【数据分析】03 - pandas

是小崔啊2025-08-10 15:30

【数据分析】03 - pandas

文章目录

一：Pandas入门

1：Pandas概述

Pandas 一个强大的分析结构化数据的工具集，基础是 numpy

Pandas 官网 https://pandas.pydata.org/

Pandas 源代码：https://github.com/pandas-dev/pandas

  • Pandas 可以从各种文件格式比如 CSV、JSON、SQL、Microsoft Excel 导入数据。
  • Pandas 可以对各种数据进行运算操作，比如归并、再成形、选择，还有数据清洗和数据加工特征。
  • Pandas 广泛应用在学术、金融、统计学等各个数据分析领域。

Pandas 是数据分析的利器，它不仅提供了高效、灵活的数据结构，还能帮助你以极低的成本完成复杂的数据操作和分析任务。

Pandas 提供了丰富的功能，包括：

  • 数据清洗：处理缺失数据、重复数据等。
  • 数据转换：改变数据的形状、结构或格式。
  • 数据分析：进行统计分析、聚合、分组等。
  • 数据可视化：通过整合 Matplotlib 和 Seaborn 等库，可以进行数据可视化。
shell 复制代码 
# 安装pandas
pip install pandas
python 复制代码 
# 测试pandas的安装
import pandas as pd

def pandas_test01():
    print(pd.__version__)


if __name__ == '__main__':
    pandas_test01()

pandas的特点如下

高效的数据结构：

  • Series：一维数据结构，类似于列表（List），但拥有更强的功能，支持索引。
  • DataFrame：二维数据结构，类似于表格或数据库中的数据表，行和列都具有标签（索引）。

数据清洗与预处理：

  • Pandas 提供了丰富的函数来处理缺失值、重复数据、数据类型转换、字符串操作等，帮助用户轻松清理和转换数据。

数据操作与分析：

  • 支持高效的数据选择、筛选、切片，按条件提取数据、合并、连接多个数据集、数据分组、汇总统计等操作。
  • 可以进行复杂的数据变换，如数据透视表、交叉表、时间序列分析等。

数据读取与导出：

  • 支持从各种格式的数据源读取数据，如 CSV、Excel、JSON、SQL 数据库等。
  • 也可以将处理后的数据导出为不同格式，如 CSV、Excel 等。

数据可视化：

  • 通过与 Matplotlib 和其他可视化工具的集成，Pandas 可以快速生成折线图、柱状图、散点图等常见图表。

时间序列分析：

  • 支持强大的时间序列处理功能，包括日期的解析、重采样、时区转换等。

性能与优化：

  • Pandas 优化了大规模数据处理，提供高效的向量化操作，避免了使用 Python 循环处理数据的低效。
  • 还支持一些内存优化技术，比如使用 category 类型处理重复的数据。

2：Pands数据结构

Series + DataFrame


DataFrame 可视为由多个 Series 组成的数据结构：

  • index是自动生成的，表示记录1 ~ 记录n
  • 每一列表示一个Series, 列的名称就是key

DataFrame = key + value + index

python 复制代码 
import pandas as pd

def pandas_test01():
    print(pd.__version__)


def pandas_test02():
    # 创建两个Series对象
    series_apples = pd.Series([1, 3, 7, 4])
    series_bananas = pd.Series([2, 6, 3, 5])

    # 将两个Series对象相加，得到DataFrame，并指定列名
    df = pd.DataFrame({'Apples': series_apples, 'Bananas': series_bananas})

    # 显示DataFrame
    print(df)


if __name__ == '__main__':
    pandas_test02()

二：输入格式详解

1：CSV

CSV 是一种通用的、相对简单的文件格式，被用户、商业和科学广泛应用。

1.1：基本使用

pandas和CSV之间就是两个方法：

  • 从CSV中读取数据，并加载成为DataFrame -> pd.read_csv()
  • 将DataFrame中的内容写入到CSV -> DataFrame.to_csv()

read_csv 常用参数:

参数 说明 默认值
filepath_or_buffer CSV 文件的路径或文件对象（支持 URL、文件路径、文件对象等） 必需参数
sep 定义字段分隔符，默认是逗号（,），可以改为其他字符，如制表符（\t） ','
header 指定行号作为列标题，默认为 0（表示第一行），或者设置为 None 没有标题 0
names 自定义列名，传入列名列表 None
index_col 用作行索引的列的列号或列名 None
usecols 读取指定的列，可以是列的名称或列的索引 None
dtype 强制将列转换为指定的数据类型 None
skiprows 跳过文件开头的指定行数，或者传入一个行号的列表 None
nrows 读取前 N 行数据 None
na_values 指定哪些值应视为缺失值（NaN） None
skipfooter 跳过文件结尾的指定行数 0
encoding 文件的编码格式（如 utf-8，latin1 等） None

to_csv 常用参数:

