.

Schauen wir uns dann die ersten fünf Zeilen in IPython via dataSet.head().

Hinweis: Der Datensatz hat viele Spalten, so dass diese in der Darstellung mit einem Backslash \ umgebrochen werden.

Gleich noch eine weitere Ausgabe, die uns etwas über die Beschaffenheit der importierten Daten verrät:

Einige Spalten entsprechen hinsichtlich des Datentypes nicht der Erwartung. Für die Spalten ‘horsepower’ und ‘peak-rpm’ würde ich eine Ganzzahl (Integer) erwarten, für ‘price’ hingegen eine Fließkommazahl (Float), allerdings sind die drei Spalten als Object deklariert. Mit Trick 17 im Data Science, der Anzeige der Minimum- und Maximum-Werte einer zu untersuchenden Datenreihe, kommen wir dem Übeltäter schnell auf die Schliche:


Für eine Regressionsanalyse benötigen wir nummerische Werte (intervall- oder ratioskaliert), diese möchten wir auch durch richtige Datentypen-Deklaration herstellen. Nun wird eine Konvertierung in den gewünschten Datentyp jedoch an den (mit ‘?’ aufgefüllten) Datenlücken scheitern.

Schauen wir uns doch einmal die Datenreihen an, in denen in der Spalte ‘peak-rpm’ Fragezeichen stehen:

Zwei Datenreihen sind vorhanden, bei denen ‘peak-rpm’ mit einem ‘?’ aufgefüllt wurde. Nun könnten wir diese Datenreihen einfach rauslöschen. Oder mit sinnvollen (im Sinne von wahrscheinlichen) Werten auffüllen. Vermutlichen haben beide Einträge – beide sind OHC-Motoren mit 4 Zylindern – eine ähnliche Drehzahl-Angabe wie vergleichbare Motoren. Mit folgendem Quellcode, gruppieren wir die Spalten ‘engine-type’ und ‘num-of-cylinders’ und bilden für diese Klassen den arithmetischen Mittelwert (.mean()) für die ‘peak-rpm’.

Und schauen wir uns das Ergebnis an:

Ein Vier-Zylinder-OHC-Motor hat demnach durchschnittlich einen Drehzahl-Peak von 5155 Umdrehungen pro Minute. Ohne nun (fahrlässigerweise) auf die Verteilung in dieser Klasse zu achten, nehmen wir einfach diesen Schätzwert, um die zwei fehlende Datenpunkte zu ersetzen.

Wir möchten jedoch die Original-Daten erhalten und legen ein neues DataSet (dataSet_c) an, in welches wir die Korrekturen vornehmen:

Nun können wir die fehlenden Peak-RPM-Einträge mit unserem Schätzwert ersetzen:

Was bei einer Drehzahl-Angabe noch funktionieren mag, ist für anderen Spalten bereits etwas schwieriger: Die beiden Spalten ‘price’ und ‘horsepower’ sind ebenfalls vom Typ Object, da sie ‘?’ enthalten. Verzichten wir einfach auf die betroffenen Zeilen:

Datenvisualisierung mit Pandas

Wir wollen uns nicht lange vom eigentlichen Ziel ablenken, dennoch nutzen wir die Visualisierungsfähigkeiten der Pandas-Library (welche die Matplotlib inkludiert), um uns dann die Anzahlen an Einträgen nach Hersteller der Fahrzeuge (Spalte ‘make’) anzeigen zu lassen:

Oder die durchschnittliche PS-Zahl nach Hersteller:

Vorbereitung der Regressionsanalyse

Nun kommen wir endlich zur Regressionsanalyse, die wir mit Scikit-Learn umsetzen möchten. Die Regressionsanalyse können wir nur mit intervall- oder ratioskalierten Datenspalten betreiben, daher beschränken wir uns auf diese. Die “price”-Spalte nehmen wir jedoch heraus und setzen sie als unsere Zielgröße fest.

Interessant ist zudem die Betrachtung vorab, wie die einzelnen nummerischen Attribute untereinander korrelieren. Dafür nehmen wir auch die ‘price’-Spalte wieder in die Betrachtung hinein und hinterlegen auch eine Farbskala mit dem Preis (höhere Preise, hellere Farben).

Die lineare Korrelation ist hier sehr interessant, da wir auch nur eine lineare Regression beabsichtigen.

Wie man in dieser Scatter-Matrix recht gut erkennen kann, scheinen einige Größen-Paare nahezu perfekt zu korrelieren, andere nicht.


  • …nahezu perfekt linear: highway-mpg vs city-mpg (mpg = Miles per Gallon)
  • … eher nicht gegeben: highway-mpg vs height
  • … nicht linear, dafür aber nicht-linear: highway-mpg vs price

Nun, wir wollen den Preis eines Fahrzeuges vorhersagen, wenn wir eine andere quantitative Größe gegeben haben. Auf den Preis bezogen, erscheint mir die Motorleistung (Horsepower) einigermaßen linear zu korrelieren. Versuchen wir hier die lineare Regression und setzen somit die Spalte ‘horsepower’ als X und ‘price’ als y fest.

Die gängige Konvention ist übrigens, X groß zu schreiben, weil hier auch mehrere x-Dimensionen enthalten sein dürfen (multivariate Regression). y hingegen, ist stets nur eine Zielgröße (eine Dimension).

Die lineare Regression ist ein überwachtes Verfahren des maschinellen Lernens, somit müssen wir unsere Prädiktionsergebnisse mit Test-Daten testen, die nicht für das Training verwendet werden dürfen. Scitkit-Learn (oder kurz: sklearn) bietet hierfür eine Funktion an, die uns das Aufteilen der Daten abnimmt:

Zu beachten ist dabei, dass die Daten vor dem Aufteilen in Trainings- und Testdaten gut zu durchmischen sind. Auch dies übernimmt die train_test_split-Funktion für uns, nur sollte man im Hinterkopf behalten, dass die Ergebnisse (auf Grund der Zufallsauswahl) nach jedem Durchlauf immer wieder etwas anders aussehen.

Lineare Regression mit Scikit-Learn

Nun kommen wir zur Durchführung der linearen Regression mit Scitkit-Learn, die sich in drei Zeilen trainieren lässt:

Aber Vorsicht! Bevor wir eine Prädiktion durchführen, wollen wir festlegen, wie wir die Güte der Prädiktion bewerten wollen. Die gängigsten Messungen für eine lineare Regression sind der MSE und R².

MSE = \frac{\sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i})^2}{n}

Ein großer MSE ist schlecht, ein kleiner gut.

R^2 = 1 - \frac{MSE}{Var(y)}= \frac{\frac{1}{n} \cdot \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y_i})^2}{\frac{1}{n} \cdot \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{\mu_y})^2}

Ein kleines R² ist schlecht, ein großes R² gut. Ein R² = 1.0 wäre theoretisch perfekt (da der Fehler = 0.00 wäre), jedoch in der Praxis unmöglich, da dieser nur bei absolut perfekter Korrelation auftreten würde. Die Klasse LinearRegression hat eine R²-Messmethode implementiert (score(x, y)).

