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데이터 가공 및 분석 - dplyr 패키지 (1)



 최근 시중에 R을 이용한 데이터 분석을 다루는 서적들이 많이 나오고 있습니다. 보통 이 서적들에서 가장 많이 다루는 패키지 가운데 하나가 바로 dplyr 입니다. 데이터를 가공하고 기본 분석 작업을 수행하는데 가장 편리한 패키지 중 하나이기 때문입니다. 물론 R의 기본 기능을 이용해서 다양한 작업을 할 수 있지만, 이렇게 널리 사용되는 패키지가 별도로 있는 건 그만큼 편리한 부분이 있기 때문입니다. 단순 선형회귀 다음에 다중 선형회귀에 대해서 설명하는 것이 순서이지만, 그전에 편리한 데이터 가공을 위해 dplyr 패키지의 기능에 대해서 설명하는 과정이 필요할 것 같습니다. 


 우리가 직접 데이터를 생성하든지 아니면 기존에 있는 데이터를 생성하든지 간에 분석을 위해서는 데이터를 가공하고 정제하는 과정이 필요합니다. 특히 이 과정은 데이터의 크기가 크고 복잡할수록 더 중요합니다. 예를 들어 관측값이 10만개 이상이고 변수도 수백가지 이상이라면 한번에 파악하기 어렵고 분석 목적에 따라 일부만 추출해야 하는 일이 흔합니다. 여기서는 단순한 예제를 위해 다이아몬드 자료에서 앞서에서처럼 50개를 추출해 어떻게 하는 지 예를 들어 보겠습니다. 


 dplyr 패키지의 가장 기본 기능인 filter는 subset과 비슷한 기능을 합니다. 원하는 조건에 따라 값을 추출해 새로운 보여주는 것입니다. 물론 subset과 동일하게 조건에 맞는 새로운 데이터를 만들 수 있습니다. 우선 패키지를 설치한 후 cut이 Ideal인 값을 뽑아보겠습니다. 

install.packages("dplyr")

library("dplyr")
library("ggplot2")

set.seed(3311)
diamonds1<-sample 50="" diamonds="" nrow="" span="">
D1<-diamonds diamonds1="" span="">
D1

D1%>%filter(cut=="Ideal")


> D1%>%filter(cut=="Ideal")
# A tibble: 18 x 10
   carat cut   color clarity depth table price     x     y     z
       
 1  0.6  Ideal F     VS1      62.9    57  2142  5.35  5.31  3.35
 2  1.01 Ideal D     SI2      62.5    57  5206  6.39  6.35  3.98
 3  0.33 Ideal G     IF       60.9    57   946  4.45  4.48  2.72
 4  0.74 Ideal D     VS2      61.8    56  3858  5.79  5.82  3.59
 5  1.2  Ideal I     VS2      63.2    59  5699  6.73  6.68  4.24
 6  1.09 Ideal G     VVS2     61.5    57  8970  6.62  6.65  4.08
 7  0.7  Ideal F     SI1      62.1    56  2573  5.65  5.67  3.51
 8  0.3  Ideal F     VS1      61.3    55   570  4.32  4.36  2.66
 9  0.31 Ideal H     IF       61.4    57   772  4.36  4.39  2.68
10  0.31 Ideal D     VS2      62.2    54   942  4.34  4.31  2.69
11  1.11 Ideal F     VS2      61.8    56  9057  6.66  6.7   4.13
12  1.09 Ideal J     SI2      62      55  5034  6.58  6.64  4.1 
13  0.32 Ideal E     VVS1     61.3    57  1020  4.43  4.38  2.7 
14  0.54 Ideal D     VS2      61.1    57  1993  5.29  5.19  3.2 
15  0.44 Ideal G     SI1      61.5    57   772  4.87  4.88  3   
16  0.41 Ideal J     VS1      62.4    55   648  4.75  4.77  2.97
17  0.62 Ideal H     VS1      63      56  1808  5.43  5.36  3.4 
18  0.33 Ideal H     VVS1     61.8    55   713  4.42  4.44  2.74


 모두 18개 관측치가 나왔습니다. 여기서 D2<-d1>%filter(cut=="Ideal") 으로 D2라는 새로운 데이터를 만들 수 있습니다. 

