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R言語

出典: フリー教科書『ウィキブックス（Wikibooks）』
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R言語は、統計解析やデータ分析に特化したプログラミング言語です。そのため、データの前処理や可視化、統計解析、機械学習など、データ関連の作業を行う際によく利用されます。また、R言語はオープンソースであるため、誰でも自由に利用することができ、豊富なライブラリがあることも特徴の一つです。

このチュートリアルでは、R言語の基礎を学び、実際にデータ分析を行いながら、より高度なテクニックを身に付けていただくことを目的としています。R言語を始めてみたい初心者の方や、データ分析に興味がある方はぜひ参考にしてください。

Rとは

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R言語は、統計計算やグラフィックスを行うためのプログラミング言語です。開発は、R Core TeamおよびR Foundation for Statistical Computingが支援しています。Rは、統計解析や、統計ソフトウェアの開発を行う、データマイニング、バイオインフォマティシャン、統計家などによって使用されています。R言語の機能を拡張するためのパッケージがユーザーによって作成されており、データマイニングで最もよく使用されるプログラミング言語の一つであるとされています。Rの公式ソフトウェア環境は、GNUパッケージ内のオープンソースのフリーソフトウェア環境で、GNU General Public Licenseの下で利用できます。Rは、C、Fortran、およびR自身（部分的にセルフホスティング）で書かれており、様々なオペレーティングシステム用のプレコンパイル済み実行可能ファイルが提供されています。Rには、コマンドラインインターフェースがあります。さらに、RStudioやJupyterなど、サードパーティのグラフィカルユーザーインターフェースも利用可能です。

Rは、University of Aucklandで初級統計を教えるためにプログラミング言語として開発されました。Ross IhakaとRobert Gentlemanによって作成されたRは、Sプログラミング言語から多大な影響を受けており、SプログラムのほとんどはRでも変更せずに実行できます。また、Schemeのレキシカルスコープを採用しており、ローカル変数を扱うことができます。

Rでは、データ構造として、ベクトル、配列、リスト、データフレームが利用できます。ベクトルは値の順序付きコレクションであり、1つ以上の次元の配列にマップできます。Rは、配列演算をサポートしており、APLやMATLABのような言語と似ています。2次元配列の特殊な場合を行列と呼びます。リストは、同じデータ型を持たないオブジェクトのコレクションとして機能します。データフレームには、同じ長さのベクトルのリストと、一意の行名が含まれます。また、スカラーデータ型を持たないため、長さ1のベクトルとして表現されます。

Rとそのライブラリには、線形、一般化線形、非線形モデリング、古典的な統計テスト、空間および時系列分析、分類、クラスタリングなどを含む、さまざまな統計的手法が実装されています。また、C、C ++、Fortranコードを実行時にリンクして呼び出すことができます。Rのもう一つの強みは、静的グラフィックスで、数学記号を含む出版に適したグラフを生成できます。

Rは、逐次解釈言語であり、コマンドラインインタープリターを介してアクセスできます。プロシージャルプログラミングと汎用関数によるオブジェクト指向プログラミングをサポートしています。Rは、Schemeから派生したレキシカルスコープルールを利用して拡張性を実現しています。関数はファーストクラスのオブジェクトであり、データオブジェクトと同じように操作でき、複数のディスパッチを可能にするメタプログラミングを利用できます。また、特定の機能やアプリケーションに対してパッケージを使用して、Rを高度に拡張することができます。

Rの実行環境

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[Rを実行するために必要なツールや環境を紹介し、インストール方法や設定の手順を示します。]

