Python数据处理| Pandas知识大全

写在前面的话

  • Pandas是专门做数据处理和分析的，拥有许多各种复杂的函数。
  • Pandas功能强大，支持类似于SQL的数据处理。
  • Pandas的底层依赖于Numpy，是在Numpy的基础上发展而来。

导入数据库：import pandas as pd

1、Pandas基础知识

1.1、常用数据结构

  • Series：由一组数据以及一组与之对应的数据标签（即索引组成）；可以通过pandas.Series来创建Series，每个Series可以看成是DataFrame的一个列。
  • DataFrame：Pandas基本数据结构，类似excel中的表格形式；既有行索引、列索引，相当于多个Series。

1.1.1、Series创建与属性

函数 用法 举例
pd.Series(data= ,index= ,dtype= ,name= ) 创建Series，其中data可以为列表、一维数组或字典；index表示索引，必须与数据等长；dtype表示数据类型；name表示对象名称 s=pd.Series(np.array([1,2,3,4,5,6]),index=('a','b','c','d','e','f'),dtype=int,name='this is a Series')
Series1.append(Series2) 将Series2的数据加在Series1之后 s1=pd.Series({'father':40,'mother':38})>>s2=pd.Series({'son':12,'daughter':5})>>s1.append(s2)
Series.drop(index= ,inplace= )) 删除指定数据。inplace=False（默认）返回视图；inplace=True改变Series。 s1=pd.Series({'father':40,'mother':38})>>s1.drop('father',inplace=True)>>s1
Series属性 用法
Series.values 返回所有元素
Series.index 返回索引
Series.dtype 返回数据类型
Series.ndim Series都是一维的
Series.shape 返回series的形状
Series.size 返回对象的个数

1.1.2、DataFrame创建与属性

函数 用法 举例
pd.DataFrame(data,index,dtype,columns) 创建Dataframe。data可以为列表，二维数组和字典；index表示行索引，columns表示列索引。 df2=pd.DataFrame({"name":['alice','tom','peter'],'age':[23,26,30]},index=(1,2,3))>>df2['name']=np.array(np.char.capitalize(list(df2['name'])))>>df2
DataFrame属性 用法
DataFrame.values 返回所有元素
DataFrame.index 返回索引
DataFrame.dtypes 返回每个变量的数据类型
DataFrame.ndim 一般为二维
DataFrame.shape 一般为二维的形状
DataFrame.size 返回对象的个数
DataFrame.columns 返回列标签

1.2、数据获取和保存

  • pandas内置了10多种数据源读取函数，常见的是csv和excel。
  • pandas读取出来的数据直接就是数据框格式，方便后续的数据处理和分析。
  • 读取csv文件时，需注意编码，常用编码有utf-8、gbk、gbk2312等。
函数 参数 用法 举例
os.getcwd() 无参数 获取当前工作目录（current working directory） import os>>os.getcwd()
os.chdir(path) path：路径 改变当前工作目录为path，方便直接读取文件 import os>>os.chdir('D:')
pd.read_csv（path,encoding= ,dtype= ,nrows= ,sep= ,na_values= ,header= ,index_col=[values]） 该函数有很多参数，常用的有：①encoding：编码，有中文字符使用utf-8、gbk、gbk2312；②dtype：规定数据类型，可使用字典对指定变量进行规定；③nrows：规定读取的行数，默认为None；④sep：分隔符，默认为','。⑤na_values：规定指定值显示为NaN；⑥header：规定第几行作为表头，默认第1行。⑦index_col：规定某几列变量为索引。 导入csv文件 pd.read_csv('data.csv',encoding= 'gbk',dtype={'info_id':str,'ID':str},nrows=10 ,header=0)
DataFrame.head(n) n：查看行数，默认等于5 查看Dataframe的前n行 df2=pd.DataFrame({"name":['Alice','Tom','Peter'],'age':[23,26,30]},index=(1,2,3))>>df2.head(2)
DataFrame.tail(n) n：查看行数，默认等于5 查看Dataframe的最后n行 df2=pd.DataFrame({"name":['Alice','Tom','Peter'],'age':[23,26,30]},index=(1,2,3))>>df2.tail(2)
pd.read_excel（path,sheet_name= ,encoding= ,dtype= ,nrows= ,sep= ,na_values= ,header= ） 读取excel比csv多了一个参数，即工作表名称（sheet_name），sheet_name默认等于None，读取全部工作表。 导入excel文件 pd.read_excel('data.csv',sheet_name=0,encoding= 'gbk',dtype={'info_id':str,'ID':str},nrows=10 ,header=0)
DataFrame.to_csv(path,index= ,encoding= ) index：是否保存索引，一般写False。 保存为csv文件 data4.to_csv('data4.csv',index=False)
DataFrame.to_excel(path,index= ,encoding= ) index：是否保存索引，一般写False。 保存为excel文件 data4.to_excel('data4.xlsx',index=False)

