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Pandas 学习

该笔记摘录自微信公众号“每天进步一点点2015”的文章《Python数据分析之pandas学习(一)》《Python数据分析之pandas学习(二)》。我对代码和讲解中不够清晰的地方进行了一些改动和补充。

有关pandas模块的学习与应用主要介绍以下8个部分:

  1. 数据结构简介:DataFrame和Series
  2. 数据索引index
  3. 利用pandas查询数据
  4. 利用pandas的DataFrames进行统计分析
  5. 利用pandas实现SQL操作
  6. 利用pandas进行缺失值的处理
  7. 利用pandas实现Excel的数据透视表功能
  8. 多层索引的使用

数据结构介绍

在pandas中有两类非常重要的数据结构,即序列Series和数据框DataFrame。Series类似于numpy中的一维数组,除了通吃一维数组可用的函数或方法,而且其可通过索引标签的方式获取数据,还具有索引的自动对齐功能;DataFrame类似于numpy中的二维数组,同样可以通用numpy数组的函数和方法,而且还具有其他灵活应用,后续会介绍到。

1、Series的创建

序列的创建主要有三种方式:

1)通过一维数组创建序列

In [1]: import numpy as np, pandas as pd
In [2]: arr1 = np.arange(10)
In [3]: arr1
Out[3]: array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
In [4]: type(arr1)
Out[4]: numpy.ndarray

返回的是数组类型。

In [5]: s1 = pd.Series(arr1)
In [6]: s1
Out[6]:
0    0
1    1
2    2
3    3
4    4
5    5
6    6
7    7
8    8
9    9
dtype: int32
In [7]: type(s1)
Out[7]: pandas.core.series.Series

返回的是序列类型。

2)通过字典的方式创建序列

这种情况下字典的key会被作为Series的索引。

In [8]: dic1 = {'a':10,'b':20,'c':30,'d':40,'e':50}
In [9]: dic1
Out[9]: {'a': 10, 'b': 20, 'c': 30, 'd': 40, 'e': 50}
In [10]: type(dic1)
Out[10]: dict

返回的是字典类型。

In [11]: s2 = pd.Series(dic1)
In [12]: s2
Out[12]:
a    10
b    20
c    30
d    40
e    50
dtype: int64
In [13]: type(s2)
Out[13]: pandas.core.series.Series

返回的是序列类型。

补充一点,使用数组创建序列也是可以自定义索引的,通过index关键字传入同值数组一样大小的数组即可:

>>> a = np.arange(1,6)
>>> b = np.arange(2,7)
>>> pd.Series(a, index=b)
2    1
3    2
4    3
5    4
6    5
dtype: int32

3)通过DataFrame中的某一行或某一列创建序列

这部分内容我们放在后面讲,接下来就开始讲一讲如何构造一个DataFrame。

2、DataFrame的创建

数据框的创建主要有三种方式:

1)通过二维数组创建数据框

In [14]: arr2 = np.arange(12).reshape(4,3)
In [15]: arr2
Out[15]:
array([[ 0,  1,  2],
[ 3,  4,  5],
[ 6,  7,  8],
[ 9, 10, 11]])
In [16]: type(arr2)
Out[16]: numpy.ndarray

返回的是数组类型。

In [17]: df1 = pd.DataFrame(arr2)
In [18]: df1
Out[18]:
   0   1   2
0  0   1   2
1  3   4   5
2  6   7   8
3  9  10  11
In [19]: type(df1)
Out[19]: pandas.core.frame.DataFrame

返回的数据框类型。

2)通过字典的方式创建数据框

以下以两种字典来创建数据框,一个是字典列表,一个是嵌套字典。

In [20]: dic2 = {'a':[1,2,3,4],'b':[5,6,7,8],
    ...:         'c':[9,10,11,12],'d':[13,14,15,16]}
In [21]: dic2
Out[21]:
{'a': [1, 2, 3, 4],
'b': [5, 6, 7, 8],
'c': [9, 10, 11, 12],
'd': [13, 14, 15, 16]}
In [22]: type(dic2)
Out[22]: dict

