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Regression Modeling

Regression Modeling

github.com/aj-geddesデータ・データベース373471 回インストール34 週間前に更新
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Regression Modeling について

連続値の予測と変数間の関係分析を扱うモデリングスキルです。回帰手法、評価指標、前提条件の確認、モデル比較をデータ分析担当者向けにまとめています。

主な機能

  1. 01線形回帰と多項式回帰
  2. 02Ridge、Lasso、ElasticNet
  3. 03外れ値に強いロバスト回帰
  4. 04R²、RMSE、MAE の指標
  5. 05回帰の前提条件の確認
  6. 06モデル比較と調整

活用シーン

  1. 01売上や価格の予測
  2. 02特徴量が結果に与える影響の測定
  3. 03候補となる回帰モデルの比較
  4. 04残差と信頼区間の確認

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 regression-modeling

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

同梱ファイルtemplates/notebook-template.pyscripts/scaffold-analysis.sh

詳細

回帰モデリング

概要

回帰モデリングでは、入力特徴量に基づいて連続値の目的変数を予測し、予測や分析のために変数間の定量的な関係を確立します。

使用する場面

  • 売上、価格、その他の連続的な数値結果を予測する
  • 独立変数と従属変数の関係を理解する
  • 過去のデータに基づいて傾向を予測する
  • 特徴量が目的変数に与える影響を定量化する
  • より複雑なアルゴリズムと比較するためのベースラインモデルを構築する
  • 予測に最も影響する変数を特定する

回帰の種類

  • 線形回帰:データに直線を当てはめます
  • 多項式回帰:非線形な関係を扱います
  • リッジ回帰(L2):過学習を防ぐために正則化します
  • ラッソ回帰(L1):正則化によって特徴量を選択します
  • ElasticNet:リッジ回帰とラッソ回帰を組み合わせます
  • ロバスト回帰:外れ値の影響を受けにくい手法です

主な評価指標

  • R²スコア:説明された分散の割合
  • RMSE:二乗平均平方根誤差
  • MAE:平均絶対誤差
  • AIC/BIC:モデル比較の基準

Pythonでの実装

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import (
    LinearRegression, Ridge, Lasso, ElasticNet, HuberRegressor
)
from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures, StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split, cross_val_score
from sklearn.metrics import mean_squared_error, r2_score, mean_absolute_error
import seaborn as sns

# Generate sample data
np.random.seed(42)
X = np.random.uniform(0, 100, 200).reshape(-1, 1)
y = 2.5 * X.squeeze() + 30 + np.random.normal(0, 50, 200)

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)

# Linear Regression
lr_model = LinearRegression()
lr_model.fit(X_train, y_train)
y_pred_lr = lr_model.predict(X_test)

print("Linear Regression:")
print(f"  R² Score: {r2_score(y_test, y_pred_lr):.4f}")
print(f"  RMSE: {np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_lr)):.4f}")
print(f"  Coefficient: {lr_model.coef_[0]:.4f}")
print(f"  Intercept: {lr_model.intercept_:.4f}")

# Polynomial Regression (degree 2)
poly = PolynomialFeatures(degree=2)
X_train_poly = poly.fit_transform(X_train)
X_test_poly = poly.transform(X_test)

poly_model = LinearRegression()
poly_model.fit(X_train_poly, y_train)
y_pred_poly = poly_model.predict(X_test_poly)

print("\nPolynomial Regression (degree=2):")
print(f"  R² Score: {r2_score(y_test, y_pred_poly):.4f}")
print(f"  RMSE: {np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_poly)):.4f}")

# Ridge Regression (L2 regularization)
ridge_model = Ridge(alpha=1.0)
ridge_model.fit(X_train, y_train)
y_pred_ridge = ridge_model.predict(X_test)

print("\nRidge Regression (alpha=1.0):")
print(f"  R² Score: {r2_score(y_test, y_pred_ridge):.4f}")
print(f"  RMSE: {np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_ridge)):.4f}")

# Lasso Regression (L1 regularization)
lasso_model = Lasso(alpha=0.1)
lasso_model.fit(X_train, y_train)
y_pred_lasso = lasso_model.predict(X_test)

print("\nLasso Regression (alpha=0.1):")
print(f"  R² Score: {r2_score(y_test, y_pred_lasso):.4f}")
print(f"  RMSE: {np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_lasso)):.4f}")

# ElasticNet Regression
elastic_model = ElasticNet(alpha=0.1, l1_ratio=0.5)
elastic_model.fit(X_train, y_train)
y_pred_elastic = elastic_model.predict(X_test)

print("\nElasticNet Regression:")
print(f"  R² Score: {r2_score(y_test, y_pred_elastic):.4f}")
print(f"  RMSE: {np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_elastic)):.4f}")

# Robust Regression (resistant to outliers)
huber_model = HuberRegressor(max_iter=1000, alpha=0.1)
huber_model.fit(X_train, y_train)
y_pred_huber = huber_model.predict(X_test)

print("\nHuber Regression (Robust):")
print(f"  R² Score: {r2_score(y_test, y_pred_huber):.4f}")
print(f"  RMSE: {np.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_huber)):.4f}")

