Data Science und AI (eBook)

3 Datenanalyse

Im vorangegangenen Kapitel ging es um die Datenquellen, d. h. die Softwarekomponenten, in denen die zu analysierenden Daten gespeichert werden. In diesem Kapitel stehen nun die Komponenten im Fokus, mit denen die Analysen durchgeführt werden können. Sie sind die wichtigsten Werkzeuge für die Arbeit der Data-Scientists. Die Softwareprodukte und -services lassen sich unterscheiden in:

• Programmiersprachen,

• Data-Science-Plattformen,

• Machine Learning-Bibliotheken bzw. -Librarys sowie

• Machine Learning-Angebote der Cloud-Anbieter.

3.1 Programmiersprachen

Im Jahr 2018 hat Python Java als beliebteste Programmiersprache überholt. Das ist praktisch für Data-Scientists, denn Python ist die meistgenutzte Sprache für Machine Learning und die bedeutendste Schnittstelle zu allen relevanten Librarys. Alle anderen Sprachen kann man getrost vergessen!

Kurz vor der Rente stehende ‘Data-Miners‘ werden hier widersprechen und irgendwas von R faseln. Das Thema kann man aber aussitzen, es sei denn, im Unternehmen existiert noch ein Schrank voller Disketten mit geschäftskritischem R-Code. Dann sollte man den schleunigst in Python überführen, solange noch einer der Angestellten R-Kenntnisse aufweist.

Den historischen Verdienst von R als herstellerunabhängige Sprache für Machine Learning möchte ich damit nicht verleugnen, aber in die Zukunft gerichtet ist R der Programmiersprache Python bei Weitem unterlegen und wird daher noch an Bedeutung verlieren.

Rust wird derzeit (u. a. von Elon Musk) gehypt, aber ich wage die Prognose, dass es – ähnlich wie Scala zuvor – in einer Techie-Nische verbleiben und im Machine Learning-Mainstream nie hohe Bedeutung erreichen wird. Matlab ist eine herstellerexklusive Sprache und wird im Beliebtheitsranking mit Sicherheit nicht signifikant aufsteigen.

Nicht im PYPL-Ranking enthalten ist die Standarddatenbanksprache SQL. In der praktischen Arbeit in der Datenanalyse ist SQL aber wahrscheinlich sogar wichtiger als Python. Etwa 95 % des Zeitaufwandes in analytischen Aufgaben entstehen durch die Vor- und Aufbereitung der Daten, die meist SQL-Querys erfordert.

Fazit: Als Data-Scientist muss man SQL und Python können. Basta!

Im Folgenden soll übersichtsartig auf Python, R und SQL eingegangen werden.

3.1.1 Python

Python ist eine allgemeine höhere Programmiersprache, die seit Anfang der 1990er Jahre entwickelt wird. Das Ziel dabei war es, eine einfach zu erlernende, klar strukturierte, funktionale und objektorientierte Programmiersprache zu schaffen. Python ist weitgehend plattformunabhängig und als Open-Source-Produkt kostenlos verfügbar.

Die Strukturierung des Quellcodes erfolgt durch Einrückungen und nicht durch Klammern, wodurch eine Übersichtlichkeit des Programmcodes gegeben ist. Es handelt sich um eine Interpreter-Sprache, sodass einerseits die Entwicklung von Programmcode schneller abläuft (da kein Compiling notwendig ist), die Performance aber andererseits etwas geringer ausfällt als bei Compiler-Sprachen bzw. nur über Umwege verbessert werden kann.

Die Sprache kommt mit relativ wenigen Schlüsselwörtern aus und die Syntax ist vergleichsweise minimalistisch auf Übersichtlichkeit hin optimiert. Dadurch lassen sich Python-Programme oft knapper formulieren als in anderen Sprachen. Von der Idee her ist Python eine kompakte Sprache, die durch Bibliotheken übersichtlich aber funktional praktisch unbegrenzt erweitert werden kann.

Genau darin liegt ein maßgeblicher Grund, warum Python eine so große Bedeutung im Rahmen der Data-Science besitzt. Es sind die Programm- und Funktionsbibliotheken, die aus Python ein universelles Werkzeug für Data-Scientists machen. Durch die hohe Verbreitung von Python bieten auch viele der Standardsoftwarepakete eine Schnittstelle zu Python an. Dadurch lassen sich Python-Programme als Module in Data-Science-Plattformen einbinden. Apache Spark nutzt zur Steuerung und Parametrisierung neben seiner Muttersprache Scala noch Java und Python. Auch dadurch wird die Bedeutung von Python betont.