返回的是字典类型。

In [23]: df2 = pd.DataFrame(dic2)
In [24]: df2
Out[24]:
   a  b   c   d
0  1  5   9  13
1  2  6  10  14
2  3  7  11  15
3  4  8  12  16
In [25]: type(df2)
Out[25]: pandas.core.frame.DataFrame

返回的是数据框类型。

In [26]: dic3 = {'one':{'a':1,'b':2,'c':3,'d':4},
    ...:         'two':{'a':5,'b':6,'c':7,'d':8},
    ...:         'three':{'a':9,'b':10,'c':11,'d':12}}
In [27]: dic3
Out[27]:
{'one': {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3, 'd': 4},
'three': {'a': 9, 'b': 10, 'c': 11, 'd': 12},
'two': {'a': 5, 'b': 6, 'c': 7, 'd': 8}}
In [28]: type(dic3)
Out[28]: dict

返回的是字典类型。

In [29]: df3 = pd.DataFrame(dic3)
In [30]: df3
Out[30]:
    one  three  two
a    1      9    5
b    2     10    6
c    3     11    7
d    4     12    8
In [31]: type(df3)
Out[31]: pandas.core.frame.DataFrame

返回的是数据框类型。这里需要说明的是,如果使用嵌套字典创建数据框的话,嵌套字典的最外层键会形成数据框的列变量(columns),而内层键则会形成数据框的行索引(index)

同样补充一下,用数组来创建数据框的话也是可以通过columns关键字和index关键字分别指定列名和行索引的:

>>> a = np.arange(1,7).reshape(3,2)
>>> a
array([[1, 2],
       [3, 4],
       [5, 6]])
>>> pd.DataFrame(a, columns=['c1','c2'], index=['r1','r2','r3'])
    c1  c2
r1   1   2
r2   3   4
r3   5   6

3)通过数据框的方式创建数据框

可以取数据框的一部分构成新的数据框,索引的用法和numpy是一致的。

In [32]: df4 = df3[['one','three']]
In [33]: df4
Out[33]:
    one  three
a    1      9
b    2     10
c    3     11
d    4     12
In [34]: type(df4)
Out[34]: pandas.core.frame.DataFrame

返回的是数据框类型。

In [35]: s3 = df3['one']
In [36]: s3
Out[36]:
a    1
b    2
c    3
d    4
Name: one, dtype: int64
In [37]: type(s3)
Out[37]: pandas.core.series.Series

如果只选择数据框中的某一列/某一行,返回的就会是一个序列对象。

数据索引index

细致的朋友可能会发现一个现象,不论是序列也好,还是数据框也好,对象的最左边总有一个非原始数据对象,这个是什么呢?不错,就是我们接下来要介绍的索引。 在我看来,序列或数据框的索引有两大用处,一个是通过索引值或索引标签获取目标数据,另一个是通过索引,可以使序列或数据框的计算、操作实现自动化对齐,下面我们就来看看这两个功能的应用。

1、通过索引值或索引标签获取数据

In [38]: s4 = pd.Series(np.array([1,1,2,3,5,8]))
In [39]: s4
Out[39]:
0    1
1    1
2    2
3    3
4    5
5    8
dtype: int32

如果不给序列一个指定的索引值,则序列自动生成一个从0开始的自增索引。可以通过index查看序列的索引:

In [40]: s4.index
Out[40]: RangeIndex(start=0, stop=6, step=1)

现在我们为序列设定一个自定义的索引值:

In [41]: s4.index = ['a','b','c','d','e','f']
In [42]: s4
Out[42]:
a    1
b    1
c    2
d    3
e    5
f    8
dtype: int32

序列有了索引,就可以通过索引值或索引标签进行数据的获取:

