• Pandas学习笔记3——分组


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    Task03:分组(2天)

    关于分组

    对数据集进行分类,然后方便对每一组的数据进行统计分析。
    分组运算过程:split(分割)、apply(应用)、combine(合并)。
    切割:根据什么数据进行分组;
    应用:每一个分组之后的数据怎么进行处理,怎么计算;
    合并:将每一个分组计算后的结果合并起来,统一展示。

    groupby函数

    在SQL语言里有group by功能,在Pandas里有groupby函数与之功能相对应。DataFrame数据对象经groupby()之后有ngroupsgroups等属性,本质是DataFrame类的子类DataFrameGroupBy的实例对象。ngroups反应的是分组的个数,而groups类似dict结构key是分组的index或label,value则为index或label所对应的分组数据。size函数则是可以返回所有分组的字节大小。count函数可以统计分组后各列数据项个数。get_group函数可以返回指定组的数据信息。而discribe函数可以返回分组后的数据的统计数据。
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    grouped_single = df.groupby('School')
    

    经过groupby后会生成一个groupby对象,该对象本身不会返回任何东西,只有当相应的方法被调用才会起作用

    import numpy as np
    import pandas as pd
    path = 'C:/Users/86187/Desktop/第12期组队学习/组队学习Pandas/'
    df = pd.read_csv(path + 'data/table.csv', index_col='ID')
    
    # 加上这两行可以一次性输出多个变量而不用print
    from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
    InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"
    
    print('根据某一列进行分组')
    grouped_single = df.groupby('School')
    grouped_single.get_group('S_1').head()  # 取出‘S_1’这一组
    
    print('根据某几列进行分组')
    grouped_mul = df.groupby(['School', 'Class'])
    grouped_mul.get_group(('S_2', 'C_4'))
    
    print('查看数组容量')
    grouped_single.size()
    grouped_mul.size()  # 很清晰地看到各组状况
    grouped_single.ngroups
    grouped_mul.ngroups  # 查看子组数
    
    print('调用函数count、max、mean')
    grouped_single.count()
    grouped_mul.max()
    grouped_mul.mean()
    
    print('组的遍历')
    for name, group in grouped_single:
        print(name)
        display(group.head())
    
    # print('多级索引分组,这里涉及'level'和'axis'参数')
    df.set_index(['Gender', 'School']).groupby(level=1, axis=0).get_group('S_1')
    
    # 对于groupby函数而言,分组的依据是非常自由的,只要是与数据框长度相同的列表即可,同时支持函数型分组
    df.groupby(np.random.choice(['a', 'b', 'c'],
                                df.shape[0])).get_group('a').head()
    # 相当于将np.random.choice(['a','b','c'],df.shape[0])当做新的一列进行分组
    
    根据某一列进行分组
    
    School Class Gender Address Height Weight Math Physics
    ID
    1101 S_1 C_1 M street_1 173 63 34.0 A+
    1102 S_1 C_1 F street_2 192 73 32.5 B+
    1103 S_1 C_1 M street_2 186 82 87.2 B+
    1104 S_1 C_1 F street_2 167 81 80.4 B-
    1105 S_1 C_1 F street_4 159 64 84.8 B+
    根据某几列进行分组
    
    School Class Gender Address Height Weight Math Physics
    ID
    2401 S_2 C_4 F street_2 192 62 45.3 A
    2402 S_2 C_4 M street_7 166 82 48.7 B
    2403 S_2 C_4 F street_6 158 60 59.7 B+
    2404 S_2 C_4 F street_2 160 84 67.7 B
    2405 S_2 C_4 F street_6 193 54 47.6 B
    查看数组容量:
    
    School
    S_1    15
    S_2    20
    dtype: int64
    
    School  Class
    S_1     C_1      5
            C_2      5
            C_3      5
    S_2     C_1      5
            C_2      5
            C_3      5
            C_4      5
    dtype: int64
    
    子组数:
    2
    7
    
    调用函数count、max、mean:
    