1.3、数据筛选

1.3.1、简单筛选

函数 用法 举例
DataFrame[x:y] 筛选x至y-1行的行数据，只能是切片查询 data[:10]
DataFrame[values]/DataFrame.value 筛选特定的列数据，前者可以通过列表一次筛选多列，后者一次只能筛选一列 data[['info_id','ID']]
DataFrame[values][ : ] 筛选特定的列和行，可先写行，也可先写列，无特别规定。 data[['info_id','ID']][:50]
DataFrame.loc[A,B] 筛选特定的行和列，A表示行标签，可以是单个标签A1，切片A1:A2，[A1,A2]；B表示列标签，可以是单个标签B1，切片B1:B2，[B1,B2]；注意不能写索引。 data.loc[[7,10],['info_id','ID']]
DataFrame.iloc[A,B] 筛选特定的行和列，AB均为索引。A表示行索引，可以是单个索引A1，切片A1:A2，[A1,A2]；B表示列索引，可以是单个索引B1，切片B1:B2，[B1,B2]。 data.iloc[2:7,[2,3]]

1.3.2、条件筛选

函数 用法 举例
DataFrame.loc[criteria,B] 筛选特定条件下的列，criteria表示筛选条件，如'info_id'==200;B表示列标签，注意不能写索引。 data.loc[data['info_id']==200,['info_id','name','ID']]
DataFrame[values][criteria] 筛选特定条件下的列，criteria可以有多个，用‘&’连接即可；values可以是列表。 data[(data['order_id']==458) & (data['amounts']>3)][['order_id','amounts','dishes_name']]
DataFrame[values].between(n1,n2,inclusive= ) 规定数字型变量的筛选区间，inclusive=True（默认）包含n1和n2，输出布尔型 data[(data['order_id']==458) & (data['amounts'].between(0,30,inclusive=True))][['order_id','amounts','dishes_name']]
DataFrame[values].isin([str1,str2,...]) 规定字符型变量的筛选区间，筛选变量中与(str1,str2,...)字符相匹配的值。 data[data['dishes_name'].isin(['内蒙古烤肉','蒜香包'])][['order_id','amounts','dishes_name']]
DataFrame[values].str.contains(str) 规定字符型变量的筛选区间，筛选变量中含有str字符的值。 data[data['dishes_name'].str.contains('烤')][['order_id','amounts','dishes_name']]

1.3.3、增删改查

功能 函数 用法 举例
增加列变量 DataFrame['new_value']= 增加新变量 Data['payment']=data['price']*data['amount']
删除列变量 DataFrame.drop([value1,value2,...],axis=1,inplace= True) 删除value1,value2,...等变量 data.drop('dishes_id',axis=1,inplace=True)
删除列变量 del DataFrame['value'] 删除列变量，一次只能删一个 del Data['payment']
调整列顺序 DataFrame.insert(n,value_name,Series) 调整列顺序，先删后插 Series=data['dishes_id']>>data.drop('dishes_id',axis=1,inplace=True)>>data.insert(0,'dishes_id',series)
删除指定行 DataFrame.drop(labels=[n1,n2,...],axis=0,inplace= True) 删除[n1,n2,...]的行 Data.drop([2,3],axis=0)
修改指定值 DataFrame.loc[criteria,B]= 修改指定值 data.loc[data['order_id']==458,'order_id']=45800
列重命名 DataFrame.rename(columns={'value_oldname':'value_newname'},inplace=True) 为指定列重命名 data.rename(colunms={'price':'单价'},inplace=True)
行重命名 DataFrame.rename(index={'index_oldname':'index_newname'},inplace=True) 为指定行重命名 data.rename(index={0:0900},inplace=True)
查看数据 np.sum(DataFrame.isnull(),axis=0) 查看每一列的缺失值数量 --