In [43]: s4[3] # 获取序列的第4个元素
Out[43]: 3
In [44]: s4['e'] # 获取序列中索引为'e'的元素
Out[44]: 5
In [45]: s4[[1,3,5]] # 获取序列的第2,4,6个元素
Out[45]:
b    1
d    3
f    8
dtype: int32
In [46]: s4[['a','b','d','f']]
Out[46]:
a    1
b    1
d    3
f    8
dtype: int32
In [47]: s4[:4]
Out[47]:
a    1
b    1
c    2
d    3
dtype: int32
In [48]: s4['c':]
Out[48]:
c    2
d    3
e    5
f    8
dtype: int32
In [49]: s4['b':'e']
Out[49]:
b    1
c    2
d    3
e    5
dtype: int32

千万注意:如果通过索引标签获取数据的话,末端标签所对应的值是可以返回的(区间左右都是闭合的)!在一维数组中,就无法通过索引标签获取数据,这也是序列不同于一维数组的一个方面。

2、自动化对齐

如果有两个序列,需要对这两个序列进行算术运算,这时索引的存在就体现的它的价值了--自动化对齐。

In [50]: s5 = pd.Series(np.array([10,15,20,30,55,80]),
    ...:                index = ['a','b','c','d','e','f'])
In [51]: s5
Out[51]:
a    10
b    15
c    20
d    30
e    55
f    80
dtype: int32

In [52]: s6 = pd.Series(np.array([12,11,13,15,14,16]),
    ...:                index = ['a','c','g','b','d','f'])
In [53]: s6
Out[53]:
a    12
c    11
g    13
b    15
d    14
f    16
dtype: int32

In [54]: s5 + s6 # 这两个序列在创建时索引顺序是不同的,但计算时按照索引进行了对齐
Out[54]:
a    22.0
b    30.0
c    31.0
d    44.0
e     NaN
f    96.0
g     NaN
dtype: float64

In [55]: s5/s6
Out[55]:
a    0.833333
b    1.000000
c    1.818182
d    2.142857
e         NaN
f    5.000000
g         NaN
dtype: float64

由于s5中没有对应的g索引,s6中没有对应的e索引,所以数据的运算会产生两个缺失值NaN。注意,这里的算术结果就实现了两个序列索引的自动对齐,而非简单的将两个序列加总或相除。对于数据框的对齐,不仅仅是行索引的自动对齐,同时也会自动对齐列索引(变量名)

数据框中同样有索引,而且数据框是二维数组的推广,所以数据框不仅有行索引,而且还存在列索引,关于数据框中的索引相比于序列的应用要强大的多,这部分内容将放在下面的数据查询中讲解。

利用pandas查询数据

这里的查询数据相当于R语言里的subset功能,可以通过布尔索引有针对的选取原数据的子集、指定行、指定列等。我们先导入一个student数据集:

In [56]: student = pd.io.parsers.read_csv('C:\\Users\\admin\\Desktop\\student.csv')

查询数据的前5行或末尾5行:

In [57]: student.head()
Out[57]:
      Name Sex  Age  Height  Weight
0   Alfred   M   14    69.0   112.5
1    Alice   F   13    56.5    84.0
2  Barbara   F   13    65.3    98.0
3    Carol   F   14    62.8   102.5
4    Henry   M   14    63.5   102.5

In [58]: student.tail()
Out[58]:
       Name Sex  Age  Height  Weight
14   Philip   M   16    72.0   150.0
15   Robert   M   12    64.8   128.0
16   Ronald   M   15    67.0   133.0
17   Thomas   M   11    57.5    85.0
18  William   M   15    66.5   112.0

查询指定的行:

In [59]: student.ix[[0,2,4,5,7]] #这里的ix索引标签函数必须是中括号[]
Out[59]:
      Name Sex  Age  Height  Weight
0   Alfred   M   14    69.0   112.5
2  Barbara   F   13    65.3    98.0
4    Henry   M   14    63.5   102.5
5    James   M   12    57.3    83.0
7    Janet   F   15    62.5   112.5

查询指定的列:

In [60]: student[['Name','Height','Weight']].head()  #如果多个列的话,必须使用双重中括号
Out[60]:
      Name  Height  Weight
0   Alfred    69.0   112.5
1    Alice    56.5    84.0
2  Barbara    65.3    98.0
3    Carol    62.8   102.5
4    Henry    63.5   102.5