    Class Gender Address Height Weight Math Physics
    School
    S_1 15 15 15 15 15 15 15
    S_2 20 20 20 20 20 20 20
    Gender Address Height Weight Math Physics
    School Class
    S_1 C_1 M street_4 192 82 87.2 B-
    C_2 M street_6 188 94 97.0 B-
    C_3 M street_7 195 82 87.7 B-
    S_2 C_1 M street_7 174 97 83.3 C
    C_2 M street_7 194 100 85.4 B-
    C_3 M street_7 190 99 95.5 C
    C_4 M street_7 193 84 67.7 B+
    Height Weight Math
    School Class
    S_1 C_1 175.4 72.6 63.78
    C_2 170.6 68.2 64.30
    C_3 181.2 69.2 63.16
    S_2 C_1 164.2 76.8 58.56
    C_2 180.0 83.6 62.80
    C_3 173.8 83.8 63.06
    C_4 173.8 68.4 53.80
    组的遍历
    S_1
    
    School Class Gender Address Height Weight Math Physics
    ID
    1101 S_1 C_1 M street_1 173 63 34.0 A+
    1102 S_1 C_1 F street_2 192 73 32.5 B+
    1103 S_1 C_1 M street_2 186 82 87.2 B+
    1104 S_1 C_1 F street_2 167 81 80.4 B-
    1105 S_1 C_1 F street_4 159 64 84.8 B+
    S_2
    
    School Class Gender Address Height Weight Math Physics
    ID
    2101 S_2 C_1 M street_7 174 84 83.3 C
    2102 S_2 C_1 F street_6 161 61 50.6 B+
    2103 S_2 C_1 M street_4 157 61 52.5 B-
    2104 S_2 C_1 F street_5 159 97 72.2 B+
    2105 S_2 C_1 M street_4 170 81 34.2 A
    Class Address Height Weight Math Physics
    Gender School
    M S_1 C_1 street_1 173 63 34.0 A+
    F S_1 C_1 street_2 192 73 32.5 B+
    M S_1 C_1 street_2 186 82 87.2 B+
    F S_1 C_1 street_2 167 81 80.4 B-
    S_1 C_1 street_4 159 64 84.8 B+
    M S_1 C_2 street_5 188 68 97.0 A-
    F S_1 C_2 street_4 176 94 63.5 B-
    M S_1 C_2 street_6 160 53 58.8 A+
    F S_1 C_2 street_5 162 63 33.8 B
    S_1 C_2 street_6 167 63 68.4 B-
    M S_1 C_3 street_4 161 68 31.5 B+
    F S_1 C_3 street_1 175 57 87.7 A-
    M S_1 C_3 street_7 188 82 49.7 B
    S_1 C_3 street_2 195 70 85.2 A
    F S_1 C_3 street_5 187 69 61.7 B-
    School Class Gender Address Height Weight Math Physics
    ID
    1102 S_1 C_1 F street_2 192 73 32.5 B+
    1103 S_1 C_1 M street_2 186 82 87.2 B+
    1104 S_1 C_1 F street_2 167 81 80.4 B-
    1105 S_1 C_1 F street_4 159 64 84.8 B+
    1204 S_1 C_2 F street_5 162 63 33.8 B
    print('从原理上说,我们可以看到利用函数时,传入的对象就是索引,因此根据这一特性可以做一些复杂的操作')
    df[:5].groupby(lambda x: print(x)).head()
    
    print('根据奇偶行进行分组')
    df.groupby(lambda x: '奇数行'
               if not df.index.get_loc(x) % 2 == 1 else '偶数行').groups
    
    从原理上说,我们可以看到利用函数时,传入的对象就是索引,因此根据这一特性可以做一些复杂的操作。
    1101
    1102
    1103
    1104
    1105
    
