Python で大規模な機械学習データセットを処理する簡単な方法

この記事の対象読者:

1. 大規模なデータ セットに対して Pandas/NumPy 操作を実行したい人。
2. Python を使用してビッグ データに対して機械学習タスクを実行したい人。

この記事では、.csv 形式のファイルを使用して、Python のさまざまな操作だけでなく、配列、テキスト ファイルなどの他の形式も示します。

大規模な機械学習データセットにパンダを使用できないのはなぜですか?

Pandas が機械学習データセットを読み込むためにコンピューター メモリ (RAM) を使用することはわかっていますが、コンピューターに 8 GB のメモリ (RAM) がある場合、なぜパンダは依然として 2 GB のデータセット毛織物を読み込むことができないのでしょうか?その理由は、Pandas を使用して 2 GB のファイルを読み込むには、2 GB の RAM だけでなく、より多くのメモリが必要になるためです。合計メモリ要件はデータセットのサイズとそのデータセットに対して実行する操作によって異なるためです。

これは、コンピューター メモリにロードされたさまざまなサイズのデータ​​セットの簡単な比較です:

さらに、Pandas はオペレーティング システムのコアを 1 つだけ使用するため、処理が非常に困難になります。遅い。言い換えれば、pandas は並列処理 (問題を小さなタスクに分割すること) をサポートしていないと言えます。

コンピューターに 4 つのコアがあると仮定して、次の図は CSV ファイルをロードするときに pandas によって使用されるコアの数を示しています。

Pandas は通常、大規模な機械学習を処理するために使用されるデータセットの主な理由は次の 2 点です。1 つはコンピューターのメモリ使用量、もう 1 つは並列処理の欠如です。 NumPy と Scikit-learn では、大規模なデータセットに対して同じ問題に直面します。

これら 2 つの問題を解決するには、Dask と呼ばれる Python ライブラリを使用できます。これにより、大規模なデータ セットに対してパンダ、NumPy、ML などのさまざまな操作を実行できるようになります。

Dask はどのように機能しますか?

Dask はデータセットをパーティションにロードしますが、pandas は通常、機械学習データセット全体をデータフレームとして使用します。 Dask では、データセットの各パーティションは pandas データフレームとみなされます。

#Dask は一度に 1 つのパーティションをロードするため、メモリ割り当てエラーを心配する必要はありません。

以下は、dask を使用してさまざまなサイズの機械学習データセットをコンピューター メモリに読み込む場合の比較です。

Dask は、並列処理の問題を解決します。データは複数のパーティションに分割され、それぞれが個別のコアを使用するため、データセットの計算が高速化されます。

コンピューターに 4 つのコアがあると仮定して、dask が 5 GB の csv ファイルをロードする方法を次に示します。

dask ライブラリを使用するには、次のコマンドを使用できます。インストールするには:

<span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pip</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">install</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">dask</span>

Dask には、dask.array、dask.dataframe、dask.distributed などのいくつかのモジュールがあり、それぞれ NumPy、pandas、Tornado などの対応するライブラリをインストールしている場合にのみ機能します。

dask を使用して大きな CSV ファイルを処理するにはどうすればよいですか?

dask.dataframe は大きな CSV ファイルを処理するために使用されます。最初に、pandas を使用してサイズ 8 GB のデータセットをインポートしようとしました。

<span style="color: rgb(215, 58, 73); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">import</span> <span style="color: rgb(0, 92, 197); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pandas</span> <span style="color: rgb(215, 58, 73); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">as</span> <span style="color: rgb(0, 92, 197); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pd</span><br><span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">df</span> <span style="color: rgb(215, 58, 73); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">=</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pd</span>.<span style="color: rgb(0, 92, 197); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">read_csv</span>(<span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">“data</span>.<span style="color: rgb(0, 92, 197); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">csv”</span>)

私の 16 GB RAM ラップトップでメモリ割り当てエラーが発生しました。

ここで、dask.dataframe を使用して同じ 8 GB データをインポートしてみます。

dask は、8 GB ファイル全体を ddf にロードするのにわずか 1 秒かかりました。変数。

ddf 変数の出力を見てみましょう。

ご覧のとおり、実行時間は 0.5 秒で、119 個のパーティションに分割されていることがわかります。

次のコマンドを使用して、データフレームのパーティション数を確認することもできます。

デフォルトでは、dask は 8 GB CSV ファイルを 119 のパーティション (各パーティション) にロードします。サイズは 64MB です)、これは利用可能な物理メモリとコンピューターのコア数に基づいて行われます。

CSV ファイルをロードするときに、blocksize パラメーターを使用して独自のパーティション数を指定することもできます。

##Dask にはサンプル データセットがすでに含まれています。時系列データを使用して、dask がデータセットに対してどのように数学的演算を実行するかを示します。

dask.datasets をインポートした後、ddf_20y は 2000 年 1 月 1 日から 2021 年 12 月 31 日までの時系列データをロードしました。