也可以通过ix索引标签查询指定的列:

In [61]: student.ix[:,['Name','Height','Weight']].head()
Out[61]:
      Name  Height  Weight
0   Alfred    69.0   112.5
1    Alice    56.5    84.0
2  Barbara    65.3    98.0
3    Carol    62.8   102.5
4    Henry    63.5   102.5

查询指定的行和列:

In [62]: student.ix[[0,2,4,5,7],['Name','Height','Weight']].head()
Out[62]:
      Name  Height  Weight
0   Alfred    69.0   112.5
2  Barbara    65.3    98.0
4    Henry    63.5   102.5
5    James    57.3    83.0
7    Janet    62.5   112.5

这里简单说明一下ix的用法df.ix[行索引,列索引]

  1. ix后面必须是中括号
  2. 多个行索引或列索引必须用中括号括起来
  3. 如果选择所有行索引或列索引,则用英文状态下的冒号:表示

以上是从行或列的角度查询数据的子集,现在我们来看看如何通过布尔索引实现数据的子集查询

查询所有女生的信息:

In [63]: student[student['Sex']=='F']
Out[63]:
       Name Sex  Age  Height  Weight
1     Alice   F   13    56.5    84.0
2   Barbara   F   13    65.3    98.0
3     Carol   F   14    62.8   102.5
6      Jane   F   12    59.8    84.5
7     Janet   F   15    62.5   112.5
10    Joyce   F   11    51.3    50.5
11     Judy   F   14    64.3    90.0
12   Louise   F   12    56.3    77.0
13     Mary   F   15    66.5   112.0

查询出所有12岁以上的女生信息:

In [64]: student[(student['Sex']=='F') & (student['Age']>12)]
Out[64]:
       Name Sex  Age  Height  Weight
1     Alice   F   13    56.5    84.0
2   Barbara   F   13    65.3    98.0
3     Carol   F   14    62.8   102.5
7     Janet   F   15    62.5   112.5
11     Judy   F   14    64.3    90.0
13     Mary   F   15    66.5   112.0

查询出所有12岁以上的女生姓名、身高和体重:

In [66]: student[(student['Sex']=='F') & (student['Age']>12)][['Name','Height','Weight']]
Out[66]:
       Name  Height  Weight
1     Alice    56.5    84.0
2   Barbara    65.3    98.0
3     Carol    62.8   102.5
7     Janet    62.5   112.5
11     Judy    64.3    90.0
13     Mary    66.5   112.0

上面的查询逻辑其实非常的简单,需要注意的是,如果是多个条件的查询,必须在&(且)或者|(或)的两端条件用括号括起来。

补充一下,除了使用在方括号索引内,布尔索引同样也能用于ix中作为行索引的部分:

>>> df
   0  1
a  1  2
b  3  4
c  0  0
>>> df[(df[0]==1) | (df[0]==3)]
   0  1
a  1  2
b  3  4
>>> df.ix[(df[0]==1) | (df[0]==3)]
   0  1
a  1  2
b  3  4
>>> df.ix[(df[0]==1) | (df[0]==3), 1::-1]
   1  0
a  2  1
b  4  3

统计分析

pandas模块为我们提供了非常多的描述性统计分析的指标函数,如总和、均值、最小值、最大值等,我们来具体看看这些函数:

首先随机生成三组数据

In [67]: np.random.seed(1234)
In [68]: d1 = pd.Series(2*np.random.normal(size = 100)+3)
In [69]: d2 = np.random.f(2,4,size = 100)
In [70]: d3 = np.random.randint(1,100,size = 100)