Die Ausgabe (ein Beispiel!):

Nach jedem Durchlauf ändert sich mit der Datenaufteilung (train_test_split()) das Modell etwas und auch R² schwankt um eine gewisse Bandbreite. Berauschend sind die Ergebnisse dabei nicht, und wenn wir uns die Regressionsgerade einmal ansehen, wird auch klar, warum:

Bei kleineren Leistungsbereichen, etwa bis 100 PS, ist die Preis-Varianz noch annehmbar gering, doch bei höheren Leistungsbereichen ist die Spannweite deutlich größer.

Egal wie wir eine Gerade in diese Punktwolke legen, wir werden keine befriedigende Fehlergröße erhalten.

Nehmen wir einmal eine andere Spalte für X, bei der wir vor allem eine nicht-lineare Korrelation erkannt haben: “highway-mpg”

Wenn wir dann das Training wiederholen:

Die R²-Werte sind nicht gerade berauschend, und das erklärt sich auch leicht, wenn wir die Trainings- und Testdaten sowie die gelernte Funktionsgerade visualisieren:

Die Gerade lässt sich nicht wirklich gut durch diese Punktwolke legen, da letztere eher eine Kurve als eine Gerade bildet. Im Grunde könnte eine Gerade noch einigermaßen gut in den Bereich von 22 bis 43 mpg passen und vermutlich annehmbare Ergebnisse liefern. Die Wertebereiche darunter und darüber jedoch verzerren zu sehr und sorgen zudem dafür, dass die Gerade auch innerhalb des mittleren Bereiches zu weit nach oben verschoben ist (ggf. könnte hier eine Ridge-/Lasso-Regression helfen).

Richtig gute Vorhersagen über nicht-lineare Verhältnisse können jedoch nur mit einer nicht-linearen Regression erreicht werden.

Nicht-lineare Regression mit Scikit-Learn

Nicht-lineare Regressionsanalysen erlauben es uns, nicht-lineare korrelierende Werte-Paare als Funktion zu erlernen. Im folgenden Scatter-Plot sehen wir zum einen die gewohnte lineare Regressionsgerade (y = a * x + b) in rot, eine polinominale Regressionskurve dritten Grades (y = a * x³ + b * x² + c * x + d) in violet sowie einen Entscheidungsweg einer Entscheidungsbaum-Regression in gelb.

Nicht-lineare Regressionsanalysen passen sich dem Verlauf der Punktwolke sehr viel besser an und können somit in der Regel auch sehr gute Vorhersageergebnisse liefern. Ich ziehe hier nun jedoch einen Gedankenstrich, liefere aber den Quellcode für die lineare Regression als auch für die beiden nicht-linearen Regressionen mit:

Python Script Regression via Scikit-Learn

Weitere Anmerkungen

  • Bibliotheken wie Scitkit-Learn erlauben es, machinelle Lernverfahren schnell und unkompliziert anwenden zu können. Allerdings sollte man auch verstehen, wei diese Verfahren im Hintergrund mathematisch arbeiten. Diese Bibliotheken befreien uns also nicht gänzlich von der grauen Theorie.
  • Statt der “reinen” lineare Regression (LinearRegression()) können auch eine Ridge-Regression (Ridge()), Lasso-Regression (Lasso()) oder eine Kombination aus beiden als sogenannte ElasticNet-Regression (ElasticNet()). Bei diesen kann über Parametern gesteuert werden, wie stark Ausreißer in den Daten berücksichtigt werden sollen.
  • Vor einer Regression sollten die Werte skaliert werden, idealerweise durch Standardisierung der Werte (sklearn.preprocessing.StandardScaler()) oder durch Normierung (sklearn.preprocessing.Normalizer()).
  • Wir haben hier nur zwei-dimensional betrachtet. In der Praxis ist das jedoch selten ausreichend, auch der Fahrzeug-Preis ist weder von der Motor-Leistung, noch von dem Kraftstoffverbrauch alleine abhängig – Es nehmen viele Größen auf den Preis Einfluss, somit benötigen wir multivariate Regressionsanalysen.

Entropie – Und andere Maße für Unreinheit in Daten

Dieser Artikel ist Teil 1 von 4 der Artikelserie Maschinelles Lernen mit Entscheidungsbaumverfahren.

Hierarchische Klassifikationsmodelle, zu denen das Entscheidungsbaumverfahren (Decision Tree) zählt, zerlegen eine Datenmenge iterativ oder rekursiv mit dem Ziel, die Zielwerte (Klassen) im Rahmen des Lernens (Trainingsphase des überwachten Lernens) möglichst gut zu bereiningen, also eindeutige Klassenzuordnungen für bestimmte Eigenschaften in den Features zu erhalten. Die Zerlegung der Daten erfolgt über einen Informationsgewinn, der für die Klassifikation mit einem Maß der Unreinheit berechnet wird (im nächsten Artikel der Serie werden wir die Entropie berechnen!) Read more

Der Blick für das Wesentliche: Die Merkmalsselektion

In vielen Wissensbasen werden Datensätze durch sehr große Merkmalsräume beschrieben. Während der Generierung einer Wissensbasis wird versucht jedes mögliche Merkmal zu erfassen, um einen Datensatz möglichst genau zu beschreiben. Dabei muss aber nicht jedes Merkmal einen nachhaltigen Wert für das Predictive Modelling darstellen. Ein Klassifikator arbeitet mit reduziertem Merkmalsraum nicht nur schneller, sondern in der Regel auch weitaus effizienter. Oftmals erweist sich ein automatischer Ansatz der Merkmalsselektion besser, als ein manueller, da durchaus Zusammenhänge existieren können, die wir selbst so nicht identifizieren können.

Die Theorie: Merkmalsselektion

Automatische Merkmalsselektionsverfahren unterscheiden 3 verschiedene Arten: Filter, Wrapper und Embedded Methods. Einen guten Überblick über Filter- und Wrapper-Verfahren bieten Kumari et al. in ihrer Arbeit “Filter versus wrapper feature subset selection in large dimensionality micro array: A review” (Download als PDF).

Der Filter-Ansatz bewertet die Merkmale unabhängig des Klassifikators. Dabei werden univariate und multivariate Methoden unterschieden. Univariate Methoden bewerten die Merkmale separat, während der multivariate Ansatz mehrere Merkmale kombiniert. Für jedes Merkmal bzw. jedes Merkmalspaar wird ein statistischer Wert berechnet, der die Eignung der Merkmale für die Klassifikation angibt. Mithilfe eines Schwellwertes werden dann geeignete Merkmale herausgefiltert. Der Filter-Ansatz bietet eine schnelle und, aufgrund der geringen Komplexität, leicht skalierbare Lösung für die Merkmalsselektion. Der Nachteil von Filter-Selektoren besteht in der Missachtung der Abhängigkeiten zwischen den Merkmalen. So werden redundante Merkmale ähnlich bewertet und verzerren später die Erfolgsrate des Klassifikators. Bekannte Beispiele für Filter-Selektoren sind unter anderem die Euklidische Distanz und der Chi-2-Test.