> D2<-d1>%filter(cut=="Ideal")
> D2
# A tibble: 18 x 10
   carat cut   color clarity depth table price     x     y     z
       
 1  0.6  Ideal F     VS1      62.9    57  2142  5.35  5.31  3.35
 2  1.01 Ideal D     SI2      62.5    57  5206  6.39  6.35  3.98
 3  0.33 Ideal G     IF       60.9    57   946  4.45  4.48  2.72
 4  0.74 Ideal D     VS2      61.8    56  3858  5.79  5.82  3.59
 5  1.2  Ideal I     VS2      63.2    59  5699  6.73  6.68  4.24
 6  1.09 Ideal G     VVS2     61.5    57  8970  6.62  6.65  4.08
 7  0.7  Ideal F     SI1      62.1    56  2573  5.65  5.67  3.51
 8  0.3  Ideal F     VS1      61.3    55   570  4.32  4.36  2.66
 9  0.31 Ideal H     IF       61.4    57   772  4.36  4.39  2.68
10  0.31 Ideal D     VS2      62.2    54   942  4.34  4.31  2.69
11  1.11 Ideal F     VS2      61.8    56  9057  6.66  6.7   4.13
12  1.09 Ideal J     SI2      62      55  5034  6.58  6.64  4.1 
13  0.32 Ideal E     VVS1     61.3    57  1020  4.43  4.38  2.7 
14  0.54 Ideal D     VS2      61.1    57  1993  5.29  5.19  3.2 
15  0.44 Ideal G     SI1      61.5    57   772  4.87  4.88  3   
16  0.41 Ideal J     VS1      62.4    55   648  4.75  4.77  2.97
17  0.62 Ideal H     VS1      63      56  1808  5.43  5.36  3.4 
18  0.33 Ideal H     VVS1     61.8    55   713  4.42  4.44  2.74

 이 기능은 subset에서도 동일하게 진행할 수 있습니다. 

> subset(D1, cut=="Ideal")
# A tibble: 18 x 10
   carat cut   color clarity depth table price     x     y     z
       
 1  0.6  Ideal F     VS1      62.9    57  2142  5.35  5.31  3.35
 2  1.01 Ideal D     SI2      62.5    57  5206  6.39  6.35  3.98
 3  0.33 Ideal G     IF       60.9    57   946  4.45  4.48  2.72
 4  0.74 Ideal D     VS2      61.8    56  3858  5.79  5.82  3.59
 5  1.2  Ideal I     VS2      63.2    59  5699  6.73  6.68  4.24
 6  1.09 Ideal G     VVS2     61.5    57  8970  6.62  6.65  4.08
 7  0.7  Ideal F     SI1      62.1    56  2573  5.65  5.67  3.51
 8  0.3  Ideal F     VS1      61.3    55   570  4.32  4.36  2.66
 9  0.31 Ideal H     IF       61.4    57   772  4.36  4.39  2.68
10  0.31 Ideal D     VS2      62.2    54   942  4.34  4.31  2.69
11  1.11 Ideal F     VS2      61.8    56  9057  6.66  6.7   4.13
12  1.09 Ideal J     SI2      62      55  5034  6.58  6.64  4.1 
13  0.32 Ideal E     VVS1     61.3    57  1020  4.43  4.38  2.7 
14  0.54 Ideal D     VS2      61.1    57  1993  5.29  5.19  3.2 
15  0.44 Ideal G     SI1      61.5    57   772  4.87  4.88  3   
16  0.41 Ideal J     VS1      62.4    55   648  4.75  4.77  2.97
17  0.62 Ideal H     VS1      63      56  1808  5.43  5.36  3.4 
18  0.33 Ideal H     VVS1     61.8    55   713  4.42  4.44  2.74


 그렇다면 왜 귀찮게 별도 패키지를 이용하는지 의문이 들 수 있으나 dplyr의 진가는 나중에 차차 설명할 것입니다. 아무튼 == 기호로 해당하는 값을 구하거나  !=으로 해당하는 값만 제외하거나 > 등 여러 기호를 통해 원하는 데이터만 추출할 수 있습니다. 


