2023-programowanie-w-pythonie/zajecia3/sklearn cz. 1.ipynb

{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Kkolejna część zajęć będzie wprowadzeniem do drugiej, szeroko używanej biblioteki w Pythonie: `sklearn`. Zajęcia będą miały charaktere case-study poprzeplatane zadaniami do wykonania. Zacznijmy od załadowania odpowiednich bibliotek."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "scrolled": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "# ! pip install matplotlib"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "import numpy as np\n",
    "import pandas as pd\n",
    "import matplotlib.pyplot as plt\n",
    "\n",
    "%matplotlib inline"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Zacznijmy od załadowania danych. Na dzisiejszych zajęciach będziemy korzystać z danych z portalu [gapminder.org](https://www.gapminder.org/data/)."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "df = pd.read_csv('gapminder.csv', index_col=0)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Dane zawierają różne informacje z większość państw świata (z roku 2008). Poniżej znajduje się opis kolumn:\n",
    " * female_BMI - średnie BMI u kobiet\n",
    " * male_BMI - średnie BMI u mężczyzn\n",
    " * gdp - PKB na obywatela\n",
    " * population - wielkość populacji\n",
    " * under5mortality - wskaźnik śmiertelności dzieni pon. 5 roku życia (na 1000 urodzonych dzieci)\n",
    " * life_expectancy - średnia długość życia\n",
    " * fertility - wskaźnik dzietności"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**zad. 1**\n",
    "Na podstawie danych zawartych w `df` odpowiedz na następujące pytania:\n",
    " * Jaki był współczynniki dzietności w Polsce w 2018?\n",
    " * W którym kraju ludzie żyją najdłużej?\n",
    " * Z ilu krajów zostały zebrane dane?"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**zad. 2** Stwórz kolumnę `gdp_log`, która powstanie z kolumny `gdp` poprzez zastowanie funkcji `log` (logarytm). \n",
    "\n",
    "Hint 1: Wykorzystaj funkcję `apply` (https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/generated/pandas.Series.apply.html#pandas.Series.apply).\n",
    "\n",
    "Hint 2: Wykorzystaj fukcję `log` z pakietu `np`."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Naszym zadaniem będzie oszacowanie długości życia (kolumna `life_expectancy`) na podstawie pozostałych zmiennych. Na samym początku, zastosujemy regresje jednowymiarową na `fertility`."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "y = df['life_expectancy'].values\n",
    "X = df['fertility'].values\n",
    "\n",
    "print(\"Y shape:\", y.shape)\n",
    "print(\"X shape:\", X.shape)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Będziemy korzystać z gotowej implementacji regreji liniowej z pakietu sklearn. Żeby móc wykorzystać, musimy napierw zmienić shape na dwuwymiarowy."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "y = y.reshape(-1, 1)\n",
    "X = X.reshape(-1, 1)\n",
    "\n",
    "print(\"Y shape:\", y.shape)\n",
    "print(\"X shape:\", X.shape)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Jeszcze przed właściwą analizą, narysujmy wykres i zobaczny czy istnieje \"wizualny\" związek pomiędzy kolumnami."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "df.plot.scatter('fertility', 'life_expectancy')"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**zad. 3** Zaimportuj `LinearRegression` z pakietu `sklearn.linear_model`."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Tworzymy obiekt modelu regresji liniowej."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "model = LinearRegression()"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Trening modelu ogranicza się do wywołania metodu `fit`, która przyjmuje dwa argumenty:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "model.fit(X, y)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Współczynniki modelu:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "print(\"Wyraz wolny (bias):\", model.intercept_)\n",
    "print(\"Współczynniki cech:\", model.coef_)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**zad. 4** Wytrenuj nowy model `model2`, który będzie jako X przyjmie kolumnę `gdp_log`. Wyświetl parametry nowego modelu."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Mając wytrenowany model możemy wykorzystać go do predykcji. Wystarczy wywołać metodę `predict`."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "X_test = X[:5,:]\n",