R言語を実行するためには、以下の手順に従って必要なツールや環境をインストールする必要があります。

Rのインストール
まず、R言語を実行するためには、R本体をインストールする必要があります。Rの公式ウェブサイト（ https://www.r-project.org/ ）から、自分のオペレーティングシステムに合わせたインストーラをダウンロードし、インストールしてください。
RStudioのインストール
RStudioは、Rをより使いやすくするための統合開発環境（IDE）です。RStudioは、データの可視化や統計解析のための便利なツールを提供しています。RStudioをインストールするには、RStudioの公式ウェブサイト（ https://www.rstudio.com/ ）から、自分のオペレーティングシステムに合わせたインストーラをダウンロードし、インストールしてください。
Rパッケージのインストール
Rは、多くのパッケージを提供しており、これらのパッケージを使用することで、様々な統計解析やデータ処理を実行することができます。Rパッケージは、CRAN（Comprehensive R Archive Network https://cran.r-project.org/ ）からダウンロードすることができます。RStudioを使用してパッケージをインストールする場合は、RStudioのメニューから「Tools」→「Install Packages」を選択し、インストールしたいパッケージの名前を入力して「Install」ボタンをクリックしてください。

以上の手順に従って、R言語の実行環境を構築することができます。RStudioを使用すると、より快適にR言語を使用することができますので、ぜひ導入してみてください。

基礎知識

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[R言語の基本構文、データタイプ、演算子や制御構文、関数、オブジェクトの作成、変数、配列やリストの扱い方などを紹介します。]

基本構文

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R言語のコードは基本的に1行ずつ処理されます。行末にはセミコロンを付ける必要があります。 

x <- 3; y <- 4

R言語は、大文字と小文字を区別します。変数名や関数名は、アルファベット（大文字・小文字）、数字、ピリオド、アンダースコアのいずれかから始めることができます。 

x <- 3
y <- "hello"
my_list <- list(a=1, b=2, c=3)

データ型

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R言語には、以下のようなデータ型があります。

  • 数字
  • 文字列
  • 論理値
  • ファクター
  • 日付/時刻
  • 行列
  • 配列
  • リスト
  • データフレーム

データ型は、R言語において非常に重要な概念です。機械学習においては、データ型に合わせたデータの前処理が必要になる場合があります。 

x <- 3
y <- "hello"
z <- TRUE
my_factor <- factor(c("male", "male", "female", "female", "male"))
my_date <- as.Date("2022-01-01")
my_matrix <- matrix(1:9, nrow=3, ncol=3)
my_array <- array(1:24, dim=c(2,3,4))
my_list <- list(a=1, b=2, c=3)
my_df <- data.frame(id=1:3, name=c("Alex", "Bob", "Charlie"), age=c(25, 30, 35))

演算子や制御構文

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R言語には、基本的な演算子（算術演算子、比較演算子、論理演算子など）や制御構文（if文、for文、while文など）があります。 

x <- 3 + 4
y <- 5 == 6
if (x > 5) {
  print("x is greater than 5")
} else {
  print("x is less than or equal to 5")
}
for (i in 1:5) {
  print(i)
}

関数

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R言語には、多くの統計解析や機械学習に必要な関数が用意されています。自分で関数を定義することもできます。 

# 組み込み関数の例
mean(c(1, 2, 3, 4, 5))
sd(c(1, 2, 3, 4, 5))

# 自分で関数を定義
my_function <- function(x, y) {
  z <- x + y
  return(z)
}
my_function(3, 4)

オブジェクトの作成

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R言語では、様々な種類のオブジェクトを作成することができます。例えば、以下のようなオブジェクトがあります。

  • ベクトル
  • 行列
  • 配列
  • リスト
  • データフレーム
# ベクトルの作成
my_vector <- c(1, 2, 3, 4, 5)

# 行列の作成
my_matrix <- matrix(1:9, nrow=3, ncol=3)

# 配列の作成
my_array <- array(1:24, dim=c(2,3,4))

# リストの作成
my_list <- list(a=1, b=2, c=3)

# データフレームの作成
my_df <- data.frame(id=1:3, name=c("Alex", "Bob", "Charlie"), age=c(25, 30, 35))

変数

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R言語では、変数を使用してオブジェクトにアクセスすることができます。変数には、以下のような既定値を設定することができます。

  • NULL
  • NA
  • NaN
  • Inf / -Inf
x <- 3
y <- "hello"
my_vector <- c(1, 2, 3, NA, 5)

配列やリストの扱い方

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R言語では、配列やリストを扱うための関数が多数用意されています。 

