【Python】部分的最小二乗回帰（PLS）を使ってみよう！

どうも。こんにちは。
ケミカルエンジニアのこーしです。

本日は、「部分的最小二乗回帰（PLS）」についてわかりやすく解説します。

線形回帰モデルとして現場でよく使われているPLSについて、簡単に解説しつつ、実際に回帰モデルを作成するPythonコードをご紹介します。

本記事を読むことで、PLSについて理解が深まり、実際のデータ解析でPLSを使いこなすことができるようになります！

本記事の内容

・部分的最小二乗回帰（PLS）とは
・サンプルデータの入手
・【Python】PLSによる回帰分析
・回帰分析結果
・参考文献

1 部分的最小二乗回帰（PLS）とは
2 PLSの回帰モデル
3 サンプルデータの入手
- 3.1 データの読み込み
4 【Python】PLSによる回帰分析
5 回帰分析結果
6 まとめ
7 参考文献

部分的最小二乗回帰（PLS）とは

部分的最小二乗回帰（PLS）は、説明変数$X$の線形結合で潜在変数$T$を導出し、その潜在変数$T$の線形結合で目的変数$ｙ$を表現します。

潜在変数$T$は、潜在変数と目的変数の共分散が最大になるように決定します。

$$\boldsymbol{X} = \boldsymbol{T}\boldsymbol{P}^\top + \boldsymbol{E} = \sum_{r=1}^{R}\boldsymbol{t_{r}}\boldsymbol{p_{r}}^\top + \boldsymbol{E} \tag{1}$$

$$\boldsymbol{y} = \boldsymbol{Td} + \boldsymbol{f} = \sum_{r=1}^{R}d_r\boldsymbol{T_r} + \boldsymbol{f}\tag{2}$$

記号の説明

$\boldsymbol{t}_r \in \mathbb{R}^N$：潜在変数ベクトル
$\boldsymbol{T} \in \mathbb{R}^{N\times R}$：潜在変数行列
$\boldsymbol{p}_r \in \mathbb{R}^M$：ローディングベクトル
$\boldsymbol{P} \in \mathbb{R}^{M \times R}$：ローディング行列
$\boldsymbol{d} \in \mathbb{R}^R$：回帰係数
$\boldsymbol{E} \in \mathbb{R}^{N \times M}$：誤差
$\boldsymbol{f} \in \mathbb{R}^N$：誤差

PLSのポイント

PLSは、線形回帰分析手法の一つ
説明変数（X）間の相関関係（多重共線性）にも対応可能
説明変数（X）の数よりサンプル数が少なくても計算可能
目的変数（ｙ）と説明変数（X）の相関関係を考慮するので、主成分回帰（PCR）より精度が出やすい

