文|劉順祥

我們接著上次分享給大家的兩篇文章：和，繼續(xù)討論使用Python中的pandas模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分。在接下來(lái)的兩期pandas介紹中將學(xué)習(xí)到如下8塊內(nèi)容：
1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介：DataFrame和Series
2、數(shù)據(jù)索引index
3、利用pandas查詢(xún)數(shù)據(jù)
4、利用pandas的DataFrames進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析
5、利用pandas實(shí)現(xiàn)SQL操作
6、利用pandas進(jìn)行缺失值的處理
7、利用pandas實(shí)現(xiàn)Excel的數(shù)據(jù)透視表功能
8、多層索引的使用

一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹

在pandas中有兩類(lèi)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即序列Series和數(shù)據(jù)框DataFrame。Series類(lèi)似于numpy中的一維數(shù)組，除了通吃一維數(shù)組可用的函數(shù)或方法，而且其可通過(guò)索引標(biāo)簽的方式獲取數(shù)據(jù)，還具有索引的自動(dòng)對(duì)齊功能；DataFrame類(lèi)似于numpy中的二維數(shù)組，同樣可以通用numpy數(shù)組的函數(shù)和方法，而且還具有其他靈活應(yīng)用，后續(xù)會(huì)介紹到。

1、Series的創(chuàng)建

序列的創(chuàng)建主要有三種方式：

1）通過(guò)一維數(shù)組創(chuàng)建序列

1.import numpy as np, pandas as pd
2.arr1 = np.arange(10)
3.arr1
4.type(arr1)
5.
6.s1 = pd.Series(arr1)
7.s1
8.type(s1)

2）通過(guò)字典的方式創(chuàng)建序列

1.dic1 = {'a':10,'b':20,'c':30,'d':40,'e':50}
2.dic1
3.type(dic1)
4.
5.s2 = pd.Series(dic1)
6..s2
7.type(s2)

3）通過(guò)DataFrame中的某一行或某一列創(chuàng)建序列

這部分內(nèi)容我們放在后面講，因?yàn)橄旅婢烷_(kāi)始將DataFrame的創(chuàng)建。

2、DataFrame的創(chuàng)建

數(shù)據(jù)框的創(chuàng)建主要有三種方式：

1）通過(guò)二維數(shù)組創(chuàng)建數(shù)據(jù)框

1.arr2 = np.array(np.arange(12)).reshape(4,3)
2.arr2
3.type(arr2)
4.
5.df1 = pd.DataFrame(arr2)
6.df1
7.type(df1)

2）通過(guò)字典的方式創(chuàng)建數(shù)據(jù)框

以下以?xún)煞N字典來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)框，一個(gè)是字典列表，一個(gè)是嵌套字典。

1.dic2 = {'a':[1,2,3,4],'b':[5,6,7,8],
2.'c':[9,10,11,12],'d':[13,14,15,16]}
3.dic2
4.type(dic2)
5.
6.df2 = pd.DataFrame(dic2)
7.df2
8.type(df2)
9.
10.dic3 = {'one':{'a':1,'b':2,'c':3,'d':4},
11.'two':{'a':5,'b':6,'c':7,'d':8},
12.'three':{'a':9,'b':10,'c':11,'d':12}}
13.dic3
14.type(dic3)
15.
16.df3 = pd.DataFrame(dic3)
17.df3
18.type(df3)

3）通過(guò)數(shù)據(jù)框的方式創(chuàng)建數(shù)據(jù)框

1.df4 = df3[['one','three']]
2.df4
3.type(df4)
4.
5.s3 = df3['one']
6.s3
7.type(s3)

二、數(shù)據(jù)索引index

細(xì)致的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，不論是序列也好，還是數(shù)據(jù)框也好，對(duì)象的最左邊總有一個(gè)非原始數(shù)據(jù)對(duì)象，這個(gè)是什么呢？不錯(cuò)，就是我們接下來(lái)要介紹的索引。
 在我看來(lái)，序列或數(shù)據(jù)框的索引有兩大用處，一個(gè)是通過(guò)索引值或索引標(biāo)簽獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，另一個(gè)是通過(guò)索引，可以使序列或數(shù)據(jù)框的計(jì)算、操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化對(duì)齊，下面我們就來(lái)看看這兩個(gè)功能的應(yīng)用。