# 配列の内積を計算する
my_matrix1 <- matrix(c(1, 2, 3, 4, 5, 6), nrow=2, byrow=TRUE)
my_matrix2 <- matrix(c(7, 8, 9, 10, 11, 12), nrow=2, byrow=TRUE)
my_inner_product <- sum(my_matrix1 * my_matrix2)

# リストの要素を表示する
my_list <- list(a=1, b=2, c=3)
print(my_list[["a"]])

データの読み込みと書き出し

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[外部データを読み込むためのR言語の機能、データの書き出し方法などを紹介します。]

R言語は、外部データを読み込むための機能を豊富に備えています。以下では、外部データの読み込み方やデータの書き出し方について解説します。

CSVファイルの読み込み

CSV（Comma Separated Values）形式は、テキストファイルであるため、R言語で簡単に読み込むことができます。CSVファイルを読み込むには、以下のように「read.csv()」関数を使用します。 

data <- read.csv("path/to/file.csv")
Excelファイルの読み込み

Excelファイルを読み込むには、ExcelファイルをR言語で扱えるようにするパッケージをインストールする必要があります。代表的なパッケージに「readxl」があります。以下のように「read_excel()」関数を使用して、Excelファイルを読み込むことができます。 

# readxlパッケージをインストール
install.packages("readxl")

# Excelファイルの読み込み
library(readxl)
data <- read_excel("path/to/file.xlsx")
データの書き出し

データを書き出すには、「write.csv()」や「write.table()」関数を使用します。以下の例では、データをCSVファイルとして書き出しています。 

write.csv(data, "path/to/output.csv", row.names = FALSE)

また、「write.table()」関数を使用することで、CSV以外の形式のファイルも書き出すことができます。 

write.table(data, "path/to/output.txt", sep = "\t", row.names = FALSE)

以上のように、R言語には多くの外部データを読み込む機能があります。データの書き出しについても、簡単に行うことができます。データ分析の際には、外部データを読み込んで分析することが多くなるため、これらの機能をマスターすることが重要です。

データ操作

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[データの加工、選択、変換、フィルタリング、並べ替え、グループ化、連結など、データ操作に必要な関数やパッケージを紹介します。]

R言語は、データ操作に優れた機能を備えています。以下では、データ操作に必要な関数やパッケージについて解説します。

データの加工

データの加工には、データフレームを操作するための「dplyr」パッケージが便利です。以下は、dplyrパッケージの代表的な関数です。

  • select()：列を選択する
  • mutate()：新しい列を追加する
  • filter()：行を選択する
  • arrange()：行を並べ替える
  • group_by()：グループ化する
  • summarize()：要約する

以下は、dplyrパッケージを使用したデータの加工例です。 

# dplyrパッケージをインストール
install.packages("dplyr")

# データの読み込み
library(dplyr)
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 列を選択する
data_select <- select(data, col1, col2)

# 新しい列を追加する
data_mutate <- mutate(data, new_col = col1 + col2)

# 行を選択する
data_filter <- filter(data, col1 > 10)

# 行を並べ替える
data_arrange <- arrange(data, col1)

# グループ化する
data_group <- group_by(data, col1)

# 要約する
data_summary <- summarize(data, col1_mean = mean(col1), col2_sum = sum(col2))
データの変換

データの変換には、基本的な統計処理を行う「stats」パッケージが便利です。以下は、statsパッケージを使用したデータの変換例です。 

# データの読み込み
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 平均を計算する
mean_value <- mean(data$col1)

# 標準偏差を計算する
sd_value <- sd(data$col2)

# 中央値を計算する
median_value <- median(data$col3)

# 最大値を計算する
max_value <- max(data$col4)

# 最小値を計算する
min_value <- min(data$col5)
データのフィルタリング

データのフィルタリングには、基本的な条件文を使用した操作が可能です。以下は、データのフィルタリング例です。 

# データの読み込み
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 条件に合致するデータを選択する
data_filter <- data[data$col1 > 10 & data$col2 == "A", ]
データの並べ替え

