Organiser des données avec tidyr

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Introduction

Tidyr est un paquet de R faisant partie de l'écosystème Tidyverse qui permet d'organiser des données afin de faciliter la manipulation, la visualisation, ou la modélisation. Dans cet article, le terme organisation des données est une traduction limitative du correspondant tidy en anglais. Par organisation il faut en effet entendre plus en général les différentes actions qui permettent de préparer un ou plusieurs jeu de données : nettoyer les données, structurer les variables/colonnes, exclure les données manquantes, etc.

Cette page intègre des éléments techniques du fonctionnement du paquet tidyr avec des éléments théoriques et pratiques sur les principes du tidy data (Wickham, 2014) selon une perspective liée au parcours pensée computationnelle avec R.

Note sur la version

Cette page se réfère à la version 1.1.x de Tidyr (voir versionnage sémantique). Les informations contenus abordent cependant des principes fondamentaux du tidy data et devraient par conséquent rester valides pour des versions successives.

Prérequis

L'article nécessite de connaissances de base de R, notamment au niveau des structures de données de type data.frame ou tibble (i.e. organisées en lignes et colonnes). La lecture préalable de l'article Introduction à Tidyverse est également recommandée.

Installation et chargement

tidyr est l'un des paquets qui composent l'écosystème Tidyverse. Il peut donc être installé deux deux manières :

• Paquet individuel
• Paquet global Tidyverse

Paquet tidyr individuel

Pour installer seulement le paquet tidyr, la commande est la suivante :

# Installation individuelle
install.packages("tidyr")

Pour utiliser le paquet il faudra à ce moment le charger :

library(tidyr)

Paquet global Tidyverse

Si vous installez le paquet global Tidyverse, tidyrest installé automatiquement.

# Installation de Tidyverse
install.packages("tidyverse")

L'installation de l'écosystème Tidyverse est conseillée, car tidyr peut s'intégrer facilement avec d'autres paquets de l'écosystème Tidyverse comme dplyr pour manipuer des données ou ggplot2 pour les visualiser.

Pour utiliser le paquet vous pouvez à ce moment choisir si :

• Charger seulement tidyr

  library(tidyr)
  

• Charger tous les paquets de Tidyverse

  library(tidyverse)
  

Voir Introduction à Tidyverse pour plus de détails.

Structures des données et Tidy data

Dans l'introduction à Tidyverse, les principes à la base du concept de tidy data (Wickham, 2014) ont déjà été abordés de manière conceptuelle. Dans cette section, les données tidy sont abordées, de manière plus pragmatique, en fonction de différentes structures de données possibles et aux avantages de pouvoir passer entre structures.

Organisation de données tidy

De manière très concrète, un jeu de données tidy est basé sur trois principes :

1. Chaque colonne représente une variable. En général, une variable est l'opérationalisation d'un concept, c'est-à-dire une représentation quantifiable ou qualifiable d'un concept théorique.
2. Chaque ligne représente une observation. En général, une observation se compose de plusieurs variables qui partagent un élément commun, par exemple le même participant.
3. Chaque cellule - résultant du croisement entre colonnes et lignes - représente une et une seule valeur, c'est-à-dire la quantité ou qualité de la variable/colonne pour l'observation/ligne données.

Selon Wickham (ibid), toute autre organisation de données corresponde à messy data, c'est-à-dire le contraire du tidy. Plusieurs exemples de jeu de données qui ne sont pas tidy, mais qui sont assez fréquents en data science, sont disponibles dans la page Tidy data de la documentation officielle du paquet.

Situations qui nécessitent l'organisation des données

Les principes du tidy data sont assez simple à la base, mais il arrive souvent que des jeux de données ne les respectent pas pour différentes raisons, par exemple :

• Le jeu de données est mis à disposition par d'autres entités qui ont un système de gestion de données non-tidy
• Les données sont extraites depuis un outil (e.g. Qualtrics ou Limesurvey) qui aplatit toutes les données indépendamment de la structure sémantique
• Les données sont extraite de manière automatisée ou semi-automatisée et peuvent donc avoir une structure qui n'est pas très bien définie au départ (e.g. avec du web scraping, notamment du web scraping avec R)
• Les donnés sont distribuées dans plusieurs outils ou modalités de récolte différentes, avec des structures de données différentes
• On se rend compte à posteriori qu'une meilleure manière de structurer les données (e.g. pour les partager avec d'autres chercheurs) est possible et utile
• Certaines fonctions de R nécessitent d'un format de données spécifique (voir format large et format long plus bas dans la page)

Depuis ces exemples, on peut extrapoler deux typologies de situations qui nécessitent d'une (ré)organisation des données :

