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Anomaly Detection

Anomaly Detection

github.com/aj-geddesデータ・データベース373525 回インストール34 週間前に更新
リポジトリ

Anomaly Detection について

データ内の異常パターンや外れ値を検出するスキルです。複数の検出手法やしきい値の選び方、結果の提示内容を扱い、分析や監視に役立ちます。

主な機能

  1. 01統計・距離ベースの手法
  2. 02分離・密度ベースの手法
  3. 03ディープラーニング手法
  4. 04点・文脈・集団異常
  5. 05しきい値選択のガイド

活用シーン

  1. 01不審な金融取引の検出
  2. 02システム障害や侵入の発見
  3. 03製造上の欠陥の特定
  4. 04異常なセンサー値の確認

インストール

コマンドをコピーしてターミナルで実行します。

$npx skills add https://github.com/aj-geddes/useful-ai-prompts --skill anomaly-detection

インストール後、Claude Code で/anomaly-detectionを入力して読み込まれたか確認します。

同梱ファイルscripts/scaffold-analysis.shtemplates/notebook-template.py

詳細

異常検知

概要

異常検知は、通常の動作から大きく逸脱した、データ内の異常なパターン、外れ値、異常を特定し、不正検知やシステム監視を可能にします。

使用する場面

  • 金融データ内の不正な取引や疑わしい活動の検知
  • システム障害、ネットワーク侵入、セキュリティ侵害の特定
  • 製造品質の監視と不良品の特定
  • 医療データや患者のバイタルサインにおける異常なパターンの発見
  • IoT システムや産業システムにおける異常なセンサー値の検知
  • 顧客行動の外れ値を特定し、的を絞った対応を実施

検知手法

  • 統計的手法:Z スコア、IQR、修正 Z スコア
  • 距離ベース:k 近傍法、局所外れ値因子
  • 分離ベース:Isolation Forest
  • 密度ベース:DBSCAN
  • ディープラーニング:オートエンコーダー、GAN

異常の種類

  • 点異常:単一の異常なレコード
  • 文脈的異常:特定の文脈における異常
  • 集合的異常:系列内の異常なパターン
  • 新規クラス:まったく新しいパターン

Python による実装

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.ensemble import IsolationForest
from sklearn.neighbors import LocalOutlierFactor
from sklearn.covariance import EllipticEnvelope
from scipy import stats

# Generate sample data with anomalies
np.random.seed(42)

# Normal data
n_normal = 950
normal_data = np.random.normal(100, 15, (n_normal, 2))

# Anomalies
n_anomalies = 50
anomalies = np.random.uniform(0, 200, (n_anomalies, 2))
anomalies[n_anomalies//2:, 0] = np.random.uniform(80, 120, n_anomalies//2)
anomalies[n_anomalies//2:, 1] = np.random.uniform(-50, 0, n_anomalies//2)

X = np.vstack([normal_data, anomalies])
y_true = np.hstack([np.zeros(n_normal), np.ones(n_anomalies)])

df = pd.DataFrame(X, columns=['Feature1', 'Feature2'])
df['is_anomaly_true'] = y_true

print("Data Summary:")
print(f"Normal samples: {n_normal}")
print(f"Anomalies: {n_anomalies}")
print(f"Total: {len(df)}")

# Standardize
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)

# 1. Statistical Methods (Z-score)
z_scores = np.abs(stats.zscore(X))
z_anomaly_mask = (z_scores > 3).any(axis=1)
df['z_score_anomaly'] = z_anomaly_mask

print(f"\n1. Z-score Method:")
print(f"Anomalies detected: {z_anomaly_mask.sum()}")
print(f"Accuracy: {(z_anomaly_mask == y_true).mean():.2%}")

# 2. Isolation Forest
iso_forest = IsolationForest(contamination=n_anomalies/len(df), random_state=42)
iso_predictions = iso_forest.fit_predict(X_scaled)
iso_anomaly_mask = iso_predictions == -1
iso_scores = iso_forest.score_samples(X_scaled)

df['iso_anomaly'] = iso_anomaly_mask
df['iso_score'] = iso_scores

print(f"\n2. Isolation Forest:")
print(f"Anomalies detected: {iso_anomaly_mask.sum()}")
print(f"Accuracy: {(iso_anomaly_mask == y_true).mean():.2%}")

# 3. Local Outlier Factor
lof = LocalOutlierFactor(n_neighbors=20, contamination=n_anomalies/len(df))
lof_predictions = lof.fit_predict(X_scaled)
lof_anomaly_mask = lof_predictions == -1
lof_scores = lof.negative_outlier_factor_

df['lof_anomaly'] = lof_anomaly_mask
df['lof_score'] = lof_scores

print(f"\n3. Local Outlier Factor:")
print(f"Anomalies detected: {lof_anomaly_mask.sum()}")
print(f"Accuracy: {(lof_anomaly_mask == y_true).mean():.2%}")

