Анализ данных на языке Python [2021] [Высшая инженерная школа СПбПУ] [С. Городецкая, А. Заграновская, Д. Федоров]

Анализ данных на языке Python [2021]
Высшая инженерная школа СПбПУ (Санкт-Петербургский Политехнический Университет)
Светлана Городецкая, Анна Заграновская, Дмитрий Федоров

Программа переподготовки предназначена для тех, кто хочет начать работу в сфере анализа больших данных или машинного обучения на позициях аналитика, Data Scientist или Data Engineer.

Наука о данных, или Data science, сегодня является одним из быстро растущих IT-направлений, а Python — это универсальный язык, позволяющий получать данные из произвольных источников и баз данных, обрабатывать их, строить графики и диаграммы.

В результате освоения программы, обучающиеся будут уметь:

• обрабатывать открытые данные с помощью стандартных модулей Python;
• работать с модулем requests;
• писать запросы к БД;
• использовать агрегатных и оконных функций;
• модифицировать данные в БД;
• выполнять операции над векторами и матрицами с помощью модуля NumPy;
• обрабатывать табличные данные с помощью pandas;
• выбирать подмножество из таблицы;
• визуализировать данные;
• осуществлять сбор и подготовку данных с помощью языка Python;
• использовать методы анализа и обработки данных;
• строить модели машинного обучения;
• использовать методы обработки данных для анализа и прогнозирования временных рядов;
• строить модели одномерных временных рядов.

Спойлер: Модуль 1 - PDA-100. Основы программирования на языке Python

Тема 1. Введение в программирование на языке Python в среде Jupyter Notebook

1.1 Отличия языков программирования.
1.2 Функции в Python.
1.3 Создание функций.​

Тема 2. Логические операторы и операции над строками.

2.1 Работа с текстом.
2.2 Строковый тип данных.
2.3 Функции для работы со строками.
2.4 Преобразование типов.
2.5 Срезы.
​

Тема 3. Модули.

3.1 Создание собственных модулей.
3.2 Загрузка модулей и вызов функций, содержащихся в модуле.
3.3 Создание собственных модулей.
3.4 Отличие запуска модуля от импортирования.
3.5 Автоматизированное тестирование функций.
​

Тема 4. Методы.

4.1 Специальные методы и отличие от функций.
4.2 Строковые методы в языке Python.
4.3 Отличие вызова метода от вызова функции из модуля.
4.4 Специальные строковые методы.

Практические занятия
Создание модуля для вычисления статистики
​

Тема 5. Списки и преобразование типов.

5.1 Синтаксические отличия в языках высокого уровня.
5.2 Правила чтения оператора присваивания.​

Практические занятия
Формирование выражений с использованием математических, логических, строковых операций, приоритет операций.
​

Тема 6. Циклы и обработка входных данных.

6.1 Инструкция цикла for.
6.2 Обработка списков и строк.
6.3 Использование функции range.
6.4 Подходы к созданию списка: генераторы списков.
6.5 Функции высшего порядка.
6.6 Инструкция цикла while.
6.7 Бесконечный цикл.
6.8 Анонимные функции.
6.9 Вложенные циклы.

Практические занятия
Обработка списка и задачи на преобразование типов данных
​

Тема 7. Множества, кортежи, словари.

7.1 Множества в Python.
7.2 Операции над множествами, основные методы.
7.3 Создание множеств.
7.4 Кортежи в Python.
7.5 Операции над кортежами.
7.6 Словари.
7.7 Методы для работы со словарями.
7.8 Реализация подсчета слов и символов с помощью словарей.
7.9 Переменное число параметров.

Практические занятия
Обработка словарей и кортежей.
​

Тема 8. Обработка исключений и работа с файлами.

8.1 Исключения в Python.
8.2 Обработка исключений.
8.3 Использование исключений для обработки ошибок.
8.4 Чтение из файла.
8.5 Обработка ошибок при работе с файлами.
8.6 Менеджер контекста.
8.7 Методы для чтения, записи и добавления текста.

Практические занятия
Обработка текстовых файлов - копирование, поиск фразы.
​

Тема 9. Основы объектно-ориентированного программирования.

9.1 Понятие объекта.
9.2 Создание класса.
9.3 Объектно-ориентированный подход к программированию.
9.4 Создание методов класса.
9.5 Конструктор объекта.
9.6 Атрибуты объекта и класса.
9.7 Наследование классов.