参数 说明 默认值
path_or_buffer CSV 文件的路径或文件对象（支持文件路径、文件对象） 必需参数
sep 定义字段分隔符，默认是逗号（,），可以改为其他字符，如制表符（\t） ','
index 是否写入行索引，默认 True 表示写入索引 True
columns 指定写入的列，可以是列的名称列表 None
header 是否写入列名，默认 True 表示写入列名，设置为 False 表示不写列名 True
mode 写入文件的模式，默认是 w（写模式），可以设置为 a（追加模式） 'w'
encoding 文件的编码格式，如 utf-8，latin1 等 None
line_terminator 定义行结束符，默认为 \n None
quoting 设置如何对文件中的数据进行引号处理（0-3，具体引用方式可查文档） None
quotechar 设置用于引用的字符，默认为双引号 " '"'
date_format 自定义日期格式，如果列包含日期数据，则可以使用此参数指定日期格式 None
doublequote 如果为 True，则在写入时会将包含引号的文本使用双引号括起来 True
python 复制代码 
import pandas as pd

# 读取 CSV 文件，并自定义列名和分隔符
df = pd.read_csv('data.csv', sep=';', header=0, names=['A', 'B', 'C'], dtype={'A': int, 'B': float})
print(df)

# 假设 df 是一个已有的 DataFrame
df.to_csv('output.csv', index=False, header=True, columns=['A', 'B'])
1.2：数据处理

2：Excel

操作 方法 说明
读取 Excel 文件 pd.read_excel() 读取 Excel 文件，返回 DataFrame
将 DataFrame 写入 Excel DataFrame.to_excel() 将 DataFrame 写入 Excel 文件
加载 Excel 文件 pd.ExcelFile() 加载 Excel 文件并访问多个表单
使用 ExcelWriter 写多个表单 pd.ExcelWriter() 写入多个 DataFrame 到同一 Excel 文件的不同表单
2.1：读取文件

读取excel方法的参数说明

参数 描述
io 这是必需的参数，指定了要读取的 Excel 文件的路径或文件对象。
sheet_name=0 指定要读取的工作表名称或索引。默认为0，即第一个工作表。
header=0 指定用作列名的行。默认为0，即第一行。
names=None 用于指定列名的列表。如果提供，将覆盖文件中的列名。
index_col=None 指定用作行索引的列。可以是列的名称或数字。
usecols=None 指定要读取的列。可以是列名的列表或列索引的列表。
dtype=None 指定列的数据类型。可以是字典格式，键为列名，值为数据类型。
engine=None 指定解析引擎。默认为None，pandas 会自动选择。
converters=None 用于转换数据的函数字典。
true_values=None 指定应该被视为布尔值True的值。
false_values=None 指定应该被视为布尔值False的值。
skiprows=None 指定要跳过的行数或要跳过的行的列表。
nrows=None 指定要读取的行数。
na_values=None 指定应该被视为缺失值的值。
keep_default_na=True 指定是否要将默认的缺失值（例如NaN）解析为NA。
na_filter=True 指定是否要将数据转换为NA。
verbose=False 指定是否要输出详细的进度信息。
parse_dates=False 指定是否要解析日期。
date_parser=<no_default> 用于解析日期的函数。
date_format=None 指定日期的格式。
thousands=None 指定千位分隔符。
decimal='.' 指定小数点字符。
comment=None 指定注释字符。
skipfooter=0 指定要跳过的文件末尾的行数。
storage_options=None 用于云存储的参数字典。
dtype_backend=<no_default> 指定数据类型后端。
engine_kwargs=None 传递给引擎的额外参数字典。
python 复制代码 
import pandas as pd

