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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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 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

렘 수면이 식이 패턴에 영향을 준다?

  ( Using a techniqu e called optogenetics, the activity of cells in the brain can be specifically suppressed with light pulses. Credit: Pascal Gugler / Insel Gruppe )  수면 중 빠른 안구 운동이 발생하는 렘 (REM) 수면은 아직도 그 기능이 완전히 밝혀지지 않았지만, 수면에서 매우 중요한 부분이라는 사실은 확실합니다. 렘 수면은 꿈과 관련이 깊으며 전체 수면 시간이 부족하지 않더라도 렘 수면 시간이 짧으면 다음날 집중력이 떨어지고 많이 피곤하게 됩니다. 아마도 렘 수면 시간 동안 여러 가지 기능과 작업이 이뤄짐을 시사하는 결과입니다.   베른 대학교 ( University of Bern )의 과학자들은 쥐를 이용한 동물 모델을 통해서 렘 수면이 식이 패턴에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구팀은 렘 수면이 외측 시상하부 ( lateral hypothalamus)에 영향을 주어 식욕을 조절할 수 있다는 증거를 발견했습니다. 외측 시상하부는 모든 포유류에서 볼 수 있는 시상하부의 작은 핵으로 식욕을 조절하는데 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 과거 과학자들은 렘 수면 동안 외측 시상하부가 활성화되는 것을 확인했지만, 렘 수면이 실제 식욕을 조절하는지에 대해서는 알지 못했습니다. 렘 수면 동안 외측 시상하부만 차단할 방법이 없었기 때문입니다.   연구팀은 빛으로 살아있는 세포를 조절하는 기술인 광유전학 (optogenetic) 방식으로 렘 수면 중인 쥐의 외측 시상하부 활동을 차단했습니다. 그 결과 쥐의 식욕이 저하되는 것을 확인할 수 있었습니다. 불과 하루 간 차단만으로도 4일 정도 효과가 지속될 정도로 식욕에 대한 영향이 컸습니다. 이는 렘 수면이 식욕을 적절하게 유지하는 데 도움을 준다는 점을 시사합니다.   사실 최근에 다이어트에 대한 수요가 폭발해서 ...

비타민 D - 우울증 예방 효과는 없다

   다른 비타민과 마찬가지로 비타민 D는 사람이 살아가는데 반드시 필요한 비타민입니다. 비타민 D가 부족한 경우 뼈에 심각한 문제가 생길 수 있습니다. 그런데 한 가지 더 흥미로운 사실은 여러 질병에서 비타민 D 부족이 관찰된다는 것입니다. 예를 들어 우울증의 경우에도 비타민 D 부족이 보고된 바 있습니다. 일부 연구자들은 햇빛을 받아 생성되는 비타민 D 부족이 계절성 우울증 장애 (seasonal affective disorder)의 원인일지 모른다고 생각해왔습니다.   하지만 하버드 의대와 메사추세스 종합 병원(MGH)의 연구팀은 비타민 D3 (cholecalciferol) 보충제를 사용한 대규모 임상 시험에서 비타민 D 복용이 우울증 예방에 특별한 효과가 없다는 사실을 확인했습니다. 이 연구는 종합 비타민제 혹은 단독으로 사용되는 비타민 D 보충제가 질병 예방에 효과가 있는지를 알아보기 위한 것으로 평균 67세의 건강한 성인 남녀 18,353명을 대상으로 진행되었습니다. 연구 참여자들은 두 그룹으로 나뉘어 콜레칼시페롤 (비타민 D3) 2000 IU 혹은 위약을 받아 5년간 복용했습니다. 우울증의 정도는 8-item Patient Health Questionnaire depression scale [PHQ-8]로 측정했습니다.   이 연구에서는 분명한 비타민 D 결핍증이 있는 경우는 제외했는데, 의학적으로 보충이 필요한 정도의 결핍이라면 치료를 하는 게 맞지 위약을 5년이나 주는 것은 윤리적으로 문제가 있기 때문입니다. 따라서 연구의 목표는 비타민이 부족하지 않은 건강한 사람에서 비타민 보충제가 혹시 우울증 예방에 효과가 있는지를 알아보려는 것입니다.   연구 결과 실험군과 대조군 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었습니다. 우울증 발생률은 두 그룹에서 별로 차이가 없었으며 연구 시작과 종료 시점에 그룹 내에서도 별 차이가 없었습니다. 따라서 비타민 D가 부족하지 않...