Практические занятия
Разработка объектно-ориентированного приложения.
​

Тема 10. Открытые данные.

10.1 Работа с API.
10.2 Байтовый тип данных.
10.3 Кодировки.
10.4 Доступ к файлам, находящимся в сети Интернет.
10.5 Доступ к данным через API.

Практические занятия
Обработка данных, полученных с удаленного сайта.
​

Тема 11. Промежуточная аттестация

Спойлер: Модуль 2 - PDA-DB. Основы баз данных

Тема 1. Введение в базы данных и СУБД.

1.1 Введение в базы данных и СУБД.

• Концепция баз данных и СУБД.
• Принципы организации базы данных.
• Основные функции СУБД.
• Классификация баз данных.
• Преимущества и недостатки БД.
• Основные операции с данными (CRUD-операции).

1.2 Реляционные СУБД и язык запросов SQL.

• Основные термины и определения.
• Требования к модели РБД.
• Нормализация.
• Работа с РБД.
• Подключение к БД.
• Язык запросов SQL.
• Базовый синтаксис SQL.

Практические занятия:
Работа с РБД.
Подключение.
Язык запросов SQL
​

Тема 2. Работа с объектами БД.

2.1 Управление таблицами БД.

• Операторы DDL.
• Создание таблиц БД.
• Определение полей.
• Типы данных.
• Изменение таблиц.
• Удаление таблиц.

2.2 Ограничения целостности

• Типы ограничений целостности и их назначение.
• Создание ограничений целостности.

Практические занятия:
Создание таблиц и ограничений целостности
​

Тема 3. Чтение данных из БД

3.1 Написание простых SELECT-запросов.

• Простые запросы.
• Запросы с фильтрацией и сортировкой.

3.2 Запросы к нескольким таблицам

• Типы объединений: INNER JOIN, OUTER JOIN, CROSS JOIN.
• Объединение таблицы с самой собой.

3.3 Использование SET-операторов

• Объединение результирующих наборов записей с помощью SET-операторов (Объединение, пересечение, вычитание).

3.4 Запросы с группировкой.

• Группировка и агрегирование данных.
• Фильтрация групп на основе итоговых данных.
• Использование наборов группирования (GROUPING SETS, CUBE и ROLLUP)

3.5 Использование аналитических функций

• Анализ данных БД с помощью аналитических (оконных) функций

Практические занятия
Чтение данных из БД
​

Тема 4. Модификация данных. Транзакции

4.1 Модификация данных

• Добавление данных в БД.
• Изменение данных.
• Удаление данных

4.2 Транзакции

• Определение транзакций.
• Типы транзакций.
• Уровни изоляции транзакций.

Практические занятия
Модификация данных.
Транзакции
​

Тема 5. Итоговая аттестация.

Спойлер: Модуль 3 - PDA-110. Введение в анализ данных на языке Python

Тема 1. Консолидация данных

1.1 Введение в ETL.
1.2 Data Engineer.
1.3 Извлечение данных в ETL
1.4 Очистка данных в ETL
1.5 Преобразование данных в ETL
1.6 Загрузка данных в хранилище
1.7 Загрузка данных из локальных источников
1.8 Обогащение данных

Практические занятия
Работа с векторами и матрицами в NumPy.
Агрегирование данных массива.
​

Тема 2. Трансформация данных

2.1 Введение в трансформацию данных
2.2 Трансформация упорядоченных данных
2.3 Группировка данных
2.4 Слияние данных
2.5 Квантование
2.6 Нормализация и кодирование данных

Практические занятия
Работа с таблицами pandas.
Агрегирование данных из нескольких таблиц.
​

Тема 3. Визуализация данных

3.1 Подготовка данных.
3.2 Методы и инструменты визуализации.
3.3 Обзор возможностей Python для визуализации.