PLSは、潜在変数を用いることで「多重共線性」の問題に対応しています。

また、下記2点の特徴があるため、後述する主成分回帰（PCR）とリッジ回帰よりも優れていると言えます。

①説明変数と目的変数の間の相関関係も考慮（より予測精度が出やすい）

②説明変数の数よりもサンプル数が少なくても回帰係数を計算できる

よって、PLSは線形回帰分析手法の中で特に使い勝手が良く、あらゆる場面で活用されています。

多重共線性とは

重回帰分析では、「多重共線性」に注意が必要です。

説明変数（X）間に相関関係がある場合、最小二乗法で回帰係数を求めようとすると、回帰係数の値がわずかな測定ノイズの違いで大きくばらついてしまいます。

この現象を「多重共線性」と呼びます。

そこで、多重共線性の問題を解決するために、「主成分回帰（PCR）」、「リッジ回帰」という回帰分析手法が用いられます。

主成分回帰（PCR）

PCRは、主成分分析を回帰分析に応用した手法です。

まず、説明変数が無相関になるように、説明変数に主成分分析（PCA）を適用します。

そして、PCAによって得られた主成分得点を入力とし、最小二乗法により回帰係数を求めます。

PCRは、多重共線性の問題は解決できますが、下記2点の理由により予測精度が出にくいというデメリットがあります。

PCAにより次元削減を行っているため、大量の情報を捨ててしまう
PCAによる主成分の導出では、説明変数しか考慮しておらず、目的変数ｙも考慮すべき

リッジ回帰

多重共線性を防ぐもう一つの回帰分析手法は、リッジ回帰です。

リッジ回帰は、回帰係数の大きさにペナルティを設けることで、逆行列計算を安定化させ、相関関係にある説明変数でも安定した回帰係数が得られます。

一方、デメリットは、説明変数（X）の数よりサンプル数が少ないと回帰係数が計算できないということです。

PLSの回帰モデル

PLSの回帰モデルは下式のように表せます。

$$\boldsymbol{y} = \boldsymbol{X}\boldsymbol{\beta}_{pls} + \boldsymbol{f^{\prime}}\tag{3}$$

$$\boldsymbol{\beta}_{pls} = \boldsymbol{W}\Bigl(\boldsymbol{P}^\top \boldsymbol{W}\Bigr)^{-1}\boldsymbol{d}\tag{4}$$

記号の説明

$\boldsymbol{W} \in \mathbb{R}^{M\times R}$：重み行列
$\boldsymbol{\beta_{pls}} \in \mathbb{R}^M$：回帰係数
$\boldsymbol{f^{\prime}} \in \mathbb{R}^N$：誤差

どの教科書も、(4)式の証明は省略しているようです。

しかし、下記のブログに証明があるのを見つけたので、ぜひ参考にしてみてください。

部分的最小二乗回帰(Partial Least Squares Regression, PLS)の回帰係数の証明

また、回帰係数を求めるアルゴリズムには、NIPALSとSIMPLSの2種類があります。

アルゴリズムを詳しく解説すると長くなってしまうため、気が向いたら別記事で解説します。

本記事では、Pythonのscikit-learnで回帰係数を求めます。

ちなみに、scikit-learnでは特異値分解（SVD）に基づいたSIMPLSアルゴリズムを採用しています。

サンプルデータの入手

コチラのGitHubページで入手できる「debutanizer_data.csv」を利用します。

脱ブタン塔のプロセスデータであり、プロセスフローは上図の通りです。

説明変数がx1〜x7の７個で、目的変数がyの１個、サンプル数は2394個です。

変数名	詳細	日本語訳
x1	Top Temperature	塔頂温度
x2	Top pressure	塔頂圧力
x3	Reflux flow	還流流量
x4	Flow to next process	次プロセスへの流量
x5	6th tray Temperature	6段目温度
x6	Bottom Temperature1	塔底温度1
x7	Bottom Temperature2	塔底温度2
y	Butane(C4) content in the debutanizer column bottom	塔底におけるブタン含有量

データの読み込み

「debutanizer_data.csv」と同じフォルダに、「pls_regression.ipynb」（pls_regression.pyでも可）というファイルを作成しましょう。

下記のコードでライブラリのインポートと、データの読み込みを行います。

そして簡単なデータの前処理を行います。

まず、時系列データなのでインデックスに適当な時間を割り振ります。

加えて、目的変数yの測定時間を考慮し、5分（行）だけデータをずらしておきます。

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.dates as mdates
from sklearn import metrics
from sklearn.model_selection import train_test_split, cross_val_predict
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.cross_decomposition import PLSRegression

#脱ブタン塔のプロセスデータを読み込む
df = pd.read_csv('debutanizer_data.csv')

#時系列データなので、indexに時間を適当に割り当てる
# 開始日時を指定
start_datetime = '2024-01-01 00:00:00'
# DataFrameの長さを取得
n = len(df)
# 日時インデックスを生成（1分間隔）
date_index = pd.date_range(start=start_datetime, periods=n, freq='T')
# DataFrameのインデックスを新しい日時インデックスに設定
df.index = date_index

# 目的変数の測定時間を考慮（5分間）
df['y'] = df['y'].shift(5)
#yがnanとなる期間のデータを削除
df = df.dropna()
# 説明変数Xと目的変数yに分割
X = df.iloc[:, :-1]
y = df.iloc[:, -1]

【Python】PLSによる回帰分析

サンプルデータを読み込んだら、PLSの回帰モデルを作成していきましょう。

下記の書籍を参考にしてpythonコードを作成しました。

化学のためのPythonによるデータ解析・機械学習入門(改訂2版)