    "y_test = y[:5,:]\n",
    "output = model.predict(X_test)\n",
    "\n",
    "for i in range(5):\n",
    "    print(\"input: {}\\t predicted: {}\\t expected: {}\".format(X_test[i,0], output[i,0], y_test[i,0]))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Sprawdzenie jakości modelu - metryki: $MSE$"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Istnieją 3 metryki, które określają jak dobry jest nasz model:\n",
    " * $MSE$: [błąd średnio-kwadratowy](https://pl.wikipedia.org/wiki/B%C5%82%C4%85d_%C5%9Bredniokwadratowy) \n",
    " * $RMSE = \\sqrt{MSE}$"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "from sklearn.metrics import mean_squared_error\n",
    "\n",
    "rmse = np.sqrt(mean_squared_error(y, model.predict(X)))\n",
    "print(\"Root Mean Squared Error: {}\".format(rmse))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "# Import necessary modules\n",
    "from sklearn.linear_model import LinearRegression\n",
    "from sklearn.metrics import mean_squared_error\n",
    "from sklearn.model_selection import train_test_split\n",
    "\n",
    "# Create training and test sets\n",
    "X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.30, random_state=42)\n",
    "\n",
    "# Create the regressor: reg_all\n",
    "reg_all = LinearRegression()\n",
    "\n",
    "# Fit the regressor to the training data\n",
    "reg_all.fit(X_train, y_train)\n",
    "\n",
    "# Predict on the test data: y_pred\n",
    "y_pred = reg_all.predict(X_test)\n",
    "\n",
    "# Compute and print R^2 and RMSE\n",
    "print(\"R^2: {}\".format(reg_all.score(X_test, y_test)))\n",
    "rmse = np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred))\n",
    "print(\"Root Mean Squared Error: {}\".format(rmse))\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Regresja wielu zmiennych"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Model regresji liniowej wielu zmiennych nie różni się istotnie od modelu jednej zmiennej. Np. chcąc zbudować model oparty o dwie kolumny: `fertility` i `gdp` wystarczy zmienić X (cechy wejściowe):"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "X = df[['fertility', 'gdp']]\n",
    "X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size = 0.30, random_state=42)\n",
    "\n",
    "print(X.shape)\n",
    "\n",
    "model_mv = LinearRegression()\n",
    "model_mv.fit(X_train, y_train)\n",
    "\n",
    "print(\"Wyraz wolny (bias):\", model_mv.intercept_)\n",
    "print(\"Współczynniki cech:\", model_mv.coef_)\n",
    "\n",
    "y_pred = model_mv.predict(X_test)\n",
    "\n",
    "rmse = np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred))\n",
    "print(\"Root Mean Squared Error: {}\".format(rmse))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**zad. 7** \n",
    " * Zbuduj model regresji liniowej, która oszacuje wartność kolumny `life_expectancy` na podstawie pozostałych kolumn.\n",
    " * Wyświetl współczynniki modelu.\n",
    " * Oblicz wartości metryki rmse na zbiorze trenującym.\n",
    " "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**zad. 6**\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    " Zaimplementuj metrykę  $RMSE$  jako fukcję rmse (szablon poniżej). Fukcja rmse przyjmuje dwa parametry typu list i ma zwrócić wartość metryki  $RMSE$ ."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "def rmse(expected, predicted):\n",
    "    \"\"\"\n",
    "    argumenty:\n",
    "    expected (type: list): poprawne wartości\n",
    "    predicted (type: list): oszacowanie z modelu\n",
    "    \"\"\"\n",
    "    pass\n",
    "    \n",
    "\n",
    "y = df['life_expectancy'].values\n",
    "X = df[['fertility', 'gdp']].values\n",
    "\n",
    "test_model = LinearRegression()\n",
    "test_model.fit(X, y)\n",
    "\n",
    "predicted = list(test_model.predict(X))\n",
    "expected = list(y)\n",
    "\n",
    "print(rmse(predicted,expected))\n",
    "print(np.sqrt(mean_squared_error(predicted, expected)))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3 (ipykernel)",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
   "mimetype": "text/x-python",
   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.11.5"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 2
}