Python-Bibliotheken für Data-Science

Es gibt allgemeine Programmbibliotheken mit den grundlegenden mathematischen und datenmanipulierenden Verfahren. Dazu zählen vor allem die Folgenden:

• NumPy ist eine Programmbibliothek für die Handhabung von Vektoren, Matrizen oder generell großen multidimensionalen Arrays. Neben den Datenstrukturen bietet NumPy auch Funktionen für numerische Berechnungen.

• SciPy ist eine Python-Bibliothek mit mathematischen Werkzeugen wie Algorithmen zur numerischen Integration und Optimierung.

• Matplotlib ist eine Plotting-Library, die die grafische Darstellung mathematischer Funktionen erlaubt.

Neben diesen allgemeineren Bibliotheken sind zahlreiche Module speziell für die Bereiche Data-Mining bzw. Machine Learning verfügbar. Oft setzen die Module eine der grundlegenden Bibliotheken voraus. Bedeutend in diesem Bereich sind:

• Pandas (Python Data Analysis Library) umfasst Funktionen zur Manipulation und Analyse von Daten.

• Scikit-learn umfasst Klassifikations-, Regressions- und Clustering-Algorithmen. Unterstützt werden z. B. Random Forests, GradientBoosting, k-Means und DBSCAN.

• TensorFlow ist eine aus einem Google-Projekt entstandene Programmbibliothek für Graphenalgorithmen und neuronale Netze (s. Kapitel 3.3.1).

• Keras ist eine Open-Source-Bibliothek zum Thema Deep Learning, einerseits eine eigenständige Bibliothek aber auch Teil der TensorFlow-Core-API.

• PySpark ist eine Bibliothek und gleichzeitig die Schnittstelle zum Spark-Universum, mit dem die Vorteile des Parallel Computing in Spark genutzt werden können.

• Mlpy (Machine Learning Python) umfasst Machine Learning-Algorithmen u. a. für Regression, Klassifikation, Clustering und Dimensionsreduzierung.

• Statsmodels bietet grundlegende statistische Funktionen wie Tests, Datenexploration und Gütekriterien.

• NetworkX ist ein Softwarepaket für die Erstellung, Manipulation und Analyse komplexer Netzwerkstrukturen und Graphen.

• PyBrain unterstützt die Erstellung neuronaler Netzwerke.

• MDP 3.5 ist eine Bibliothek verbreiteter ML-Algorithmen, die als Module für Pipelines (Prozessketten) bzw. als Knoten eines Netzwerkes genutzt werden können.

• Theano und Caffe sind Deep-Learning-Bibliotheken für Python.

• Pattern ist eine Bibliothek, die Funktionalitäten in den Bereichen Web-Mining, Spracherkennung, Sentiment-Analyse und Machine Learning bietet.

• Vaex ermöglicht die Visualisierung, Exploration, Analyse und Machine Learning tabellarischer Datensätze, die nicht von der Größe des Arbeitsspeichers, sondern jener der Festplatte begrenzt sind. Dadurch können also auf einem üblichen Arbeitsplatzrechner Datensätze mit einem Umfang in der Größenordnung mehreren Hundert Gigabyte in vertretbarer Geschwindigkeit verarbeitet werden.2

Eine der bedeutendsten Arbeitsumgebungen für Data-Scientists ist das Jupyter-Notebook.

Ein Jupyter-Notebook ist ein versionierbares Dokument, das Eingabezellen (Python-Programmiercode sowie Beschreibungstext) und Ausgabezellen (z. B. Graphen, Diagramme und Ergebnisse) kombiniert und sich daher für das iterative Vorgehen bei analytischen Aufgaben hervorragend eignet.

In Kapitel 5.4 sind beispielhafte Python-Snippets aufgeführt und in Kapitel 5.5 wird anhand eines Jupyter-Notebooks ein typisches Machine Learning-Projekt skizziert.

3.1.2 R

R ist eine Programmiersprache für statistische Berechnungen und Grafiken, die sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie als bedeutendste Standardsprache für statistische Problemstellungen galt. Sie ist Teil des GNU-Projekts und als Open-Source-Lösung für Windows, Mac OS, Linux und Unix erhältlich. Es handelt sich um eine Interpreter-Sprache, die nicht kompiliert werden muss.

Die einfachste Datenstruktur in R ist ein Vektor. Die Elemente von Vektoren (eindimensional), Matrizen (ein- oder zweidimensional) und Arrays (beliebig dimensional) müssen den gleichen Datentyp aufweisen, damit auf diese Rechenoperationen angewendet werden können. Neben diesen homogenen Datenstrukturen werden oft Data-Frames verwendet, um Daten als Datensatz darzustellen. Sie sind matrizenförmig, können jedoch aus Spalten unterschiedlicher Datentypen bestehen....