    School Class Gender Address Height Weight Math Physics
    ID
    1101 S_1 C_1 M street_1 173 63 34.0 A+
    1102 S_1 C_1 F street_2 192 73 32.5 B+
    1103 S_1 C_1 M street_2 186 82 87.2 B+
    1104 S_1 C_1 F street_2 167 81 80.4 B-
    1105 S_1 C_1 F street_4 159 64 84.8 B+
    根据奇偶行进行分组:
    {'偶数行': Int64Index([1102, 1104, 1201, 1203, 1205, 1302, 1304, 2101, 2103, 2105, 2202,
                 2204, 2301, 2303, 2305, 2402, 2404],
                dtype='int64', name='ID'),
     '奇数行': Int64Index([1101, 1103, 1105, 1202, 1204, 1301, 1303, 1305, 2102, 2104, 2201,
                 2203, 2205, 2302, 2304, 2401, 2403, 2405],
                dtype='int64', name='ID')}
    
    print('查看两所学校中男女生分别均分是否及格')
    math_score = df.set_index(['Gender', 'School'])['Math'].sort_index()
    grouped_score = df.set_index(['Gender','School']).sort_index().
                groupby(lambda x:(x,'均分及格' if math_score[x].mean()>=60 else '均分不及格'))
    for name, _ in grouped_score:
        print(name)
        
    # 可以用[]选出groupby对象的某个或者某几个列,上面的均分比较可以如下简洁地写出:
    print('简洁写法:')
    df.groupby(['Gender','School'])['Math'].mean()>=60
    
    查看两所学校中男女生分别均分是否及格
    (('F', 'S_1'), '均分及格')
    (('F', 'S_2'), '均分及格')
    (('M', 'S_1'), '均分及格')
    (('M', 'S_2'), '均分不及格')
    
    简洁写法:
    Gender  School
    F       S_1        True
            S_2        True
    M       S_1        True
            S_2       False
    Name: Math, dtype: bool
    
    # 连续变量分组,进行区间划分
    bins = [0, 40, 60, 80, 90, 100]
    cuts = pd.cut(df['Math'], bins=bins)  #可选label添加自定义标签
    df.groupby(cuts)['Math'].count() # 汇总
    
    Math
    (0, 40]       7
    (40, 60]     10
    (60, 80]      9
    (80, 90]      7
    (90, 100]     2
    Name: Math, dtype: int64
    

    聚合、过滤和变换

    在对数据进行分组之后,可以对分组后的数据进行聚合处理统计。所谓聚合就是把一堆数,变成一个标量,因此mean/sum/size/count/std/var/sem/describe/first/last/nth/min/max都是聚合函数。

    聚合(Aggregation)

    # 使用单个聚合函数
    group_m = grouped_single['Math']
    group_m.max()
    
    School
    S_1    97.0
    S_2    95.5
    Name: Math, dtype: float64
    
    # 同时使用多个聚合函数
    group_m.agg(['sum','mean','std'])
    
    sum mean std
    School
    S_1 956.2 63.746667 23.077474
    S_2 1191.1 59.555000 17.589305
    # 利用元组进行重命名
    group_m.agg([('rename_sum','sum'),('rename_mean','mean')])
    
    rename_sum rename_mean
    School
    S_1 956.2 63.746667
    S_2 1191.1 59.555000
    # 指定哪些函数作用哪些列
    grouped_mul.agg({'Math': ['mean', 'max'], 'Height': 'var'})
    
    Math Height
    mean max var
    School Class
    S_1 C_1 63.78 87.2 183.3
    C_2 64.30 97.0 132.8
    C_3 63.16 87.7 179.2
    S_2 C_1 58.56 83.3 54.7
    C_2 62.80 85.4 256.0
    C_3 63.06 95.5 205.7
    C_4 53.80 67.7 300.2
    # 适用自定义函数
    grouped_single['Math'].agg(lambda x: print(x.head(), '间隔'))
    #可以发现,agg函数的传入是分组逐列进行的,有了这个特性就可以做许多事情
    
    1101    34.0
    1102    32.5
    1103    87.2
    1104    80.4
    1105    84.8
    Name: Math, dtype: float64 间隔
    2101    83.3
    2102    50.6
    2103    52.5
    2104    72.2
    2105    34.2
    Name: Math, dtype: float64 间隔
    
