# ---
# jupyter:
#   jupytext:
#     text_representation:
#       extension: .py
#       format_name: light
#       format_version: '1.5'
#       jupytext_version: 1.14.4
#   kernelspec:
#     display_name: Python 3
#     language: python
#     name: python3
# ---

# +
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@author: hkaneko
"""

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd
import sample_functions
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.manifold import TSNE

k_in_k3n_error = 10
candidates_of_perplexity = np.arange(5, 105, 5, dtype=int)

dataset = pd.read_csv('sample_data/tep_13_train_with_y.csv', index_col=0)
y_measured_dataset = dataset.iloc[0:1, :]
for sample_number in range(1, dataset.shape[0]):
    if y_measured_dataset.iloc[-1, 0] != dataset.iloc[sample_number, 0]:
        y_measured_dataset = pd.concat([y_measured_dataset, dataset.iloc[sample_number:sample_number + 1, :]], axis=0)

x = y_measured_dataset.iloc[:, 1:]
autoscaled_x = (x - x.mean()) / x.std()  # オートスケーリング

# PCA
pca = PCA()  # PCA を行ったり PCA の結果を格納したりするための変数を、pca として宣言
pca.fit(autoscaled_x)  # PCA を実行
# ローディング
loadings = pd.DataFrame(pca.components_.T, index=x.columns)
loadings.to_csv('pca_loadings.csv')
# スコア
score = pd.DataFrame(pca.transform(autoscaled_x), index=x.index)
score.to_csv('pca_score.csv')
# 寄与率、累積寄与率
contribution_ratios = pd.DataFrame(pca.explained_variance_ratio_)  # 寄与率を DataFrame 型に変換
cumulative_contribution_ratios = contribution_ratios.cumsum()  # cumsum() で寄与率の累積和を計算
cont_cumcont_ratios = pd.concat(
    [contribution_ratios, cumulative_contribution_ratios],
    axis=1).T
cont_cumcont_ratios.index = ['contribution_ratio', 'cumulative_contribution_ratio']  # 行の名前を変更
cont_cumcont_ratios.to_csv('pca_cont_cumcont_ratios.csv')
# 寄与率を棒グラフで、累積寄与率を線で入れたプロット図を重ねて描画
x_axis = range(1, contribution_ratios.shape[0] + 1)  # 1 から成分数までの整数が x 軸の値
plt.rcParams['font.size'] = 18
plt.bar(x_axis, contribution_ratios.iloc[:, 0], align='center')  # 寄与率の棒グラフ
plt.plot(x_axis, cumulative_contribution_ratios.iloc[:, 0], 'r.-')  # 累積寄与率の線を入れたプロット図
plt.xlabel('Number of principal components')  # 横軸の名前
plt.ylabel('Contribution ratio(blue),\nCumulative contribution ratio(red)')  # 縦軸の名前。\n で改行しています
plt.show()
# 第 1 主成分と第 2 主成分の散布図 (y の値でサンプルに色付け)
plt.scatter(score.iloc[:, 0], score.iloc[:, 1], c=y_measured_dataset.iloc[:, 0], cmap=plt.get_cmap('jet'))
plt.colorbar()
plt.xlabel('t_1 (PCA)')
plt.ylabel('t_2 (PCA)')
plt.show()
# 第 1 主成分と第 2 主成分の散布図 (y の値でサンプルに色付け)
plt.scatter(score.iloc[:, 0], score.iloc[:, 1], c=y_measured_dataset.iloc[:, 0], cmap=plt.get_cmap('jet'))
plt.colorbar()
plt.rcParams['font.size'] = 10
for sample_number in range(score.shape[0]):
    plt.text(score.iloc[sample_number, 0], score.iloc[sample_number, 1], score.index[sample_number],
             horizontalalignment='center', verticalalignment='top')
plt.xlabel('t_1 (PCA)')
plt.ylabel('t_2 (PCA)')
plt.show()

# t-SNE
# k3n-error を用いた perplexity の最適化 
k3n_errors = []
for index, perplexity in enumerate(candidates_of_perplexity):
    print(index + 1, '/', len(candidates_of_perplexity))
    t = TSNE(perplexity=perplexity, n_components=2, init='pca', random_state=10).fit_transform(autoscaled_x)
    scaled_t = (t - t.mean(axis=0)) / t.std(axis=0, ddof=1)

    k3n_errors.append(
        sample_functions.k3n_error(autoscaled_x, scaled_t, k_in_k3n_error) + sample_functions.k3n_error(
            scaled_t, autoscaled_x, k_in_k3n_error))
plt.rcParams['font.size'] = 18
plt.scatter(candidates_of_perplexity, k3n_errors, c='blue')
plt.xlabel("perplexity")
plt.ylabel("k3n-errors")
plt.show()
optimal_perplexity = candidates_of_perplexity[np.where(k3n_errors == np.min(k3n_errors))[0][0]]
print('\nk3n-error による perplexity の最適値 :', optimal_perplexity)
# t-SNE
t = TSNE(perplexity=optimal_perplexity, n_components=2, init='pca', random_state=10).fit_transform(autoscaled_x)
t = pd.DataFrame(t, index=x.index, columns=['t_1 (t-SNE)', 't_2 (t-SNE)'])
t.columns = ['t_1 (t-SNE)', 't_2 (t-SNE)']
t.to_csv('tsne_t.csv')
# t1 と t2 の散布図 (y の値でサンプルに色付け)
plt.rcParams['font.size'] = 18
plt.scatter(t.iloc[:, 0], t.iloc[:, 1], c=y_measured_dataset.iloc[:, 0], cmap=plt.get_cmap('jet'))
plt.colorbar()
plt.xlabel('t_1 (t-SNE)')
plt.ylabel('t_2 (t-SNE)')
plt.show()
# t1 と t2 の散布図 (y の値でサンプルに色付け)
plt.scatter(t.iloc[:, 0], t.iloc[:, 1], c=y_measured_dataset.iloc[:, 0], cmap=plt.get_cmap('jet'))
plt.colorbar()
plt.rcParams['font.size'] = 10
for sample_number in range(score.shape[0]):
    plt.text(t.iloc[sample_number, 0], t.iloc[sample_number, 1], t.index[sample_number],
             horizontalalignment='center', verticalalignment='top')
plt.xlabel('t_1 (t-SNE)')
plt.ylabel('t_2 (t-SNE)')
plt.show()

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