Funktioner i R-programmering med eksempel
Evelyn Clarke
Hvad er en funktion i R?
A funktion, i et programmeringsmiljø, er et sæt instruktioner. En programmør bygger en funktion, der skal undgås at gentage samme opgave, eller reducere kompleksitet.
En funktion skal være
- skrevet til at udføre bestemte opgaver
- kan eller kan ikke indeholde argumenter
- indeholde en krop
- kan eller kan ikke returnere en eller flere værdier.
En generel tilgang til en funktion er at bruge argumentdelen som indgange, fodre krop del og til sidst returnere en output. Syntaksen for en funktion er følgende:
function (arglist) {
#Function body
}
R vigtige indbyggede funktioner
Der er mange indbyggede funktioner i R. R matcher dine inputparametre med dets funktionsargumenter, enten efter værdi eller efter position, og udfører derefter funktionskroppen. Funktionsargumenter kan have standardværdier: Hvis du ikke angiver disse argumenter, vil R tage standardværdien.
Bemærk:
Det er muligt at se kildekoden til en funktion ved at køre navnet på selve funktionen i konsollen.
Vi vil se tre grupper af funktioner i aktion
- Generel funktion
- Matematik funktion
- Statistisk funktion
Generelle funktioner
Vi er allerede bekendt med generelle funktioner som cbind(), rbind(),range(),sort(),order()-funktioner. Hver af disse funktioner har en specifik opgave, tager argumenter for at returnere et output. Følgende er vigtige funktioner, man skal kende-
diff() funktion
Hvis du arbejder på tidsserier, skal du stationære serien ved at tage deres lag værdier. En stationær proces tillader konstant middelværdi, varians og autokorrelation over tid. Dette forbedrer primært forudsigelsen af en tidsserie. Det kan nemt gøres med funktionen diff(). Vi kan bygge tilfældige tidsseriedata med en trend og derefter bruge funktionen diff() til at stationære serien. Funktionen diff() accepterer et argument, en vektor, og returnerer passende lagged og itereret forskel.
Bemærk: Vi skal ofte lave tilfældige data, men til læring og sammenligning ønsker vi, at tallene skal være identiske på tværs af maskiner. For at sikre, at vi alle genererer de samme data, bruger vi set.seed()-funktionen med vilkårlige værdier på 123. Set.seed()-funktionen genereres gennem processen med pseudorandom-talgenerator, der får alle moderne computere til at have den samme sekvens af tal. Hvis vi ikke bruger set.seed()-funktionen, vil vi alle have forskellig rækkefølge af tal.
set.seed(123) ## Create the data x = rnorm(1000) ts <- cumsum(x) ## Stationary the serie diff_ts <- diff(ts) par(mfrow=c(1,2)) ## Plot the series plot(ts, type='l') plot(diff(ts), type='l')
length() funktion
I mange tilfælde vil vi gerne vide længde af en vektor til beregning eller til brug i en for-løkke. Funktionen length() tæller antallet af rækker i vektor x. Følgende koder importerer bilernes datasæt og returnerer antallet af rækker.
Bemærk: length() returnerer antallet af elementer i en vektor. Hvis funktionen overføres til en matrix eller en dataramme, returneres antallet af kolonner.
dt <- cars ## number columns length(dt)
Output:
## [1] 1
## number rows length(dt[,1])
Output:
## [1] 50
Matematiske funktioner
R har en række matematiske funktioner.