時系列データのパーティション数を見てみましょう。

#20 年間の時系列データは 8035 のパーティションに分散されています。

pandas では、head を使用してデータセットの最初の数行を出力します。これは dask にも当てはまります。

id ​​列の平均を計算してみましょう。

dask は遅延計算を使用するため、データフレームの合計行数を出力しません (出力は必要になるまで表示されません)。出力を表示するには、compute メソッドを使用します。

データセットの各列を正規化する (値を 0 から 1 の間に変換する) と仮定すると、Python コードは次のとおりです。

列をループし、各列の最小値と最大値を見つけ、単純な数式を使用して列を正規化します。

キーポイント: 正規化の例では、実際の数値計算が行われるとは考えないでください。これは単なる遅延評価です (必要になるまで出力は表示されません)。

Dask 配列を使用する理由

Dask は配列を小さなチャンクに分割します。各チャンクは NumPy 配列です。

dask.arrays は、大きな配列を処理するために使用されます。次の Python コードでは、dask を使用して 10000 x 10000 の配列を作成し、それを x 変数に格納します。

x 変数を呼び出すと、配列に関するさまざまな情報が生成されます。

配列の特定の要素を表示する

dask 配列に対して数学演算を実行する Python の例:

正如您所看到的，由于延迟执行，它不会向您显示输出。我们可以使用compute来显示输出：

dask 数组支持大多数 NumPy 接口，如下所示：

• 数学运算：+, *, exp, log, ...
• sum(), mean(), std(), sum(axis=0), ...
• 张量/点积/矩阵乘法：tensordot
• 重新排序/转置：transpose
• 切片：x[:100, 500:100:-2]
• 使用列表或 NumPy 数组进行索引：x[:, [10, 1, 5]]
• 线性代数：svd、qr、solve、solve_triangular、lstsq

但是，Dask Array 并没有实现完整 NumPy 接口。

你可以从他们的官方文档中了解更多关于 dask.arrays 的信息。

什么是Dask Persist？

假设您想对机器学习数据集执行一些耗时的操作，您可以将数据集持久化到内存中，从而使数学运算运行得更快。

从 dask.datasets 导入了时间序列数据

让我们取数据集的一个子集并计算该子集的总行数。

计算总行数需要 27 秒。

我们现在使用 persist 方法：

持久化我们的子集总共花了 2 分钟，现在让我们计算总行数。

同样，我们可以对持久化数据集执行其他操作以减少计算时间。

persist应用场景：

• 数据量大
• 获取数据的一个子集
• 对子集应用不同的操作

为什么选择 Dask ML？

Dask ML有助于在大型数据集上使用流行的Python机器学习库(如Scikit learn等)来应用ML（机器学习）算法。

什么时候应该使用 dask ML？

• 数据不大（或适合 RAM），但训练的机器学习模型需要大量超参数，并且调优或集成技术需要大量时间。
• 数据量很大。

正如你所看到的，随着模型大小的增加，例如，制作一个具有大量超参数的复杂模型，它会引起计算边界的问题，而如果数据大小增加，它会引起内存分配错误。因此，在这两种情况下（红色阴影区域）我们都使用 Dask 来解决这些问题。

如官方文档中所述，dask ml 库用例：

• 对于内存问题，只需使用 scikit-learn（或其他ML 库）。
• 对于大型模型，使用 dask_ml.joblib 和scikit-learn estimators。
• 对于大型数据集，使用 dask_ml estimators。

让我们看一下 Dask.distributed 的架构：

Dask 让您能够在计算机集群上运行任务。在 dask.distributed 中，只要您分配任务，它就会立即开始执行。

简单地说，client就是提交任务的你，执行任务的是Worker，调度器则执行两者之间通信。

python -m <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pip</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">install</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">dask</span> distributed –upgrade

如果您使用的是单台机器，那么就可以通过以下方式创建一个具有4个worker的dask集群

如果需要dashboard，可以安装bokeh，安装bokeh的命令如下：

<span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pip</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">install</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">bokeh</span>

就像我们从 dask.distributed 创建客户端一样，我们也可以从 dask.distributed 创建调度程序。

要使用 dask ML 库，您必须使用以下命令安装它：

<span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">pip</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">install</span> <span style="color: rgb(89, 89, 89); margin: 0px; padding: 0px; background: none 0% 0% / auto repeat scroll padding-box border-box rgba(0, 0, 0, 0);">dask</span>-ml

我们将使用 Scikit-learn 库来演示 dask-ml 。

Grid_Search メソッドを使用すると仮定すると、通常は次の Python コードを使用します。

dask.distributed を使用してクラスターを作成します。

クラスターを使用して scikit-learn モデルを適合させるには、joblib を使用するだけで済みます。

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