> D1%>%filter(cut!="Ideal")
# A tibble: 32 x 10
   carat cut       color clarity depth table price     x     y     z
             
 1  0.55 Very Good E     SI1      64.2    55  1417  5.18  5.2   3.33
 2  0.91 Very Good E     SI2      58.6    63  2963  6.38  6.32  3.72
 3  0.91 Good      G     VVS2     64.1    58  4543  6.06  6.1   3.9 
 4  1.5  Good      F     VS2      63.6    55 13853  7.27  7.22  4.61
 5  1.51 Premium   H     SI2      60.4    59  7864  7.3   7.27  4.4 
 6  0.45 Good      E     VS1      61.7    63  1241  4.88  4.91  3.02
 7  0.31 Premium   D     VVS2     61.7    58   988  4.39  4.33  2.69
 8  1.28 Very Good G     VVS1     60.3    59 11214  6.99  7.03  4.23
 9  1.21 Good      E     SI1      64.2    58  6708  6.65  6.59  4.25
10  1    Good      H     I1       57.6    61  2940  6.67  6.6   3.82
# ... with 22 more rows
> D1%>%filter(price>=5000)
# A tibble: 15 x 10
   carat cut       color clarity depth table price     x     y     z
             
 1  1.01 Ideal     D     SI2      62.5    57  5206  6.39  6.35  3.98
 2  1.5  Good      F     VS2      63.6    55 13853  7.27  7.22  4.61
 3  1.51 Premium   H     SI2      60.4    59  7864  7.3   7.27  4.4 
 4  1.2  Ideal     I     VS2      63.2    59  5699  6.73  6.68  4.24
 5  1.09 Ideal     G     VVS2     61.5    57  8970  6.62  6.65  4.08
 6  1.28 Very Good G     VVS1     60.3    59 11214  6.99  7.03  4.23
 7  1.21 Good      E     SI1      64.2    58  6708  6.65  6.59  4.25
 8  2    Premium   H     SI2      60.7    60 15312  8.07  8.11  4.91
 9  1.52 Very Good H     SI2      63.1    55  7600  7.36  7.28  4.62
10  2.48 Very Good F     SI2      63.4    56 18692  8.64  8.55  5.45
11  2.05 Premium   G     SI1      61.6    59 15291  8.2   8.16  5.04
12  1.11 Ideal     F     VS2      61.8    56  9057  6.66  6.7   4.13
13  1.09 Ideal     J     SI2      62      55  5034  6.58  6.64  4.1 
14  1.01 Fair      F     VS2      69      61  6041  6.06  5.99  4.16
15  1.29 Premium   I     VS1      61.1    58  5664  7.03  6.98  4.28


 subset은 각 관측치는 뽑아내도 변수만 따로 뽑기는 어렵습니다. dplyr의 select 기능을 조합하면 행과 열 모두 우리가 원하는 값을 추출할 수 있습니다. 예를 들어 cut이 Ideal인 다이이몬드에서 캐럿과 가격만 뽑아 보여줄 수 있습니다. 우선 select의 기본 문법을 보겠습니다. 앞서 보였듯이 %>%이 기본적으로 들어간다는 사실을 기억해야 합니다. D1%>%select(carat)로 캐럿만 변수를 빼낼 수 있습니다. 


> D1%>%select(carat)
# A tibble: 50 x 1
   carat
   
 1  0.6 
 2  0.55
 3  1.01
 4  0.33
 5  0.91
 6  0.91
 7  1.5 
 8  0.74
 9  1.51
10  0.45
# ... with 40 more rows


 여러 개의 변수는 각각의 변수명을 이어 붙이면 되고 만약 해당 변수만 빼고 추출할 때는 - 를 사용합니다. 


D1%>%select(carat,cut,color,clarity,price)
D1%>%select(-x,-y,-z)


 각각 해보면 결과를 쉽게 볼 수 있을 것입니다. 이제 filter와 select를 연결해서 사용해 보겠습니다. 구분은 %>% 기호로 합니다. D1%>%filter(cut=="Ideal")%>%select(carat,cut,color,clarity,price)의 구분입니다. 