| OperaTor | Description |
|---|---|
| abs (x) | Tager den absolutte værdi af x |
| log(x,base=y) | Tager logaritmen af x med grundtallet y; hvis base ikke er angivet, returnerer den naturlige logaritme |
| exp (x) | Returnerer eksponentialet af x |
| sqrt (x) | Returnerer kvadratroden af x |
| fakultet (x) | Returnerer fakultetet af x (x!) |
# sequence of number from 44 to 55 both including incremented by 1 x_vector <- seq(45,55, by = 1) #logarithm log(x_vector)
Output:
## [1] 3.806662 3.828641 3.850148 3.871201 3.891820 3.912023 3.931826 ## [8] 3.951244 3.970292 3.988984 4.007333
#exponential exp(x_vector)
#squared root sqrt(x_vector)
Output:
## [1] 6.708204 6.782330 6.855655 6.928203 7.000000 7.071068 7.141428 ## [8] 7.211103 7.280110 7.348469 7.416198
#factorial factorial(x_vector)
Output:
## [1] 1.196222e+56 5.502622e+57 2.586232e+59 1.241392e+61 6.082819e+62 ## [6] 3.041409e+64 1.551119e+66 8.065818e+67 4.274883e+69 2.308437e+71 ## [11] 1.269640e+73
Statistiske funktioner
R standardinstallation indeholder en lang række statistiske funktioner. I denne vejledning vil vi kort se på den vigtigste funktion..
Grundlæggende statistikfunktioner
| OperaTor | Description |
|---|---|
| middel(x) | Gennemsnit af x |
| median(x) | Medianen af x |
| var(x) | Varians af x |
| sd(x) | Standardafvigelse af x |
| skala (x) | Standardscore (z-score) af x |
| kvantil (x) | Kvartilerne af x |
| resumé(x) | Sammenfatning af x: middel, min, max osv.. |
speed <- dt$speed speed # Mean speed of cars dataset mean(speed)
Output:
## [1] 15.4
# Median speed of cars dataset median(speed)
Output:
## [1] 15
# Variance speed of cars dataset var(speed)
Output:
## [1] 27.95918
# Standard deviation speed of cars dataset sd(speed)
Output:
## [1] 5.287644
# Standardize vector speed of cars dataset head(scale(speed), 5)
Output:
## [,1] ## [1,] -2.155969 ## [2,] -2.155969 ## [3,] -1.588609 ## [4,] -1.588609 ## [5,] -1.399489
# Quantile speed of cars dataset quantile(speed)
Output:
## 0% 25% 50% 75% 100% ## 4 12 15 19 25
# Summary speed of cars dataset summary(speed)
Output:
## Min. 1st Qu. Median Mean 3rd Qu. Max. ## 4.0 12.0 15.0 15.4 19.0 25.0
Indtil nu har vi lært en masse R indbyggede funktioner.
Bemærk: Vær forsigtig med argumentets klasse, dvs. numerisk, boolesk eller streng. For eksempel, hvis vi skal sende en strengværdi, skal vi omslutte strengen i anførselstegn: "ABC" .
Skrivefunktion i R
I nogle tilfælde er vi nødt til at skrive vores egen funktion, fordi vi skal udføre en bestemt opgave, og der findes ingen færdiglavet funktion. En brugerdefineret funktion involverer en navn, argumenter og en krop.
function.name <- function(arguments)
{
computations on the arguments
some other code
}
Bemærk: En god praksis er at navngive en brugerdefineret funktion anderledes end en indbygget funktion. Det undgår forvirring.
En argumentfunktion
I det næste uddrag definerer vi en simpel kvadratisk funktion. Funktionen accepterer en værdi og returnerer kvadratet af værdien.
square_function<- function(n)
{
# compute the square of integer `n`
n^2
}
# calling the function and passing value 4
square_function(4)
Kode Forklaring
- Funktionen hedder square_function; det kan hedde hvad vi vil.
- Den modtager et argument "n". Vi specificerede ikke typen af variabel, så brugeren kan sende et heltal, en vektor eller en matrix
- Funktionen tager input "n" og returnerer kvadratet af input. Når du er færdig med at bruge funktionen, kan vi fjerne den med rm()-funktionen.
# efter du har oprettet funktionen
rm(square_function) square_function
På konsollen kan vi se en fejlmeddelelse: Fejl: objektet 'square_function' blev ikke fundet, der fortæller, at funktionen ikke eksisterer.
Miljø Scoping
I R, den miljø er en samling af objekter som funktioner, variabler, dataramme osv.