Der Wrapper-Ansatz verbindet die Merkmalsbewertung mit einem Klassifikator. Innerhalb des Merkmalsraumes werden verschiedene Teilmengen von Merkmalen generiert und mithilfe eines trainierten Klassifikators getestet. Um alle möglichen Teilmengen des Merkmalsraumes zu identifizieren, wird der Klassifikator mit einem Suchalgorithmus kombiniert. Da der Merkmalsraum mit Zunahme der Anzahl der Merkmale exponentiell steigt, werden heuristische Suchmethoden für die Suche nach optimalen Teilmengen genutzt. Im Gegensatz zu den Filtern können hier redundante Merkmale abgefangen werden. Die Nutzung eines Klassifikators zur Bewertung der Teilmengen ist zugleich Vor- und Nachteil. Da die generierte Teilmenge auf einen speziellen Klassifikator zugeschnitten wird, ist nicht gewährleistet, dass die Menge auch für andere Klassifikatoren optimal ist. Somit ist dieser Ansatz zumeist abhängig vom gewählten Klassifikator. Zudem benötigt der Wrapper-Ansatz eine viel höhere Rechenzeit. Wrapper-Selektoren werden beispielsweise durch Genetische Algorithmen und Sequentielle Forward/Backward-Selektoren vertreten.

Embedded-Ansätze stellen eine Sonderform der Wrapper-Methode da. Allerdings werden Merkmalssuche und Klassifikatoren-Training nicht getrennt. Die Suche der optimalen Teilmenge ist hier im Modelltraining eingebettet. Dadurch liefern Embedded-Ansätze die gleichen Vorteile wie die Wrapper-Methoden, während die Rechenzeit dabei erheblich gesenkt werden kann. Der reduzierte Merkmalsraum ist aber auch hier vom jeweiligen Klassifikator abhängig. Klassifikatoren, die den Embedded-Ansatz ermöglichen sind beispielsweise der Random-Forest oder die Support-Vector-Maschine.


Analog zum letzten Tutorial wird hier Python(x,y) und die Datenbasis „Human Activity Recognition Using Smartphones“ genutzt. Die Datenbasis beruht auf erfassten Sensordaten eines Smartphones während speziellen menschlichen Aktivitäten: Laufen, Treppen hinaufsteigen, Treppen herabsteigen, Sitzen, Stehen und Liegen. Auf den Aufzeichnungen von Gyroskop und Accelerometer wurden mehrere Merkmale erhoben. Die Datenmenge, alle zugehörigen Daten und die Beschreibung der Daten sind frei verfügbar.


Alle Daten liegen im Textformat vor. Für ein effizienteres Arbeiten mit der Datenbasis wurden diese im Vorfeld in das csv-Dateiformat überführt.


Alle für das Data Mining relevanten Bibliotheken sind in Python(x,y) bereits enthalten. Für die Umsetzung werden folgende Bibliotheken genutzt:

Die Bibliotheken NumPy und Pandas unterstützen die Arbeit mit verschiedenen Datenstrukturen und scikit-learn umfasst alle Funktionen des maschinellen Lernens.

Daten vorbereiten

Vor der Anwendung der einzelnen Verfahren werden die Daten vorbereitet. Das Data Frame wird eingelesen, die Klassen in numerische Labels überführt und das Datenfeld in Merkmale (X) und Klassenspalte (y) separiert. Weiterhin wird die informationslose Spalte subject entfernt.

1. Verfahren: RFECV

Der RFECV (Recursive Feature Elimination with Cross Validation) ist ein Vertreter des Wrapper-Ansatzes. In diesem Beispiel wird die Merkmalsselektion mit einem Support Vector Klassifikator kombiniert. Der RFECV berechnet ein Ranking über die einzelnen Merkmale. Dabei bestimmt der Selektor selbst die optimale Menge der Merkmale. Alle Merkmale mit Platz 1 im Ranking bilden den optimalen Merkmalsraum.

2. Verfahren: Random Forest-Klassifikator

Der Random-Forest-Klassifikator gehört zu den Modellen, die einen Embedded-Ansatz ermöglichen. Während des Klassifikatoren-Trainings wird jedem Merkmal ein Wert zugeordnet. Je höher der Wert, desto bedeutsamer das Merkmal. Allerdings ist hier eine manuelle Filterung notwendig, da anders als beim RFECV kein internes Optimum ermittelt wird. Mithilfe eines geeigneten Schwellwertes können die zu wählenden Merkmale bestimmt werden. In diesem Beispiel werden alle Merkmale selektiert, die eine Wichtung größer dem Mittelwert erhalten.

3. Verfahren: Select K Best

Das Select K Best-Verfahren gehört den Filter-Ansätzen an. Daher kommt hier anders als bei den anderen beiden Verfahren kein Klassifikator zum Einsatz. Auch in diesem Verfahren wird für jedes Merkmal ein Wert berechnet, der die Wichtigkeit des Merkmals beziffert. Für die Berechnung der Werte können verschiedene Methoden verwendet werden. In diesem Beispiel wird eine Varianzanalyse genutzt (Parameter f_classif). Auch hier wird mithilfe eines manuellen Schwellwertes der reduzierte Merkmalsraum bestimmt.


Für die Bewertung der einzelnen Selektionsverfahren werden die einzelnen Verfahren in den Data-Mining-Prozess (siehe vorheriges Tutorial: Einstieg in das maschinelle Lernen mit Python(x,y)) integriert. Die nachfolgende Tabelle veranschaulicht die Ergebnisse der Klassifikation der einzelnen Verfahren.



Anzahl der Merkmale

Erfolgsrate Klassifikation







Random Forest



Select K Best




Durch den RFECV konnte das Ergebnis der Klassifikation leicht verbessert werden. Die anderen Selektionsverfahren, die auch deutlich weniger Merkmale nutzen, verschlechtern das Ergebnis sogar. Dies liegt vor allem an der manuellen Regulierung des Schwellwertes.

