Pandas 简介
pandas 是 python 内基于 NumPy 的一种工具，主要目的是为了解决数据分析任务。Pandas 包含了大量库和一些标准的数据模型，提供了高效地操作大型数据集所需的工具。
学习 pandas 需要主要掌握的技能包括
- 汇总和计算描述统计，处理缺失数据 ，层次化索引；
- 清理、转换、合并、重塑、groupby 技术；
- 日期和时间数据类型及工具（日期处理方便地飞起）；
本文参考主要介绍包括 Python科学计算：庖丁解牛之Pandas 和 10 Minutes to pandas。
数据类型
pandas 包含两个主要数据类型为 Series 和 DataFrame，其中 Series 为一位向量，DataFrame 为二维数组。
import numpy as np
import pandas as pd
s = pd.Series([1, 3, 5, np.nan, 6, 8])
利用 NumPy 数组可以构造 DataFrame 数组，如下所示
In [5]: dates = pd.date_range('20130101', periods=6)
In [6]: dates
Out[6]:
DatetimeIndex(['2013-01-01', '2013-01-02', '2013-01-03', '2013-01-04',
'2013-01-05', '2013-01-06'],
dtype='datetime64[ns]', freq='D')
In [7]: df = pd.DataFrame(np.random.randn(6, 4), index=dates, columns=list('ABCD'))
In [8]: df
Out[8]:
A B C D
2013-01-01 0.469112 -0.282863 -1.509059 -1.135632
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 -1.044236
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 1.071804
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 0.271860
2013-01-05 -0.424972 0.567020 0.276232 -1.087401
2013-01-06 -0.673690 0.113648 -1.478427 0.524988
数据可视化
为了对数据进行可视化，pandas包含了多种方法。基本可视化功能包括：观察头部与底部数据
In [13]: df.head()
Out[13]:
A B C D
2013-01-01 0.469112 -0.282863 -1.509059 -1.135632
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 -1.044236
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 1.071804
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 0.271860
2013-01-05 -0.424972 0.567020 0.276232 -1.087401
In [14]: df.tail(3)
Out[14]:
A B C D
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 0.271860
2013-01-05 -0.424972 0.567020 0.276232 -1.087401
2013-01-06 -0.673690 0.113648 -1.478427 0.524988
显示数据索引：
In [15]: df.index
Out[15]:
DatetimeIndex(['2013-01-01', '2013-01-02', '2013-01-03', '2013-01-04',
'2013-01-05', '2013-01-06'],
dtype='datetime64[ns]', freq='D')
In [16]: df.columns
Out[16]: Index(['A', 'B', 'C', 'D'], dtype='object')
DataFrame.to_numpy() 可以将数据转化为 NumPy 数组类型。注意，这种方法在 DataFrame 内包含多种数组类型时可能会需要较长的转化时间，因为 NumPy 仅有一种数据类型。此外，DataFrame.to_numpy() 在输出时候不包括索引和标签列。
describe() 可以显示数据的快速统计摘要：
In [19]: df.describe()
Out[19]:
A B C D
count 6.000000 6.000000 6.000000 6.000000
mean 0.073711 -0.431125 -0.687758 -0.233103
std 0.843157 0.922818 0.779887 0.973118
min -0.861849 -2.104569 -1.509059 -1.135632
25% -0.611510 -0.600794 -1.368714 -1.076610
50% 0.022070 -0.228039 -0.767252 -0.386188
75% 0.658444 0.041933 -0.034326 0.461706
max 1.212112 0.567020 0.276232 1.071804
数据转置：
In [20]: df.T
Out[20]:
2013-01-01 2013-01-02 2013-01-03 2013-01-04 2013-01-05 2013-01-06
A 0.469112 1.212112 -0.861849 0.721555 -0.424972 -0.673690
B -0.282863 -0.173215 -2.104569 -0.706771 0.567020 0.113648
C -1.509059 0.119209 -0.494929 -1.039575 0.276232 -1.478427
D -1.135632 -1.044236 1.071804 0.271860 -1.087401 0.524988
按轴排序：
In [21]: df.sort_index(axis=1, ascending=False)
Out[21]:
D C B A
2013-01-01 -1.135632 -1.509059 -0.282863 0.469112
2013-01-02 -1.044236 0.119209 -0.173215 1.212112
2013-01-03 1.071804 -0.494929 -2.104569 -0.861849
2013-01-04 0.271860 -1.039575 -0.706771 0.721555
