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Pandas reset_index() を侮るな!データリサンプリングでの意外な落とし穴

2025/01/19に公開

業務でA/Bテストの設計を行った際に、リサンプリング後のインデックス操作が原因で意図しない挙動が発生しました。Pandasのreset_index()を利用することで問題を解決しましたが、この記事では同様の課題に直面する方の助けになるよう、reset_index()の使い方を整理し、その有効性について解説します。
この記事の想定読者は、Pandasを用いたデータ分析に取り組む中級者です。では、早速本題に移りましょう!

実装しようとした処理の概要:

私が取り組んだのは、あるアプリサービスにおけるクーポンの効果検証です。クーポン配布後にユーザーの購入行動がどの程度変化するのかを測定するために、A/Bテストを設計し、サンプルサイズを決定する必要がありました。

具体的には、以下のような処理を行おうとしていました:

  1. ユーザーデータのリサンプリング
    実験の標準偏差を推定するため、ブートストラップ法を用いてユーザーの購買データをリサンプリングしました。
  2. A/Bテストの振り分け
    リサンプリングしたデータを用いて、Treatment(クーポン利用群)とControl(非利用群)にランダムに振り分けました。
  3. 統計量の計算
    TreatmentとControlそれぞれの購買行動(例えば、購入額の平均値や標準偏差)を比較するために計算を行いました。

しかし、このリサンプリング後のデータ操作中に、インデックスの扱いが原因で意図しない挙動が発生してしまいました。

実装したコードと遭遇した不具合:

実装したコードの一部の抽出です。コードの目的としては、以下の3つです。

  1. ブートストラップ法のために、ユーザーデータのリサンプリングを実施する。
  2. A/BテストのためにTreatmentとControlにランダムに分ける。そのためにインデックスをランダムにシャッフルする。
  3. TreatmentとControlに50%ずつ割り当てる。
import pandas as pd
import numpy as np

# サンプルデータフレームを作成
df = pd.DataFrame({
    'user_id': np.arange(1, 11),  # ユーザーID(1から10)
    'value': np.random.randint(1, 100, size=10),  # ランダムな値(購買額などを想定)
})

# パラメータ設定
sample_size = df.shape[0]
treatment_ratio = 0.5  # Treatmentに割り当てる割合

# 1. リサンプリング(重複を許容)
df_sample = df.sample(n=sample_size, replace=True, random_state=42)  # reset_indexを使わない

# 2. ランダムインデックスのシャッフル
shuffled_indices = np.random.permutation(df_sample.index)

# 3. TreatmentとControlをランダムに分ける
treatment_count = int(sample_size * treatment_ratio)
df_sample['group'] = 0  # 全員をControl (0) として初期化
df_sample.loc[shuffled_indices[:treatment_count], 'group'] = 1  # 一部をTreatment (1) に変更

# 4. 各グループの割合を確認
treatment_actual = df_sample['group'].sum()  # Treatmentに割り当てられたユーザー数
control_actual = sample_size - treatment_actual  # Controlに割り当てられたユーザー数

# 結果表示
print("元のデータフレーム:")
print(df)
print("\nリサンプリングされたデータフレーム(reset_index未使用):")
print(df_sample)
print(f"\nTreatmentの予定割合: {treatment_ratio * 100:.1f}%")
print(f"実際のTreatment割合: {treatment_actual / sample_size * 100:.1f}%")

結果


リサンプリング後のデータフレームで発生したインデックスの問題点

このコードで示される問題

  1. リサンプリング後の重複
    • replace=True でリサンプリングしているため、元のデータから同じ行が複数回選ばれる可能性があります。
    • 重複がある状態でランダムに Treatment (1) と Control (0) を割り当てると、一部の行が重複するため、想定した割合で割り当てられないことがあります。
  2. Treatmentの割合が意図と異なる
    • Treatmentに 50% を割り当てたい場合でも、リサンプリングの影響で割合が崩れることがあります。
    • 上記コードを実行すると、実際の Treatment 割合が 50% よりも低いもしくは高いケースが見られることがあります。

解決とreset_index()について:

以下のように、reset_index() を使ってリサンプリング後のインデックスを初期化し、問題を解消します。

# リサンプリング後にインデックスをリセット
df_sample = df.sample(n=sample_size, replace=True, random_state=42).reset_index(drop=True)

# ランダムインデックスのシャッフル
shuffled_indices = np.random.permutation(df_sample.index)

# TreatmentとControlをランダムに分ける
df_sample['group'] = 0
df_sample.loc[shuffled_indices[:treatment_count], 'group'] = 1

# 再度割合を確認
treatment_actual = df_sample['group'].sum()
control_actual = sample_size - treatment_actual

print("\nリサンプリング後のデータフレーム(reset_index使用):")
print(df_sample)
print(f"\nTreatmentの予定割合: {treatment_ratio * 100:.1f}%")
print(f"実際のTreatment割合: {treatment_actual / sample_size * 100:.1f}%")

