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Pandas入门

2023-11-09 16:41 由 Pennaa 发表于 #其他

Pandas

此文稍长，但是包括了pandas的基础入门使用以及一些进阶部分:时间序列，数据清洗预处理等操作，当然要学习了解更多细节和操作去翻阅Pandas官方的操作手册也是必不可少的。

基础部分

  1. 导入pandas import pandas as pd
  2. 查看版本信息 pd.__version__

Series数据类型

创建Series

  1. 从列表中创建Series: S = pd.Series(data=['1','2','3','4'],index=['a','b','c','d'],name='CreatedSeries')

  2. 从字典中创建：

    d = {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3, 'd': 4, 'e': 5}
s2 = pd.Series(d)

  3. 从Ndarrray创建

    import numpy as np
n = np.random.randn(5)
s3 = pd.Series(data=n)

Series基本操操作

  1. 修改索引:S.index=[...],Series.reindex([...])
  2. 纵向拼接:pd.concat([s1,s2])
  3. 按指定索引
    1. 删除:S.drop('a')
    2. 修改:S['d']=1或S.loc['d']=1
    3. 查找 :S.['d'] 或S.loc['d']
    4. 切片操作 S[:] 参考列表切片操作

Series运算

​ 按照索引进行计算，所以不同则为NaN空值，下面以S与自身运算为例

  • 四则运算如下：

    S.add(S)
S.sub(S)
S.mul(S)
S.div(S)

  • 求中位数、求和、最值：

    res6 = S.median() # 中位数
res7 = S.sum() # 求和
res8 = S.max() # 最大值
res9 = S.min() # 最小值

DataFrame数据类型

创建DataFrame

  1. 从Numpy数组创建：

    dates = pd.date_range('today', periods=6)  # 定义时间序列作为 index
num_arr = np.random.randn(6, 4)  # 传入 numpy 随机数组
column_name = ['A', 'B', 'C', 'D'] 
df1 = pd.DataFrame(data=num_arr,index=dates,columns=column_name)

  2. 通过数组字典创建：

    data = {'animal': ['cat', 'cat', 'snake', 'dog', 'dog', 'cat', 'snake', 'cat', 'dog', 'dog'],
        'age': [2.5, 3, 0.5, np.nan, 5, 2, 4.5, np.nan, 7, 3],
        'visits': [1, 3, 2, 3, 2, 3, 1, 1, 2, 1],
        'priority': ['yes', 'yes', 'no', 'yes', 'no', 'no', 'no', 'yes', 'no', 'no']}

labels = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j']
df2 = pd.DataFrame(data,index=labels)

  3. 查看DataFrame数据类型: df2.dtypes

DataFrame基本操作

  1. 了解陌生数据集结构(尤其是数据量大的数据)

    # 查看前5行
df2.head() # 可以通过传递整数参数来指定显示行数
# 查看后3行
df2.tail(3) # 默认显示后5行

  2. 查看索引：df1.index

  3. 查看列名：df2.columns

  4. 查看数值：df2.values

  5. 查看统计数据：df2.describe(include='all') # 默认只统计数值列数据，查看所有列就需要参数 include='all'

  6. 转置操作：df1.T

  7. 按列排序：df1.sort_values(by='A',ascending=False) #以A列的值降序排列

  8. 切片操作：df1[:6:2]

  9. 通过标签查询单列和多列

    df1['A'] # 查询A列
df1.A # 查询A列等价写法
df1[['A','B']] # 查询A列和B列

  10. 多条件查询

    df1[(df1['A']>0) & (df1['B']<0)]

  11. 按位置查询
    .loc[]方法用于根据标签名称索引,行和列对应的名称
    .iloc[]方法用于根据整数位置索引,行和列都是从0开始编号

    row = df1.iloc[1] # 按行位置查询
col = df1.iloc[:,2] # 按列位置查询
arr = df1.iloc[:5,:3] # 前五行前三列

  12. 副本拷贝：df3= df2.copy # 从df2生成DataFrame副本df3

  13. 判断元素是否为空：

    df2.isnull() # 判断整个df2元素是否为空值
df2['age'].isnull() # 判断df2中的age列元素是否为空值

  14. 添加列数据：

    num = pd.Series([0,1,2,3,4,5,6,7,8,9],index=df3.index) # 需要插入的列
df3['No.']=num # num插入到df3中命名为’No.‘

  15. 数据修改：

    1. 根据下标值：df2.iloc[2,1]=1 # 修改了第三行第二列的数据df2.iat[2,1]=1 # 等价与前一种
    2. 根据标签：df2.loc['a','age']=3 # 修改了名为'a’行，‘age'列的数据