# 读取默认的第一个表单
df = pd.read_excel('data.xlsx')
print(df)

# 读取指定表单的内容（表单名称）
df = pd.read_excel('data.xlsx', sheet_name='Sheet1')
print(df)

# 读取多个表单，返回一个字典
dfs = pd.read_excel('data.xlsx', sheet_name=['Sheet1', 'Sheet2'])
print(dfs)

# 自定义列名并跳过前两行
df = pd.read_excel('data.xlsx', header=None, names=['A', 'B', 'C'], skiprows=2)
print(df)
2.2：写入文件

to_excel()方法的参数说明

参数 描述
excel_writer 这是必需的参数，指定了要写入的 Excel 文件路径或文件对象。
sheet_name='Sheet1' 指定写入的工作表名称，默认为 'Sheet1'。
na_rep='' 指定在 Excel 文件中表示缺失值（NaN）的字符串，默认为空字符串。
float_format=None 指定浮点数的格式。如果为 None，则使用 Excel 的默认格式。
columns=None 指定要写入的列。如果为 None，则写入所有列。
header=True 指定是否写入列名作为第一行。如果为 False，则不写入列名。
index=True 指定是否写入索引作为第一列。如果为 False，则不写入索引。
index_label=None 指定索引列的标签。如果为 None，则不写入索引标签。
startrow=0 指定开始写入的行号，默认从第0行开始。
startcol=0 指定开始写入的列号，默认从第0列开始。
engine=None 指定写入 Excel 文件时使用的引擎，默认为 None，pandas 会自动选择。
merge_cells=True 指定是否合并单元格。如果为 True，则合并具有相同值的单元格。
inf_rep='inf' 指定在 Excel 文件中表示无穷大值的字符串，默认为 'inf'。
freeze_panes=None 指定冻结窗格的位置。如果为 None，则不冻结窗格。
storage_options=None 用于云存储的参数字典。
engine_kwargs=None 传递给引擎的额外参数字典。
python 复制代码 
import pandas as pd

# 创建一个简单的 DataFrame
df = pd.DataFrame({
'Name': ['Alice', 'Bob', 'Charlie'],  # 第一列
'Age': [25, 30, 35], # 第二列
'City': ['New York', 'Los Angeles', 'Chicago'] # 第三列
})

# 将 DataFrame 写入 Excel 文件，写入 'Sheet1' 表单
df.to_excel('output.xlsx', sheet_name='Sheet1', index=False)

# 写入多个表单，使用 ExcelWriter
with pd.ExcelWriter('output2.xlsx') as writer:
    df.to_excel(writer, sheet_name='Sheet1', index=False)
    df.to_excel(writer, sheet_name='Sheet2', index=False)
2.3：加载文件

ExcelFile - 加载 Excel 文件

python 复制代码 
import pandas as pd

# 使用 ExcelFile 加载 Excel 文件
excel_file = pd.ExcelFile('data.xlsx')

# 查看所有表单的名称
print(excel_file.sheet_names)

# 读取指定的表单
df = excel_file.parse('Sheet1')
print(df)

# 关闭文件
excel_file.close()
2.4：多个表单的写入

可以使用ExcelWriter写入df到指定excel的指定sheet中

python 复制代码 
df1 = pd.DataFrame([["AAA", "BBB"]], columns=["Spam", "Egg"])  
df2 = pd.DataFrame([["ABC", "XYZ"]], columns=["Foo", "Bar"])  
with pd.ExcelWriter("path_to_file.xlsx") as writer:
    df1.to_excel(writer, sheet_name="Sheet1")  
    df2.to_excel(writer, sheet_name="Sheet2")

3：JSON

操作 方法 说明
从 JSON 文件/字符串读取数据 pd.read_json() 从 JSON 数据中读取并加载为 DataFrame
将 DataFrame 转换为 JSON DataFrame.to_json() 将 DataFrame 转换为 JSON 格式的数据，可以指定结构化方式
支持 JSON 结构化方式 orient 参数 支持多种结构化方式，如 split、records、columns
3.1：读取Json文件
python 复制代码 
import pandas as pd

df = pd.read_json(
    path_or_buffer,      # JSON 文件路径、JSON 字符串或 URL
    orient=None,         # JSON 数据的结构方式，默认是 'columns'
    dtype=None,          # 强制指定列的数据类型
    convert_axes=True,   # 是否转换行列索引
    convert_dates=True,  # 是否将日期解析为日期类型
    keep_default_na=True # 是否保留默认的缺失值标记
)
rient 值 JSON 格式示例 描述
split {"index":["a","b"],"columns":["A","B"],"data":[[1,2],[3,4]]} 使用键 index、columns 和 data 结构
records [{"A":1,"B":2},{"A":3,"B":4}] 每个记录是一个字典，表示一行数据
index {"a":{"A":1,"B":2},"b":{"A":3,"B":4}} 使用索引为键，值为字典的方式
columns {"A":{"a":1,"b":3},"B":{"a":2,"b":4}} 使用列名为键，值为字典的方式
values [[1,2],[3,4]] 只返回数据，不包括索引和列名
3.2：DF读取为JSON
python 复制代码 
df.to_json(
    path_or_buffer=None,    # 输出的文件路径或文件对象，如果是 None 则返回 JSON 字符串
    orient=None,            # JSON 格式方式，支持 'split', 'records', 'index', 'columns', 'values'
    date_format=None,       # 日期格式，支持 'epoch', 'iso'
    default_handler=None,   # 自定义非标准类型的处理函数
    lines=False,            # 是否将每行数据作为一行（适用于 'records' 或 'split'）
    encoding='utf-8'        # 编码格式
)