In [71]: d1.count()  #非空元素计算
Out[71]: 100
In [72]: d1.min()    #最小值
Out[72]: -4.1270333212494705
In [73]: d1.max()    #最大值
Out[73]: 7.7819210309260658
In [74]: d1.idxmin() #最小值的位置,类似于R中的which.min函数
Out[74]: 81
In [75]: d1.idxmax() #最大值的位置,类似于R中的which.max函数
Out[75]: 39
In [76]: d1.quantile(0.1)    #10%分位数
Out[76]: 0.68701846440699277
In [77]: d1.sum()    #求和
Out[77]: 307.0224566250874
In [78]: d1.mean()   #均值
Out[78]: 3.070224566250874
In [79]: d1.median() #中位数
Out[79]: 3.204555266776845
In [80]: d1.mode()   #众数
Out[80]: Series([], dtype: float64)
In [81]: d1.var()    #方差
Out[81]: 4.005609378535085
In [82]: d1.std()    #标准差
Out[82]: 2.0014018533355777
In [83]: d1.mad()    #平均绝对偏差
Out[83]: 1.5112880411556109
In [84]: d1.skew()   #偏度
Out[84]: -0.64947807604842933
In [85]: d1.kurt()   #峰度
Out[85]: 1.2201094052398012
In [86]: d1.describe()   #一次性输出多个描述性统计指标
Out[86]:
count    100.000000
mean       3.070225
std        2.001402
min       -4.127033
25%        2.040101
50%        3.204555
75%        4.434788
max        7.781921
dtype: float64

必须注意的是,describe方法只能针对序列或数据框,一维数组(numpy.ndarray)是没有这个方法的

这里自定义一个函数,将这些统计描述指标全部汇总到一起:

In [87]: def stats(x):
    ...:     return pd.Series([x.count(),x.min(),x.idxmin(),
    ...:                x.quantile(.25),x.median(),
    ...:                x.quantile(.75),x.mean(),
    ...:                x.max(),x.idxmax(),
    ...:                x.mad(),x.var(),
    ...:                x.std(),x.skew(),x.kurt()],
    ...:               index = ['Count','Min','Whicn_Min',
    ...:                        'Q1','Median','Q3','Mean',
    ...:                        'Max','Which_Max','Mad',
    ...:                        'Var','Std','Skew','Kurt'])

In [88]: stats(d1)
Out[88]:
Count        100.000000
Min           -4.127033
Whicn_Min     81.000000
Q1             2.040101
Median         3.204555
Q3             4.434788
Mean           3.070225
Max            7.781921
Which_Max     39.000000
Mad            1.511288
Var            4.005609
Std            2.001402
Skew          -0.649478
Kurt           1.220109
dtype: float64

在实际的工作中,我们可能需要处理的是一系列的数值型数据框,如何将这个函数应用到数据框中的每一列呢?可以使用apply函数,参数axis默认为0,将函数应用到数据框的每一列;设置为1时,则将函数应用到每一行。

将之前创建的d1,d2,d3数据构建数据框:

In [89]: df = pd.DataFrame(np.array([d1,d2,d3]).T,columns=['x1','x2','x3'])
In [90]: df.head()
Out[90]:
         x1        x2    x3
0  3.942870  1.369531  55.0
1  0.618049  0.943264  68.0
2  5.865414  0.590663  73.0
3  2.374696  0.206548  59.0
4  1.558823  0.223204  60.0

In [91]: df.apply(stats)
Out[91]:
                   x1          x2          x3
Count      100.000000  100.000000  100.000000
Min         -4.127033    0.014330    3.000000
Whicn_Min   81.000000   72.000000   76.000000
Q1           2.040101    0.249580   25.000000
Median       3.204555    1.000613   54.500000
Q3           4.434788    2.101581   73.000000
Mean         3.070225    2.028608   51.490000
Max          7.781921   18.791565   98.000000
Which_Max   39.000000   53.000000   96.000000
Mad          1.511288    1.922669   24.010800
Var          4.005609   10.206447  780.090808
Std          2.001402    3.194753   27.930106
Skew        -0.649478    3.326246   -0.118917
Kurt         1.220109   12.636286   -1.211579

非常完美,就这样很简单的创建了数值型数据的统计性描述。如果是离散型数据呢?就不能用这个统计口径了,我们需要统计离散变量的观测数、唯一值个数、众数水平及个数。你只需要使用describe方法就可以实现这样的统计了。