  16. 求和、求平均值操作等

    df2.median()
df2['age'].sum()

  17. 字符串操作

    1. 大小写转换：

      string = pd.Series(['A', 'B', 'C', 'Aaba', 'Baca',np.nan, 'CABA', 'dog', 'cat'])
print(string)
string.str.lower() # 字符串转换为小写
string.str.upper() # 将字符串换为大写

    2. 分割字符串：

      import pandas as pd

# 创建一个包含字符串的Series
data = pd.Series(['apple,banana,cherry', 'date,fig'])
print(data)

# 使用.str.split()方法按逗号分割字符串
split_data = data.str.split(',')
print(split_data)

  18. 缺失值操作：

    1. 检测缺失值：isna()和notna()：这两个方法用于检测缺失值。isna()返回一个布尔值Series，指示每个元素是否为缺失值。notna()返回一个布尔值Series，指示每个元素是否不是缺失值

      data = pd.Series([1, 2, np.nan, None])
print(data.isna())
print(data.notna())

    2. 删除缺失值：dropna()：该方法用于删除包含缺失值的行或列。默认情况下，它会删除包含任何缺失值的行。可以使用axis参数指定删除的轴，axis=0表示删除行，axis=1表示删除列

      data = pd.DataFrame({'A': [1, 2, np.nan],
                     'B': [4, np.nan, 6],
                     'C': [np.nan, 8, 9]})
print(data)
cleaned_data = data.dropna()
print(cleaned_data)
cleaned_data_col = data.dropna(axis=1)
print(cleaned_data_col)

  19. 指定列对齐：

    # 创建两个示例DataFrame
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],
                    'B': [4, 5, 6]})
df2 = pd.DataFrame({'C': [7, 8, 9],
                    'D': [10, 11, 12]})

# 按'A'列对齐两个DataFrame
df1_aligned, df2_aligned = df1.align(df2, join='inner', axis=0, level=None, copy=False)

print(df1_aligned)
print(df2_aligned)

  20. 列名的重命名：

    import pandas as pd

# 创建示例数据帧
df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [4, 5, 6]})

# 定义新的列名列表
new_column_names = ['X', 'Y']

# 使用rename()函数重命名列
df = df.rename(columns=dict(zip(df.columns, new_column_names)))
print(df)

文件读取和写入操作

  1. 读取：pd.read_csv()、pd.read_excel()等方法对不同文件读取
  2. 写入：df.to_excel()、df.to_json()等方法进行写入,此处的df是一个DataFrame对象

进阶部分：

时间序列索引

  1. 建立一个以 2018 年每一天为索引，值为随机数的 Series：
import pandas as pd
import numpy as np

dti = pd.date_range(start='2018-01-01', end='2018-12-31', freq='D')
s = pd.Series(np.random.rand(len(dti)), index=dti)

  1. 统计每一个周三对应值的和：

    # 周一从 0 开始
s[s.index.weekday == 2].sum()

  2. 统计每个月的平均值：

    s.resample('M').mean()

    pandas中的resample()函数对时间序列数据进行重采样

  3. 时间转换：

    s = pd.date_range('today', periods=100, freq='S')

ts = pd.Series(np.random.randint(0, 500, len(s)), index=s)

sum1 = ts.resample('Min').sum()
sum2 = ts.resample('H').sum()
''' 注意使用sum()重采样聚合后 sum1与sum2值相等 '''

  4. 时间标准转换:

    s = pd.date_range('today', periods=1, freq='D')  # 获取当前时间
ts = pd.Series(np.random.randn(len(s)), s)  # 随机数值
ts_utc = ts.tz_localize('UTC')  # 转换为 UTC 时间
ts_utc.tz_convert('Asia/Shanghai') # 转换为上海时间

  5. 不同时间表示方式转换：

    rng = pd.date_range('1/1/2018', periods=5, freq='M')
ts = pd.Series(np.random.randn(len(rng)), index=rng)
print(ts)
ps = ts.to_period()
print(ps)
ps.to_timestamp()

Series 多重索引

  1. 创建多重索引：

    letters = ['A', 'B', 'C']
numbers = list(range(10))

mi = pd.MultiIndex.from_product([letters, numbers])  # 设置多重索引
s = pd.Series(np.random.rand(30), index=mi)  # 随机数

  2. 根据多重索引查询：

    # 查询索引为 1，3，6 的值
s.loc[:, [1, 3, 6]]

  3. 多重索引切片：

    s.loc[pd.IndexSlice[:'B', 5:]]