2、Pandas高级操作

2.1、数据库数据读取和保存

  • 访问数据库：使用pymysql和sqlalchemy建立连接

导入相关的库：

  • import pymysql
  • from sqlalchemy import create_engine
函数 参数 用法 举例
create_engine('mysql+pymysql://user:password@IP:3306/test01') ①mysql+pymysql：dialect[+driver]；②user：用户名；③password：密码；④IP：IP地址；⑤3306：端口号；⑥test01：数据库名 建立mysql连接，格式固定 create_engine('mysql+pymysql://root:123456@localhost:3306/test01')
pd.read_sql(sql,con) sql：指定的sql文件，eg:sql='select * from customer_info'；con：连接引擎，即create_engine函数 读取sql文件 --
DataFrame.to_sql(name,con= ,if_exists= ,index= ) ①name：命名；②con：连接引擎，即create_engine函数；③if_exists：如果表已存在，如何执行。if_exists='fail'：引发ValueError，if_exists='replace'：替换原来的表，if_exists='append'：追加在原来的表之后；④index： 是否将索引写入，默认为True，一般选False。 存为sql文件 --

注：数据分析需要频繁读取文件数据，为了方便读取，可以直接建立一个函数。

Image.png

2.2、数据整合

  • 数据整合又叫数据合并，将不同的数据合并在一起，集成在一张表上，有利于之后的分析。
  • 常见的合并方法有堆叠、按主键进行合并，堆叠又分为横向堆叠和纵向堆叠，按主键合并类似于sql里面的关联操作。
功能 函数 用法
横向堆叠 pd.concat([d1,d2,...],axis=1,join= ) 横向合并，join='inner',只显示重叠部分；join='outer',显示全部。
纵向堆叠 pd.concat([d1,d2,...],axis=0,ignore_index=True ) 纵向合并，ignore_index=True忽略之前的索引。
重置索引 DataFrame.reset_index(drop=True,inplace=True) 对数据表进行索引重置
按主键合并 pd.merge(left=d1,right=d2,how= ,left_on= ,right_on=,sort=True ) 左右表按指定变量合并。①how='left'，则匹配左表进行合并；how='right'，则匹配右表进行合并；how='outer',则全部输出，匹配不上的显示NaN；how='inner',则只输出匹配数据，其余不输出；②sort=True表示根据键进行排序；③right_on和left_on：合并的键，如果两者相同，可直接用on参数。
按索引合并 pd.merge(left=d1,right=d2,how= ,left_index=True ,right_index=True) 左右表按索引合并，现实操作不常用。

2.3、层次化索引

  • 在导入文件上时增加index_loc[values]参数设置多层索引。
  • 利用loc函数元组进行多层索引，格式：loc[(index1,index2),values]。

3、Pandas分组聚合和透视图

3.1、数据排序

  • 使用DataFrame.sort_values函数进行排序，并使用DataFrame.reset_index函数重置索引。
函数 用法 参数 举例
DataFrame.sort_values([values],ascending= ,na_position= ，inplace= ) 对数据按values进行排序 ①[values]：排序的变量，可以为单个字符或列表；②ascending：是否升序，True（默认）表示升序，False表示降序；③na_position：NaN值放置位置，'first'放最前，'last'（默认）放最后。 data.sort_values('Year',ascending=True,na_position='last',inplace=True)

3.2、分组聚合

3.2.1、描述性统计

函数 用法
DataFrame.describe() 统计数值型数据的基本信息，包括计数、平均值、标准差、百分位数、最小最大值
DataFrame.describe(include=['object']) 统计字符型数据基本信息，包括计数、频率最大字符等。
DataFrame.mean/max/min/quantile/median/count/value_counts/cumcount/unique 定向查看数据的平均值/最大值/最小值/百分位数/中位数/计数/值计数/累计计数/取值范围。