In [92]: student['Sex'].describe()
Out[92]:
count     19 # 有多少个样本
unique     2 # 唯一值个数
top        M # 众数
freq      10 # 众数出现的次数
Name: Sex, dtype: object

除以上的简单描述性统计之外,还提供了连续变量的相关系数(corr)和协方差矩阵(cov)的求解,这个跟R语言是一致的用法。

In [93]: df.corr() # 返回pair-wise相关系数,所以是一个对称矩阵
Out[93]:
          x1        x2        x3
x1  1.000000  0.136085  0.037185
x2  0.136085  1.000000 -0.005688
x3  0.037185 -0.005688  1.000000

关于相关系数的计算可以调用pearson方法或kendell方法或spearman方法,默认使用pearson方法。

In [94]: df.corr('spearman')
Out[94]:
         x1        x2        x3
x1  1.00000  0.178950  0.006590
x2  0.17895  1.000000 -0.033874
x3  0.00659 -0.033874  1.000000

如果只想关注某一个变量与其余变量的相关系数的话,可以使用corrwith,如下方只关心x1与其余变量的相关系数:

In [95]: df.corrwith(df['x1'])
Out[95]:
x1    1.000000
x2    0.136085
x3    0.037185
dtype: float64

数值型数据的协方差矩阵:

In [96]: df.cov()
Out[96]:
          x1         x2          x3
x1  4.005609   0.870124    2.078596
x2  0.870124  10.206447   -0.507512
x3  2.078596  -0.507512  780.090808

类似于SQL的操作

在SQL中常见的操作主要是增、删、改、查几个动作,那么pandas能否实现对数据的这几项操作呢?答案是Of Course!

增:添加新行或增加新列

In [99]: dic = {'Name':['LiuShunxiang','Zhangshan'],
    ...:        'Sex':['M','F'],'Age':[27,23],
    ...:        'Height':[165.7,167.2],'Weight':[61,63]}

In [100]: student2 = pd.DataFrame(dic)

In [101]: student2
Out[101]:
   Age  Height          Name Sex  Weight
0   27   165.7  LiuShunxiang   M      61
1   23   167.2     Zhangshan   F      63

现在将student2中的数据新增到student中,可以通过concat函数实现:

g1

注意到了吗?在数据库中union必须要求两张表的列顺序一致,而这里concat函数可以自动对齐两个数据框的变量(前面student数据框列的顺序是'Name Sex Age Height Weight',和student2定义的列顺序不同,但是合并时按列名进行了对齐)!

新增列的话,其实在pandas中就更简单了,例如在student2中新增一列学生成绩:

g2

对于新增的列没有赋值,就会出现空NaN的形式。

补充一下,也可以这样初始化并新增一列:

>>> df = pd.DataFrame({'a':[1,2],'b':[3,4]})
>>> df
   a  b
0  1  3
1  2  4
>>> df['c'] = 0
>>> df
   a  b  c
0  1  3  0
1  2  4  0

删:删除表、观测行或变量列

删除数据框student2,通过del命令实现,该命令可以删除Python的所有对象。

g3

删除指定的行

g4

原数据中的第1,2,4,7行的数据已经被删除了。

根据布尔索引删除行数据,其实这个删除就是保留删除条件的反面数据,例如删除所有14岁以下的学生:

g5

删除指定的列

g6

我们发现,不论是删除行还是删除列,都可以通过drop方法实现,只需要设定好删除的轴即可,即调整drop方法中的axis参数。默认该参数为0,表示删除行观测,如果需要删除列变量,则需设置为1

改:修改原始记录的值

如果发现表中的某些数据错误了,如何更改原来的值呢?我们试试结合布尔索引和赋值的方法:

例如发现student3中姓名为Liushunxiang的学生身高错了,应该是173,如何改呢?

g7

这样就可以把原来的身高修改为现在的170了。

看,关于索引的操作非常灵活、方便吧,就这样轻松搞定数据的更改。

有关数据查询部分,上面已经介绍过,下面重点讲讲聚合、排序和多表连接操作。

聚合

pandas模块中可以通过groupby()函数实现数据的聚合操作

根据性别分组,计算各组别中学生身高和体重的平均值:

g8

如果不对原始数据作限制的话,聚合函数会自动选择数值型数据进行聚合计算。如果不想对年龄计算平均值的话,就需要剔除改变量:

g9

groupby还可以使用多个分组变量,例如根本年龄和性别分组,计算身高与体重的平均值:

g10

当然,还可以对每个分组计算多个统计量

g11

是不是很简单,只需一句就能完成SQL中的SELECT...FROM...GROUP BY...功能,何乐而不为呢?