R åbner et miljø hver gang Rstudio bliver spurgt.
Det tilgængelige miljø på øverste niveau er globale miljø, kaldet R_GlobalEnv. Og vi har lokalt miljø.
Vi kan liste indholdet af det aktuelle miljø.
ls(environment())
Produktion
## [1] "diff_ts" "dt" "speed" "square_function" ## [5] "ts" "x" "x_vector"
Du kan se alle variabler og funktioner oprettet i R_GlobalEnv.
Ovenstående liste vil variere for dig baseret på den historiske kode, du udfører i R Studio.
Bemærk, at n, argumentet for square_function-funktionen er ikke i dette globale miljø.
A ny miljø er skabt for hver funktion. I ovenstående eksempel skaber funktionen square_function() et nyt miljø inde i det globale miljø.
For at tydeliggøre forskellen mellem global og lokalmiljø, lad os studere følgende eksempel
Disse funktioner tager en værdi x som et argument og tilføjer den til y definere uden for og inde i funktionen
Funktionen f returnerer output 15. Dette skyldes, at y er defineret i det globale miljø. Enhver variabel defineret i det globale miljø kan bruges lokalt. Variablen y har værdien 10 under alle funktionskald og er tilgængelig til enhver tid.
Lad os se, hvad der sker, hvis variablen y er defineret inde i funktionen.
Vi er nødt til at slippe "y", før vi kører denne kode ved hjælp af rm r
Outputtet er også 15, når vi kalder f(5), men returnerer en fejl, når vi forsøger at udskrive værdien y. Variablen y er ikke i det globale miljø.
Endelig bruger R den seneste variabeldefinition til at passere inde i en funktions krop. Lad os overveje følgende eksempel:
R ignorerer y-værdierne defineret uden for funktionen, fordi vi eksplicit oprettede en ay-variabel inde i funktionens krop.
Multi argument funktion
Vi kan skrive en funktion med mere end et argument. Overvej funktionen kaldet "tider". Det er en ligetil funktion, der multiplicerer to variable.
times <- function(x,y) {
x*y
}
times(2,4)
Output:
## [1] 8
Hvornår skal vi skrive funktion?
Data scientist skal udføre mange gentagne opgaver. Det meste af tiden kopierer og indsætter vi bidder af kode gentagne gange. For eksempel anbefales normalisering af en variabel stærkt, før vi kører en machine learning algoritme. Formlen til at normalisere en variabel er:
Vi ved allerede, hvordan man bruger funktionen min() og max() i R. Vi bruger tibble-biblioteket til at oprette datarammen. Tibble er indtil videre den mest bekvemme funktion til at oprette et datasæt fra bunden.
library(tibble) # Create a data frame data_frame <- tibble( c1 = rnorm(50, 5, 1.5), c2 = rnorm(50, 5, 1.5), c3 = rnorm(50, 5, 1.5), )
Vi vil fortsætte i to trin for at beregne funktionen beskrevet ovenfor. I det første trin vil vi oprette en variabel kaldet c1_norm, som er reskalering af c1. I trin to kopierer og indsætter vi bare koden for c1_norm og ændrer med c2 og c3.
Detalje af funktionen med kolonnen c1:
Nominator: : data_frame$c1 -min(data_frame$c1))
Nævner: max(data_frame$c1)-min(data_frame$c1))
Derfor kan vi dividere dem for at få den normaliserede værdi af kolonne c1:
(data_frame$c1 -min(data_frame$c1))/(max(data_frame$c1)-min(data_frame$c1))
Vi kan oprette c1_norm, c2_norm og c3_norm:
Create c1_norm: rescaling of c1 data_frame$c1_norm <- (data_frame$c1 -min(data_frame$c1))/(max(data_frame$c1)-min(data_frame$c1)) # show the first five values head(data_frame$c1_norm, 5)
Output:
## [1] 0.3400113 0.4198788 0.8524394 0.4925860 0.5067991
Det virker. Vi kan kopiere og indsætte
data_frame$c1_norm <- (data_frame$c1 -min(data_frame$c1))/(max(data_frame$c1)-min(data_frame$c1))
skift derefter c1_norm til c2_norm og c1 til c2. Vi gør det samme for at skabe c3_norm
data_frame$c2_norm <- (data_frame$c2 - min(data_frame$c2))/(max(data_frame$c2)-min(data_frame$c2)) data_frame$c3_norm <- (data_frame$c3 - min(data_frame$c3))/(max(data_frame$c3)-min(data_frame$c3))
Vi omskalerede variablerne c1, c2 og c3 perfekt.