> D1%>%filter(cut=="Ideal")%>%select(carat,cut,color,clarity,price)
# A tibble: 18 x 5
   carat cut   color clarity price
       
 1  0.6  Ideal F     VS1      2142
 2  1.01 Ideal D     SI2      5206
 3  0.33 Ideal G     IF        946
 4  0.74 Ideal D     VS2      3858
 5  1.2  Ideal I     VS2      5699
 6  1.09 Ideal G     VVS2     8970
 7  0.7  Ideal F     SI1      2573
 8  0.3  Ideal F     VS1       570
 9  0.31 Ideal H     IF        772
10  0.31 Ideal D     VS2       942
11  1.11 Ideal F     VS2      9057
12  1.09 Ideal J     SI2      5034
13  0.32 Ideal E     VVS1     1020
14  0.54 Ideal D     VS2      1993
15  0.44 Ideal G     SI1       772
16  0.41 Ideal J     VS1       648
17  0.62 Ideal H     VS1      1808
18  0.33 Ideal H     VVS1      713


 그런데 옆으로 길게 쓰면 코드의 가독성이 떨어집니다. %>%로 구분해서 한 칸씩 분리할 수 있습니다. 

D1%>%
  filter(cut=="Ideal")%>%  #Ideal 추출 
  select(carat,cut,color,clarity,price)%>% # 캐럿, 컷, 칼러, 채도, 가격 추출
  head(5)

이렇게 한 칸씩 분리한 후 # 기호를 이용해서 주석을 달아주면 뭘 하는 코드인지 더 쉽게 파악이 가능합니다. 자신이 만든 코드를 나중에 해석하지 못하게 되는 일은 생각보다 비일비재한데, 이렇게 하면 쉽게 파악이 되는 것입니다. 참고로 여기서는 head를 써서 5개 값만 보여주도록 했습니다. 물론 더 쉽게 파악하기 위한 것입니다. 


> D1%>%
+   filter(cut=="Ideal")%>%  #Ideal 추출 
+   select(carat,cut,color,clarity,price)%>% # 캐럿, 컷, 칼러, 채도, 가격 추출
+   head(5)
# A tibble: 5 x 5
  carat cut   color clarity price
     
1  0.6  Ideal F     VS1      2142
2  1.01 Ideal D     SI2      5206
3  0.33 Ideal G     IF        946
4  0.74 Ideal D     VS2      3858
5  1.2  Ideal I     VS2      5699


 여기까지만 보더라도 subset 보다 dplyr가 왜 기능이 더 많은지 이해할 수 있을 것입니다. 하지만 아직은 시작 단계입니다. 이제 dplyr의 arrange 기능을 한 줄 더 추가해 데이터를 특정값의 오름차순이나 내림차순으로 정리해 보겠습니다. 컷이 Ideal인 값을 뽑아 캐럿에 따라 순서대로 정리하겠습니다. %>%으로 줄 구분을 하고 arrange(carat)로 캐럿 순으로 오름차순 정렬합니다. 


D1%>%
  filter(cut=="Ideal")%>%  #Ideal 추출 
  select(carat,cut,color,clarity,price)%>% # 캐럿, 컷, 칼러, 채도, 가격 추출
  arrange(carat) #오름차순 정렬


> D1%>%
+   filter(cut=="Ideal")%>%  #Ideal 추출 
+   select(carat,cut,color,clarity,price)%>% # 캐럿, 컷, 칼러, 채도, 가격 추출
+   arrange(carat) #오름차순 정렬
# A tibble: 18 x 5
   carat cut   color clarity price
       
 1  0.3  Ideal F     VS1       570
 2  0.31 Ideal H     IF        772
 3  0.31 Ideal D     VS2       942
 4  0.32 Ideal E     VVS1     1020
 5  0.33 Ideal G     IF        946
 6  0.33 Ideal H     VVS1      713
 7  0.41 Ideal J     VS1       648
 8  0.44 Ideal G     SI1       772
 9  0.54 Ideal D     VS2      1993
10  0.6  Ideal F     VS1      2142
11  0.62 Ideal H     VS1      1808
12  0.7  Ideal F     SI1      2573
13  0.74 Ideal D     VS2      3858
14  1.01 Ideal D     SI2      5206
15  1.09 Ideal G     VVS2     8970
16  1.09 Ideal J     SI2      5034
17  1.11 Ideal F     VS2      9057
18  1.2  Ideal I     VS2      5699