# 4. Elliptic Envelope (Robust Covariance)
ee = EllipticEnvelope(contamination=n_anomalies/len(df), random_state=42)
ee_predictions = ee.fit_predict(X_scaled)
ee_anomaly_mask = ee_predictions == -1
ee_scores = ee.mahalanobis(X_scaled)

df['ee_anomaly'] = ee_anomaly_mask
df['ee_score'] = ee_scores

print(f"\n4. Elliptic Envelope:")
print(f"Anomalies detected: {ee_anomaly_mask.sum()}")
print(f"Accuracy: {(ee_anomaly_mask == y_true).mean():.2%}")

# 5. IQR Method
Q1 = np.percentile(X, 25, axis=0)
Q3 = np.percentile(X, 75, axis=0)
IQR = Q3 - Q1
lower_bound = Q1 - 1.5 * IQR
upper_bound = Q3 + 1.5 * IQR

iqr_anomaly_mask = ((X < lower_bound) | (X > upper_bound)).any(axis=1)
df['iqr_anomaly'] = iqr_anomaly_mask

print(f"\n5. IQR Method:")
print(f"Anomalies detected: {iqr_anomaly_mask.sum()}")
print(f"Accuracy: {(iqr_anomaly_mask == y_true).mean():.2%}")

# Visualization of anomaly detection methods
fig, axes = plt.subplots(2, 3, figsize=(15, 10))

methods = [
    (z_anomaly_mask, 'Z-score', None),
    (iso_anomaly_mask, 'Isolation Forest', iso_scores),
    (lof_anomaly_mask, 'LOF', lof_scores),
    (ee_anomaly_mask, 'Elliptic Envelope', ee_scores),
    (iqr_anomaly_mask, 'IQR', None),
]

# True anomalies
ax = axes[0, 0]
colors = ['blue' if not a else 'red' for a in y_true]
ax.scatter(df['Feature1'], df['Feature2'], c=colors, alpha=0.6, s=30)
ax.set_title('True Anomalies')
ax.set_xlabel('Feature 1')
ax.set_ylabel('Feature 2')

# Plot each method
for idx, (anomaly_mask, method_name, scores) in enumerate(methods):
    ax = axes.flatten()[idx + 1]

    if scores is not None:
        scatter = ax.scatter(df['Feature1'], df['Feature2'], c=scores, cmap='RdYlBu_r', alpha=0.6, s=30)
        plt.colorbar(scatter, ax=ax, label='Score')
    else:
        colors = ['red' if a else 'blue' for a in anomaly_mask]
        ax.scatter(df['Feature1'], df['Feature2'], c=colors, alpha=0.6, s=30)

    ax.set_title(f'{method_name}\n({anomaly_mask.sum()} anomalies)')
    ax.set_xlabel('Feature 1')
    ax.set_ylabel('Feature 2')

plt.tight_layout()
plt.show()

# 6. Anomaly score comparison
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(14, 8))

# ISO Forest scores
axes[0, 0].hist(iso_scores[~y_true], bins=30, alpha=0.7, label='Normal', color='blue')
axes[0, 0].hist(iso_scores[y_true == 1], bins=10, alpha=0.7, label='Anomaly', color='red')
axes[0, 0].set_xlabel('Anomaly Score')
axes[0, 0].set_title('Isolation Forest Score Distribution')
axes[0, 0].legend()
axes[0, 0].grid(True, alpha=0.3)

# LOF scores
axes[0, 1].hist(lof_scores[~y_true], bins=30, alpha=0.7, label='Normal', color='blue')
axes[0, 1].hist(lof_scores[y_true == 1], bins=10, alpha=0.7, label='Anomaly', color='red')
axes[0, 1].set_xlabel('Anomaly Score')
axes[0, 1].set_title('LOF Score Distribution')
axes[0, 1].legend()
axes[0, 1].grid(True, alpha=0.3)

# ROC-like curve for Isolation Forest
iso_scores_sorted = np.sort(iso_scores)
detected_at_threshold = []
for threshold in iso_scores_sorted:
    detected = (iso_scores <= threshold).sum()
    true_detected = ((iso_scores <= threshold) & (y_true == 1)).sum()
    if detected > 0:
        precision = true_detected / detected
        recall = true_detected / n_anomalies
        detected_at_threshold.append({'Threshold': threshold, 'Precision': precision, 'Recall': recall})

if detected_at_threshold:
    threshold_df = pd.DataFrame(detected_at_threshold)
    axes[1, 0].plot(threshold_df['Recall'], threshold_df['Precision'], linewidth=2)
    axes[1, 0].set_xlabel('Recall')
    axes[1, 0].set_ylabel('Precision')
    axes[1, 0].set_title('Precision-Recall Curve (Isolation Forest)')
    axes[1, 0].grid(True, alpha=0.3)