Einstieg in das Maschinelle Lernen mit Python(x,y)

Python(x,y) ist eine Python-Distribution, die speziell für wissenschaftliche Arbeiten entwickelt wurde. Es umfasst neben der Programmiersprache auch die Entwicklungsumgebung Spyder und eine Reihe integrierter Python-Bibliotheken. Mithilfe von Python(x,y) kann eine Vielzahl von Interessensbereichen bearbeitet werden. Dazu zählen unter anderem Bildverarbeitung oder auch das maschinelle Lernen. Das All-in-One-Setup für Python(x,y) ist für alle gängigen Betriebssysteme online erhältlich. Read more

Wahrscheinlichkeitsverteilungen – Zentralen Grenzwertsatz verstehen mit Pyhton

Wahrscheinlichkeitsverteilung sind im Data Science ein wichtiges Handwerkszeug. Während in der Mathevorlesung die Dynamik dieser Verteilungen nur durch wildes Tafelgekritzel schwierig erlebbar zu machen ist, können wir mit Programmierkenntnissen (in diesem Fall wieder mit Python) eine kleine Testumgebung für solche Verteilungen erstellen, um ein Gefühl dafür zu entwickeln, wie unterschiedlich diese auf verschiedene Wahrscheinlichkeitswerte, Varianz und Mengen an Datenpunkten reagieren und wann sie untereinander annäherungsweise ersetzbar sind – der zentrale Grenzwertsatz. Den Schwerpunkt lege ich in diesem Artikel auf die Binominal- und Normalverteilung.

Für die folgenden Beispiele werden folgende Python-Bibliotheken benötigt:

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Das Benfordsche Gesetz beschreibt eine Verteilung der Ziffernstrukturen von Zahlen in empirischen Datensätzen. Dieses Gesetz, welches kein striktes Naturgesetz ist, sondern eher ein Erklärungsversuch in der Natur und in der Gesellschaft vorkommende Zahlenmuster vorherzusagen.

Das Benfordsche Gesetz beruht auf der Tatsache, dass die Ziffern in einem Zahlensystem hierarchisch aufeinander aufbauen: Es beginnt mit der 1, dann folgt die 2, dann die 3 usw. In Kombination mit bestimmten Gesetzen der Natur (der natürliche Wachstumsprozess, dabei möglichst energiesparend wachsen/überleben) oder Ökonomie (so günstig wie möglich einkaufen) ist gemäß des Benfordschen Gesetz zu erwarten, dass die Ziffer 1 häufiger vorkommt als die 2, die wiederum häufiger vorkommt als die 3. Die Ziffer 9 braucht demnach den längsten Weg und kommt entsprechend verhältnismäßig seltener vor.

Dieses Phönomen hilft uns bei echten Zufallszahlen nicht weiter, denn dann sind alle Ziffern nicht aufeinander aufbauend, sondern mehr oder weniger gleichberechtigt in ihrem Auftrauen. Bei der klassischen und axiomatischen Wahrscheinlichkeit kommen wir damit also nicht ans Ziel.

Die Benford-Analyse ist im Grunde eine Ausreißeranalyse: Wir vergleichen Ziffernmuster in Datenbeständen mit der Erwartungshaltung des Benfordschen Gesetzes. Weicht das Muster von dieser Erwartung ab, haben wir Diskussionsbedarf.

Moderne Zahlensysteme sind Stellenwert-Zahlensysteme. Neben den Dual-, Oktal- und Hexadezimalzahlensystemen, mit denen sich eigentlich nur Informatiker befassen, wird unser Alltag vom Dezimalzahlensystem geprägt. In diesem Zahlensystem hat jede Stelle die Basis 10 (“dezi”) und einen Exponenten entsprechend des Stellenwertes, multipliziert mit der Ziffer d. Es ist eine Exponentialfunktion, die den Wert der Ziffern in bestimmter Reihenfolge ermittelt:

Z =\sum_{i=-n}^{m}d_{i}\cdot10^{i}

Die Benford-Analyse wird meistens nur für die erste Ziffer (also höchster Stellenwert!) durchgeführt. Dies werden wir gleich einmal beispielhaft umsetzen.

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der ersten “anführenden” Ziffer d ist ein Logarithmus zur Basis B. Da wir im alltäglichen Leben – wie gesagt – nur im Dezimalzahlensystem arbeiten, ist für uns B = 10.

p(d)=\log_{B}\left( 1 +\frac{1}{d} \right)

Im Standard-Python lässt sich diese Formel leicht mit einer Schleife umsetzen:

Benford-Algorithmus in Python mit NumPy und Pandas

Nachfolgend setzen wir eine Benford-Analyse als Minimalbeispiel in NumPy und Pandas um.

Nun möchten wir eine Tabelle erstellen, mit zwei Spalten, eine für die Ziffer (Digit), die andere für die relative Häufigkeit der Ziffer (Benford Law). Dazu nutzen wir das DataFrame aus dem Pandas-Paket. Das DataFrame erstellen wir aus den zwei zuvor erstellten NumPy-Arrays.

Man könnte sicherlich auch den natürlichen Index des DataFrames nutzen, indem wir diesen nur um jeweils 1 erhöhen, aber das verwirrt später nur und tun wir uns jetzt daher lieber nicht an…

Das Dataframe-Objekt kann direkt plotten (das läuft über die matplotlib, die wir aber nicht direkt einbinden müssen):benfordsches_gesetz_dezimalzahlen_ziffern

Diese neun Balken zeigen die Verteilung der Ziffernhäufigkeit nach dem Benfordschen Gesetz, diese Verteilung ist unsere Erwartungshaltung an andere nummerische Datenbestände, wenn diese einem natürlichen Wachstum unterliegen.

Analyse der Verteilung der ersten Ziffer in Zahlungsdaten

Jetzt brauchen wir Daten mit nummerischen Beträgen, die wir nach Benford testen möchten. Für dieses Beispiel nehme ich aus einem ein SAP-Testdatensatz die Spalte ‘DMBTR’ der Tabelle ‘BSEG’ (SAP FI). Die Spalte ‘DMBTR’ steht für “Betrag in Hauswährung’, die ‘BSEG’ ist die Tabelle für die buchhalterischen Belegsegmente.
Die Datei mit den Testdaten ist über diesen Link zum Download verfügbar (Klick) und enthält 40.000 Beträge.

Wir laden den Inhalt der Datei via NumPy.LoadTxt() und machen aus dem resultierenden NumPy-Array wieder ein Pandas.DataFrame und holen uns die jeweils erste Ziffer für alle Einträge als Liste zurück.

Die Einträge der ersten Ziffer in firstDigits nehmen wir uns dann vor und gruppieren diese über die Ziffer und ihrer Anzahl relativ zur Gesamtanzahl an Einträgen.