2013-01-05 -1.087401 0.276232 0.567020 -0.424972
2013-01-06 0.524988 -1.478427 0.113648 -0.673690
按值排序：
In [22]: df.sort_values(by='B')
Out[22]:
A B C D
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 1.071804
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 0.271860
2013-01-01 0.469112 -0.282863 -1.509059 -1.135632
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 -1.044236
2013-01-06 -0.673690 0.113648 -1.478427 0.524988
2013-01-05 -0.424972 0.567020 0.276232 -1.087401
数据访问
为了进一步对DataFrame中数据进行操作，需要掌握数据的访问方法。在pandas中，提供了多种数据访问形式。
切片
在DataFrame中选取一个单列时，相当于构造一个Series对象
In [23]: df['A']
Out[23]:
2013-01-01 0.469112
2013-01-02 1.212112
2013-01-03 -0.861849
2013-01-04 0.721555
2013-01-05 -0.424972
2013-01-06 -0.673690
Freq: D, Name: A, dtype: float64
通过 [] 可以对数据部分进行选择，获得仅包含部分索引的切片数据
In [24]: df[0:3]
Out[24]:
A B C D
2013-01-01 0.469112 -0.282863 -1.509059 -1.135632
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 -1.044236
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 1.071804
In [25]: df['20130102':'20130104']
Out[25]:
A B C D
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 -1.044236
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 1.071804
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 0.271860
通过标签切片
DataFrame中也可以通过数据的标签进行选取。
首先，DataFrame中数据标签类似于矩阵的列，但是标签除了数字形式，可以有更加直观的名称，如字符串等。下图展示了DataFrame中按照标签截取的主要方法
同时，也可以按照索引进行切片，在DataFrame中，索引类似矩阵的行号。在调用 loc 进行切片时，只要输入一个参数即可选取特定行
In [26]: df.loc[dates[0]]
Out[26]:
A 0.469112
B -0.282863
C -1.509059
D -1.135632
Name: 2013-01-01 00:00:00, dtype: float64
此时截取后数据为原始数据中第一行索引，类型为 Series 数据。
当然也可以在多轴上选择：
In [27]: df.loc[:, ['A', 'B']]
Out[27]:
A B
2013-01-01 0.469112 -0.282863
2013-01-02 1.212112 -0.173215
2013-01-03 -0.861849 -2.104569
2013-01-04 0.721555 -0.706771
2013-01-05 -0.424972 0.567020
2013-01-06 -0.673690 0.113648
其中第一个标签 : 代表选取所有索引。也可以同时选取索引和标签列：
In [28]: df.loc['20130102':'20130104', ['A', 'B']]
Out[28]:
A B
2013-01-02 1.212112 -0.173215
2013-01-03 -0.861849 -2.104569
2013-01-04 0.721555 -0.706771
当确定数据的索引和标签时候，也可以用 at 命令快速访问，iat 为按照序号索引进行访问，二者对应如下午所示
In [31]: df.at[dates[0], 'A']
Out[31]: 0.4691122999071863
总结来说，在索引或切片 DataFrame时，可以用基于位置的 at 和 loc，二者功能是相似的。
通过编号选取
除了标签，也可以用整数编号对数据某行索引进行选择，与 loc 对应的有 iloc：
In [32]: df.iloc[3]
Out[32]:
A 0.721555
B -0.706771
C -1.039575
D 0.271860
Name: 2013-01-04 00:00:00, dtype: float64
通过两个序列编号方法则与 numpy 中数据读取类似
In [33]: df.iloc[3:5, 0:2]
Out[33]:
A B
2013-01-04 0.721555 -0.706771
2013-01-05 -0.424972 0.567020
也可以用列表形式选取索引
In [34]: df.iloc[[1, 2, 4], [0, 2]]
Out[34]:
A C
2013-01-02 1.212112 0.119209
2013-01-03 -0.861849 -0.494929
2013-01-05 -0.424972 0.276232
也可以用整数编号作为索引快速访问数组内容
In [38]: df.iat[1, 1]
Out[38]: -0.17321464905330858
布尔索引
在 DataFrame 中可以用单列值选择数据
In [39]: df[df.A > 0]
Out[39]:
A B C D
2013-01-01 0.469112 -0.282863 -1.509059 -1.135632
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 -1.044236
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 0.271860
也可以用满足布尔条件的DataFrame中选择值
In [40]: df[df > 0]
Out[40]:
A B C D
2013-01-01 0.469112 NaN NaN NaN