    School
    S_1    None
    S_2    None
    Name: Math, dtype: object
    
    # 组内极差计算
    grouped_single['Math'].agg(lambda x: x.max() - x.min())
    
    School
    S_1    65.5
    S_2    62.8
    Name: Math, dtype: float64
    
    # 利用NamedAgg函数进行多个聚合
    # 注意:不支持lambda函数,但是可以使用外置的def函数
    def R1(x):
        return x.max() - x.min()
    
    def R2(x):
        return x.max() - x.median()
    
    grouped_single['Math'].agg(min_score1=pd.NamedAgg(column='col1', aggfunc=R1),
                               max_score1=pd.NamedAgg(column='col2',
                                                      aggfunc='max'),
                               range_score2=pd.NamedAgg(column='col3',
                                                        aggfunc=R2)).head()
    
    min_score1 max_score1 range_score2
    School
    S_1 65.5 97.0 33.5
    S_2 62.8 95.5 39.4
    # 带参数的聚合函数
    # 判断是否组内数学分数至少有一个值在50-52之间:
    def f(s, low, high):
        return s.between(low, high).any()
    grouped_single['Math'].agg(f, 50, 52)
    
    School
    S_1    False
    S_2     True
    Name: Math, dtype: bool
    

    过滤(Filteration)

    filter函数是用来筛选某些组的(务必记住结果是组的全体),因此传入的值应当是布尔标量。

    grouped_single[['Math',
                    'Physics']].filter(lambda x: (x['Math'] > 32).all()).head()
    
    Math Physics
    ID
    2101 83.3 C
    2102 50.6 B+
    2103 52.5 B-
    2104 72.2 B+
    2105 34.2 A

    变换(Transformation)

    transform函数中传入的对象是组内的列,并且返回值需要与列长完全一致。

    grouped_single[['Math', 'Height']].transform(lambda x: x - x.min()).head()
    
    Math Height
    ID
    1101 2.5 14
    1102 1.0 33
    1103 55.7 27
    1104 48.9 8
    1105 53.3 0
    # 如果返回了标量值,那么组内的所有元素会被广播为这个值
    grouped_single[['Math', 'Height']].transform(lambda x: x.mean()).head()
    
    Math Height
    ID
    1101 63.746667 175.733333
    1102 63.746667 175.733333
    1103 63.746667 175.733333
    1104 63.746667 175.733333
    1105 63.746667 175.733333
    # 利用变换方法进行组内标准化
    grouped_single[['Math', 'Height'
                    ]].transform(lambda x: (x - x.mean()) / x.std()).head()
    
    Math Height
    ID
    1101 -1.288991 -0.214991
    1102 -1.353990 1.279460
    1103 1.016287 0.807528
    1104 0.721627 -0.686923
    1105 0.912289 -1.316166
    # 利用变换方法进行组内缺失值的均值填充
    df_nan = df[['Math', 'School']].copy().reset_index()
    df_nan.loc[np.random.randint(0, df.shape[0], 25), ['Math']] = np.nan
    df_nan.head()
    
    df_nan.groupby('School').transform(lambda x: x.fillna(x.mean())).join(
        df.reset_index()['School']).head()
    
    ID Math School
    0 1101 34.0 S_1
    1 1102 32.5 S_1
    2 1103 87.2 S_1
    3 1104 80.4 S_1
    4 1105 84.8 S_1
    ID Math School
    0 1101 34.0 S_1
    1 1102 32.5 S_1
    2 1103 87.2 S_1
    3 1104 80.4 S_1
    4 1105 84.8 S_1

    apply

    # apply是以分组的表传入函数中的
    df.groupby('School').apply(lambda x: print(x.head(1)))
    
         School Class Gender   Address  Height  Weight  Math Physics
    ID                                                              
    1101    S_1   C_1      M  street_1     173      63  34.0      A+
         School Class Gender   Address  Height  Weight  Math Physics
    ID                                                              
    2101    S_2   C_1      M  street_7     174      84  83.3       C
    
    # 标量返回值
    df[['School', 'Math', 'Height']].groupby('School').apply(lambda x: x.max())
    
    School Math Height
    School
    S_1 S_1 97.0 195
    S_2 S_2 95.5 194
    # 列表返回值
    df[['School', 'Math',
        'Height']].groupby('School').apply(lambda x: x - x.min()).head()
    