Практические занятия
Построение графиков с помощью внешних модулей.
​

Тема 4. Очистка и предобработка данных

4.1 Оценка качества данных
4.2 Технологии и методы оценки качества данных
4.3 Очистка и предобработка
4.4 Фильтрация данных
4.5 Обработка дубликатов и противоречий
4.6 Выявление аномальных значений
4.7 Восстановление пропущенных значений
4.8 Введение с сокращение размерности
4.9 Сокращение числа признаков

Практические занятия
Очистка данных с помощью возможностей pandas.
​

Тема 5. Введение в машинное обучение на языке Python

5.1 Знакомство с библиотекой Scikit-learn.
5.2 Представление данных в Scikit-learn.
5.3 Проверка модели.
5.4 Классификация.
5.5 Регрессия.
​

Тема 6. Аттестация

Спойлер: Модуль 4 - PDA-120. Программирование на Python для анализа данных

Тема 1. Введение в анализ данных. Операции над векторами и матрицами в NumPy

1.1 Введение в анализ данных. Возможности Jupyter Lab

• Введение в анализ данных.
• Выполнение внешнего кода %run.
• Длительность выполнения кода %timeit.
• Справка по магическим функциям.
• Использование системного командного процессора

1.2 Возможности модуля NumPy

• Операции над векторами и матрицами в NumPy.
• Сравнение list и ndarray.
• Создание ndarray из списка.
• Атрибуты массивов NumPy.
• Индексация массива.
• Срезы массива.
• Изменение формы массивов.
• Медлительность циклов Python.
• Универсальные функции NumPy.
• Агрегирование.
• Суммирование значений.
• Минимум и максимум.
• Транслирование.
• Сравнение, маски, булева логика.
• Прихотливая индексация. Сортировка массивов

Практические занятия:
Работа с векторами и матрицами в NumPy.
Агрегирование данных массива.
​

Тема 2. Операции над таблицами в pandas

2.1 Общее знакомство с pandas, обзор возможностей

• Обзор типов данных pandas.
• Выбор подмножества из таблицы.
• Построение графиков.
• Создание новых столбцов.
• Создание сводной статистики.
• Работа с текстовыми данными.

2.2 Типы данных pandas и операции над ними

• Работа с объектами Series и DataFrame.
• Использование индексных объектов.
• Переиндексация.
• Удаление элементов из оси.
• Доступ по индексу, выборка, фильтрация.
• Сортировка и ранжирование

Практические занятия:
Построение графиков.
Работа с текстовыми данными.
Работа с объектами Series и DataFrame.
​

Тема 3. Сбор и подготовка данных с помощью языка Python

3.1 Работа с файлами разных форматов

• Чтение и запись CSV, XML, JSON, Excel, HTML

3.2 Очистка и подготовка данных

1. Обработка отсутствующих данных.
2. Фильтрация отсутствующих данных.
3. Восполнение отсутствующих данных.
4. Устранение дубликатов.
5. Преобразование данных.
6. Замена значений.
7. Манипуляции со строками

3.3 Модуль requests

• Обзор возможностей модуля requests.
• Обращение к внешним API (погода, курс валют).

3.4 Взаимодействие с базами данных (SQL).

• Работа с реляционными БД (sqlite3), выполнение SQL-запросов.
• SQL-запросы из pandas

3.5 Основы обработки естественного языка

• Предварительная обработка текста.
• Лексемизация слов.
• Нормализация слов

Практические занятия:
Работа с файлами разных форматов.
Очистка и подготовка данных.
​

Тема 4. Анализ данных с помощью возможностей языка Python

4.1 Операции над таблицами в pandas

• Иерархическое индексирование.
• Сводная статистика по уровню.
• Комбинирование и слияние наборов данных.
• Изменение формы и поворот.
• Агрегирование данных и групповые операции.
• Метод apply.
• Сводные таблицы

4.2 Визуализация данных

• Matplotlib: рисунки, подграфики, цвета, маркеры, аннотации.
• Seaborn/plotly: линейные графики, столбчатые диаграммы, гистограммы

4.3 Временные ряды

• Типы данных, относящиеся к дате и времени.
• Диапазоны дат, сдвиг.
• Скользящие оконные функции

4.4 Анализ данных из открытых источников

• Анализ данных из открытых источников

Практические занятия:
Визуализация данных.
Анализ данных из социальной сети ВКонтакте.
​

5. Итоговая аттестация.

