目录

  • 1 DataFrame
    • 1.1 构造dataframe 利用DataFrame函数
    • 1.2 常用操作(设置索引)
    • 1.3 MultiIndex与Panel
    • 1.4 Series
  • 2 基本数据操作
    • 2.1 索引操作
    • 2.2 赋值操作
    • 2.3 排序
    • 2.4 数学运算 布尔值索引
    • 2.5 统计运算
  • 3 画图
    • 3.1 pandas.DataFrame.plot
  • 4 文件读取写入
    • 4.1 CSV文件
    • 4.2 HDF5文件
    • 4.3 JSON文件
  • 5 高级处理
    • 5.1 缺失值(标记值)处理
    • 5.2 离散化
    • 5.3 合并
    • 5.4交叉表与透视表
    • 5.6 分组与聚合
  • 6 案例

1 DataFrame

  • Pandas=panel+data+analysis
  • 专门用于数据挖掘的开源Python库
  • 以Numpy为基础,借力Numpy模块在计算方面性能高的优势
  • 基于matplotlib,能够简便的画图
  • 独特的数据结构
  • 便捷的数据处理能力
  • 读取文件方便
  • 封装了Matplotlib、Numpy的画图和计算

核心数据结构

  • DataFrame (是series的容器,一般二维)
  • Panel(是dataframe的容器,三维)
  • Series(一维)

1.1 构造dataframe 利用DataFrame函数

  • 索引:行索引-index,横向索引;列索引-columns,纵向索引
  • 值:values,利用values即可直接获得去除索引的数据(数组)
  • shape:表明形状 (形状不含索引的行列)
  • T:行列转置

DataFrame是一个既有行索引又有列索引的二维数据结构

import numpy as np
import pandas as pd
a=np.ones((2,3))
b=pd.DataFrame(a)
print(a)
print(b)

如图,生成的打他frame是一个二维表,由于没有指定索引,因此默认行列索引为数字序号

1.2 常用操作(设置索引)

  1. 获取局部展示
   b.head()#默认展示前5行,可在head()加入数字,展示前几行b.tail()#默认展示后5行,可在tail()加入数字,展示后几行
  1. 获取索引和值
import  numpy as np# 创建一个符合正态分布的10个股票5天的涨跌幅数据
stock_change = np.random.normal(0, 1, (10, 5))
pd.DataFrame(stock_change)
#设置行列索引
stock = ["股票{}".format(i) for i in range(10)]
date = pd.date_range(start="20200101", periods=5, freq="B")#这个是pandas中设置日期的
# 添加行列索引
data = pd.DataFrame(stock_change, index=stock, columns=date)
print(data)

  1. 设置行列索引
# 创建一个符合正态分布的10个股票5天的涨跌幅数据
stock_change = np.random.normal(0, 1, (10, 5))
pd.DataFrame(stock_change)
#设置行列索引
stock = ["股票{}".format(i) for i in range(10)]
date = pd.date_range(start="20200101", periods=5, freq="B")#这个是pandas中设置日期的
# 添加行列索引
data = pd.DataFrame(stock_change, index=stock, columns=date)
print(data)

  1. 修改索引

    #不能单独修改行列总某一个索引的值,可以替换整行或整列   例:b.index[2]='股票1'  错误
    data.index=新行索引
    #重设索引
    data.reset_index(drop=False)
    #drop参数默认为False,表示将原来的索引替换掉,换新索引为数字递增,原来的索引将变为数据的一部分。True表示,将原来的索引删除,更换为数字递增。如下图
    
# 设置新索引
df = pd.DataFrame({'month': [1, 4, 7, 10],'year': [2012, 2014, 2013, 2014],'sale':[55, 40, 84, 31]})
# 以月份设置新的索引
df.set_index("month", drop=True)
#见下图,即将原本数据中的一列拿出来作为index
new_df = df.set_index(["year", "month"])# 设置多个索引,以年和月份   多个索引其实就是MultiIndex

可以看到下面的new_df已经是multiIndex类型数据了。

有三级:index index.names index.levels

分别看各自的输出

1.3 MultiIndex与Panel

MultiIndex:多级或分层索引对象

Panel

pandas.Panel(data=None,items=None,major_axis=None,minor_axis=None,copy=False,dtype=None)