이렇게 보니 캐럿이 커짐에 따라 다이아몬드 가격이 오르긴 하는데, 크기 이외에도 다른 여러 가지 요인에 따라 가격이 들쑥날쑥한 것을 쉽게 확인할 수 있습니다. 반대로 내림차순으로 정리하려면 arrange 안에 desc()를 더 써주면 됩니다. 


D1%>%
  filter(cut=="Ideal")%>%  #Ideal 추출 
  select(carat,cut,color,clarity,price)%>% # 캐럿, 컷, 칼러, 채도, 가격 추출
  arrange(desc(carat)) #내림차순 정렬


노파심에서 말하면 콘솔 창에서는 코드가 이렇게 보여야 합니다. 




 참고로 filter 기능은 |, >,<,= 등 여러 기호를 통해 다양한 조건을 검색할 수 있습니다. 


D1%>%filter(cut!="Ideal")
D1%>%filter(price>=5000)

D1%>%filter(price>=5000 & cut=="Ideal")
D1%>%filter(cut=="Ideal"|cut=="Premium")


 이 코드는 대표적인 방식을 설명한 것입니다. 아무튼 이렇게 하면 상당히 자유자재로 데이터를 가공할 수 있다는 느낌이 듭니다. 하지만 dplyr의 기능은 당연히 여기서 끝이 아닙니다. 다음에 확장 기능에 대해서 알아보겠습니다. 

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   현재 렘데시비르는 인공 호흡기 치료가 필요한 환자 등 중증 코로나 19 환자의 치료제로 사용되고 있습니다. 다만 공급이 부족해서 갑자가 중증 코로나 19 환자가 늘어날 경우 수급 문제가 불거질 수밖에 없습니다. 따라서 이를 중등도 코로나 19 환자 (경증이나 무증상은 당연히 치료가 필요없거나 대증 요법 정도) 사용한다는 것은 지금 당장에 급한 연구는 아니지만, 나중에 수급량이 많아지고 가격이 낮아질 때를 생각하면 의미 있는 연구 결과입니다.   렘데시비르 제조사인 길리어드 사이언스의 다아애나 브레이너드 박사 ( Dr. Diana Brainard of Gilead Sciences )는 병원에 입원이 필요했던 중등도 코로나 19 환자 584명을 렘데시비르 5일, 10일 투여 실험군과 위약을 투여한 대조군으로 나눠 임상 경과, 사망 등 중요한 합병증 발생 등에서 차이를 보이는지 조사했습니다. 연구 대상자의 40% 이상은 당뇨 같은 만성 질환이 있었으며 평균 연령은 57세였습니다.   연구 결과 대조군의 2%, 5일 투여군의 2%, 10일 투여군의 1%가 사망했으나 사망자 수가 4명, 3명, 2명 정도로 통계적 차이를 판단하기에는 사망자 수가 적어 결론을 내리기 어려웠습니다. 연구팀은 5일 투여군에서 임상 경과가 다소 호전되는 것을 판단했으나 10일 투여군에서는 통계적 차이를 검증할 수 없었습니다. 결론적으로 말해 중등도 코로나 19 환자에서 렘데시비르 투여는 확실한 임상적 이득이 없었습니다.     5일 투여량만 해도 가격이 3120달러라는 점을 감안할 때 중등도 환자에서 렘데시비르 투여는 설령 공급이 원활하다고 해도 적절한 치료법이 아닌 것으로 판단됩니다. 더구나 지금처럼 공급이 불안해 중증 환자 투여 물량 확보가 아쉬운 상황에서는 말할 것도 없습니다.  이번 연구는 렘데시비르보다 효과가 뛰어나면서 저렴한 차세대 항바이러스 치료제의 필요성을 다시 보여준 것으로 생각됩니다....