    Math Height
    ID
    1101 2.5 14.0
    1102 1.0 33.0
    1103 55.7 27.0
    1104 48.9 8.0
    1105 53.3 0.0
    # 数据框返回值
    df[['School','Math','Height']].groupby('School')
        .apply(lambda x:pd.DataFrame({'col1':x['Math']-x['Math'].max(),
                                      'col2':x['Math']-x['Math'].min(),
                                      'col3':x['Height']-x['Height'].max(),
                                      'col4':x['Height']-x['Height'].min()})).head()
    
    col1 col2 col3 col4
    ID
    1101 -63.0 2.5 -22 14
    1102 -64.5 1.0 -3 33
    1103 -9.8 55.7 -9 27
    1104 -16.6 48.9 -28 8
    1105 -12.2 53.3 -36 0
    # 用apply同时统计多个指标
    from collections import OrderedDict
    def f(df):
        data = OrderedDict()
        data['M_sum'] = df['Math'].sum()
        data['W_var'] = df['Weight'].var()
        data['H_mean'] = df['Height'].mean()
        return pd.Series(data)
    grouped_single.apply(f)
    
    M_sum W_var H_mean
    School
    S_1 956.2 117.428571 175.733333
    S_2 1191.1 181.081579 172.950000

    练习

    练习一

    现有一份关于diamonds的数据集,列分别记录了克拉数、颜色、开采深度、价格,请解决下列问题:
    a. 在所有重量超过1克拉的钻石中,价格的极差是多少?

    df = pd.read_csv('data/Diamonds.csv')
    df.head()
    
    carat color depth price
    0 0.23 E 61.5 326
    1 0.21 E 59.8 326
    2 0.23 E 56.9 327
    3 0.29 I 62.4 334
    4 0.31 J 63.3 335
    Max = df.loc[df['carat']>=1, 'price'].max()
    Min = df.loc[df['carat']>=1, 'price'].min()
    Max-Min
    
    17561
    

    b. 若以开采深度的0.2.4.6.8分位数为分组依据,每一组中钻石颜色最多的是哪一种?该种颜色是组内平均而言单位重量最贵的吗?

    bins = df['depth'].quantile(np.linspace(0,1,6)).tolist()
    cuts = pd.cut(df['depth'], bins=bins)
    df['cuts'] = cuts
    df.head()
    
    df.groupby('cuts')['color'].value_counts()[::7]
    
    carat color depth price cuts
    0 0.23 E 61.5 326 (60.8, 61.6]
    1 0.21 E 59.8 326 (43.0, 60.8]
    2 0.23 E 56.9 327 (43.0, 60.8]
    3 0.29 I 62.4 334 (62.1, 62.7]
    4 0.31 J 63.3 335 (62.7, 79.0]
    cuts          color
    (43.0, 60.8]  E        2259
    (60.8, 61.6]  G        2593
    (61.6, 62.1]  G        2247
    (62.1, 62.7]  G        2193
    (62.7, 79.0]  G        2000
    Name: color, dtype: int64
    

    c. 以重量分组(0-0.5,0.5-1,1-1.5,1.5-2,2+),按递增的深度为索引排序,求每组中连续的严格递增价格序列长度的最大值。

    weight = np.linspace(0, 2.5, 6).tolist()
    df['weight'] = pd.cut(df['carat'], bins=weight)
    
    
    def f(nums):
        if not nums:
            return 0
        res = 1
        cur_len = 1
        for i in range(1, len(nums)):
            if nums[i - 1] < nums[i]:
                cur_len += 1
                res = max(cur_len, res)
            else:
                cur_len = 1
        return res
    
    
    for name, group in df.groupby('weight'):
        group = group.sort_values(by='depth')
        s = group['price']
        print(name, f(s.tolist()))
    
    (0.0, 0.5] 8
    (0.5, 1.0] 8
    (1.0, 1.5] 7
    (1.5, 2.0] 11
    (2.0, 2.5] 7
    

    d. 请按颜色分组,分别计算价格关于克拉数的回归系数。(单变量的简单线性回归,并只使用Pandas和Numpy完成)

    for name, group in df[['carat', 'price', 'color']].groupby('color'):
        x = np.array([group['carat'],
                      np.ones(group.shape[0])]).T.reshape(group.shape[0], 2)
        y = np.array(group['price']).reshape(group.shape[0], 1)
        theta = (np.linalg.inv(x.T.dot(x)).dot(x.T).dot(y)).reshape(2, 1)
        print('当颜色为%s时,回归系数为:%f, 截距项为:%f' % (name, theta[0], theta[1]))
    