まず、下記3つのモジュールを作成します。

evaluate_performance
evaluate_model
perform_pls_regression

def evaluate_performance(X, y, y_train, model, save_to_csv=False, filename='performance.csv'):
    """
    モデルの性能を評価し、結果をプロットします。
    オプションで予測結果をCSVファイルに保存します。
    
    Parameters:
    X : pd.DataFrame
        説明変数のデータセット
    y : pd.Series
        目的変数の値
    y_train : pd.Series
        トレーニングデータの目的変数（標準化解除に使用）
    model : sklearn model
        評価する訓練済みのモデル
    save_to_csv : bool, optional
        結果をCSVファイルに保存するかどうかを指定 (default is False)
    filename : str, optional
        出力するCSVファイルの名前 (default is 'performance.csv')

    Returns:
    r2 : 決定係数R^2
    rmse : RMSE
    mae : MAE
        
    """
    # ｙの推定値を算出
    y_pred = model.predict(X) * y_train.std() + y_train.mean() 

    # 性能指標の算出
    r2 = metrics.r2_score(y, y_pred)
    rmse = np.sqrt(metrics.mean_squared_error(y, y_pred))
    mae = metrics.mean_absolute_error(y, y_pred)
    print(f"R^2: {r2:.3f}, RMSE: {rmse:.3f}, MAE: {mae:.3f}")
    
    # プロットの作成
    plt.figure(figsize=(6, 6))
    plt.scatter(y, y_pred, color='blue')
    y_max = max(y.max(), y_pred.max())
    y_min = min(y.min(), y_pred.min()) 
    
     # 取得した最小値-5%から最大値+5%まで、対角線を作成
    plt.plot([y_min - 0.05 * (y_max - y_min), y_max + 0.05 * (y_max - y_min)],
             [y_min - 0.05 * (y_max - y_min), y_max + 0.05 * (y_max - y_min)], 'k-') 
    plt.ylim(y_min - 0.05 * (y_max - y_min), y_max + 0.05 * (y_max - y_min))
    plt.xlim(y_min - 0.05 * (y_max - y_min), y_max + 0.05 * (y_max - y_min)) 
    plt.xlabel('Actual y')
    plt.ylabel('Predicted y')
    # テキストボックスを右下に配置
    plt.text(0.98, 0.02, f'R^2: {r2:.3f}\nRMSE: {rmse:.3f}\nMAE: {mae:.3f}', transform=plt.gca().transAxes,
             fontsize=9, verticalalignment='bottom', horizontalalignment='right', 
             bbox=dict(boxstyle="round,pad=0.3", edgecolor='black', facecolor='white', alpha=0.5))
    plt.title(filename[:-4])
    plt.grid(False)
    plt.axis('equal')
    plt.show()

    # 時系列のプロット
    plt.figure(figsize=(10, 5))
    plt.gca().xaxis.set_major_formatter(mdates.DateFormatter('%Y-%m-%d %H:%M'))  # 日時形式を設定
    plt.gca().xaxis.set_major_locator(mdates.HourLocator(interval=5))  # 4時間ごとに目盛りを設定
    plt.plot(y.index, y, label='Actual y', color='blue', marker='', linestyle='-')
    plt.plot(y.index, y_pred, label='Predicted y', color='red', marker='', linestyle='-')
    #plt.gcf().autofmt_xdate()  # x軸のラベルを自動で斜めにして読みやすくする
    plt.ylabel('y')
    plt.title(filename[:-4])
    plt.legend()
    plt.show()
    
    # データの保存
    if save_to_csv:
        results_df = pd.DataFrame({
            'Actual': y,
            'Predicted': y_pred.flatten(),
            'Error': y - y_pred.flatten()
        })
        results_df.to_csv(filename, index=False)
        print(f"Data saved to {filename}")
    
    return r2, rmse, mae

def evaluate_model(X_train_scaled, y_train, X_test_scaled, y_test, model, save_csv=False, train_filename='train_performance.csv', test_filename='test_performance.csv'):
    """
    トレーニングデータとテストデータの両方でモデルの性能を評価します。
    