1. Sémantique : les données sont pensées ou récoltées d'une manière qui n'est pas optimale
2. Pragmatique : dans des phases successives à l'importation et l'organisation, par exemple dans la visualisation, la modélisation, ou la communication des résultats, des mécanismes internes à R nécessitent d'un format spécifique des données

Avantages d'utiliser tidyr pour organiser les données

Utiliser un langage de programmation pour le traitement des données permet déjà à la base de :

• Maintenir les données originales et agir sur des références symboliques aux données, sans donc modifier les données originales ;
• Garder trace de toutes les manipulations effectuées afin de pouvoir créer ou récréer le même flux au besoin ;
• Stocker les mêmes données dans des formats alternatifs, sans dupliquer la source primaire des données (e.g. le fichier avec les données) ;

tidyr met à disposition des mécanismes flexibles qui permettent d'organiser ou ré-organiser des jeux des données à travers des manipulations sémantiques adaptées à la philosophie tidy data.

Différents formats de données

Même en respectant les principes tidy, il existe plusieurs manière pour organiser le même jeu de données. Cette section propose une catégorisation basée sur deux types de formats qui peuvent se combiner :

1. Format à plat ou emboîté
2. Format large ou long

tidyr propose des fonctions qui permettent une grande flexibilité pour passer entre les différents formats et le reste de l'article sera organisé avec des exemples qui se réfèrent, entre autre, aux passages entre ces formats que nous présentons donc d'abord de manière conceptuelle et succincte.

Format à plat ou emboîté

Un format à plat correspond au format classique, souvent appelé tabulaire ou rectangulaire, des jeux de données qu'on peut notamment trouver dans les applications de type spreadsheet (Excel et équivalent). Structurellement, ces jeux de données ne sont pas forcément dans le format tidy, mais sont en général plus simple à visualiser et à manipuler, car ils maintiennent les deux dimensions classiques des colonnes et lignes, qu'on peut donc transformer respectivement en variables et observations.

Un format emboîté, ou nested en anglais, au contraire, organise les données sur plusieurs niveaux, comme par exemple dans les structures de type liste en r, dans le format JSON, ou encore dans une base de données NoSQL. Ce format est, d'une part, plus difficile à visualiser et manipuler ; mais de l'autre, permet parfois plus de flexibilité et de puissance. Cependant, la plupart des fonctions disponibles en R fonctionnemnt avec des structures rectangulaires, donc à plat, et il arrive donc assez souvent de devoir aplatir une structure emboîtée afin de pouvoir la visualiser, modéliser, ou afficher dans un document. Le processus inverse est également possible, ce qui permet notamment l'automatisation de certains processus sur des larges données, mais en général il s'agit de passages plus complexes qui dépassent le niveau introductif de cet article.

Format large ou long

La distinction entre format large et format long est métaphoriquement simple à saisir, mais conceptuellement plus compliquée. Il s'agit en effet de deux manières différents de penser aux données. La distinction s'applique également aux données à plat ou emboîtées, mais la distinction est souvent plus importante dans les données rectangulaires (à plat).

Dans l'introduction à Tidyverse, cette distinction à été montrée avec un jeu de données complet que ce soit en format large ou en format long. Ici nous montrons un cas différent, qui est assez fréquent avec les données, c'est-à-dire dans lequel il n'y a pas des données pour toutes les combinaisons entre variables/colonnes et observations/lignes. Le jeu de données suivant affiche les notes obtenus par 10 étudiant-es à trois cours différents (mathématique, histoire et français), où chaque étudiant-e n'a suivi qu'un seul cours (e.g. un cours à option entre les trois).

Dans le format large, ou chaque cours représente une variable/colonne, donc, il existe plusieurs données manquantes (représentée par NA en R) :

etu	math	fran	hist
Etu1	4.75	NA	NA
Etu2	NA	5.75	NA
Etu3	4.00	NA	NA
Etu4	5.25	NA	NA
Etu5	NA	3.25	NA
Etu6	NA	NA	3.25
Etu7	NA	5.00	NA
Etu8	5.75	NA	NA
Etu9	NA	3.25	NA
Etu10	4.25	NA	NA

Avec les mêmes données en format long, les trois observations/colonnes de chaque matière sont condensées dans une variable cours, et par conséquent chaque observation affiche l'étudiant-e, le cours spécifique, et la note obtenue :

etu	cours	note
Etu1	math	4.75
Etu2	fran	5.75
Etu3	math	4.00
Etu4	math	5.25
Etu5	fran	3.25
Etu6	hist	3.25
Etu7	fran	5.00
Etu8	math	5.75
Etu9	fran	3.25
Etu10	math	4.25

Les deux formats ont avantages et désavantages, surtout dans des contextes plus complexes par rapport au simple exemple illustrés ici. Indépendamment de la qualité intrinsèque de la structure, de plus, au niveau pragmatique il y a des fonctions de R qui requièrent, ou sont plus adaptées, avec l'un ou l'autre format. Donc la possibilité de passer de l'un à l'autre peut se révéler une nécessite et pas seulement une question de structuration optimale.