Wenn wir die Werte der relativen Anzahl aufsummieren, landen wir bei 94% statt 100%. Dies liegt daran, dass wir die Ziffer 0 ausgelassen haben, diese jedoch tatsächlich vorkommt, jedoch nur bei Beträgen kleiner 1.00. Daher lassen wir die Ziffer 0 außenvor. Wer jedoch mehr als nur die erste Ziffer prüfen möchte, wird die Ziffer 0 wieder mit in die Betrachtung nehmen wollen. Nur zur Probe nocheinmal mit der Ziffer 0, so kommen wir auf die 100% der aufsummierten relativen Häufigkeiten:

Nun erstellen wir ein weiteres Pandas.DataFrame, mit zwei Spalten: Die Ziffern (Digit) und die tatsächliche Häufigkeit in der Gesamtpopulation (Real Distribution):

Abgleich der Ziffernhäufigkeit mit der Erwartung

Nun bringen wir die theoretische Verteilung der Ziffern, also nach dem zuvor genannten Logarithmus, und die tatsächliche Verteilung der ersten Ziffern in unseren Zahlungsdaten in einem Plot zusammen:

In dem Plot wird deutlich, dass die Verteilung der führenden Ziffer in unseren Zahlungsdaten in ziemlich genau unserer Erwartung nach dem Benfordschen Gesetz entspricht. Es sind keine außerordentlichen Ausreißer erkennbar. Das wäre auch absolut nicht zu erwarten gewesen, denn der Datensatz ist mit 40.000 Einträgen umfassend genug, um dieses Muster gut abbilden zu können und von einer Manipulation dieser Beträge im SAP ist ebenfalls nicht auszugehen.


Gegenüberstellung: Computer-generierte Zufallszahlen

Jetzt wollen wir nochmal kurz darauf zurück kommen, dass das Benfordsche Gesetz für Zufallszahlen nicht unwendbar ist. Bei echten Zufallszahlen bin ich mir da auch sehr sicher. Echte Zufallszahlen ergeben sich beispielweise beim Lotto, wenn die Bälle mit Einzel-Ziffern durch eine Drehkugel hüpfen. Die Lottozahl-Ermittlung erfolgt durch die Zusammenstellung von jeweils gleichberechtigt erzeugten Ziffern.
Doch wie ist dies bei vom Computer generierten Zufallszahlen? Immerhin heißt es in der Informatik, dass ein Computer im Grunde keine Zufallszahlen erzeugen kann, sondern diese via Takt und Zeit erzeugt und dann durchmischt. Wir “faken” unsere Zahlungsdaten nun einfach mal via Zufallszahlen. Hierzu erstellen wir in NumPy ein Array mit 2000 Einträgen einer Zufallszahl (NumPy.Random.rand(), erzeugt floats 0.xxxxxxxx) und multiplizieren diese mit einem zufälligen Integer (Random.randint()) zwischen 0 und 1000.

Erzeugen wir die obigen Datenstrukturen erneut, zeigt sich, dass die Verteilung der Zufallszahlen ganz anders aussieht: (vier unterschiedliche Durchläufe)


Anwendung in der Praxis

Data Scientists machen sich das Benfordsche Gesetz zu Nutze, um Auffälligkeiten in Zahlen aufzuspüren. In der Wirtschaftsprüfung und Forensik ist diese Analyse-Methode recht beliebt, um sich einen Eindruck von nummerischen Daten zu verschaffen, insbesondere von Finanztransaktionen. Die Auffälligkeit durch Abweichung vom Benfordchen Gesetz entsteht z. B. dadurch, dass Menschen eine unbewusste Vorliebe für bestimmte Ziffern oder Zahlen haben. Greifen Menschen also in “natürliche” Daten massenhaft (z. B. durch Copy&Paste) ein, ist es wahrscheinlich, dass sie damit auch vom Muster des Benfordschen Gesetzes abweichen. Weicht das Muster in Zahlungsströmen vom Bendfordsche Erwartungsmuster für bestimmte Ziffern signifikant ab, könnte dies auf Fälle von unnatürlichen Eingriffen hindeuten.

Die Benford-Analyse wird auch gerne eingesetzt, um Datenfälschungen in wissenschaftlichen Arbeiten oder Bilanzfälschungen aufzudecken. Die Benford-Analyse ist dabei jedoch kein Beweis, sondern liefert nur die Indizien, die Detailanalysen nach sich ziehen können/müssen.

Die Rastrigin-Funktion

Jeder Data Scientist kommt hin und wieder mal in die Situation, einen Algorithmus trainieren bzw. optimieren zu wollen oder zu müssen, ohne jedoch, dass passende Trainingsdaten unmittelbar verfügbar wären. Zum einen kann man in solchen Fällen auf Beispieldaten zugreifen, die mit vielen Analysetools mitgeliefert werden, oder aber man generiert sich seine Daten via mathematischer Modelle selbst, die für bestimmte Eigenschaften bekannt sind, die gute Bedingungen für das Optimierungstraining liefern. 

Ein solches Modell, das man als Machine Learning Entwickler kennen sollte, ist die Rastrigin-Funktion, die laut Wikipedia von Leonard A. Rastrigin erstmalig beschrieben wurde. Dabei handelt es sich um eine Häufigkeites-/Wahrscheinlichkeitsverteilung, deren Dichte mehrere lokale Modi (Gipfel) aufweist. Ein Modus (oder Modalwert) ist in einer Häufigkeitsverteilung der häufigste Wert (“Bergspitze”) bzw. der Wert mit der höchsten Wahrscheinlichkeit.

Anmerkung des Autors: Dieser Artikel stellt zum einen die Rastrigin-Funktion und ihre Bedeutung für die Optimierungsrechnung vor, ist zum anderen aber auch eine Einführung in den Umgang mit NumPy-Matrizen (die eine Menge For-Schleifen ersparen können).

Die Rastrigin-Funktion

Mathematisch beschrieben wird die Rastrigin-Funktion wie folgt:

f(x_1 \cdots x_n) = An + \sum_{i=1}^n (x_i^2 -10cos(2\pi x_i))

-5.12 \leq x_i \leq 5.12

Wobei für das globale Minimum gilt: f(0) = 0
Außerdem ist zu beachten, dass A=10 eine Konstante ist.

Die Rastrigin-Funktion im Standard-Python umsetzen und visualisieren

Die Formel lässt sich in Python (wie natürlich in jeder anderen Programmiersprache auch) einfach umsetzen:

Nun können wir über den klassischen Weg der Programmierung einfach eine For-Schleife verwenden, um die Rastrigin-Funktionswerte in eine Liste zu packen und mit einem Plot zu visualsieren, dabei bin ich leider doch nicht ganz um die Verwendung des NumPy-Pakets nicht herumgekommen:


Die grafische Darstellung zeigt, dass es sich tatsächlich um eine symmetrische multimodalen Verteilung handelt.

Die Rastrigin-Funktion mehrdimensional umsetzen, mit NumPy-Matrizen-Funktionen

Die obige Umsetzung der Rastrigin-Funktion ist eindimensional (eine Variable), braucht für die Darstellung allerdings zwei Dimensionen (f(x) und die Durchlaufanzahl bzw. Zeitachse). Nun könnten wir die Zahl der Variablen von 1 (x) auf 2 (x und y) erhöhen und eine dreidimensionale Darstellung erzeugen. Eine ähnliche dreidimensionale Darstellung gab es bereits in meiner Vorstellung des k-nearest-Neighbour-Algorithmus nachzuvollziehen. Dabei müssten wir die Konstante A=10 auf A=20 verdoppeln:


Die Rastrigin-Funktion wird gerne für Optimierungsalgorithmen eingesetzt, wofür sie wegen des großen Suchraums und der hohen Anzahl lokaler Modi ein herausforderndes Umfeld bietet. Beispielsweise wird – meines Erachtens nach – das wohl beliebteste Optimierungsverfahren im maschinellen Lernen, das Gradientenverfahren, hier keine guten Ergebnisse liefern, denn es gibt einfach zu viele lokale Minima.