1、通過(guò)索引值或索引標(biāo)簽獲取數(shù)據(jù)

1.s4 = pd.Series(np.array([1,1,2,3,5,8]))
2.s4

如果不給序列一個(gè)指定的索引值，則序列自動(dòng)生成一個(gè)從0開(kāi)始的自增索引。可以通過(guò)index查看序列的索引：

 1.s4.index

現(xiàn)在我們?yōu)樾蛄性O(shè)定一個(gè)自定義的索引值：

1.s4.index = ['a','b','c','d','e','f']
2.s4

序列有了索引，就可以通過(guò)索引值或索引標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取：

1.s4[3]
2.s4['e']
3.s4[[1,3,5]]
4.s4[['a','b','d','f']]
5.s4[:4]
6.s4['c':]
7.s4['b':'e']

千萬(wàn)注意：如果通過(guò)索引標(biāo)簽獲取數(shù)據(jù)的話(huà)，末端標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的值是可以返回的！在一維數(shù)組中，就無(wú)法通過(guò)索引標(biāo)簽獲取數(shù)據(jù)，這也是序列不同于一維數(shù)組的一個(gè)方面。

2、自動(dòng)化對(duì)齊

如果有兩個(gè)序列，需要對(duì)這兩個(gè)序列進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，這時(shí)索引的存在就體現(xiàn)的它的價(jià)值了—自動(dòng)化對(duì)齊.

1.s5 = pd.Series(np.array([10,15,20,30,55,80]),
2.index = ['a','b','c','d','e','f'])
3.s5
4.s6 = pd.Series(np.array([12,11,13,15,14,16]),
5.index = ['a','c','g','b','d','f'])
6.s6
7.
8.s5 + s6
9.s5/s6

由于s5中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的g索引，s6中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的e索引，所以數(shù)據(jù)的運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)缺失值NaN。注意，這里的算術(shù)結(jié)果就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)序列索引的自動(dòng)對(duì)齊，而非簡(jiǎn)單的將兩個(gè)序列加總或相除。對(duì)于數(shù)據(jù)框的對(duì)齊，不僅僅是行索引的自動(dòng)對(duì)齊，同時(shí)也會(huì)自動(dòng)對(duì)齊列索引（變量名）

數(shù)據(jù)框中同樣有索引，而且數(shù)據(jù)框是二維數(shù)組的推廣，所以其不僅有行索引，而且還存在列索引，關(guān)于數(shù)據(jù)框中的索引相比于序列的應(yīng)用要強(qiáng)大的多，這部分內(nèi)容將放在數(shù)據(jù)查詢(xún)中講解。

三、利用pandas查詢(xún)數(shù)據(jù)

這里的查詢(xún)數(shù)據(jù)相當(dāng)于R語(yǔ)言里的subset功能，可以通過(guò)布爾索引有針對(duì)的選取原數(shù)據(jù)的子集、指定行、指定列等。我們先導(dǎo)入一個(gè)student數(shù)據(jù)集：

1.student = pd.io.parsers.read_csv('C:\\Users\\admin\\Desktop\\student.csv')

查詢(xún)數(shù)據(jù)的前5行或末尾5行

1.student.head()
2.student.tail()

查詢(xún)指定的行

 1.student.ix[[0,2,4,5,7]] #這里的ix索引標(biāo)簽函數(shù)必須是中括號(hào)[]

查詢(xún)指定的列

1.student[['Name','Height','Weight']].head() #如果多個(gè)列的話(huà)，必須使用雙重中括號(hào)

也可以通過(guò)ix索引標(biāo)簽查詢(xún)指定的列

1.student.ix[:,['Name','Height','Weight']].head()

查詢(xún)指定的行和列

1.student.ix[[0,2,4,5,7],['Name','Height','Weight']].head()

以上是從行或列的角度查詢(xún)數(shù)據(jù)的子集，現(xiàn)在我們來(lái)看看如何通過(guò)布爾索引實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的子集查詢(xún)。
查詢(xún)所有女生的信息

1.student[student['Sex']=='F']

查詢(xún)出所有12歲以上的女生信息

1.student[(student['Sex']=='F') & (student['Age']>12)]

查詢(xún)出所有12歲以上的女生姓名、身高和體重

1.student[(student['Sex']=='F') & (student['Age']>12)][['Name','Height','Weight']]