3.2.2、分组运算

函数 参数 用法 举例
DataFrame.groupby([values]), values：用于分组的变量，可写成by='' 使用变量进行分组。 data[['Year','Sales','income']].groupby('Year')
DataFrame.agg(func, axis=0) func:函数、字符、列表或字典；axis默认等于0。 聚合查询多个数据 group=data[['Year','Sales','income']].groupby('Year')>>group.agg([np.sum,np.mean]).loc[[1980,3490],('Sales',['mean','sum'])>>group.agg({Sales':np.sum,'income':[np.mean,np.median]})
DataFrame.apply(func, axis=0) func:只能为函数；axis默认等于0。 和agg函数类似，但func只能为函数，可以接lambda表达式。 DataFrame.apply(lambda x: x[2]-x[3],axis=1)
DataFrame.transform(func,axis=0) func：函数、字符、列表或字典。 对行和值进行操作，但无法进行聚合操作。 data['Sales].transform(lambda x: x*2)

<u>注：agg/apply/transform的区别：</u>

  • agg：agg方法灵活，能够对分组对象进行相同的聚合，还可以选择不同的聚合方法。
  • apply：apply可以进行聚合计划，还可以按行进行计算。
  • transform：返回与数据同样长度的行，无法进行聚合计算。

3.3、透视表和交叉表

Image [2].png
函数 参数 用法 举例
pd.pivot_table(data,index,columns,value,aggfunc,fill_value,margins,margins_name= ) ①index：行分组键，可以是列表；②columns：列分组键，可以是列表；③value：透视图统计的变量，只能为数值型；④aggfunc：聚合函数，默认为mean；⑤margins：是否需要总计。⑥fill_value：用来替代NaN的值。 用于对某个指定的变量进行数据透视 pd.pivot_table(data,index='Year',columns='Games',value='US_Revenue',aggfunc=[np.mean,np.sum],fill_value=0,margins=True,margins_name='总计值')
pd.crosstab(index,columns,values,aggfunc,margins,margins_name,normalize) 参数无data，normalize用于计算频率，normalize='index'，计算行频率；normalize='columns'，计算列频率；normalize='all'，计算全部的频率。其余参数和pivot_table功能类似。 可以实现和pivot_table一样的功能，不过一般用来查看频率和频数(默认）。 pd.crosstab(index=data['Platform'],columns=data['Game'],margins=True])

4、Pandas数据预处理

4.1、Pandas其他函数运用

4.1.1、数据类型转换（日期等）

函数 参数 用法 举例
pd.to_datetime
(arg,format,errors) ①arg：需要转化的参数，可以是多种形式；②errors：无法转化的表示，errors='coerce',无效值返回NaN；errors='raise'（默认）,无效值引发异常报错；errors='ignore',无效值返回原来的值。③format：参数格式，eg：%d%m%Y。 将变量转化为日期,返回视图。 data['time']=pd.to_datetime(data['time'],format='%Y年%m月',errors='coerce')
DataFrame.dt.time、DataFrame.dt.time 无参数 取出变量中的日期/时间。 data['date']=data['data'].dt.date
pd.datetime.today() 无参数 当前日期和时间，精确到毫秒。 --
np.timedelta64(a,b) a：表示间隔或周期；b：表示单位，可以是'm'（分）,'h'(小时）,'D'（天）等。 用于控制时间间隔，间隔多少年/月/天/时/分/秒/ (date_end-date_start)/np.timedelta64(1,'D')
datetime.year 无参数 查看datetime变量的年份 --
DataFrame.astype(dtype) dtype：强制转换的数据类型或类别代码 强制转换数据类型，输出视图。 data['price']=data['price'].str[:-1].astype('float')

<u>注：Numpy中区分了str和object类型，而pandas使用本机Python字符串，因此使用Numpy字符串函数直接处理pandas的'object'会报错，需要先将dtype转成str。</u>