Python vs R Statistics

Immer wieder wird mir von Einsteigern die Frage gestellt, ob sich der Einstieg und die Einarbeitung in die Programmiersprache Python eher lohnen würde als in R Statistics. Nun gibt es in den englischsprachigen Portalen bereits viele Diskussionen und Glaubenskriege zu diesem Vergleich – diese habe ich mir mit Absicht nicht weiter durchgelesen, sondern ich versuche hier meine Erfahrung aufs Blog zu bringen und bin auf Eure Meinungen/Erfahrungen gespannt!

Mit weniger R-Code schneller zum Ziel, und mit Python darüber hinaus

Was mir beim Einstieg in R gleich auffiel: Nach der Installation kann man sofort loslegen! Ein Plot oder eine Regressionsanalyse ist binnen weniger Code-Zeilen erledigt, denn die Sprache bringt diese Funktionen von Haus aus mit. In Python ist das Ziel auch nicht weit weg, allerdings müssen für die Plots erst die MatplotLib installiert werden, für Matrizenberechnung die Numpy-Bibliothek und um eine, mit der R-Datenstruktur Data.Frame vergleichbare Datenstruktur in Python zu erhalten, die Pandas-Bibliothek. Diese Python-Bibliotheken kann man zwar mit Fug und Recht als Bestandteil des Python-Universums ansehen, standardmäßig ausgeliefert werden sie aber nicht und auch sollten sie streng vom Standardpython in der Anwendung getrennt werden, im Klartext: Die Bibliotheken erfordern extra Einarbeitung und machen die Handhabung komplizierter, das einfache Python verliert ein Stück weit seine Einfachheit.

Auch die beliebte Entwicklungsumgebung R-Studio sucht seinesgleichen und ist IPython meiner Meinung nach hinsichtlich der Usability absolut überlegen. R ist einfach darauf ausgerichtet, Daten zu analysieren und zu visualisieren, aber beschränkt sich eben auch darauf.

“R is more about sketching, and not building,” says Michael Driscoll, CEO of Metamarkets. “You won’t find R at the core of Google’s page rank or Facebook’s friend suggestion algorithms. Engineers will prototype in R, then hand off the model to be written in Java or Python.”

Im Gegenzug ist Python eine Programmiersprache, die nicht nur an den einen Zweck gebunden ist. Mit Python können ebenfalls (Web-)Server- oder Desktop-Anwendungen und somit ohne Technologiebruch analytische Anwendungen komplett in Python entwickelt werden. Und auch wenn R ebenfalls unüberschaubar viele Packages mitbringt, bietet Python noch einiges mehr, beispielsweise zur dreidimensionalen Darstellung von Graphen.

Software-Entwickler lieben Python, Mathematiker eher R

Data Science ist ein äußerst interdisziplinäres Fachgebiet und Data Scientists können Mathematiker, Physiker, Informatiker, Ingenieure oder (wenn auch etwas seltener) Wirtschafts- oder auch Geisteswissenschaftler sein. Ein Großteil kommt aus der Mathematik oder äußerst mathematischer Fachgebiete wie der Physiker oder der Elektroingenieurwissenschaft. In diesen Studiengängen wird überwiegend mit Programmiersprachen gearbeitet, die von Mathematikern für Mathematiker entwickelt wurden, also R Statistics, MATLAB oder Octave. Beispielsweise ist meine Frau studierte Elektotechnikingenieurin und setzte alle ihre Prototypen des maschinellen Lernens in MATLAB um, sie findet sich aber auch in R gut zurecht.

Wer aus der Software-Entwicklung kommt, findet sich in Python vermutlich sehr viel schneller zurecht als in R. In meiner subjektiven Wahrnehmung stelle ich tatsächlich fest, dass diejenigen Data Scientists, die aus der Mathematik zum Data Science gekommen sind, meistens R präferieren und diejenigen, die aus der Anwendungsentwicklung kommen, eher mit Python arbeiten.


Python kollaboriert besser

Ein Data Scientist kommt selten allein, denn Data Science ist Teamarbeit. Und wo Teams ein gemeinsames Ziel erreicht sollen, werden besondere Anforderungen an die Arbeitsumgebung gestellt. Python gilt als eine syntaktisch leicht verständliche Programmiersprache, die manchmal sogar als “executable Pseudocode” bezeichnet wird (was allerdings dann doch leicht übertrieben ist…). Es ist also für alle Teammitglieder eine relativ einfach zu erlernende Sprache. Dabei muss Python nicht von allen Teammitgliedern favorisiert werden, denn eigene lokale Prototypen können in R, Octave oder was auch immer erstellt werden, lassen sich dann aber auch einfach in Python integrieren. Für richtig schnelle Anwendungen sind Python und R als Interpretersprachen sowieso zu langsam, solche Anwendungen werden am Ende in C/C++ umgesetzt werden müssen, aber selbst dann bietet Python nicht zu unterschätzende Vorteile: Der Erfolg von Python im wissenschaftlichen Rechnen beruht nämlich auch auf der unkomplizierten Integration von Quellcode der Programmiersprachen C, C++ und Fortran.

Neue Spieler auf dem Feld: Scala und Julia

Leider kann ich zu den beiden Programmiersprachen Scala und Julia (noch) nicht viel sagen. Scala scheint sich meiner Einschätzung nach als eine neue Alternative für Python zu entwickeln. Scala ist ein Produkt aus dem Java-Universum und war als eine Programmiersprache für unterschiedlichste Zwecke gedacht. Die Sprache setzt sich im Big Data Science immer weiter durch, einige Tools für Big Data Analytics (Apache Spark, Apache Flink) sind auf Scala ausgelegt und basieren selbst auf dieser Programmiersprache. Was Scala als eine stark von Java inspirierte Sprache sehr sympathisch macht, ist der enorm kompakte Code. Ein MapReduce-Algorithmus lässt sich in Scala mit einem Bruchteil an Code erstellen, als es in Java der Fall wäre, wie es auch die Code-Beispiele der Spark-Webseite eindrücklich zeigen: (Was ist eigentlich Apache Spark?)

Text Search in Python (Apache Spark)
Text Search in Scala (Apache Spark)
Text Search in Java (Apache Spark)

Julia wurde (ähnlich wie R) explizit für den Zweck der statistischen Datenanalyse entwickelt, wird auf Grund des aktuellen Beta-Status noch kaum produktiv eingesetzt. Da Julia auf sehr schnelle Anwendungen ausgerichtet ist, liegt in Julia die neue Hoffnung für jene, für die R und Python zu langsame Interpretersprachen sind.