DataFrame多重索引

  1. 创建带有多重索引的DataFrame:

    frame = pd.DataFrame(np.arange(12).reshape(6, 2),
                     index=[list('AAABBB'), list('123123')],
                     columns=['hello', 'shiyanlou'])

  2. 多重索引设置列名称：

    frame.index.names = ['first', 'second']

  3. 多重索引分组求和：

    frame.groupby('firsr').sum

  4. 行列名称转换：

    print(frame)
frame.stack()

  5. 索引转换：

    frame.unstack()

  6. 条件查找：

    # 示例数据
data = {'animal': ['cat', 'cat', 'snake', 'dog', 'dog', 'cat', 'snake', 'cat', 'dog', 'dog'],
        'age': [2.5, 3, 0.5, np.nan, 5, 2, 4.5, np.nan, 7, 3],
        'visits': [1, 3, 2, 3, 2, 3, 1, 1, 2, 1],
        'priority': ['yes', 'yes', 'no', 'yes', 'no', 'no', 'no', 'yes', 'no', 'no']}

labels = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j']
df = pd.DataFrame(data, index=labels)
# 单个条件查询
df[df['age']>3]
# 多个条件查询
df[(df['animal'] == 'cat') & (df['age'] < 3)]

  7. 按关键字查询：

    df[df['animal'].isin(['cat','dog'])]

  8. 按标签及列名查询：

    df.loc[df.index[[3,4,8]],['animal','age']]

  9. 多条件排序：

 ```python
 # 字段`age`降序，`visits`升序来进行排序
 df.sort_values(by=['age','visits'], ascending=[False,True])
 ```

  1. 多值替换：对某一列数据使用map函数进行替换

    df['priority'].map({'yes':True, 'no':False})

  2. 分组求和：

    df.groupby('animal').sum()
df.groupby(['animal','age']).sum()

  3. 拼接多个DataFrame

    temp_df1 = pd.DataFrame(np.random.randn(5, 4))  # 生成由随机数组成的 DataFrame 1
temp_df2 = pd.DataFrame(np.random.randn(5, 4))  # 生成由随机数组成的 DataFrame 2
temp_df3 = pd.DataFrame(np.random.randn(5, 4))  # 生成由随机数组成的 DataFrame 3

print(temp_df1)
print(temp_df2)
print(temp_df3)

pieces = [temp_df1, temp_df2, temp_df3]
pd.concat(pieces)
# 等价于 pd.concat([temp_df1, temp_df2, temp_df3])

  4. 找出和最小的列：

    df = pd.DataFrame(np.random.random(size=(5, 10)), columns=list('abcdefghij'))
# idxmax(),idmin() 返回最大最小值的索引值
df.sum().idxmin()

  5. 每个元素减去每一行的平均值：

    df = pd.DataFrame(np.random.random(size=(5, 3)))
# 相当于复合运算
df.sub(df.mean(axis=1), axis=0)

  6. DataFrame分组，并得到每一组中最大三个数之和：

    df = pd.DataFrame({'A': list('aaabbcaabcccbbc'),
                   'B': [12, 345, 3, 1, 45, 14, 4, 52, 54, 23, 235, 21, 57, 3, 87]})
print(df)
df.groupby('A')['B'].nlargest(3).sum(level=0)

  7. DataFrame 分组，并得到每一组中最大三个数之和：

    df = pd.DataFrame({'A': list('aaabbcaabcccbbc'),
                   'B': [12, 345, 3, 1, 45, 14, 4, 52, 54, 23, 235, 21, 57, 3, 87]})
df.groupby('A')['B'].nlargest(3).sum(level=0)
df.nlargest(3,'B') # 获取df中B列值最大的前三行

透视表

当分析庞大的数据时，为了更好的发掘数据特征之间的关系，且不破坏原数据，就可以利用透视表 pivot_table 进行操作

  1. 透视表的创建：

    df = pd.DataFrame({'A': ['one', 'one', 'two', 'three'] * 3,
                   'B': ['A', 'B', 'C'] * 4,
                   'C': ['foo', 'foo', 'foo', 'bar', 'bar', 'bar'] * 2,
                   'D': np.random.randn(12),
                   'E': np.random.randn(12)})

pd.pivot_table(df, index=['A', 'B', 'C'])