# Method comparison
methods_comparison = pd.DataFrame({
    'Method': ['Z-score', 'Isolation Forest', 'LOF', 'Elliptic Envelope', 'IQR'],
    'Accuracy': [
        (z_anomaly_mask == y_true).mean(),
        (iso_anomaly_mask == y_true).mean(),
        (lof_anomaly_mask == y_true).mean(),
        (ee_anomaly_mask == y_true).mean(),
        (iqr_anomaly_mask == y_true).mean(),
    ]
})

axes[1, 1].barh(methods_comparison['Method'], methods_comparison['Accuracy'], color='steelblue', edgecolor='black')
axes[1, 1].set_xlabel('Accuracy')
axes[1, 1].set_title('Method Comparison')
axes[1, 1].set_xlim([0, 1])
for i, v in enumerate(methods_comparison['Accuracy']):
    axes[1, 1].text(v, i, f' {v:.2%}', va='center')

plt.tight_layout()
plt.show()

# 7. Ensemble anomaly detection
# Combine multiple methods
ensemble_votes = (z_anomaly_mask.astype(int) +
                  iso_anomaly_mask.astype(int) +
                  lof_anomaly_mask.astype(int) +
                  ee_anomaly_mask.astype(int) +
                  iqr_anomaly_mask.astype(int))

df['ensemble_votes'] = ensemble_votes
ensemble_anomaly = ensemble_votes >= 3  # Majority vote

print(f"\n6. Ensemble (Majority Vote):")
print(f"Anomalies detected: {ensemble_anomaly.sum()}")
print(f"Accuracy: {(ensemble_anomaly == y_true).mean():.2%}")

# Visualize ensemble
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 8))
scatter = ax.scatter(df['Feature1'], df['Feature2'], c=ensemble_votes, cmap='RdYlGn_r',
                     s=100 * (ensemble_anomaly.astype(int) + 0.5), alpha=0.6, edgecolors='black')
ax.set_xlabel('Feature 1')
ax.set_ylabel('Feature 2')
ax.set_title('Ensemble Anomaly Detection (Color: Vote Count, Size: Anomaly)')
cbar = plt.colorbar(scatter, ax=ax, label='Number of Methods')
plt.show()

# 8. Time-series anomalies
time_series_data = np.sin(np.arange(100) * 0.2) * 10 + 100
time_series_data = time_series_data + np.random.normal(0, 2, 100)
# Add anomalies
time_series_data[25] = 150
time_series_data[50] = 50
time_series_data[75] = 140

# Detect using rolling statistics
rolling_mean = pd.Series(time_series_data).rolling(window=5).mean()
rolling_std = pd.Series(time_series_data).rolling(window=5).std()
z_scores_ts = np.abs((time_series_data - rolling_mean) / rolling_std) > 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 5))
ax.plot(time_series_data, linewidth=1, label='Data')
ax.plot(rolling_mean, linewidth=2, label='Rolling Mean')
ax.scatter(np.where(z_scores_ts)[0], time_series_data[z_scores_ts], color='red', s=100, label='Anomalies', zorder=5)
ax.fill_between(range(len(time_series_data)), rolling_mean - 2*rolling_std, rolling_mean + 2*rolling_std,
                alpha=0.2, label='±2 Std Dev')
ax.set_xlabel('Time')
ax.set_ylabel('Value')
ax.set_title('Time-Series Anomaly Detection')
ax.legend()
ax.grid(True, alpha=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()

print("\nAnomaly detection analysis complete!")

手法の選択ガイド

  • Z スコア:シンプルで高速ですが、正規分布を前提とします
  • IQR:頑健なノンパラメトリック手法で、外れ値への対応に適しています
  • Isolation Forest:効率的で、高次元データに適しています
  • LOF:密度ベースで、局所的な異常を検出します
  • オートエンコーダー:複雑なパターンに対応するディープラーニング手法です

閾値の選択

  • 保守的:偽陽性を減らし、偽陰性を増やします
  • 積極的:より多くの異常を検知しますが、偽陽性も増えます
  • データ駆動型:検証セットを使用して閾値を最適化します

成果物

  • 異常検知の結果
  • 異常スコアの可視化
  • 手法の比較
  • 特定された異常レコード
  • 本番環境へのデプロイに関する推奨事項
  • 閾値の最適化分析

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