Курс Python для анализа данных [2020] [Дмитрий Романов] [Университет Искусственного Интеллекта]

[Bot]

Интерактивный курс Python для анализа данных - освоение Python с нуля
1. Базовый синтаксис и основы программирования на языке Python
2. Установка Python-дистрибутива Anaconda и прочих вспомогательных инструментов, подключение к удаленным серверам для вычислений
3. Основные концепции научного программирования на Python: от работы с разными типами данных и встроенными структурами до написания собственных модулей
4. Проведение описательного анализа данных (EDA): от чтения и предобработки до поиска и визуализации взаимосвязей
5. Высокоуровневые векторные вычисления с использованием библиотек NumPy, SciPy
6. Манипуляции и анализ данных при помощи структур библиотеки Pandas
7. Визуализация с библиотеками Matplotlib, Seaborn

Спойлер: Содержание
1. Введение в Python, базовые конструкции, циклы
Содержание занятия:

• Почему Python?
• Использование терминала
• Установка Anaconda на Windows, Linux, macOS
• Подключение к удаленным серверам, Putty/ssh
• Запуск JupyterNotebook
• Правила оформления кода: PEP8, PEP20, PEP257
• Базовые операции: Python как калькулятор
• Переменные и типы, преобразование типов
• Базовые конструкции: условный оператор, конструкция if…else
• Циклы: for, while

Задание для отработки:

• Пользуясь инструкцией из лекции, установить Anaconda, запустить JupyterNotebook через терминал
• Вывести «Hello World!»
• Задача на условный оператор
• Использование циклов
• Пример: вывести по очереди все буквы в слове «Конкатенация», вывести только согласные, только уникальные символы; посчитать сумму чисел от 1 до 100

2. Структуры данных
Содержание занятия:

• Встроенные структуры:
  • Список (list)
  • Кортеж (tuple)
  • Словарь (dict)
  • Множество (set, frozenset)
• Стек (stack) и очередь (queue)
• Функции:
  • Сигнатура
  • Область видимости
  • Аргументы по умолчанию
  • Передача аргументов
  • Lambda-функции
• Исключения
• Генераторы

Задание для отработки:

• По одной задаче на использование каждой из структур
• Переписать решение задачи из д.з. 1 с циклом for с использованием lambda-функции
• Написать функцию, которая вычисляет взвешенное среднее
• Добавить «защиту от дурака» в функцию из предыдущего задания, использовать исключения
• Написать генератор, который бьет list на непересекающиеся подмножества константной длины

3. Модули
Содержание занятия:

• Пакеты
• Классы:
  • Конструирование
  • Атрибуты
  • Методы
  • Приватность
  • Магические методы
  • Наследование
  • Абстрактный класс
  • Множественное наследование

Задание для отработки:

• Написать класс с заданными атрибутами и методами, сохранить в файлах .py
• Подгрузить модуль/модули в новый ноутбук, продемонстрировать правильность работы коды

4. Научные вычисления с NumPy
Содержание занятия:

• Структура np.ndarray:
  • Типы данных
  • Индексация
  • Арифметические операции
  • Преобразование типов
  • Операции с массивами
  • Многомерные массивы
  • Многомерная арифметика
• Базовые статистические функции:
  • np.sum, np.mean…
  • Семплирование из распределений
• Матричные операции
• Линейная алгебра np.linalg

Задание для отработки:

• Прочитать заранее подготовленные одномерные данные с помощью соответствующей функции в NumPy
• Написать несколько простых функций, которые совершают заданные арифметические операции с данными (например, посчитать сумму всех элементов массива, сумму элементов не кратных 10)
• Сравнить производительность по времени своих функций с функциями, встроенными в библиотеку
• Подгрузить заранее подготовленный многомерный массив
• Сделать подвыборку массива, соответствующую некоторым условиям, провести с ней заданные матричные операции
• Написать функцию для поиска обратной матрицы к заданной, сравнить результат и производительность с встроенной в библиотеку функцией

5. Научные вычисления с NumPy и SciPy
Содержание занятия:

• Отказ от циклов:
  • Векторные операции
  • Тензорные операции
• Специальные структуры:
  • Разреженные матрицы
  • Матрицы Тоеплица scipy.linalg.toeplitz
  • QR разложение
  • LU разложение
  • SVD разложение

Задание для отработки:

• Написать функцию, которая считает сумму квадратов элементов заданного массива
• Написать функцию, которая делает то же самое без использования циклов
• Сравнить результат и производительность по времени
• Задача на альтернативу циклу for c использованием матрицы Тоеплица
• Имплементировать самостоятельно SVD разложение без использования циклов, сравнить результат со встроенной функцией