存储3维数组的Panel结构

  • items - axis 0,每个项目对应于内部包含的数据帧(DataFrame)。
  • major_axis - axis 1,它是每个数据帧(DataFrame)的索引(行)。
  • minor_axis - axis 2,它是每个数据帧(DataFrame)的列。
p = pd.Panel(np.arange(24).reshape(4,3,2),items=list('ABCD'),major_axis=pd.date_range('20130101', periods=3),minor_axis=['first', 'second'])
p["A"]
p.major_xs("2013-01-01")
p.minor_xs("first")
###由于panel是三维数据,因此只能从某一个维度切入,可以理解为从立方体中抽出一个平面(dataframe)观察,则上面三行代码结果如下图;而series则是相当于从平面(dataframe)中抽出一行或一列来观察

Pandas从版本0.20.0开始弃用,推荐的用于表示3D数据的方法是DataFrame上的MultiIndex方法

1.4 Series

带索引的一维数组

  • index
  • values
# 创建
pd.Series(np.arange(3, 9, 2), index=["a", "b", "c"])
# 或
pd.Series({'red':100, 'blue':200, 'green': 500, 'yellow':1000})sr = data.iloc[1, :]
sr.index # 索引
sr.values # 值#####就是从dataframe中抽出一行或一列来观察
12345678910

2 基本数据操作

2.1 索引操作

data=pd.read_csv("./stock_day/stock_day.csv")#读入文件的前5行表示如下
######利用drop删除某些行列,需要利用axis告知函数是行索引还是列索引
data=data.drop(["ma5","ma10","ma20","v_ma5","v_ma10","v_ma20"], axis=1) # 去掉一些不要的列
data["open"]["2018-02-26"] # 直接索引,但需要遵循先列后行#####按名字索引利用.loc函数可以不遵循列行先后关系
data.loc["2018-02-26"]["open"] # 按名字索引
data.loc["2018-02-26", "open"]#####利用.iloc函数可以只利用数字进行索引
data.iloc[1][0] # 数字索引
data.iloc[1,0]# 组合索引
# 获取行第1天到第4天,['open', 'close', 'high', 'low']这个四个指标的结果
data.ix[:4, ['open', 'close', 'high', 'low']] # 现在不推荐用了
###但仍可利用loc和iloc
data.loc[data.index[0:4], ['open', 'close', 'high', 'low']]
data.iloc[0:4, data.columns.get_indexer(['open', 'close', 'high', 'low'])]

2.2 赋值操作

data仍然是上图类型

data.open=100
data['open']=100
###两种方式均可
data.iloc[1,0]=100
###找好索引即可

2.3 排序

  • sort_values (比较values进行排序) sort_index (比较行索引进行排序,不行可以先转置简介对列排序)

    data.sort_values(by="high", ascending=False) # DataFrame内容排序,ascending表示升序还是降序,默认True升序data.sort_values(by=["high", "p_change"], ascending=False).head() # 多个列内容排序。给出的优先级进行排序data.sort_index(ascending=True)###对行索引进行排序#这里是取出了一列 “price_change”列,为serise,用法同上
    sr = data["price_change"]
    sr.sort_values(ascending=False)
    sr.sort_index()
    

2.4 数学运算 布尔值索引

  1. 算术运算:直接利用运算符或者函数

    #正常的加减乘除等的运算即可
    data["open"] + 3
    data["open"].add(3) # open统一加3
    data.sub(100)# 所有统一减100 data - 100
    (data["close"]-(data["open"])).head() # close减open
    
  2. 逻辑运算 :< ; > ; | ; & 利用逻辑符号或者函数query

    # 例如筛选p_change > 2的日期数据
    data[data["p_change"] > 2].head()
    # 完成一个多个逻辑判断, 筛选p_change > 2并且low > 15
    data[(data["p_change"] > 2) & (data["low"] > 15)].head()
    data.query("p_change > 2 & low > 15").head()###等效于上一行代码###判断# 判断'turnover'列索引中是否有4.19, 2.39,将返回一列布尔值
    data["turnover"].isin([4.19, 2.39])##如下图
    
  3. 利用布尔值索引,即利用一个布尔数组索引出True的数据

    ###判断# 判断'turnover'列索引中是否有4.19, 2.39,将返回一列布尔值
    data["turnover"].isin([4.19, 2.39])##如下图
    data[data["turnover"].isin([4.19, 2.39])]
    #这块就将返回turnover列布尔值为true的如下图,也就是筛选出turnover中值为4.19和2.39###布尔值索引是一个很方便的数据筛选操作,比如:
    data[data["turnover"]>0.1]
    #也将筛选出turnover列中大于0.1的整体data数据,并不是说只返回turnover相关数据,判断只是返回布尔索引,利用索引的是data数据
    

2.5 统计运算

data.describe()
#将返回关于列的最值,均值,方差等多种信息
##其实这里很多就和numpy相似了
data.max(axis=0)#返回最值
data.idxmax(axis=0) #返回最值索引

累计统计函数(累加,累乘等)