Organisation des données à plat

Les données à plat (aussi appelées rectangulaires ou tabulaires) représentent à présent le format le plus fréquent en sciences sociales, grâce à une organisation en ligne et colonnes qui est assez intuitive à la fois pour la visualisation et la modification de jeux de données de petite/moyenne taille.

Cette section propose une série d'exemple d'instructions pour améliorer la structure de données à plat, ou pour passer entre les formats large et long décrits plus haut dans l'article. Les exemples utilisent parfois des jeux de données qui sont disponibles directement dans le paquet tidyr.

Écarter les données manquantes

Une opération très fréquente dans l'organisation des données consiste à écarter les données manquantes. On utilise ici le terme écarter plutôt que supprimer, car les données manquantes peuvent souvent apporter de l'information qui est importante à retenir. Si, par exemple, dans un questionnaire/échelle qui nécessite les réponses à toutes les questions pour calculer une sorte d'indice agrégé, la plupart des participant-es ne répondent pas à la quatrième question, il y a probablement un problème avec cet item. Supprimer tout simplement les données manquantes véhicule une image irréversible. Au contraire, on peut les écarter de manière instrumentale au type d'analyse qu'on veut mener (e.g. utiliser l'indice agrégé), mais les maintenir quand même dans les données originales pour d'autres analyses ou juste pour rappel intrinsèque dans les données de la problématique avec l'item.

tidyr met à disposition plusieurs fonctions pour traiter des données manquantes. Nous verrons ici seulement les suivantes :

• drop_na() qui permet d'écarter les observations/lignes qui ont des valeurs manquantes
• replace_na() qui permet de substituer les valeurs NA de R avec des alternatives

drop_na()

La fonction drop_na() permet d'écarter des données manquantes selon des critères de sélection. L'exemple suivant illustre le fonctionnement de cette fonction.

Créons d'abord un petit jeu de données qui représente les résultats d'un test qui se compose de trois questions auxquelles les participant-es peuvent répondre "Oui" ou "Non". Le jeu de données propose également un identifiant du participant et l'âge. Pour créer ce jeu de données, nous utilisons la fonction tribble() de Tidyverse qui permet de créer des jeux de données par lignes plutôt que par colonnes (avec tibble() :

results_test <- tribble(
  ~participant, ~age, ~item1, ~item2, ~item3,
  "P1", 35, "Oui", "Non", "Oui",
  "P2", NA, "Oui", "Oui", "Oui",
  "P3", 22, "Non", "Non", NA,
  "P4", 27, "Oui", NA, "Non",
  "P5", NA, "Non", "Non", "Oui"
)

Pour faciliter la visualisation, voici les données dans une table Mediawiki :

participant	age	item1	item2	item3
P1	35	Oui	Non	Oui
P2	NA	Oui	Oui	Oui
P3	22	Non	Non	NA
P4	27	Oui	NA	Non
P5	NA	Non	Non	Oui

On peut utiliser la fonction drop_na(), sans aucun argument, pour écarter les observations qui présente au moins une valeur manquante dans toutes les variables du jeu de données :

results_test %>%
  drop_na()

Cette instruction résulte dans un jeu de données qui se limite à une seule observation, celle du participant "P1", le seule à avoir répondu aux trois items et fourni son âge.

Cependant, les valeurs manquantes n'ont souvent pas toutes le même poids. Dans cet exemple, notamment, certains participants ont répondu aux items, mais n'ont pas fourni leur âge : une information qui peut-être considérée moins importante par les chercheurs. Par conséquent, on peut passer à la fonction drop_na() des critères de sélection des variables en argument, comme dans l'exemple suivant :

results_test %>% 
  drop_na(item1:item3)

La notation item1:item3 équivaut à sélectionner toutes les variables/colonnes qui se trouvent entre item1 et item3, qui sont comprises dans la sélection. Dans cet exemple, il s'agit donc des variables item1, item2, et item3. Avec ce critère de sélection plus permissif, on peut retenir les observations des participants "P1", "P2" et "P5". On peut notamment utiliser une nouvelle référence symbolique pour ensuite agir seulement sur ces observations considérées complètes aux finalités des chercheurs :

complete_test <- results_test %>% 
  drop_na(item1:item3)

Les critères de sélection des variables/colonnes sont communs à plusieurs paquets de Tidyverse et sont traités de manière plus approfondie dans l'article de ce wiki sur le paquet dplyr:

• Manipuler des données avec dplyr