2013-01-02 1.212112 NaN 0.119209 NaN
2013-01-03 NaN NaN NaN 1.071804
2013-01-04 0.721555 NaN NaN 0.271860
2013-01-05 NaN 0.567020 0.276232 NaN
2013-01-06 NaN 0.113648 NaN 0.524988
赋值
当为DataFrame赋值新的列时，将按照索引自动对齐数据。
In [45]: s1 = pd.Series([1, 2, 3, 4, 5, 6], index=pd.date_range('20130102', periods=6))
In [46]: s1
Out[46]:
2013-01-02 1
2013-01-03 2
2013-01-04 3
2013-01-05 4
2013-01-06 5
2013-01-07 6
Freq: D, dtype: int64
In [47]: df['F'] = s1
按照上面数据读取方法，也可按照索引进行赋值：
In [48]: df.at[dates[0], 'A'] = 0
In [49]: df.iat[0, 1] = 0
In [50]: df.loc[:, 'D'] = np.array([5] * len(df))
缺失数据处理
重新索引时允许更改/删除/添加指定轴上索引，并返回数据的副本
In [55]: df1 = df.reindex(index=dates[0:4], columns=list(df.columns) + ['E'])
In [56]: df1.loc[dates[0]:dates[1], 'E'] = 1
In [57]: df1
Out[57]:
A B C D F E
2013-01-01 0.000000 0.000000 -1.509059 5 NaN 1.0
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 5 1.0 1.0
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 5 2.0 NaN
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 5 3.0 NaN
删除缺少数据行可以用 dropna 方法计算
In [58]: df1.dropna(how='any')
Out[58]:
A B C D F E
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 5 1.0 1.0
也可用 fillna 填充丢失数据
In [59]: df1.fillna(value=5)
Out[59]:
A B C D F E
2013-01-01 0.000000 0.000000 -1.509059 5 5.0 1.0
2013-01-02 1.212112 -0.173215 0.119209 5 1.0 1.0
2013-01-03 -0.861849 -2.104569 -0.494929 5 2.0 5.0
2013-01-04 0.721555 -0.706771 -1.039575 5 3.0 5.0
数据操作
数据统计
可以用函数对各列或行数据进行统计
In [61]: df.mean()
Out[61]:
A -0.004474
B -0.383981
C -0.687758
D 5.000000
F 3.000000
dtype: float64
In [62]: df.mean(1)
Out[62]:
2013-01-01 0.872735
2013-01-02 1.431621
2013-01-03 0.707731
2013-01-04 1.395042
2013-01-05 1.883656
2013-01-06 1.592306
Freq: D, dtype: float64
函数计算
可以将函数应用于数据计算
In [66]: df.apply(np.cumsum)
Out[66]:
A B C D F
2013-01-01 0.000000 0.000000 -1.509059 5 NaN
2013-01-02 1.212112 -0.173215 -1.389850 10 1.0
2013-01-03 0.350263 -2.277784 -1.884779 15 3.0
2013-01-04 1.071818 -2.984555 -2.924354 20 6.0
2013-01-05 0.646846 -2.417535 -2.648122 25 10.0
2013-01-06 -0.026844 -2.303886 -4.126549 30 15.0
In [67]: df.apply(lambda x: x.max() - x.min())
Out[67]:
A 2.073961
B 2.671590
C 1.785291
D 0.000000
F 4.000000
dtype: float64
字符串方法
Series 在 str 属性中配备了字符串方法，可以对数据每个元素进行操作。
In [71]: s = pd.Series(['A', 'B', 'C', 'Aaba', 'Baca', np.nan, 'CABA', 'dog', 'cat'])
In [72]: s.str.lower()
Out[72]:
0 a
1 b
2 c
3 aaba
4 baca
5 NaN
6 caba
7 dog
8 cat
dtype: object
数据合并
数据结合
pandas 可将 Series 和 DataFrame 对象与各种用于索引和关系的功能组合在一起。
In [73]: df = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 4))
In [74]: df
Out[74]:
0 1 2 3
0 -0.548702 1.467327 -1.015962 -0.483075
1 1.637550 -1.217659 -0.291519 -1.745505
2 -0.263952 0.991460 -0.919069 0.266046
3 -0.709661 1.669052 1.037882 -1.705775
4 -0.919854 -0.042379 1.247642 -0.009920
5 0.290213 0.495767 0.362949 1.548106
6 -1.131345 -0.089329 0.337863 -0.945867
7 -0.932132 1.956030 0.017587 -0.016692
8 -0.575247 0.254161 -1.143704 0.215897
9 1.193555 -0.077118 -0.408530 -0.862495
# break it into pieces
In [75]: pieces = [df[:3], df[3:7], df[7:]]