Buchempfehlungen zum Einstieg in R oder Python

Es versteht sich von selbst, dass ich alle Bücher auch selbst besitze und mehr als nur das Vorwort gelesen habe…

Was ist Eure Erfahrung? Ihr seid gefragt!

Schreibt Eure Meinung einfach als Kommentar zu diesem Artikel! Wer meint, den Vergleich logischer, “richtiger” und nachvollziehbarer aufs digitale Papier bringen zu können, darf einen Artikelvorschlag übrigens gerne an senden!

Machine Learning mit Python – Minimalbeispiel

Maschinelles Lernen (Machine Learning) ist eine Gebiet der Künstlichen Intelligenz (KI, bzw. AI von Artificial Intelligence) und der größte Innovations- und Technologietreiber dieser Jahre. In allen Trendthemen – wie etwa Industrie 4.0 oder das vernetzte und selbstfahrende Auto – spielt die KI eine übergeordnete Rolle. Beispielsweise werden in Unternehmen viele Prozesse automatisiert und auch Entscheidungen auf operativer Ebene von einer KI getroffen, zum Beispiel in der Disposition (automatisierte Warenbestellungen) oder beim Festsetzen von Verkaufspreisen.

Aufsehen erregte Google mit seiner KI namens AlphaGo, einem Algortihmus, der den Weltmeister im Go-Spiel in vier von fünf Spielen besiegt hatte. Das Spiel Go entstand vor mehr als 2.500 Jahren in China und ist auch heute noch in China und anderen asiatischen Ländern ein alltägliches Gesellschaftsspiel. Es wird teilweise mit dem westlichen Schach verglichen, ist jedoch einfacher und komplexer zugleich (warum? das wird im Google Blog erläutert). Machine Learning kann mit einer Vielzahl von Methoden umgesetzt werden, werden diese Methoden sinnvoll miteinander kombiniert, können durchaus äußerst komplexe KIs erreicht werden.  Der aktuell noch gängigste Anwendungsfall für Machine Learning ist im eCommerce zu finden und den meisten Menschen als die Produktvorschläge von bekannt: Empfehlungsdienste (Recommender System).

Klassifikation via K-Nearest Neighbour Algorithmus

Ein häufiger Zweck des maschinellen Lernens ist, technisch gesehen, die Klassifikation von Daten in Abhängigkeit von anderen Daten. Es gibt mehrere ML-Algorithmen, die eine Klassifikation ermöglichen, die wohl bekannteste Methode ist der k-Nearest-Neighbor-Algorithmus (Deutsch:„k-nächste-Nachbarn”), häufig mit “kNN” abgekürzt. Das von mir interviewte FinTech StartUp Number26 nutzt diese Methodik beispielsweise zur Klassifizierung von Finanztransaktionen.

Um den Algorithmus Schritt für Schritt aufbauen zu können, müssen wir uns

Natürlich gibt es in Python, R und anderen Programmiersprachen bereits fertige Bibliotheken, die kNN bereits anbieten, denen quasi nur Matrizen übergeben werden müssen. Am bekanntesten ist wohl die scikit-learn Bibliothek für Python, die mehrere Nächste-Nachbarn-Modelle umfasst. Mit diesem Minimalbeispiel wollen wir den grundlegenden Algorithmus von Grund auf erlernen. Wir wollen also nicht nur machen, sondern auch verstehen.

Vorab: Verwendete Bibliotheken

Um den nachstehenden Python-Code (Python 3.x, sollte allerdings auch mit Python 2.7 problemlos funktionieren) ausführen zu können, müssen folgende Bibliotheken  eingebunden werden:

Übrigens: Eine Auflistung der wohl wichtigsten Pyhton-Bibliotheken für Datenanalyse und Datenvisualisierung schrieb ich bereits hier.

Schritt 1 – Daten betrachten und Merkmale erkennen

Der erste Schritt ist tatsächlich der aller wichtigste, denn erst wenn der Data Scientist verstanden hat, mit welchen Daten er es zu tun hat, kann er die richtigen Entscheidungen treffen, wie ein Algorithmus richtig abgestimmt werden kann und ob er für diese Daten überhaupt der richtige ist.

In der Realität haben wir es oft mit vielen verteilten Daten zu tun, in diesem Minimalbeispiel haben wir es deutlich einfacher: Der Beispiel-Datensatz enthält Informationen über Immobilien über vier Spalten.

  • Quadratmeter: Größe der nutzbaren Fläche der Immobilie in der Einheit m²
  • Wandhoehe: Höhe zwischen Fußboden und Decke innerhalb der Immobilie in der Einheit m
  • IA_Ratio: Verhältnis zwischen Innen- und Außenflächen (z. B. Balkon, Garten)
  • Kategorie: Enthält eine Klassifizierung der Immobilie als “Haus”, “Wohnung” und “Büro”



[box]Hinweis für Python-Einsteiger: Die Numpy-Matrix ist speziell für Matrizen-Kalkulationen entwickelt. Kopfzeilen oder das Speichern von String-Werten sind für diese Datenstruktur nicht vorgesehen![/box]

Aufgerufen wird diese Funktion dann so:

Die Matrix mit den drei Spalten (Quadratmeter, Wandhohe, IA_Ratio) landen in der Variable “dataSet”.

Schritt 2 – Merkmale im Verhältnis zueinander perspektivisch betrachten

Für diesen Anwendungsfall soll eine Klassifizierung (und gewissermaßen die Vorhersage) erfolgen, zu welcher Immobilien-Kategorie ein einzelner Datensatz gehört. Im Beispieldatensatz befinden sich vier Merkmale: drei Metriken und eine Kategorie (Wohnung, Büro oder Haus). Es stellt sich zunächst die Frage, wie diese Merkmale zueinander stehen. Gute Ideen der Datenvisualisierung helfen hier fast immer weiter. Die gängigsten 2D-Visualisierungen in Python wurden von mir bereits hier zusammengefasst.

[box]Hinweis: In der Praxis sind es selten nur drei Dimensionen, mit denen Machine Learning betrieben wird. Das Feature-Engineering, also die Suche nach den richtigen Features in verteilten Datenquellen, macht einen wesentlichen Teil der Arbeit eines Data Scientists aus – wie auch beispielsweise Chief Data Scientist Klaas Bollhoefer (siehe Interview) bestätigt.[/box]

Die beiden Scatter-Plots zeigen, das Häuser (blau) in allen Dimensionen die größte Varianz haben. Büros (gelb) können größer und höher ausfallen, als Wohnungen (rot), haben dafür jedoch tendenziell ein kleineres IA_Ratio. Könnten die Kategorien (blau, gelb, rot) durch das Verhältnis innerhalb von einem der beiden Dimensionspaaren in dem zwei dimensionalen Raum exakt voneinander abgegrenzt werden, könnten wir hier stoppen und bräuchten auch keinen kNN-Algorithmus mehr. Da wir jedoch einen großen Überschneidungsbereich in beiden Dimensionspaaren haben (und auch Wandfläche zu IA_Ratio sieht nicht besser aus),

Eine 3D-Visualisierung eignet sich besonders gut, einen Überblick über die Verhältnisse zwischen den drei Metriken zu erhalten: (die Werte wurden hier bereits normalisiert, liegen also zwischen 0,00 und 1,00)

3D Scatter Plot in Python [Matplotlib]

Es zeigt sich gerade in der 3D-Ansicht recht deutlich, dass sich Büros und Wohnungen zum nicht unwesentlichen Teil überschneiden und hier jeder Algorithmus mit der Klassifikation in Probleme geraten wird, wenn uns wirklich nur diese drei Dimensionen zur Verfügung stehen.