4.1.2、数据抽样与计算

函数 参数 用法 举例
DataFrame.sample(n,replace= ) n:抽样的行数；replace=False即不放回抽样。 抽样 data.sample(n=5000,replace=False)
np.prod(ndarray,axis=1) axis:作用轴 计算给定轴上数组的乘积。 data['total_price'=data[['Quantity',Unitprice']].apply(np.prod,axis=1)（*相当于data['Quantity']* data['Unitprice'])
DataFrame.pct_change() -- 计算当前元素与先前元素之间的百分比变化，即(x1-x2)/x1 data['总价变化率']=data['total_price'].pct_change()
DataFrame.rolling(window) window:整数，设置滚动窗口的大小。 提供滚动窗口的计算 data['5天平均值']=data['total_price'].rolling(5).mean()
DataFrame.shift(periods= ,fill_value= ,axis=0) periods
:整数，向下平移的大小；fill_value：填充值，默认为NaN；axis：移动的轴，默认为0。 按给定轴平移。 data['总价变化率'=(data['total_price']-data['total_price'].shift(1))/data['total_price'],即相当于pct_change函数。

4.2、数据清洗

Image [3].png

4.2.1、重复值

  • 重复值一般采取删除法来处理。
  • 但有些重复值不能删除，例如订单明细、数据或交易明细数据等。
函数 参数 用法 举例
DataFrame.duplicated(subset= ,keep= ) ①subset：依据哪些变量判断是否是重复值，可以是列表；②keep：保留哪些结果为“True”，='first'(默认），保留第一个重复值为True；='last'，保留最后一个为True；=False，全部标记为'True'。 判断是否有重复行，返回布尔型。 np.sum(data.duplicated(subset=['name','ID']))
DataFrame.drop_duplicates(subset= ,keep= ,inplace= ) 见DataFrame.duplicated
根据subset，忽略索引，返回删除重复行的DataFrame --

4.2.2、缺失值

Image [4].png
函数 参数 用法 举例
DataFrame.isnull() 无参数 判断是否有缺失值，输出布尔型。 data.apply(lambda x: np.sum(x.isnull())/len(x),axis=0)
DataFrame.dropna() -- 不加参数，直接删除含有缺失值的行 data.dropna(inplace=True)
DataFrame.dropna(how= ,subset= ,inplace= ) ①how：='all'，只删除全部为NaN值的行；='any'，删除任何含有NaN值的行。②subset：数组或列表，可指定参照列 。 按条件删除有缺失值的行。 data.dropna(how='any',subset=['gender'],inplace=True)
DataFrame.fillna(value= ,inplace= ,method= ) ①value：填充NaN值的值，可以是标量、字典和数据表。 填充NaN为指定值，如平均数（Mean）、中位数（Median）、众数（Mode）。②method：填补方法，='ffill',用上一行数据填补；='bfill'，用下一行数据填补； data.gender.fillna(value=data.gender.mode()[0]/data.fillna(value={'gender':data.gender.mode()[0]})
DataFrame.interpolate(method= ,axis= ) method：插值方法，='linear'(默认），线性插值；='polynomial'，多项式插值 根据不同的方法在NaN处插入新值。 data.age.interpolate(method='polynomial',order=1)

4.2.3、异常值

Image [5].png
  • 异常值识别：①：＞data.mean()+2*data.std() or <data.mean()-2*data.std() ；②>Q3+1.5(Q3-Q1) or<Q1-1.5(Q3-Q1)。
  • 最大正常值替换法：data['value'>Q3+1.5(Q3-Q1) ]=data['value'<Q3+1.5(Q3-Q1) ].max()
  • 分位数替换法：将大于99%分位数的值用99%分位数替换，小于1%分数位的值用1%分位数替换。
功能 函数 参数 举例
箱型图 DataFrame.Plot(kind='box') kind：画图种类 data.counts.plot(kind='box')
直方图 DataFrame.Plot(kind='hist') -- --
将变量分成多个区间 pd.cut(x= ,bins= ,labels= ) ①x：用于分段的变量；②bins：分段数；labels：标签，数量需要和分段一样。 pd.cut(data['counts'],4,labels=range(1,5))
将变量按百分位分成多个区间 pd.qcut(x= ,q= ,labels= ) ①q：分位数数组 pd.qcut(data['counts'],[0,0.25,0.5,0.75,1],labels=range(1,5))

写在最后的话

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