Python数据分析之pandas学习
Python中的pandas模块进行数据分析。
接下来pandas介绍中将学习到如下8块内容：
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
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。
序列的创建主要有三种方式：
importnumpyasnp,pandasas pd
arr1=np.arange(10)
arr1
type(arr1)
s1=pd.Series(arr1)
s1
type(s1)
dic1={\’a\’:10,\’b\’:20,\’c\’:30,\’d\’:40,\’e\’:50}
dic1
type(dic1)
s2=pd.Series(dic1)
s2
type(s2)
这部分内容我们放在后面讲，因为下面就开始将DataFrame的创建。
数据框的创建主要有三种方式：
arr2=np.array(np.arange(12)).reshape(4,3)
arr2
type(arr2)
df1=pd.DataFrame(arr2)
df1
type(df1)
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。
dic2={\’a\’:[1,2,3,4],\’b\’:[5,6,7,8],
\’c\’:[9,10,11,12],\’d\’:[13,14,15,16]}
dic2
type(dic2)
df2=pd.DataFrame(dic2)
df2
type(df2)
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}}
dic3
type(dic3)
df3=pd.DataFrame(dic3)
df3
type(df3)
df4=df3[[\’one\’,\’three\’]]
df4
type(df4)
s3=df3[\’one\’]
s3
type(s3)
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。
s4=pd.Series(np.array([1,1,2,3,5,8]))
s4
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：
s4.index
现在我们为序列设定一个自定义的索引值：
s4.index=[\’a\’,\’b\’,\’c\’,\’d\’,\’e\’,\’f\’]
s4
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：
s4[3]
s4[\’e\’]
s4[[1,3,5]]
s4[[\’a\’,\’b\’,\’d\’,\’f\’]]
s4[:4]
s4[\’c\’:]
s4[\’b\’:\’e\’]
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！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。
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.
s5=pd.Series(np.array([10,15,20,30,55,80]),
index=[\’a\’,\’b\’,\’c\’,\’d\’,\’e\’,\’f\’])
s5
s6=pd.Series(np.array([12,11,13,15,14,16]),
index=[\’a\’,\’c\’,\’g\’,\’b\’,\’d\’,\’f\’])
s6
s5+ s6
s5/s6
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，所以其不仅有行索引，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，这部分内容将放在数据查询中讲解。
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：
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
student.head()
student.tail()
查询指定的行
student.ix[[0,2,4,5,7]]#这里的ix索引标签函数必须是中括号[]
查询指定的列
student[[\’Name\’,\’Height\’,\’Weight\’]].head()#如果多个列的话，必须使用双重中括号
也可以通过ix索引标签查询指定的列
student.ix[:,[\’Name\’,\’Height\’,\’Weight\’]].head()
查询指定的行和列
student.ix[[0,2,4,5,7],[\’Name\’,\’Height\’,\’Weight\’]].head()
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
student[student[\’Sex\’]==\’F\’]
查询出所有12岁以上的女生信息
student[(student[\’Sex\’]==\’F\’)&(student[\’Age\’]>12)]
查询出所有12岁以上的女生姓名、身高和体重
student[(student[\’Sex\’]==\’F\’)&(student[\’Age\’]>12)][[\’Name\’,\’Height\’,\’Weight\’]]
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。
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
np.random.seed(1234)
d1=pd.Series(2*np.random.normal(size=100)+3)
d2=np.random.f(2,4,size=100)
d3=np.random.randint(1,100,size=100)
d1.count()#非空元素计算
d1.min()#最小值
d1.max()#最大值
d1.idxmin()#最小值的位置，类似于R中的which.min函数
d1.idxmax()#最大值的位置，类似于R中的which.max函数
d1.quantile(0.1)#10%分位数
d1.sum()#求和
d1.mean()#均值
d1.median()#中位数
d1.mode()#众数
d1.var()#方差
d1.std()#标准差
d1.mad()#平均绝对偏差
d1.skew()#偏度
d1.kurt()#峰度
d1.describe()#一次性输出多个描述性统计指标
必须注意的是，descirbe方法只能针对序列或数据框，一维数组是没有这个方法的
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:
defstats(x):
returnpd.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\’])
stats(d1)
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，这个非常类似于R中的apply的应用方法。
将之前创建的d1,d2,d3数据构建数据框:
df=pd.DataFrame(np.array([d1,d2,d3]).T,columns=[\’x1\’,\’x2\’,\’x3\’])
df.head()
df.apply(stats)
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。
student[\’Sex\’].describe()
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。
df.corr()
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。
df.corr(\’spearman\’)
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:
df.corrwith(df[\’x1\’])
数值型变量间的协方差矩阵
df.cov()
五、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!
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]:
AgeHeightNameSexWeight
027165.7LiuShunxiangM61
123167.2ZhangshanF63
现在将student2中的数据新增到student中，可以通过concat函数实现：
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！
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：
对于新增的列没有赋值，就会出现空NaN的形式。
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。
删除指定的行
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：
删除指定的列
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。
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？
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。
查：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：
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：
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：
当然，还可以对每个分组计算多个统计量：
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：
我们再试试降序排序的设置：
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：
多表之间的连接也是非常常见的数据库操作，连接分内连接和外连接，在数据库语言中通过join关键字实现，pandas我比较建议使用merger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：
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？
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。
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。
六、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；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。
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：
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
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。
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
2)采用前项填充或后向填充
3)使用常量填充不同的列
4)用均值或中位数填充各自的列
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。
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
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
对一个分组变量（Sex），两个数值变量（Height,Weight）作统计汇总
对两个分组变量（Sex，Age)，两个数值变量（Height,Weight）作统计汇总
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：
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
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，链接地址：http://python.jobbole.com/81212/
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：
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：
对于这种多层次索引的序列，取数据就显得非常简单了：
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：
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：
我们不妨构造一个类似的高维数据框：
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：
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：
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：http://pandas.pydata.org/pandas-docs/version/0.17.0/whatsnew.html。