  2. 按照指定列进行聚合：

    # 将以D列聚合，按照A,B列为索引进行聚合，聚合的方式为默认求平均值
pd.pivot_table(df, values=['D'], index=['A', 'B'])

  3. 透视表聚合方式定义：

    # 当 aggfunc 是一个函数列表时，将同时应用多个聚合函数，并返回一个具有多级列索引的数据框
pd.pivot_table(df, values=['D'], index=['A', 'B'], aggfunc=[np.sum, len])
# aggfunc=[np.sum, len] 表示要对值进行两个聚合操作，即求和和计数。np.sum 是一个函数，表示要计算每个组合

  4. 透视表利用额外列进行辅助分割：

    #`D` 列按照 `A,B` 列进行聚合时，若关心 `C` 列对 `D` 列的影响，可以加入 `columns` 值进行分析
pd.pivot_table(df, values=['D'], index=['A', 'B'],
               columns=['C'], aggfunc=np.sum)

  5. 透视表中对缺省值处理：

    # 在透视表中由于不同的聚合方式，相应缺少的组合将为缺省值，可以加入 `fill_value` 对缺省值处理
pd.pivot_table(df, values=['D'], index=['A', 'B'],
               columns=['C'], aggfunc=np.sum, fill_value=0)

绝对类型

在数据的形式上主要包括数量型和性质型，数量型表示着数据可数范围可变，而性质型表示范围已经确定不可改变，绝对型数据就是性质型数据的一种

  1. 绝对型数据定义：

    df = pd.DataFrame({"id": [1, 2, 3, 4, 5, 6], "raw_grade": [
                  'a', 'b', 'b', 'a', 'a', 'e']})
df["grade"] = df["raw_grade"].astype("category"

  2. 对绝对型数据重命名：

    df["grade"].cat.categories = ["very good", "good", "very bad"]

  3. 绝对型数据其他操作：

    # 排序
df.sort_values(by="grade")
# 分组
df.groupby("grade").size()

数据清洗&预处理

经常得到的数据不符合最终处理的数据要求，包括了缺省值以及坏的数据，需要我们对数据进行清洗

  1. 缺失值拟合

    df = pd.DataFrame({'From_To': ['LoNDon_paris', 'MAdrid_miLAN', 'londON_StockhOlm',
                               'Budapest_PaRis', 'Brussels_londOn'],
                   'FlightNumber': [10045, np.nan, 10065, np.nan, 10085],
                   'RecentDelays': [[23, 47], [], [24, 43, 87], [13], [67, 32]],
                   'Airline': ['KLM(!)', '<Air France> (12)', '(British Airways. )',
                               '12. Air France', '"Swiss Air"']})
# 对FlightNumber中缺失的数据进行线性填充，并让数据为int类型
df['FlightNumber'] = df['FlightNumber'].interpolate().astype(int)

  2. 数据列拆分

    # 将上一步生成的df中的From_To列通过split进行拆分为独立两列为新表
temp = df.From_To.str.split('_', expand=True)
temp.columns = ['From', 'To']

  3. 字符标准化

    # 对地名姓名进行标准化处理
temp['From'] = temp['From'].str.capitalize()
temp['To'] = temp['To'].str.capitalize()

  4. 删除坏数据加入整理好的数据

    # 将原来的From_to列删除，加入整理好的From和to列
df = df.drop('From_To', axis=1)
df = df.join(temp)
print(df)

  5. 去除多余字符

    df['Airline'] = df['Airline'].str.extract(
    '([a-zA-Z\s]+)', expand=False).str.strip()

  6. 格式规范：
    上面df中的RencentDelays中记录的方式为列表类型，但是列表的长度不一，后期处理分析会比较麻烦，此时将其拆开，去除列表中相同位置元素作为一列，若为空值用NaN代替

    delays = df['RecentDelays'].apply(pd.Series)

delays.columns = ['delay_{}'.format(n)
                  for n in range(1, len(delays.columns)+1)]

df = df.drop('RecentDelays', axis=1).join(delays)

  7. 信息区间划分：

    # 将grades按照是否大于60来划分
df = pd.DataFrame({'name': ['Alice', 'Bob', 'Candy', 'Dany', 'Ella',
                            'Frank', 'Grace', 'Jenny'],
                   'grades': [58, 83, 79, 65, 93, 45, 61, 88]})


def choice(x):
    if x > 60:
        return 1
    else:
        return 0


df.grades = pd.Series(map(lambda x: choice(x), df.grades))

  8. 数据区重复：

    df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 2, 3, 4, 5, 5, 5, 6, 7, 7]})
# 将A列中连续重复的数据清除
df.loc[df['A'].shift() != df['A']]

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