  • cumsum 计算前1/2/3/…/n个数的和
  • cummax 计算前1/2/3/…/n个数的最大值
  • cummin 计算前1/2/3/…/n个数的最小值
  • cumprod 计算前1/2/3/…/n个数的积

自定义运算

apply(func, axis=0)

func: 自定义函数

axis=0: 默认按列运算,axis=1按行运算

data.apply(lambda x: x.max() - x.min())
#这里的lambda x: x.max() - x.min()是lambda表达式,是函数的简单写法也可
def fx(data):return data.max()-data.min()

3 画图

3.1 pandas.DataFrame.plot

DataFrame.plot(x=None, y=None, kind=‘line’)

  • x: label or position, default None
  • y: label, position or list of label, positions, default None
    • Allows plotting of one column versus another
  • kind: str
    • ‘line’: line plot(default)
    • ''bar": vertical bar plot
    • “barh”: horizontal bar plot
    • “hist”: histogram
    • “pie”: pie plot
    • “scatter”: scatter plot
#更简易用matplotlib
data.plot(x="volume", y="turnover", kind="scatter")
data.plot(x="high", y="low", kind="scatter")
data['volume'].plot()

4 文件读取写入

4.1 CSV文件

DataFrame.to_csv(path_or_buf=None,sep=','columns=None,header=True,index=True,index_label=None,mode='w',encoding=None)
1
  • path_or_buf :string or file handle , default None
  • sep : character, default ‘,’(分隔符)
  • columns :sequence,optional
  • mode:'w‘:重写,'a’追加
  • index:是否写入 行索引
  • header:boolean or list of string,default True,是否写进列索引值
Series.to_csv (path=None,index=True,sep=',',na_rep='',float_format=None,header=False,index_label=None,mode='w',encoding=None,compression=None,date_format=None,decimal='.)
  • Write Series to a comma-separated values(csv)file
pd.read_csv("./stock_day/stock_day.csv", usecols=["high", "low", "open", "close"]).head() # 读哪些列data = pd.read_csv("stock_day2.csv", names=["open", "high", "close", "low", "volume", "price_change", "p_change", "ma5", "ma10", "ma20", "v_ma5", "v_ma10", "v_ma20", "turnover"]) # 如果列没有列名,用names传入data[:10].to_csv("test.csv", columns=["open"]) # 保存open列数据data[:10].to_csv("test.csv", columns=["open"], index=False, mode="a", header=False) # 保存opend列数据,index=False不要行索引,mode="a"追加模式|mode="w"重写,header=False不要列索引

csv可以用excel表格打开,但是可能有格式错误

4.2 HDF5文件

read_hdf to_hdf

HDF5文件的读取和存储需要指定一个键,值为要存储的DataFrame,也就是说hdf5存储的是panel这种三维类型,一个key对应一个dataframe

pandas.read_hdf(path_or_buf, key=None, **kwargs)

从h5文件当中读取数据

  • path_or_buffer: 文件路径
  • key: 读取的键
  • mode: 打开文件的模式
  • reurn: The Selected object

DataFrame.to_hdf(path_or_buf, key, **kwargs)

day_close = pd.read_hdf("./stock_data/day/day_close.h5",key="close")
day_close.to_hdf("test.h5",key="close" )

4.3 JSON文件

read_json to_json

pandas.read_json(path_or_buf=None,orient=None,typ=“frame”,lines=False)

  • 将JSON格式转换成默认的Pandas DataFrame格式
  • orient: string,Indication of expected JSON string format.
    • ‘split’: dict like {index -> [index], columns -> [columns], data -> [values]}
    • ‘records’: list like [{column -> value}, …, {column -> value}]
    • ‘index’: dict like {index -> {column -> value}}
    • ‘columns’: dict like {column -> {index -> value}}, 默认该格式
    • ‘values’: just the values array
  • lines: boolean, default False
    • 按照每行读取json对象
  • typ: default ‘frame’,指定转换成的对象类型series或者dataframe
sa = pd.read_json("Sarcasm_Headlines_Dataset.json", orient="records", lines=True)
##主要是path,orient是一种确定索引与数值的对应,以本例来看,列索引就是‘key’,values就是key对应的值
sa.to_json("test.json", orient="records", lines=True)

本示例中按行存储,每行是一个字典,键 有’article_link’,'headline’等

5 高级处理

5.1 缺失值(标记值)处理

主要参数

  • inplace实现数据替换(默认为False)
  • dropna实现缺失值的删除(默认删除行)
  • fillna实现缺失值的填充
  • isnull或notnull判断是否有缺失数据NaN

如何进行缺失值处理?