排序

排序在日常的统计分析中还是比较常见的操作,我们可以使用order、sort_index和sort_values实现序列和数据框的排序工作:

g12

我们再试试降序排序的设置:

g13

上面两个结果其实都是按值排序,并且结果中都给出了警告信息,即建议使用sort_values()函数进行按值排序

在数据框中一般都是按值排序,例如:

g14

多表连接

多表之间的连接也是非常常见的数据库操作,连接分内连接外连接,在数据库语言中通过join关键字实现,pandas我比较建议使用merge函数实现数据的各种连接操作。

如下是构造一张学生的成绩表:

g15

现在想把学生表student与学生成绩表score做一个关联,该如何操作呢?

g16

注意,默认情况下,merge函数实现的是两个表之间的内连接,即返回两张表中共同部分的数据。可以通过how参数设置连接的方式,left为左连接;right为右连接;outer为外连接。

g17

左连接实现的是保留student表中的所有信息,同时将score表的信息与之配对,能配多少配多少,对于没有配对上的Name,将会显示成绩为NaN

缺失值处理

现实生活中的数据是非常杂乱的,其中缺失值也是非常常见的,对于缺失值的存在可能会影响到后期的数据分析或挖掘工作,那么我们该如何处理这些缺失值呢?常用的有三大类方法,即删除法、填补法和插值法

删除法

当数据中的某个变量大部分值都是缺失值,可以考虑删除改变量(删除列)当缺失值是随机分布的,且缺失的数量并不是很多是,也可以删除这些缺失的观测(删除行)

替补法

对于连续型变量,如果变量的分布近似或就是正态分布的话,可以用均值替代那些缺失值;如果变量是有偏的,可以使用中位数来代替那些缺失值;对于离散型变量,我们一般用众数去替换那些存在缺失的观测

插补法

插补法是基于蒙特卡洛模拟法,结合线性模型、广义线性模型、决策树等方法计算出来的预测值替换缺失值


我们这里就介绍简单的删除法和替补法:

g18

这是一组含有缺失值的序列,我们可以结合sum函数和isnull函数来检测数据中含有多少缺失值

In [130]: sum(pd.isnull(s))
Out[130]: 9

直接删除缺失值

g19

默认情况下,dropna会删除任何含有缺失值的行,我们再构造一个数据框试试:

返回结果表明,数据中只要含有缺失值NaN,该数据行就会被删除,如果使用参数 how='all',则表明只删除所有行为缺失值的观测。

g20

补充一个对比例子:

>>> df  = pd.DataFrame({'x1':[0,1,None,3,None],'x2':[None,1,None,None,4],'x3':[0,None,None,3,4]})
>>> df
    x1   x2   x3
0  0.0  NaN  0.0
1  1.0  1.0  NaN
2  NaN  NaN  NaN
3  3.0  NaN  3.0
4  NaN  4.0  4.0

>>> df.dropna(how='all') # 只有全部列都为NaN的行被删掉
    x1   x2   x3
0  0.0  NaN  0.0
1  1.0  1.0  NaN
3  3.0  NaN  3.0
4  NaN  4.0  4.0

>>> df.dropna() # 只要有一列包含NaN就会删除掉
Empty DataFrame
Columns: [x1, x2, x3]
Index: []