データの並べ替えには、dplyrパッケージの「arrange()」関数を使用することができます。以下は、arrange()関数を使用したデータの並べ替え例です。 

# dplyrパッケージをインストール
install.packages("dplyr")

# データの読み込み
library(dplyr)
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 列1と列2で昇順に並べ替える
data_order <- arrange(data, col1, col2)

# 列1で降順、列2で昇順に並べ替える
data_order2 <- arrange(data, desc(col1), col2)
データのグループ化

データのグループ化には、dplyrパッケージの「group_by()」関数を使用することができます。以下は、group_by()関数を使用したデータのグループ化例です。 

# dplyrパッケージをインストール
install.packages("dplyr")

# データの読み込み
library(dplyr)
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 列1でグループ化して、列2の平均値を計算する
data_group <- group_by(data, col1)
data_summary <- summarize(data_group, col2_mean = mean(col2))
データの連結

データの連結には、基本的に「merge()」関数を使用します。以下は、merge()関数を使用したデータの連結例です。 

# データ1の読み込み
data1 <- read.csv("path/to/file1.csv")

# データ2の読み込み
data2 <- read.csv("path/to/file2.csv")

# 列1をキーにしてデータ1とデータ2を連結する
data_merge <- merge(data1, data2, by = "col1")

以上が、R言語におけるデータ操作に必要な関数やパッケージの紹介です。 データ操作には他にも多くの関数やパッケージがありますので、必要に応じてドキュメントや参考書を参照してください。

可視化

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[R言語のグラフィックス、ggplot2、Plotlyなどのライブラリを使った、データの可視化について説明します。]

R言語は、データ可視化に強力な機能を持っています。ここでは、R言語で使用できるグラフィックス、ggplot2、Plotlyなどのライブラリを使った、データの可視化について説明します。

グラフィックス

R言語には、グラフを描画するための基本的な関数が用意されています。以下は、グラフィックスを使用したデータの可視化例です。 

# データの読み込み
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 散布図の描画
plot(data$col1, data$col2, main = "Scatter plot", xlab = "x-axis label", ylab = "y-axis label")

# ヒストグラムの描画
hist(data$col1, main = "Histogram", xlab = "x-axis label", ylab = "Frequency")

# 箱ひげ図の描画
boxplot(data$col1, main = "Boxplot", ylab = "y-axis label")
ggplot2

ggplot2は、R言語で使用できる有名なグラフィックスライブラリです。ggplot2を使用することで、データの可視化がより簡単になります。以下は、ggplot2を使用したデータの可視化例です。 

# ggplot2パッケージのインストール
install.packages("ggplot2")

# データの読み込み
data <- read.csv("path/to/file.csv")

# 散布図の描画
library(ggplot2)
ggplot(data, aes(x = col1, y = col2)) + geom_point() + labs(title = "Scatter plot", x = "x-axis label", y = "y-axis label")

# ヒストグラムの描画
ggplot(data, aes(x = col1)) + geom_histogram() + labs(title = "Histogram", x = "x-axis label", y = "Frequency")

# 箱ひげ図の描画
ggplot(data, aes(y = col1)) + geom_boxplot() + labs(title = "Boxplot", y = "y-axis label")
Plotly

Plotlyは、インタラクティブなグラフィックスを作成するためのオープンソースのライブラリで、R言語にも対応しています。以下では、Plotlyを使ったデータの可視化について説明します。

  • インストールとライブラリの読み込み

まずは、Plotlyをインストールし、ライブラリを読み込みます。Rのコンソールで以下のコマンドを実行します。 

install.packages("plotly")
library(plotly)
散布図の作成

散布図を作成するために、plot_ly()関数を使います。以下は、irisデータセットから、がく片の長さとがく片の幅を取り出し、散布図を作成する例です。 

data(iris)
plot_ly(iris, x = ~Sepal.Length, y = ~Sepal.Width, type = "scatter", mode = "markers")

xとyにはそれぞれx軸、y軸に表示するデータを指定します。typeにはグラフの種類を指定します。ここでは、散布図を表す"scatter"を指定しています。modeには、マーカーの種類を指定します。ここでは、点を表す"markers"を指定しています。