  • 删除含有缺失值的样本
  • 替换/插补数据

判断NaN是否存在

  • pd.isnull(df) 会返回整个dataframe的布尔框架,难以观察(bool为True代表那个位置是缺失值)
  • pd.isnull(df).any() 表示只要有一个True就返回True
  • pd.notnull(df)会返回整个dataframe的布尔框架,难以观察(bool为False代表那个位置是缺失值)
  • pd.notnull(df).all() 表示只要有一个False就返回False

删除nan数据

  • df.dropna(inplace=True) 默认按行删除 inplace:True修改原数据,False返回新数据,默认False

替换nan数据

  • df.fillna(value,inplace=True)

  • value替换的值

  • inplace:True修改原数据,False返回新数据,默认False

    movie["Revenue (Millions)"].fillna(movie["Revenue (Millions)"].mean(), inplace=True)
    ###这就是先利用其他代码判断出"Revenue (Millions)"有nan数据,然后利用.fillna函数,令value=movie["Revenue (Millions)"].mean()列的均值,然后inplace=True修改原数据
    
import pandas as pd
import numpy as np
movie = pd.read_csv("./IMDB/IMDB-Movie-Data.csv")
# 1)判断是否存在NaN类型的缺失值
np.any(pd.isnull(movie)) # 返回True,说明数据中存在缺失值
np.all(pd.notnull(movie)) # 返回False,说明数据中存在缺失值
pd.isnull(movie).any()
pd.notnull(movie).all()# 2)缺失值处理
# 方法1:删除含有缺失值的样本
data1 = movie.dropna()
pd.notnull(data1).all()# 方法2:替换
# 含有缺失值的字段
# Revenue (Millions)
# Metascore
movie["Revenue (Millions)"].fillna(movie["Revenue (Millions)"].mean(), inplace=True)
movie["Metascore"].fillna(movie["Metascore"].mean(), inplace=True)

替换非nan的标记数据

有些数据不存在可能标记为“#”,“?”等

# 读取数据
path = "wisconsin.data"
name = ["Sample code number",  "Normal Nucleoli","Mitoses", "Class"]
data = pd.read_csv(path, names=name)#这里的非nan标记值缺失值就是利用“?”表示的,因此利用参数to_replace,value=np.nan,将默认标记值替换为nan值,然后再利用签署方法处理nan缺失值
# 1)替换
data_new = data.replace(to_replace="?", value=np.nan)

5.2 离散化

这一块建议去看视频,理解更快:视频地址

  • 连续属性的离散化就是将连续属性的值域上,将值域划分为若干个离散的区间,最后用不同的符号或整数 值代表落在每个子区间的属性值。

  • 连续属性离散化的目的是为了简化数据结构,数据离散化技术可以用来减少给定连续属性值的个数。离散化方法经常作为数据挖掘的工具。

  • 实现方法:

    1. 分组

      • 自动分组 sr = pd.qcut(data, bins)
      • 自定义分组 sr = pd.cut(data, [])
    2. 将分组好的结果转换成one-hot编码(哑变量)
      • pd.get_dummies(sr, prefix=)
  • one-hot编码:
    one-hot

    比如男女数据一般用1和0表示,但1和0本身有大小问题,而男女只是不同的概念,因此用1,0表示会存在区别

    (男:1 女:0) 性别
    小明 1
    小红 0

    如果用one-hot表示一种方法可以是,相当于利用一种编码的方式表示

    编码
    小明 1 0 1 0
    小红 0 1 0 1

    同时还可处理连续数据,比如将身高的连续数据分为不同的身高区间,每个区间对应一个类别,然后类比同上来考虑

    # 1)准备数据
    data = pd.Series([165,174,160,180,159,163,192,184], index=['No1:165', 'No2:174','No3:160', 'No4:180', 'No5:159', 'No6:163', 'No7:192', 'No8:184'])
    # 2)分组
    # 自动分组
    sr = pd.qcut(data, 3)
    sr.value_counts()  # 看每一组有几个数据
    # 3)转换成one-hot编码
    pd.get_dummies(sr, prefix="height")# 自定义分组
    bins = [150, 165, 180, 195]#这就表示有三组[150,165][165,180][180,195]
    sr = pd.cut(data, bins)
    # get_dummies
    pd.get_dummies(sr, prefix="身高")
    