結果


reset_index()を使用した後の正しいデータフレーム

メリット

reset_index() を使うことで、リサンプリング後のデータフレームのインデックスが整理され、インデックス重複の影響を受けずに正しい割合でグループ分けが可能になります。この変更により、意図通りのTreatmentとControlの割り当てが実現します。

より一般的にreset_index()を使う場面

以下ではより一般的にreset_index()を使う必要がある場面を列挙しました。

1. リサンプリングやフィルタリング後にインデックスをリセットする

  • 理由: フィルタリングやリサンプリングを行うと、元のデータフレームのインデックスがそのまま残るため、インデックスが連続的ではなくなる。この状態ではスライスやループ処理で問題が発生することがあります。

2. リサンプリングやシャッフル後に連続したインデックスが必要な場合

  • 理由: データをリサンプリング(sample())やシャッフル(np.random.permutation)した後も、元のインデックスが保持されるため、その後のインデックス依存の処理が複雑になります。

3. グループ化操作後にフラットなデータフレームを作成する

  • 理由: groupby の集約後のデータフレームは通常、インデックスに集約キーが設定される。このままでは扱いにくい場合があるため、インデックスをリセットして通常のデータフレーム形式に戻します。

4. 結合後に新しいインデックスを設定したい場合

  • 理由: 複数のデータフレームを結合したときに、インデックスが重複していたり、連続していない場合があります。その際にインデックスをリセットすることで整理できます。

5. インデックスに意味を持たせたくない場合

  • 理由: 特定の処理では、インデックスが単なる順序番号として扱われるべき場合があります。この場合もリセットを行います。

まとめ

今回は実務で私が遭遇した課題を通して、reset_index()の使い方について学びました。reset_index()の活用により、データフレームのインデックスに関連する課題を簡単に解決できます。この知識は、特にリサンプリングやフィルタリングを頻繁に行うデータ分析の場面で役立つと思います!今後もデータサイエンス系のコードについて気づいたことを投稿していく予定なので、よろしくお願いします!

補足(サンプルコード)

より一般的にreset_index()を使う場面で提示した例の詳細なコードを以下に列挙します。

例: フィルタリング後のインデックスが連続していない場合

import pandas as pd

# サンプルデータ
data = {'A': [10, 20, 30, 40, 50], 'B': [5, 15, 25, 35, 45]}
df = pd.DataFrame(data)

# フィルタリング
filtered_df = df[df['A'] > 20]
print(filtered_df)
# 出力: インデックスが元のものを保持
#     A   B
# 2  30  25
# 3  40  35
# 4  50  45

# インデックスをリセット
filtered_df = filtered_df.reset_index(drop=True)
print(filtered_df)
# 出力: インデックスがリセットされる
#     A   B
# 0  30  25
# 1  40  35
# 2  50  45


例: サンプリング後に連続インデックスを設定

# サンプルデータ
df = pd.DataFrame({'A': range(10)})

# リサンプリング(置き換えあり)
sampled_df = df.sample(n=5, replace=True)
print(sampled_df)
# 出力: インデックスが元のデータのものを保持
#     A
# 4   4
# 6   6
# 2   2
# 7   7
# 4   4

# インデックスをリセット
sampled_df = sampled_df.reset_index(drop=True)
print(sampled_df)
# 出力: インデックスが0から振り直される
#     A
# 0   4
# 1   6
# 2   2
# 3   7
# 4   4

例: 集約後のデータをフラット化

# サンプルデータ
df = pd.DataFrame({'Category': ['A', 'A', 'B', 'B'], 'Value': [10, 20, 30, 40]})

# グループ化と集約
grouped = df.groupby('Category').sum()
print(grouped)
# 出力: Categoryがインデックスに
#           Value
# Category
# A            30
# B            70

# インデックスをリセット
grouped = grouped.reset_index()
print(grouped)
# 出力: Categoryがカラムに戻る
#   Category  Value
# 0        A     30
# 1        B     70

例: 結合後のインデックスを整理

# サンプルデータ
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3]})
df2 = pd.DataFrame({'A': [4, 5, 6]})

# データフレームを結合
combined_df = pd.concat([df1, df2])
print(combined_df)
# 出力: インデックスが重複する
#    A
# 0  1
# 1  2
# 2  3
# 0  4
# 1  5
# 2  6

# インデックスをリセット
combined_df = combined_df.reset_index(drop=True)
print(combined_df)
# 出力: インデックスがリセットされる
#    A
# 0  1
# 1  2
# 2  3
# 3  4
# 4  5
# 5  6

例: 分析用のシンプルなデータフレームを作成

# サンプルデータ
df = pd.DataFrame({'A': [10, 20, 30], 'B': [1, 2, 3]}, index=['x', 'y', 'z'])

print(df)
# 出力: インデックスに意味がある状態
#     A  B
# x  10  1
# y  20  2
# z  30  3

# インデックスをリセット
df = df.reset_index(drop=True)
print(df)
# 出力: インデックスが順序番号になる
#     A  B
# 0  10  1
# 1  20  2
# 2  30  3

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