再补充一下,如果是想删除列,直接用 DataFrame.drop(['列名1','列名2'], axis=1) 这个语句就可以了。

再补充一下,被别人问问题的时候发现了一个新手容易犯的错误,在初始化时,如果某一个值为空,也即想初始化为NaN,注意不是填'NaN',这样初始化的话,数据框中对应的元素就是一个字符串而不是空值,自然也就没法使用pandas库提供的缺失值处理函数了,正确的方法是初始化为None。

使用一个常量来填补缺失值

可以使用fillna函数实现简单的填补工作:

1)用0填补所有缺失值

g21

2)采用前项填充或后向填充

g22

补充,使用这种填充方法,如果第一行/最后一行出现缺失值,它们将不被填充。

3)使用常量填充不同的列

g23

4)用均值或中位数填充各自的列

g24

很显然,在使用填充法时,相对于常数填充或前项、后项填充,使用各列的众数、均值或中位数填充要更加合理一点,这也是工作中常用的一个快捷手段。

数据透视表

在Excel中有一个非常强大的功能就是数据透视表,通过托拉拽的方式可以迅速的查看数据的聚合情况,这里的聚合可以是计数、求和、均值、标准差等。

pandas为我们提供了非常强大的函数pivot_table(),该函数就是实现数据透视表功能的。对于上面所说的一些聚合函数,可以通过参数aggfunc设定。我们先看看这个函数的语法和参数吧:

pivot_table(data,values=None,
                   index=None,
                   columns=None,
                   aggfunc='mean',
                   fill_value=None,
                   margins=False,
                   dropna=True,
                   margins_name='All')
  • data:需要进行数据透视表操作的数据框
  • values:指定需要聚合的字段
  • index: 指定某些原始变量作为行索引
  • columns: 指定哪些离散的分组变量
  • aggfunc: 指定相应的聚合函数,默认为numpy.mean()
  • fill_value:使用一个常数替代缺失值,默认不替换
  • margins: 是否进行行或列的汇总,默认不汇总
  • dropna: 默认所有观测为缺失的列
  • margins_name:默认行汇总或列汇总的名称为'All'

我们仍然以student表为例,来认识一下数据透视表pivot_table函数的用法:

对一个分组变量(Sex),一个数值变量(Height)作统计汇总:

g25

对一个分组变量(Sex),两个数值变量(Height,Weight)作统计汇总:

g26

对两个分组变量(Sex,Age),两个数值变量(Height,Weight)作统计汇总:

g27

很显然这样的结果并不像Excel中预期的那样,该如何变成列联表的形式的?很简单,只需**将结果进行非堆叠操作(unstack)**即可:

g29

看,这样的结果是不是比上面那种看起来更舒服一点?

使用多个聚合函数

g30

有关更多数据透视表的操作,可参考《Pandas透视表(pivot_table)详解》一文。

多层索引的使用

最后我们再来讲讲pandas中的一个重要功能,那就是多层索引。在序列中它可以实现在一个轴上拥有多个索引,就类似于Excel中常见的这种形式:

g31

对于这样的数据格式有什么好处呢?pandas可以帮我们实现用低维度形式处理高维数数据,这里举个例子也许你就能明白了:

g32

对于这种多层次索引的序列,取数据就显得非常简单了:

g33

对于这种多层次索引的序列,我们还可以非常方便的将其转换为数据框的形式

g34

以上针对的是序列的多层次索引,数据框也同样有多层次的索引,而且每条轴上都可以有这样的索引,就类似于Excel中常见的这种形式:

g35

我们不妨构造一个类似的高维数据框:

g36

同样,数据框中的多层索引也可以非常便捷的取出大块数据:

g37

在数据框中使用多层索引,可以将整个数据集控制在二维表结构中,这对于数据重塑和基于分组的操作(如数据透视表的生成)比较有帮助。

就拿student二维数据框为例,我们构造一个多层索引数据集:

g38

讲到这里,我们关于pandas模块的学习基本完成,其实在掌握了pandas这8个主要的应用方法就可以灵活的解决很多工作中的数据处理、统计分析等任务。有关更多的pandas介绍,可参考pandas官方文档

此外,在Efficient_Pandas_Skills中收录了Pandas库使用的一些进阶技巧,也可以参考一下。