    Parameters:
    X_train_scaled : pd.DataFrame
        標準化されたトレーニングデータの説明変数
    y_train : pd.Series
        トレーニングデータの目的変数
    X_test_scaled : pd.DataFrame
        標準化されたテストデータの説明変数
    y_test : pd.Series
        テストデータの目的変数
    model : sklearn model
        評価する訓練済みのモデル
    save_csv : bool, optional
        結果をCSVファイルに保存するかどうかを指定 (default is False)
    train_filename : str, optional
        トレーニングデータの予測結果を保存するCSVファイルの名前 (default is 'train_performance.csv')
    test_filename : str, optional
        テストデータの予測結果を保存するCSVファイルの名前 (default is 'test_performance.csv')
    """
    print("Evaluating Training Data")
    evaluate_performance(X_train_scaled, y_train, y_train, model, save_to_csv=save_csv, filename=train_filename)
    print("Evaluating Test Data")
    evaluate_performance(X_test_scaled, y_test, y_train, model, save_to_csv=save_csv, filename=test_filename)

def perform_pls_regression(X, y, fold_number=5, test_size=0.4, shuffle=False):
    """
    PLS回帰モデルを構築し、クロスバリデーションを用いて最適な主成分数を決定します。
    その後、最適な主成分数でモデルを再構築し、訓練データとテストデータの性能を評価します。

    Parameters:
    X : pd.DataFrame
        説明変数のデータセット
    y : pd.Series
        目的変数のデータ
    fold_number : int, optional
        クロスバリデーションで使用するフォールドの数 (default is 5)。
    test_size : float, optional
        データを分割する際のテストデータの割合 (default is 0.4)。
    shuffle : bool, optional
        データ分割時にデータをシャッフルするかどうか (default is False)。

    Returns:
    best_components : 最適な主成分数
    standard_regression_coefficients : 標準回帰係数
    beta_train : 回帰係数
    intercept_train : 切片
    """
    # データの分割
    X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=test_size, shuffle=shuffle, random_state=0)

    # データの標準化
    scaler = StandardScaler()
    X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
    X_test_scaled = scaler.transform(X_test)
    y_train_scaled = scaler.fit_transform(y_train.values.reshape(-1, 1)).ravel()

    # 主成分数を決定するためのクロスバリデーション
    max_components = X_train.shape[1]
    r2_scores = []
    for n_components in range(1, max_components + 1):
        pls = PLSRegression(n_components=n_components)
        y_cv = cross_val_predict(pls, X_train_scaled, y_train_scaled, cv=fold_number)
        r2 = metrics.r2_score(y_train_scaled, y_cv)
        r2_scores.append((n_components, r2))

    # r2_scoresをグラフで表示
    components = [item[0] for item in r2_scores]
    r2_values = [item[1] for item in r2_scores]
    plt.figure(figsize=(8, 5))
    plt.plot(components, r2_values, marker='o', linestyle='-', color='b')
    plt.xlabel('Number of Components')
    plt.ylabel('R2 Score (CV)')
    plt.grid(True)
    plt.show()

    # 最適な主成分数の決定
    best_components = max(r2_scores, key=lambda item: item[1])[0]

    # 最適な主成分数で再度PLSモデルを作成
    pls_final = PLSRegression(n_components=best_components)
    pls_final.fit(X_train_scaled, y_train_scaled)

    # 標準回帰係数の取得
    standard_regression_coefficients = pd.DataFrame(pls_final.coef_, index=X_train.columns,
                                                    columns=['Standard Regression Coefficients'])

    # 回帰係数、切片の算出
    std_X_train = X_train.std()
    std_y_train = y_train.std()
    beta_train = std_y_train * standard_regression_coefficients.iloc[:, 0] / std_X_train
    intercept_train = y_train.mean() - X_train.mean() @ beta_train

    evaluate_model(X_train_scaled, y_train, X_test_scaled, y_test, model=pls_final)


    return best_components, standard_regression_coefficients, beta_train, intercept_train

最後にperform_pls_regressionモジュールを実行します。

# 関数の実行
best_components, standard_regression_coefficients, beta_train, intercept_train = perform_pls_regression(X, y)
print(f"Optimal number of components: {best_components}")
print("Standard regression coefficients:")
print(standard_regression_coefficients)
print("Regression coefficients:")
print(beta_train)
print("Intercept:")
print(intercept_train)