6. Обработка данных с Pandas I
Содержание занятия:

• Структуры pd.Series и pd.DataFrame
  • Базовая функциональность
  • Чтение данных из файлов разных типов
  • Подвыборки
  • Индексация, типы индексов
  • Мультииндексация
  • Конкатенация, Join нескольких таблиц
  • Сводные таблицы

Задание для отработки:

• Прочитать заранее подготовленные данные с использованием соответствующей функции в библиотеке Pandas
• Вывести на экран подвыборку датасета, которая соответствует некоторым заданным условиям на значения по столбцам
• Переименовать заданный столбец
• Добавить новый столбец для суммы значений в заданных столбцах
• Прочитать данные из второй заданной таблицы, сделать left join с первой
• Сделать сводную таблицу с заданными параметрами
• Сделать подвыборку сводной таблицы по заданным логическим условиям (использование мультииндекса)

7. Обработка данных с Pandas II
Содержание занятия:

• Datetime индекс
• GroupBy
• Оконные функции
• Resampling
• Встроенные статистические функции
• Принципы работы с текстовыми данными

Задание для отработки:

• Прочитать данные, преобразовать индекс в datetime
• Посчитать simple moving average по окну заданной длины
• Преобразовать минутные данные в 10-минутные
• Преобразовать 10-минутные данные в минутные с использованием backfill метода
• Задача на groupby: посчитать квантили, среднее, медиану для заданного уровня группировки
• Задача на текстовые данные

8. Визуализация данных с Matplotlib
Содержание занятия:

• Отображение одномерных и двумерных данных
• Свойства графика:
  • Название осей
  • Масштаб
  • Масштабирование осей
  • Варианты отрисовки
  • Цветовая гамма
• Оси: несколько графиков как один объект
  • Общие оси
  • Масштабирование, полярные координаты
• Отрисовка категориальных данных
• Диаграммы, гистограммы
• Контурные графики
• Heatmap
• Отрисовка изображений, шкалы
• Афинные преобразования изображений

Задание для отработки:

• Построить график синуса, подписать оси
• Построить график синусоиды в полярных координатах
• Подгрузить известный стандартный датасет, например, Ирисы
• Построить scatter plot нескольких определенных переменных на одном графике, добавить название графика, название осей, лейблы, обозначить цветом метки классов
• Построить 4 графика переменных из датасета как один объект в логарифмической шкале, подобрать размер шрифта, масштаб, подписать каждый график
• Построить гистограмму с заданным количеством бинов для определенной переменной из массива выше
• Посчитать матрицу корреляций и построить heatmap
• Пользуясь инструкцией, загрузить картинку .jpg и вывести на экран в черно-белых тонах, в цвете
• Повернуть картинку под заданным углом и вывести изображение

9. Визуализация данных с Seaborn
Содержание занятия:

• Отрисовка статистических взаимосвязей
• Отрисовка категориальных данных
• Визуализация распределений
• Контроль основных параметров графиков

Задание для отработки:

• Подгрузить известный стандартный датасет, например, еще раз Ирисы
• Задать параметры графика: темный фон и разлиновкой (darkgrid), задать цветовую палитру на вкус студентов
• Построить графики попарных зависимостей переменных с помощью встроенной функции
• Построить boxplot, violinplot
• Подгрузить стандартный датасет для задачи регрессии, например, bostonhouses, построить график с отрисовкой линии регрессии (sns.jointplot)
• Построить гистограммы с отрисовкой распределения, используя встроенную функцию
• На основе построенных графиков, сделать выводы о зависимостях в датасете

10. Пайплайн описательного анализа данных с Python
Содержание занятия:

• Загрузка, чтение данных
• Контроль пропущенных значений, варианты заполнения
• Кодирование разных типов категориальных данных
• Описательные статистики
• Визуализация парных взаимосвязей
• Визуализация распределений переменных
• Heatmap матрицы подобия

Задание для отработки:

• Выбрать известный стандартный датасет или использовать данные, которые вы хотели бы изучить для своих рабочих задач
• Подгрузите данные, проверьте на наличие Nan/Null
• Выберите способ заполнения пропусков или выбросите соответствующие строки, выбор обоснуйте
• Если в датасете есть категориальные переменные, закодируйте их одним из описанных на лекции методов, выбор обоснуйте
• Посчитайте среднее, медиану, стандартное отклонение и другие статистические показатели для всех числовых переменных
• Постройте все, на ваш взгляд, релевантные графики из предыдущего домашнего задания, выбор обоснуйте
• Посчитайте матрицу корреляций, нарисуйте heatmap с использованием библиотеки seaborn
• Сделайте выводы о найденных взаимосвязях, подробно обоснуйте

Продажник