上面的查詢(xún)邏輯其實(shí)非常的簡(jiǎn)單，需要注意的是，如果是多個(gè)條件的查詢(xún)，必須在&（且）或者|（或）的兩端條件用括號(hào)括起來(lái)。

四、統(tǒng)計(jì)分析

pandas模塊為我們提供了非常多的描述性統(tǒng)計(jì)分析的指標(biāo)函數(shù)，如總和、均值、最小值、最大值等，我們來(lái)具體看看這些函數(shù)：
首先隨機(jī)生成三組數(shù)據(jù)

1.np.random.seed(1234)
2.d1 = pd.Series(2*np.random.normal(size = 100)+3)
3.d2 = np.random.f(2,4,size = 100)
4.d3 = np.random.randint(1,100,size = 100)
5.
6.d1.count() #非空元素計(jì)算
7.d1.min() #最小值
8.d1.max() #最大值
9.d1.idxmin() #最小值的位置，類(lèi)似于R中的which.min函數(shù)
10.d1.idxmax() #最大值的位置，類(lèi)似于R中的which.max函數(shù)
11.d1.quantile(0.1) #10%分位數(shù)
12.d1.sum() #求和
13.d1.mean() #均值
14.d1.median() #中位數(shù)
15.d1.mode() #眾數(shù)
16.d1.var() #方差
17.d1.std() #標(biāo)準(zhǔn)差
18.d1.mad() #平均絕對(duì)偏差
19.d1.skew() #偏度
20.d1.kurt() #峰度
21.d1.describe() #一次性輸出多個(gè)描述性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

必須注意的是，descirbe方法只能針對(duì)序列或數(shù)據(jù)框，一維數(shù)組是沒(méi)有這個(gè)方法的

這里自定義一個(gè)函數(shù)，將這些統(tǒng)計(jì)描述指標(biāo)全部匯總到一起:

1.def stats(x):
2.return pd.Series([x.count(),x.min(),x.idxmin(),
3.x.quantile(.25),x.median(),
4.x.quantile(.75),x.mean(),
5.x.max(),x.idxmax(),
6.x.mad(),x.var(),
7.x.std(),x.skew(),x.kurt()],
8.index = ['Count','Min','Whicn_Min',
9.'Q1','Median','Q3','Mean',
10.'Max','Which_Max','Mad',
11.'Var','Std','Skew','Kurt'])
12.stats(d1)

在實(shí)際的工作中，我們可能需要處理的是一系列的數(shù)值型數(shù)據(jù)框，如何將這個(gè)函數(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)框中的每一列呢？可以使用apply函數(shù)，這個(gè)非常類(lèi)似于R中的apply的應(yīng)用方法。
將之前創(chuàng)建的d1,d2,d3數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)框:

1.df = pd.DataFrame(np.array([d1,d2,d3]).T,columns=['x1','x2','x3'])
2.df.head()
3.df.apply(stats)

非常完美，就這樣很簡(jiǎn)單的創(chuàng)建了數(shù)值型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性描述。如果是離散型數(shù)據(jù)呢？就不能用這個(gè)統(tǒng)計(jì)口徑了，我們需要統(tǒng)計(jì)離散變量的觀測(cè)數(shù)、唯一值個(gè)數(shù)、眾數(shù)水平及個(gè)數(shù)。你只需要使用describe方法就可以實(shí)現(xiàn)這樣的統(tǒng)計(jì)了。

1.student['Sex'].describe()

除以上的簡(jiǎn)單描述性統(tǒng)計(jì)之外，還提供了連續(xù)變量的相關(guān)系數(shù)（corr）和協(xié)方差矩陣（cov）的求解，這個(gè)跟R語(yǔ)言是一致的用法。

1.df.corr()

關(guān)于相關(guān)系數(shù)的計(jì)算可以調(diào)用pearson方法或kendell方法或spearman方法，默認(rèn)使用pearson方法。

1.df.corr('spearman')

如果只想關(guān)注某一個(gè)變量與其余變量的相關(guān)系數(shù)的話(huà)，可以使用corrwith,如下方只關(guān)心x1與其余變量的相關(guān)系數(shù):

1.df.corrwith(df['x1'])

數(shù)值型變量間的協(xié)方差矩陣

1.df.cov()

今天就介紹到這里，在下一期中我們繼續(xù)剩余部分的介紹和講解。