Denne metode er dog tilbøjelig til at tage fejl. Vi kunne kopiere og glemme at ændre kolonnenavnet efter indsættelse. Derfor er en god praksis at skrive en funktion, hver gang du skal indsætte den samme kode mere end to gange. Vi kan omarrangere koden til en formel og kalde den, når det er nødvendigt. For at skrive vores egen funktion skal vi give:
- Navn: normalisere.
- antallet af argumenter: Vi behøver kun et argument, som er den kolonne, vi bruger i vores beregning.
- Kroppen: dette er simpelthen den formel, vi ønsker at returnere.
Vi vil fortsætte trin for trin for at oprette funktionen normalisere.
Trin 1) Vi skaber nominator, som er . I R kan vi gemme nominatoren i en variabel som denne:
nominator <- x-min(x)
Trin 2) Vi beregner nævner: . Vi kan replikere ideen fra trin 1 og gemme beregningen i en variabel:
denominator <- max(x)-min(x)
Trin 3) Vi udfører opdelingen mellem nævner og nævner.
normalize <- nominator/denominator
Trin 4) For at returnere værdi til kaldende funktion skal vi sende normalize inde i return() for at få output fra funktionen.
return(normalize)
Trin 5) Vi er klar til at bruge funktionen ved at pakke alt ind i beslaget.
normalize <- function(x){
# step 1: create the nominator
nominator <- x-min(x)
# step 2: create the denominator
denominator <- max(x)-min(x)
# step 3: divide nominator by denominator
normalize <- nominator/denominator
# return the value
return(normalize)
}
Lad os teste vores funktion med variablen c1:
normalize(data_frame$c1)
Det fungerer perfekt. Vi lavede vores første funktion.
Funktioner er en mere omfattende måde at udføre en gentagne opgave på. Vi kan bruge normaliseringsformlen over forskellige kolonner, som nedenfor:
data_frame$c1_norm_function <- normalize (data_frame$c1) data_frame$c2_norm_function <- normalize (data_frame$c2) data_frame$c3_norm_function <- normalize (data_frame$c3)
Selvom eksemplet er enkelt, kan vi udlede styrken af en formel. Ovenstående kode er lettere at læse og undgår især fejl ved indsættelse af koder.
Fungerer med stand
Nogle gange er vi nødt til at inkludere betingelser i en funktion for at tillade koden at returnere forskellige output.
I Machine Learning-opgaver skal vi opdele datasættet mellem et togsæt og et testsæt. Togsættet gør det muligt for algoritmen at lære af dataene. For at teste vores models ydeevne kan vi bruge testsættet til at returnere ydeevnemålet. R har ikke en funktion til at oprette to datasæt. Vi kan skrive vores egen funktion til at gøre det. Vores funktion tager to argumenter og kaldes split_data(). Ideen bag er enkel, vi multiplicerer længden af datasættet (dvs. antallet af observationer) med 0.8. For eksempel, hvis vi ønsker at opdele datasættet 80/20, og vores datasæt indeholder 100 rækker, så vil vores funktion gange 0.8*100 = 80. 80 rækker vil blive udvalgt til at blive vores træningsdata.