In [76]: pd.concat(pieces)
Out[76]:
0 1 2 3
0 -0.548702 1.467327 -1.015962 -0.483075
1 1.637550 -1.217659 -0.291519 -1.745505
2 -0.263952 0.991460 -0.919069 0.266046
3 -0.709661 1.669052 1.037882 -1.705775
4 -0.919854 -0.042379 1.247642 -0.009920
5 0.290213 0.495767 0.362949 1.548106
6 -1.131345 -0.089329 0.337863 -0.945867
7 -0.932132 1.956030 0.017587 -0.016692
8 -0.575247 0.254161 -1.143704 0.215897
9 1.193555 -0.077118 -0.408530 -0.862495
插入
插入时可按照 SQL 样式进行插入
In [77]: left = pd.DataFrame({'key': ['foo', 'foo'], 'lval': [1, 2]})
In [78]: right = pd.DataFrame({'key': ['foo', 'foo'], 'rval': [4, 5]})
In [79]: left
Out[79]:
key lval
0 foo 1
1 foo 2
In [80]: right
Out[80]:
key rval
0 foo 4
1 foo 5
In [81]: pd.merge(left, right, on='key')
Out[81]:
key lval rval
0 foo 1 4
1 foo 1 5
2 foo 2 4
3 foo 2 5
另一个类似的示例为
In [82]: left = pd.DataFrame({'key': ['foo', 'bar'], 'lval': [1, 2]})
In [83]: right = pd.DataFrame({'key': ['foo', 'bar'], 'rval': [4, 5]})
In [84]: left
Out[84]:
key lval
0 foo 1
1 bar 2
In [85]: right
Out[85]:
key rval
0 foo 4
1 bar 5
In [86]: pd.merge(left, right, on='key')
Out[86]:
key lval rval
0 foo 1 4
1 bar 2 5
增加数据
用 append 命令可以增加数据
In [87]: df = pd.DataFrame(np.random.randn(8, 4), columns=['A', 'B', 'C', 'D'])
In [88]: df
Out[88]:
A B C D
0 1.346061 1.511763 1.627081 -0.990582
1 -0.441652 1.211526 0.268520 0.024580
2 -1.577585 0.396823 -0.105381 -0.532532
3 1.453749 1.208843 -0.080952 -0.264610
4 -0.727965 -0.589346 0.339969 -0.693205
5 -0.339355 0.593616 0.884345 1.591431
6 0.141809 0.220390 0.435589 0.192451
7 -0.096701 0.803351 1.715071 -0.708758
In [89]: s = df.iloc[3]
In [90]: df.append(s, ignore_index=True)
Out[90]:
A B C D
0 1.346061 1.511763 1.627081 -0.990582
1 -0.441652 1.211526 0.268520 0.024580
2 -1.577585 0.396823 -0.105381 -0.532532
3 1.453749 1.208843 -0.080952 -0.264610
4 -0.727965 -0.589346 0.339969 -0.693205
5 -0.339355 0.593616 0.884345 1.591431
6 0.141809 0.220390 0.435589 0.192451
7 -0.096701 0.803351 1.715071 -0.708758
8 1.453749 1.208843 -0.080952 -0.264610
数据分组
数据分组可将 DataFrame 中功能独立地应用于每个组
In [91]: df = pd.DataFrame({'A': ['foo', 'bar', 'foo', 'bar',
....: 'foo', 'bar', 'foo', 'foo'],
....: 'B': ['one', 'one', 'two', 'three',
....: 'two', 'two', 'one', 'three'],
....: 'C': np.random.randn(8),
....: 'D': np.random.randn(8)})
....:
In [92]: df
Out[92]:
A B C D
0 foo one -1.202872 -0.055224
1 bar one -1.814470 2.395985
2 foo two 1.018601 1.552825
3 bar three -0.595447 0.166599
4 foo two 1.395433 0.047609
5 bar two -0.392670 -0.136473
6 foo one 0.007207 -0.561757
7 foo three 1.928123 -1.623033
In [93]: df.groupby('A').sum()
Out[93]:
C D
A
bar -2.802588 2.42611
foo 3.146492 -0.63958
数据重构
首先对 DataFram 数据表进行初始化
In [105]: df = pd.DataFrame({'A': ['one', 'one', 'two', 'three'] * 3,
.....: 'B': ['A', 'B', 'C'] * 4,
.....: 'C': ['foo', 'foo', 'foo', 'bar', 'bar', 'bar'] * 2,
.....: 'D': np.random.randn(12),
.....: 'E': np.random.randn(12)})
.....:
In [106]: df
Out[106]:
A B C D E
0 one A foo 1.418757 -0.179666
1 one B foo -1.879024 1.291836
2 two C foo 0.536826 -0.009614