Schritt 3 – Kalkulation der Distanzen zwischen den einzelnen Punkten

Bei der Berechnung der Distanz in einem Raum hilft uns der Satz des Pythagoras weiter. Die zu überbrückende Distanz, um von A nach B zu gelangen, lässt sich einfach berechnen, wenn man entlang der Raumdimensionen Katheten aufspannt.

c = \sqrt{a^2+ b^2}

Die Hypotenuse im Raum stellt die Distanz dar und berechnet sich aus der Wurzel aus der Summe der beiden Katheten im Quadrat. Die beiden Katheten bilden sich aus der Differenz der Punktwerte (q, p) in ihrer jeweiligen Dimension.Bei mehreren Dimensionen gilt der Satz entsprechend:

Distanz = \sqrt{(q_1-p_1)^2+(q_2-p_2)^2+…+(q_n-p_n)^2}

Um mit den unterschiedlichen Werte besser in ihrer Relation zu sehen, sollten sie einer Normalisierung unterzogen werden. Dabei werden alle Werte einer Dimension einem Bereich zwischen 0.00 und 1.00 zugeordnet, wobei 0.00 stets das Minimum und 1.00 das Maximum darstellt.

NormWert = \frac{Wert - Min}{Wertspanne} = \frac{Wert - Min}{Max - Min}

Die Funktion kann folgendermaßen aufgerufen werden:

Schritt 4 & 5 – Klassifikation durch Eingrenzung auf k-nächste Nachbarn

Die Klassifikation erfolgt durch die Kalkulation entsprechend der zuvor beschriebenen Formel für die Distanzen in einem mehrdimensionalen Raum, durch Eingrenzung über die Anzahl an k Nachbarn und Sortierung über die berechneten Distanzen.

Über folgenden Code rufen wir die Klassifikations-Funktion auf und legen die k-Eingrenzung fest, nebenbei werden Fehler gezählt und ausgewertet. Hier werden der Reihe nach die ersten 30 Zeilen verarbeitet:

Nur 30 Testdatensätze auszuwählen ist eigentlich viel zu knapp bemessen und hier nur der Übersichtlichkeit geschuldet. Besser ist für dieses Beispiel die Auswahl von 100 bis 300 Datensätzen. Die Ergebnisse sind aber bereits recht ordentlich, allerdings fällt dem Algorithmus – wie erwartet – noch die Unterscheidung zwischen Wohnungen und Büros recht schwer.

0 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
1 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
2 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
3 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
4 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
5 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
6 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
7 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Buero
8 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
9 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
10 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
11 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
12 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
13 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Buero
14 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
15 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
16 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
17 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
18 – klassifiziert wurde: Haus, richtige Antwort: Haus
19 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
20 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
21 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
22 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
23 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
24 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
25 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
26 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
27 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
28 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
29 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
Error Count: 2

Über weitere Tests wird deutlich, dass k nicht zu niedrig und auch nicht zu hoch gesetzt werden darf.

 Datensätze  k Fehler
 150 1   25
 150 3   23
 150 5   21
 150 20   26

Ein nächster Schritt wäre die Entwicklung eines Trainingprogramms, dass die optimale Konfiguration (k-Eingrenzung, Gewichtung usw.) ermittelt.

Fehlerraten herabsenken

Die Fehlerquote ist im Grunde niemals ganz auf Null herabsenkbar, sonst haben wir kein maschinelles Lernen mehr, sondern könnten auch feste Regeln ausmachen, die wir nur noch einprogrammieren (hard-coding) müssten. Wer lernt, macht auch Fehler! Dennoch ist eine Fehlerquote von 10% einfach zu viel für die meisten Anwendungsfälle. Was kann man hier tun?

  1. Den Algorithmus verbessern (z. B. optimale k-Konfiguration und Gewichtung finden)
  2. mehr Merkmale finden (= mehr Dimensionen)
  3. mehr Daten hinzuziehen (gut möglich, dass alleine dadurch z. B. Wohnungen und Büros besser unterscheidbar werden)
  4. einen anderen Algorithmus probieren (kNN ist längst nicht für alle Anwendungen ideal!)

Das Problem mit den Dimensionen

Theoretisch kann kNN mit undenklich vielen Dimensionen arbeiten, allerdings steigt der Rechenaufwand damit auch ins unermessliche. Der k-nächste-Nachbar-Algorithmus ist auf viele Daten und Dimensionen angewendet recht rechenintensiv.

In der Praxis hat nicht jedes Merkmal die gleiche Tragweite in ihrer Bedeutung für die Klassifikation und mit jeder weiteren Dimension steigt auch die Fehleranfälligkeit, insbesondere durch Datenfehler (Rauschen). Dies kann man sich bei wenigen Dimensionen noch leicht bildlich vorstellen, denn beispielsweise könnten zwei Punkte in zwei Dimensionen nahe beieinander liegen, in der dritten Dimension jedoch weit auseinander, was im Ergebnis dann eine lange Distanz verursacht. Wenn wir beispielsweise 101 Dimensionen berücksichtigen, könnten auch hier zwei Punkte in 100 Dimensionen eng beieinander liegen, läge jedoch in der 101. Dimension (vielleicht auch auf Grund eines Datenfehlers) eine lange Distanz vor, wäre die Gesamtdistanz groß. Mit Gewichtungen könnten jedoch als wichtiger einzustufenden Dimensionen bevorzugt werden und als unsicher geltende Dimensionen entsprechend entschärft werden.

Je mehr Dimensionen berücksichtigt werden sollen, desto mehr Raum steht zur Verfügung, so dass um wenige Datenpunkte viel Leerraum existiert, der dem Algorithmus nicht weiterhilft. Je mehr Dimensionen berücksichtigt werden, desto mehr Daten müssen zu Verfügung gestellt werden, im exponentiellen Anstieg – Wo wir wieder beim Thema Rechenleistung sind, die ebenfalls exponentiell ansteigen muss.

Weiterführende Literatur

Machine Learning in Action


Introduction to Machine Learning with Python

Einführung in Data Science: Grundprinzipien der Datenanalyse mit Python