# Visualization
fig, axes = plt.subplots(2, 3, figsize=(15, 8))

models_data = [
    (X_test, y_test, y_pred_lr, 'Linear'),
    (X_test_poly, y_test, y_pred_poly, 'Polynomial (deg=2)'),
    (X_test, y_test, y_pred_ridge, 'Ridge'),
    (X_test, y_test, y_pred_lasso, 'Lasso'),
    (X_test, y_test, y_pred_elastic, 'ElasticNet'),
    (X_test, y_test, y_pred_huber, 'Huber'),
]

for idx, (X_p, y_t, y_p, label) in enumerate(models_data):
    if label in ['Polynomial (deg=2)']:
        x_plot = X_p[:, 1]  # Use quadratic feature for plotting
    else:
        x_plot = X_p

    ax = axes[idx // 3, idx % 3]
    ax.scatter(x_plot, y_t, alpha=0.5, label='Actual')
    ax.scatter(x_plot, y_p, alpha=0.5, color='red', label='Predicted')
    ax.set_title(f'{label}\nR²={r2_score(y_t, y_p):.4f}')
    ax.legend()
    ax.grid(True, alpha=0.3)

plt.tight_layout()
plt.show()

# Residual analysis
fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 4))

residuals = y_test - y_pred_lr
axes[0].scatter(y_pred_lr, residuals, alpha=0.5)
axes[0].axhline(y=0, color='r', linestyle='--')
axes[0].set_title('Residual Plot')
axes[0].set_xlabel('Fitted Values')
axes[0].set_ylabel('Residuals')

axes[1].hist(residuals, bins=20, edgecolor='black')
axes[1].set_title('Residuals Distribution')
axes[1].set_xlabel('Residuals')
axes[1].set_ylabel('Frequency')

plt.tight_layout()
plt.show()

# Cross-validation
cv_scores = cross_val_score(LinearRegression(), X, y, cv=5, scoring='r2')
print(f"\nCross-validation R² scores: {cv_scores}")
print(f"Mean CV R²: {cv_scores.mean():.4f} (+/- {cv_scores.std():.4f})")

# Regularization parameter tuning
alphas = np.logspace(-3, 3, 100)
ridge_scores = []

for alpha in alphas:
    ridge = Ridge(alpha=alpha)
    scores = cross_val_score(ridge, X_train, y_train, cv=5, scoring='r2')
    ridge_scores.append(scores.mean())

best_alpha_idx = np.argmax(ridge_scores)
best_alpha = alphas[best_alpha_idx]

plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.semilogx(alphas, ridge_scores)
plt.axvline(x=best_alpha, color='red', linestyle='--', label=f'Best alpha={best_alpha:.4f}')
plt.xlabel('Alpha (Regularization Strength)')
plt.ylabel('Cross-validation R² Score')
plt.title('Ridge Regression: Alpha Tuning')
plt.legend()
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()

# Feature importance (coefficients)
if hasattr(lr_model, 'coef_'):
    print(f"\nModel Coefficients: {lr_model.coef_}")

# Additional evaluation and diagnostics

# Model prediction intervals
from scipy import stats as sp_stats

predictions = lr_model.predict(X_test)
residuals = y_test - predictions
mse = np.mean(residuals**2)
rmse = np.sqrt(mse)

# Prediction intervals (95%)
n = len(X_test)
p = X_test.shape[1]
dof = n - p - 1
t_val = sp_stats.t.ppf(0.975, dof)
margin = t_val * np.sqrt(mse * (1 + 1/n))
pred_intervals = np.column_stack([
    predictions - margin,
    predictions + margin
])

print(f"\nPrediction Intervals (95%):")
print(f"First prediction: {predictions[0]:.2f} [{pred_intervals[0, 0]:.2f}, {pred_intervals[0, 1]:.2f}]")

# Variance inflation factors for multicollinearity
from statsmodels.stats.outliers_influence import variance_inflation_factor

vif_data = pd.DataFrame()
vif_data["Feature"] = X_test.columns if hasattr(X_test, 'columns') else range(X_test.shape[1])
try:
    vif_data["VIF"] = [variance_inflation_factor(X.values, i) for i in range(X.shape[1])]
    print("\nVariance Inflation Factor (VIF):")
    print(vif_data)
except:
    print("VIF calculation skipped (insufficient features)")

# Prediction by group/segment
if hasattr(X_test, 'columns'):
    segment_results = {}
    for feat in X_test.columns[:2]:
        q1, q3 = X_test[feat].quantile([0.25, 0.75])
        low = X_test[X_test[feat] <= q1]
        high = X_test[X_test[feat] >= q3]

        if len(low) > 0 and len(high) > 0:
            low_pred_rmse = np.sqrt(np.mean((y_test[low.index] - lr_model.predict(low))**2))
            high_pred_rmse = np.sqrt(np.mean((y_test[high.index] - lr_model.predict(high))**2))
            segment_results[feat] = {
                'Low RMSE': low_pred_rmse,
                'High RMSE': high_pred_rmse,
            }

    if segment_results:
        print(f"\nSegment Performance:")
        for feat, results in segment_results.items():
            print(f"  {feat}: Low={results['Low RMSE']:.2f}, High={results['High RMSE']:.2f}")

print("\nRegression model evaluation complete!")

仮定の確認

  • 線形性:関係が線形であること
  • 独立性:観測値が互いに独立していること
  • 等分散性:誤差の分散が一定であること
  • 正規性:誤差が正規分布に従うこと
  • 多重共線性がないこと:特徴量間の相関が高くないこと

モデルの選択

  • 単純なデータ:線形回帰
  • 非線形パターン:多項式回帰
  • 特徴量が多い場合:ラッソ回帰またはElasticNet
  • 外れ値がある場合:ロバスト回帰
  • 過学習を防ぐ場合:リッジ回帰またはElasticNet

成果物

  • 係数を含む学習済みモデル
  • R²およびRMSEの評価指標
  • 残差プロットと分析
  • 交差検証の結果
  • 正則化パラメーターの調整曲線
  • モデル比較の概要
  • 信頼区間付きの予測

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