3 three A bar 1.006160 0.392149
4 one B bar -0.029716 0.264599
5 one C bar -1.146178 -0.057409
6 two A foo 0.100900 -1.425638
7 three B foo -1.035018 1.024098
8 one C foo 0.314665 -0.106062
9 one A bar -0.773723 1.824375
10 two B bar -1.170653 0.595974
11 three C bar 0.648740 1.167115
数据透视表可通过 pivot_table 方法生成数据透视表，其中 values 为表值，index 为透视表索引，columns 为数据列名。
In [107]: pd.pivot_table(df, values='D', index=['A', 'B'], columns=['C'])
Out[107]:
C bar foo
A B
one A -0.773723 1.418757
B -0.029716 -1.879024
C -1.146178 0.314665
three A 1.006160 NaN
B NaN -1.035018
C 0.648740 NaN
two A NaN 0.100900
B -1.170653 NaN
C NaN 0.536826
时间序列
数据类别
数据绘图
当使用 plot 函数时，可以很方便地绘制带有标签的所有列，并在图例中显示对应的标签名：
In [135]: ts = pd.Series(np.random.randn(1000),
.....: index=pd.date_range('1/1/2000', periods=1000))
.....:
In [136]: ts = ts.cumsum()
In [137]: ts.plot()
Out[137]: <matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot at 0x7f24a8b314d0>
数据IO
pandas 可从多种类型文件中获取数据，例如可以写入或读取csv文件
In [143]: df.to_csv('foo.csv')
In [144]: pd.read_csv('foo.csv')
Out[144]:
Unnamed: 0 A B C D
0 2000-01-01 0.266457 -0.399641 -0.219582 1.186860
1 2000-01-02 -1.170732 -0.345873 1.653061 -0.282953
2 2000-01-03 -1.734933 0.530468 2.060811 -0.515536
3 2000-01-04 -1.555121 1.452620 0.239859 -1.156896
4 2000-01-05 0.578117 0.511371 0.103552 -2.428202
.. ... ... ... ... ...
995 2002-09-22 -8.985362 -8.485624 -4.669462 31.367740
996 2002-09-23 -9.558560 -8.781216 -4.499815 30.518439
997 2002-09-24 -9.902058 -9.340490 -4.386639 30.105593
998 2002-09-25 -10.216020 -9.480682 -3.933802 29.758560
999 2002-09-26 -11.856774 -10.671012 -3.216025 29.369368
[1000 rows x 5 columns]
写入或读取 HDF5 文件
In [145]: df.to_hdf('foo.h5', 'df')
In [146]: pd.read_hdf('foo.h5', 'df')
Out[146]:
A B C D
2000-01-01 0.266457 -0.399641 -0.219582 1.186860
2000-01-02 -1.170732 -0.345873 1.653061 -0.282953
2000-01-03 -1.734933 0.530468 2.060811 -0.515536
2000-01-04 -1.555121 1.452620 0.239859 -1.156896
2000-01-05 0.578117 0.511371 0.103552 -2.428202
... ... ... ... ...
2002-09-22 -8.985362 -8.485624 -4.669462 31.367740
2002-09-23 -9.558560 -8.781216 -4.499815 30.518439
2002-09-24 -9.902058 -9.340490 -4.386639 30.105593
2002-09-25 -10.216020 -9.480682 -3.933802 29.758560
2002-09-26 -11.856774 -10.671012 -3.216025 29.369368
[1000 rows x 4 columns]
写入或读取 excel 文件
In [147]: df.to_excel('foo.xlsx', sheet_name='Sheet1')
In [148]: pd.read_excel('foo.xlsx', 'Sheet1', index_col=None, na_values=['NA'])
Out[148]:
Unnamed: 0 A B C D
0 2000-01-01 0.266457 -0.399641 -0.219582 1.186860
1 2000-01-02 -1.170732 -0.345873 1.653061 -0.282953
2 2000-01-03 -1.734933 0.530468 2.060811 -0.515536
3 2000-01-04 -1.555121 1.452620 0.239859 -1.156896
4 2000-01-05 0.578117 0.511371 0.103552 -2.428202
.. ... ... ... ... ...
995 2002-09-22 -8.985362 -8.485624 -4.669462 31.367740
996 2002-09-23 -9.558560 -8.781216 -4.499815 30.518439
997 2002-09-24 -9.902058 -9.340490 -4.386639 30.105593
998 2002-09-25 -10.216020 -9.480682 -3.933802 29.758560
999 2002-09-26 -11.856774 -10.671012 -3.216025 29.369368
[1000 rows x 5 columns]