    当颜色为D时,回归系数为:8408.353126, 截距项为:-2361.017152
    当颜色为E时,回归系数为:8296.212783, 截距项为:-2381.049600
    当颜色为F时,回归系数为:8676.658344, 截距项为:-2665.806191
    当颜色为G时,回归系数为:8525.345779, 截距项为:-2575.527643
    当颜色为H时,回归系数为:7619.098320, 截距项为:-2460.418046
    当颜色为I时,回归系数为:7761.041169, 截距项为:-2878.150356
    当颜色为J时,回归系数为:7094.192092, 截距项为:-2920.603337
    

    练习二

    有一份关于美国10年至17年的非法药物数据集,列分别记录了年份、州(5个)、县、药物类型、报告数量,请解决下列问题:

    (a) 按照年份统计,哪个县的报告数量最多?这个县所属的州在当年也是报告数最多的吗?

    df = pd.read_csv('data/Drugs.csv')
    df.head()
    
    YYYY State COUNTY SubstanceName DrugReports
    0 2010 VA ACCOMACK Propoxyphene 1
    1 2010 OH ADAMS Morphine 9
    2 2010 PA ADAMS Methadone 2
    3 2010 VA ALEXANDRIA CITY Heroin 5
    4 2010 PA ALLEGHENY Hydromorphone 5
    idx=pd.IndexSlice
    for i in range(2010,2018):
        county = (df.groupby(['COUNTY','YYYY']).sum().loc[idx[:,i],:].idxmax()[0][0])
        state = df.query('COUNTY == "%s"'%county)['State'].iloc[0]
        state_true = df.groupby(['State','YYYY']).sum().loc[idx[:,i],:].idxmax()[0][0]
        if state==state_true:
            print('在%d年,%s县的报告数最多,它所属的州%s也是报告数最多的'%(i,county,state))
        else:
            print('在%d年,%s县的报告数最多,但它所属的州%s不是报告数最多的,%s州报告数最多'%(i,county,state,state_true))
    
    在2010年,PHILADELPHIA县的报告数最多,它所属的州PA也是报告数最多的
    在2011年,PHILADELPHIA县的报告数最多,但它所属的州PA不是报告数最多的,OH州报告数最多
    在2012年,PHILADELPHIA县的报告数最多,但它所属的州PA不是报告数最多的,OH州报告数最多
    在2013年,PHILADELPHIA县的报告数最多,但它所属的州PA不是报告数最多的,OH州报告数最多
    在2014年,PHILADELPHIA县的报告数最多,但它所属的州PA不是报告数最多的,OH州报告数最多
    在2015年,PHILADELPHIA县的报告数最多,但它所属的州PA不是报告数最多的,OH州报告数最多
    在2016年,HAMILTON县的报告数最多,它所属的州OH也是报告数最多的
    在2017年,HAMILTON县的报告数最多,它所属的州OH也是报告数最多的
    

    (b) 从14年到15年,Heroin的数量增加最多的是哪一个州?它在这个州是所有药物中增幅最大的吗?若不是,请找出符合该条件的药物。

    df_b = df[(df['YYYY'].isin([2014,2015]))&(df['SubstanceName']=='Heroin')]
    df_add = df_b.groupby(['YYYY','State']).sum()
    (df_add.loc[2015]-df_add.loc[2014]).idxmax()
    
    DrugReports    OH
    dtype: object
    
    df_b = df[(df['YYYY'].isin([2014,2015]))&(df['State']=='OH')]
    df_add = df_b.groupby(['YYYY','SubstanceName']).sum()
    display((df_add.loc[2015]-df_add.loc[2014]).idxmax()) #这里利用了索引对齐的特点
    display((df_add.loc[2015]/df_add.loc[2014]).idxmax())
    
    DrugReports    Heroin
    dtype: object
    
    
    
    DrugReports    Acetyl fentanyl
    dtype: object
    

    参考内容

    1. 教程仓库连接
    2. 《利用Python进行数据分析》
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