Спойлер: Модуль 5 - PDA-200. Методы машинного обучения в прогнозировании данных

Тема 1. Введение в анализ и прогнозирование данных

1.1 Первичный анализ данных с использованием описательных статистик и визуализации
1.2 Проверка статистических гипотез
1.3 Масштабирование, отбор, понижение размерности признаков
1.4 Оценка точности моделей

Практические занятия
Первичный анализ данных.
Проверка различных статистических гипотез.
Масштабирование, отбор и понижение размерности признаков.
Оценка точности построенных моделей.
​

Тема 2. Линейные модели для классификации

2.1 Логистическая регрессия
2.2 Линейный метод опорных векторов
2.3 Дискриминантный анализ

Практические занятия
Построение линейных модели для классификации.
​

Тема 3. Нелинейные модели для классификации

3.1 Метод ближайших соседей
3.2 Наивный байесовский классификатор
3.3 Деревья решений для классификации
3.4 Нейронные сети

Практические занятия
Построение нелинейных моделей для классификации.
​

Тема 4. Линейные модели для регрессии

4.1 Парная регрессия
4.2 Множественная регрессия
4.3 Полиномиальная регрессия
4.4 Регрессия с фиктивными переменными
4.5 Гребневая регрессия
4.6 Лассо регрессия
4.7 Эластичная сеть
4.8 Пуассоновская регрессия

Практические занятия
Построение линейной модели для регрессии.
​

Тема 5. Нелинейные модели для регрессии

5.1 Метод ближайших соседей
5.2 Деревья решений для регрессии
5.3 Байесовская регрессия
5.4 Ядерный метод опорных векторов
5.5 Нейронные сети

Практические занятия
Построение нелинейные модели для регрессии
​

Тема 6. Ансамбли и настройка параметров

6.1 Проект построения модели машинного обучения для классификации
6.2 Проект построения модели машинного обучения для регрессии

Практические занятия
Gостроение ансамблевых моделей, настройка параметров лучшего алгоритма.
​

Тема 7. Аттестация

Спойлер: Модуль 6 - PDA-210. Прогнозирование временных рядов

Тема 1. Введение в анализ и прогнозирование временных рядов

1.1 Понятие и компоненты временного ряда
1.2 Анализ временных рядов
1.3 Задача прогнозирования временных рядов
1.4 Первичный анализ данных с использованием описательных статистик и визуализации
1.5 Передискретизация и интерполяция
1.6 Преобразование данных
1.7 Сглаживание скользящей средней

Практические занятия
Проведение первичного анализа, передискретизации, интерполяции, преобразования данных,
Проведение сглаживания временных рядов с помощью скользящих средних.
​

Тема 2. Структура временного ряда

2.1 Белый шум
2.2 Случайное блуждание
2.3 Разложение временного ряда на составляющие компоненты
2.4 Выявление и моделирование тренда
2.5 Выявление и моделирование сезонности
2.6 Выявление и проверка стационарности временного ряда

Практические занятия
Проверка временных рядов и остатков при построении моделей скользящих средних белым шумом.
Проверка данных на случайное блуждание.
Разложение временных рядов на составляющие компоненты.
Удаление их данных тренда с использованием методов интегрирования и моделирования кривых роста.
Удаление из данных сезонной составляющей с использованием разностного метода и моделирование сезонности с помощью полиномов.
Проверка временных рядов на стационарность с помощью разных методов.
​

Тема 3. Оценка качества моделей

3.1 Тестовая и обучающая выборка
3.2 Оценка точности моделей
3.3 Базовый уровень прогноза
3.4 Анализ остатков
3.5 Формы представления задачи прогнозирования временных рядов

Практические занятия
Разбиение временных рядов на обучающую и тестовую выборки с помощью разных методов.
Оценка точности наивного прогноза (базовый уровень прогноза), анализ остатков с помощью разных методов.
Посмотрите на данные них иначе: измените их временную разбивку, сформулируйте задачу прогнозирования временных рядов в терминах задачи регрессии или классификации.
​

Тема 4. Модели одномерных временных рядов

4.1 Прогнозирование с помощью кривых роста
4.2 Тренд-сезонная модель
4.3 Тренд-сезонная модель с фиктивными переменными
4.4 Простое экспоненциальное сглаживание (модель Брауна)
4.5 Модель Хольта с линейным и экспоненциальным трендом
4.6 Модель Хольта-Уинтерса и модель Тейла-Вейджа
4.7 Модель стохастической аппроксимации
4.8 Метод Бокса-Дженкинса
4.9 Авторегрессионные модели
4.10 Модели скользящих средних
4.11 Модель ARIMA
4.12 Автокорреляция и частичная автокорреляция
4.13 Поиск по сетке гиперпараметров модели ARIMA
4.14 Прогнозные интервалы
4.15 Проект построения моделей для прогнозирования временных рядов

Практические занятия
Построение разных моделей, определение лучшей модели, повышение качества лучшей модели изменяя гиперпараметры, построение прогнозных интервалов.
​

Тема 5. Аттестация

Продажник