5.3 合并

指合并不同dataframe上的内容数据

  • 按方向

    pd.concat([data1, data2], axis=1)
    #axis:0为列索引;1为行索引
    
  • 按索引

    merge函数参数API

    left = pd.DataFrame({'key1': ['K0', 'K0', 'K1', 'K2'],'key2': ['K0', 'K1', 'K0', 'K1'],'A': ['A0', 'A1', 'A2', 'A3'],'B': ['B0', 'B1', 'B2', 'B3']})
    right = pd.DataFrame({'key1': ['K0', 'K1', 'K1', 'K2'],'key2': ['K0', 'K0', 'K0', 'K0'],'C': ['C0', 'C1', 'C2', 'C3'],'D': ['D0', 'D1', 'D2', 'D3']})
    pd.merge(left, right, how="inner", on=["key1", "key2"])
    pd.merge(left, right, how="left", on=["key1", "key2"])
    pd.merge(left, right, how="outer", on=["key1", "key2"])
    ###这里merge参数解释:
    #left: 需要合并的一个表,合并后在左侧
    #right:需要合并的一个表,合并后在右侧
    #how: 合并方式
    #on: 在哪些索引上进行合并
    

5.4交叉表与透视表

  1. 交叉表

    • 交叉表用于计算一列数据对于另外一列数据的分组个数(寻找两个列之间的关系)

    • pd.crosstab(value1, value2)

      data = pd.crosstab(stock["week"], stock["pona"])
      data.div(data.sum(axis=1), axis=0).plot(kind="bar", stacked=True)
      
  2. 透视表

    • 相对于交叉表操作简单些

      # 透视表操作
      stock.pivot_table(["pona"], index=["week"])
      

5.6 分组与聚合

  • 分组与聚合通常是分析数据的一种方式,通常与一些统计函数一起使用,查看数据的分组情况。

  • DataFrame.groupby(key, as_index=False) key:分组的列数据,可以多个

    col =pd.DataFrame({'color': ['white','red','green','red','green'], 'object': ['pen','pencil','pencil','ashtray','pen'],'price1':[5.56,4.20,1.30,0.56,2.75],'price2':[4.75,4.12,1.60,0.75,3.15]})# 进行分组,对颜色分组,price1进行聚合
    # 用dataframe的方法进行分组
    col.groupby(by="color")# 或者用Series的方法进行分组聚合
    col["price1"].groupby(col["color"])
    

6 案例

要求

  1. 想知道这些电影数据中评分的平均分,导演的人数等信息,我们应该怎么获取?
  2. 对于这一组电影数据,如果我们想看Rating,Runtime(Minutes)的分布情况,应该如何呈现数据?
  3. 对于这一组电影数据,如果我们希望统计电影分类(genre)的情况,应该如何
    处理数据?

数据结构展示

数据网址


代码

# 1、准备数据
movie = pd.read_csv("./IMDB/IMDB-Movie-Data.csv")
###movie读入后如上图所示
######################问题一
# 问题1:我们想知道这些电影数据中评分的平均分,导演的人数等信息,我们应该怎么获取?
# 评分的平均分
movie["Rating"].mean()
# 导演的人数
np.unique(movie["Director"]).size######################问题二
##绘制直方图查看分布
movie["Rating"].plot(kind="hist", figsize=(20, 8))
#利用matplotlib可更细致绘图
import matplotlib.pyplot as plt
# 1、创建画布
plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=80)
# 2、绘制直方图
plt.hist(movie["Rating"], 20)
# 修改刻度
plt.xticks(np.linspace(movie["Rating"].min(),movie["Rating"].max(), 21))
# 添加网格
plt.grid(linestyle="--", alpha=0.5)
# 3、显示图像
plt.show()######################问题三
##如果我们希望统计电影分类(genre)的情况,应该如何处理数据?
###可以发现图中genre一列数据中每个电影都有多种标签,因此要先分割
# 先统计电影类别都有哪些
movie_genre = [i.split(",") for i in movie["Genre"]]
###得到的movie_genre结构图见《下图一》
###这一块主要是把movie_genre的二维列表变为以为列表,然后利用unique函数去重
movie_class = np.unique([j for i in  movie_genre for j in i])
len(movie_class)####这就得到了电影的类型标签种类数# 统计每个类别有几个电影
count = pd.DataFrame(np.zeros(shape=[1000, 20], dtype="int32"), columns=movie_class)
count.head()###得到的count结构如《下图二》
# 计数填表
for i in range(1000):count.ix[i, movie_genre[i]] = 1###注意ix现在不太能用了############movie_genre[i]将返回字符索引列
#这就得到了下面第三张图片的数据处理效果,列表示电影类型种类,行表示不同电影,如《下图三》
#因此只需逐列求和即可得到每类标签电影的数量
##最终实现数据可视化如《下图四》
count.sum(axis=0).sort_values(ascending=False).plot(kind="bar", figsize=(20, 9), fontsize=40, colormap="cool")

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