Vi vil bruge luftkvalitetsdatasættet til at teste vores brugerdefinerede funktion. Luftkvalitetsdatasættet har 153 rækker. Vi kan se det med koden nedenfor:
nrow(airquality)
Output:
## [1] 153
Vi fortsætter som følger:
split_data <- function(df, train = TRUE) Arguments: -df: Define the dataset -train: Specify if the function returns the train set or test set. By default, set to TRUE
Vores funktion har to argumenter. Argumenttoget er en boolesk parameter. Hvis den er sat til TRUE, opretter vores funktion togdatasættet, ellers opretter den testdatasættet.
Vi kan fortsætte, som vi gjorde med normalise()-funktionen. Vi skriver koden, som om det kun var engangskode og pakker derefter alt med betingelsen ind i kroppen for at skabe funktionen.
Trin 1:
Vi skal beregne længden af datasættet. Dette gøres med funktionen nrow(). Nrow returnerer det samlede antal rækker i datasættet. Vi kalder den variable længde.
length<- nrow(airquality) length
Output:
## [1] 153
Trin 2:
Vi gange længden med 0.8. Det vil returnere antallet af rækker at vælge. Det skal være 153*0.8 = 122.4
total_row <- length*0.8 total_row
Output:
## [1] 122.4
Vi ønsker at vælge 122 rækker blandt de 153 rækker i luftkvalitetsdatasættet. Vi opretter en liste med værdier fra 1 til total_row. Vi gemmer resultatet i den variabel kaldet split
split <- 1:total_row split[1:5]
Output:
## [1] 1 2 3 4 5
split vælger de første 122 rækker fra datasættet. For eksempel kan vi se, at vores variabelopdeling samler værdierne 1, 2, 3, 4, 5 og så videre. Disse værdier vil være indekset, når vi vælger de rækker, der skal returneres.
Trin 3:
Vi skal vælge rækkerne i luftkvalitetsdatasættet baseret på de værdier, der er gemt i splitvariablen. Dette gøres sådan:
train_df <- airquality[split, ] head(train_df)
Output:
##[1] Ozone Solar.R Wind Temp Month Day ##[2] 51 13 137 10.3 76 6 20 ##[3] 15 18 65 13.2 58 5 15 ##[4] 64 32 236 9.2 81 7 3 ##[5] 27 NA NA 8.0 57 5 27 ##[6] 58 NA 47 10.3 73 6 27 ##[7] 44 23 148 8.0 82 6 13
Trin 4:
Vi kan oprette testdatasættet ved at bruge de resterende rækker, 123:153. Dette gøres ved at bruge – foran split.
test_df <- airquality[-split, ] head(test_df)
Output:
##[1] Ozone Solar.R Wind Temp Month Day ##[2] 123 85 188 6.3 94 8 31 ##[3] 124 96 167 6.9 91 9 1 ##[4] 125 78 197 5.1 92 9 2 ##[5] 126 73 183 2.8 93 9 3 ##[6] 127 91 189 4.6 93 9 4 ##[7] 128 47 95 7.4 87 9 5
Trin 5:
Vi kan skabe tilstanden inde i funktionens krop. Husk, vi har et argumenttog, der er et boolesk sæt til TRUE som standard for at returnere togsættet. For at oprette betingelsen bruger vi if-syntaksen:
if (train ==TRUE){
train_df <- airquality[split, ]
return(train)
} else {
test_df <- airquality[-split, ]
return(test)
}
Dette er det, vi kan skrive funktionen. Vi skal kun ændre luftkvaliteten til df, fordi vi vil prøve vores funktion til evt dataramme, ikke kun luftkvalitet:
split_data <- function(df, train = TRUE){
length<- nrow(df)
total_row <- length *0.8
split <- 1:total_row
if (train ==TRUE){
train_df <- df[split, ]
return(train_df)
} else {
test_df <- df[-split, ]
return(test_df)
}
}
Lad os prøve vores funktion på luftkvalitetsdatasættet. vi skulle have et togsæt med 122 rækker og et testsæt med 31 rækker.
train <- split_data(airquality, train = TRUE) dim(train)
Output:
## [1] 122 6
test <- split_data(airquality, train = FALSE) dim(test)
Output:
## [1] 31 6