折れ線グラフの作成

折れ線グラフを作成するために、add_trace()関数を使います。以下は、irisデータセットから、花弁の長さの推移を折れ線グラフで表示する例です。 

data(iris)
plot_ly(iris, x = ~Petal.Length, y = ~Sepal.Length, type = "scatter", mode = "lines") %>%
  add_trace(y = ~Petal.Width)

add_trace()関数で、折れ線グラフにするためのtypeとmodeを指定して、花弁の幅も追加しています。%>%は、パイプ演算子と呼ばれ、複数の関数をつなげて書くことができます。

統計解析と機械学習

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[R言語の統計解析や機械学習に基本的に必要なステップ、ライブラリや関数、手法について説明します。]

R言語は、統計解析や機械学習において広く利用されている言語です。ここでは、R言語で統計解析や機械学習を行うために基本的に必要なステップ、ライブラリや関数、手法について説明します。

基本的なステップ

R言語で統計解析や機械学習を行うためには、以下のような基本的なステップがあります。

  1. データの読み込み
  2. データの前処理
  3. モデルの選択
  4. モデルの学習
  5. モデルの評価
  6. モデルの利用
主要なライブラリ

R言語では、多くの統計解析や機械学習に関するライブラリが提供されています。ここでは、その中でも特に有名なライブラリを紹介します。

  • stats : R言語に標準で含まれている統計解析に関するライブラリです。t検定、ANOVA、線形回帰などの統計解析が可能です。
  • dplyr : データの加工やフィルタリングなどの操作を簡単に行うためのライブラリです。
  • tidyr : データの整形や変形を行うためのライブラリです。
  • ggplot2 : グラフィックスを作成するためのライブラリです。豊富なテーマやレイアウトの設定が可能です。
  • caret : 機械学習のためのライブラリで、多くのモデルを簡単に利用することができます。
  • mlr : 機械学習のためのライブラリで、モデルの選択やハイパーパラメータの調整などを行うことができます。

各種応用

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[R言語のさまざまな応用例について紹介します。例えば、Webスクレイピング、テキストマイニング、時系列データ解析、ネットワーク解析、高次元データ解析などがあります。]

パッケージ開発

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[R言語における自作パッケージの作成方法などについて説明します。]

R言語のTips

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[R言語の自己流技法、便利なコードの書き方、デバッグの方法などを紹介します。]

用語集

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  • R言語(R Language)：統計解析やグラフィックスを行うためのプログラミング言語
  • データフレーム(Data Frame)：行と列からなるテーブル形式のデータ構造
  • ベクトル(Vector)：単一のデータ型からなる1次元の配列
  • 行列(Matrix)：2次元の配列
  • リスト(List)：異なるデータ型の要素を持つ配列
  • 関数(Function)：特定のタスクを実行する一連の命令
  • 条件分岐(Conditional Statement)：ある条件が成立する場合にのみ実行するコードのブロック
  • ループ(Loop)：同じ処理を複数回繰り返すための制御構造
  • 外部パッケージ(External Package)：追加の機能を提供するためのRコードの集合
  • ggplot2：R言語でデータを可視化するためのパッケージ
  • Plotly：R言語で対話的なデータ可視化を可能にするパッケージ
  • データクレンジング(Data Cleansing)：データの欠損値や異常値を除去する処理
  • データ分析(Data Analysis)：データから意味を引き出すための解析手法
  • 機械学習(Machine Learning)：アルゴリズムを使用して、コンピューターがデータから学習する能力
  • 教師あり学習(Supervised Learning)：訓練データセットからパターンを学習し、新しいデータを予測するためのモデルを構築する機械学習の手法
  • 教師なし学習(Unsupervised Learning)：データ内のパターンを検出し、新しいグループを特定するための機械学習の手法
  • 回帰分析(Regression Analysis)：変数間の関係を調べるために使用される統計解析の手法
  • クラスタリング(Clustering)：似たデータをグループ化するための手法
  • 分類(Classification)：データを事前に定義されたカテゴリに分類するための手法
  • モデル(Model)：データを表す関係式
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