178Tb/s - 광섬유 통신 신기록 수립

  ( Lidia Galdino, lead researcher on the study. Credit: James Tye / UCL )  현재 가정에 들어오는 초고속 광통신은 10Gb/s 정도가 가장 빠른 편입니다. 그러나 사실 광섬유를 통해서 보낼 수 있는 정보량은 이것보다 훨씬 많습니다. 현재 개발 중인 기술 가운데서는 이미 1Tb/s 이상이 속도를 지닌 것들이 많아 미래에는 테라 인터넷 시대가 가능할 것으로 예상됩니다. 그런 가운데 영국 유니버시티 칼리지 런던 (UCL)의 리디아 갈디노( Lidia Galdino )가 이끄는 연구팀이 178Tb/s라는 신기록을 세웠다는 소식입니다.   광섬유 통신을 위한 주파수는 4.5THz까지 높일 수 있습니다. 최근에 개발된 신기술은 9THz 벽도 돌파했습니다. 그러나 연구팀은 16.8THz라는 새로운 영역에 도달했습니다. 주파수가 높을 수록 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 하지만 16.8THz의 주파수로도 178Tb/s의 데이터 전송 속도는 사실 불가능합니다. 연구팀은  Geometric Shaping (GS) 방식으로 레이저 신호의 페이즈, 밝기, 편광 수준을 조절해 여러 신호가 서로 간섭 없이 전달되게 만들어 이런 신기록을 수립했습니다.   물론 새로운 기술이 항상 그렇듯이 바로 상용화가 가능한 것은 아닙니다. 특히 광섬유는 장거리 정보 전송이 가능해야 할 뿐 아니라 오류 없이 장시간 작동이 가능해야 합니다. 자꾸 에러가 생기거나 고장난다면 아무리 속도가 빨라도 무용지물입니다. 이 단계를 극복하고 경제성까지 갖춰 실용화 되는 경우는 사실 소수에 지나지 않습니다.   하지만 경쟁적으로 Tb 급 대역폭을 지닌 광통신 기술이 개발되고 있어 테라바이트 급 정보도 순식간에 전송할 수 있는 시대가 올 것은 분명합니다. 과거 전화선을 이용한 56K 모뎀에서 지금의 광섬유 기반 초고속 인터넷이 온 것처럼 속도는 계속 빨라질 수밖에 없기 때문입니다...

코로나 19 감염 위험성이 큰 동물은?

  ( A new genomic study ranks the potential of the SARS-CoV-2 spike protein to bind to the ACE2 receptor site in 410 vertebrate animals. Old World primates and great apes, which have identical amino acids at the binding site as humans, are predicted to have a very high propensity for binding ACE2 and are likely susceptible to SARS-CoV-2 infection. Credit: Matt Verdolivo/UC Davis )    코로나 19를 일으키는  SARS-CoV-2는 사스 및 메르스와 마찬가지로 박쥐를 자연 숙주로 삼는 베타 코로나바이러스 계통입니다. 따라서 본래 박쥐에 살던 바이러스가 중간 단계를 거쳐 사람으로 넘어온 것으로 추정됩니다. 그런데 이 이야기는 SARS-CoV-2 역시 사람에만 감염되는 것이 아니라 종을 넘어 다른 포유류나 조류, 혹은 척추동물에 감염될 수 있음을 시사합니다. 코로나 바이러스가 침투하는 경로인 ACE2 수용체는 다른 척추동물에서도 볼 수 있기 때문입니다. 다만 SARS-CoV-2와 ACE2 수용체의 결합 수준은 동물마다 큰 차이가 있어 감염 위험도는 모두 다를 수밖에 없습니다.   캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 (UC Davis)의 조안나 다마스 (Joana Damas)와 그 동료들은 410종의 척추동물에서 ACE2 수용체 유전자를 조사해 코로나 19 감염 위험도를 조사했습니다. 연구팀에 따르면 ACE2 수용체 전체가 아니라 25개의 아미노산 배열이 특히 결합력에 큰 영향을 미쳐 감염 가능성을 결정합니다.   연구 결과 쉽게 예상할 수 있듯이 사람과 가까운 침팬치, 고릴라, 보노보...