三：Pandas操作

1：基本方法

1.1：Series的基本方法
方法 描述
axes 返回行轴标签的列表
dtype 返回对象的dtype。
empty 如果Series为空，则返回True。
ndim 根据定义返回基础数据的维数。
size 返回基础数据中的元素数。
values 将Series返回为ndarray。
head() 返回前n行。
tail() 返回最后n行。
python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

if __name__ == '__main__':
    ser = pd.Series(np.random.randn(4))
    print(ser)
    print(ser.axes)  # 返回轴标签的列表 [RangeIndex(start=0, stop=4, step=1)]
    print(ser.empty)  # 返回一个布尔值，判断该对象是否为空, 值为false
    print(ser.ndim)  # 返回维度，值为1
    print(ser.size)  # 返回元素个数，值为4
    print(ser.values) # 返回数组，值为[-0.37214805  0.35749305 -0.11696405  0.11696405]
    print(ser.head()) # 默认返回前5行数据，可以自定义数据
    print(ser.tail()) # 默认返回最后5行数据，可以自定义数据
1.2：DataFrame的基本方法
属性/方法 描述
T 行和列互相转换
axes 返回以行轴标签和列轴标签为唯一成员的列表。
dtypes 返回此对象中的dtypes。
empty 如果NDFrame完全为空[没有项目]，则为true；否则为false。如果任何轴的长度为0。
ndim 轴数/数组尺寸。
shape 返回表示DataFrame维度的元组。
size NDFrame中的元素数。
values NDFrame的数字表示。
head() 返回前n行。
tail() 返回最后n行。
python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

if __name__ == '__main__':
    d = {'Name': pd.Series(['A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G']),
         'Age': pd.Series([25, 26, 25, 23, 30, 29, 23]),
         'Rating': pd.Series([4.23, 3.24, 3.98, 2.56, 3.20, 4.6, 3.8])}
    # 创建一个 DataFrame
    df = pd.DataFrame(d)
    print(df)
    print("数据序列的转置是:")
    print(df.T)
    print("行轴标签和列轴标签是:")
    print(df.axes)
    print("每列的数据类型如下:")
    print(df.dtypes)
    print("Is the object empty?")
    print(df.empty)
    print("The dimension of the object is:")
    print(df.ndim)
    print("The shape of the object is:")
    print(df.shape)
    print("The total number of elements in our object is:")
    print(df.size)
    print("The actual data in our data frame is:")
    print(df.values)
    print("The first two rows of the data frame is:")
    print(df.head(2))
    print("The last two rows of the data frame is:")
    print(df.tail(2))
复制代码 
  Name  Age  Rating
0    A   25    4.23
1    B   26    3.24
2    C   25    3.98
3    D   23    2.56
4    E   30    3.20
5    F   29    4.60
6    G   23    3.80
数据序列的转置是:
           0     1     2     3    4    5    6
Name       A     B     C     D    E    F    G
Age       25    26    25    23   30   29   23
Rating  4.23  3.24  3.98  2.56  3.2  4.6  3.8
行轴标签和列轴标签是:
[RangeIndex(start=0, stop=7, step=1), Index(['Name', 'Age', 'Rating'], dtype='object')]
每列的数据类型如下:
Name       object
Age         int64
Rating    float64
dtype: object
Is the object empty?
False
The dimension of the object is:
2
The shape of the object is:
(7, 3)
The total number of elements in our object is:
21
The actual data in our data frame is:
[['A' 25 4.23]
 ['B' 26 3.24]
 ['C' 25 3.98]
 ['D' 23 2.56]
 ['E' 30 3.2]
 ['F' 29 4.6]
 ['G' 23 3.8]]
The first two rows of the data frame is:
  Name  Age  Rating
0    A   25    4.23
1    B   26    3.24
The last two rows of the data frame is:
  Name  Age  Rating
5    F   29     4.6
6    G   23     3.8

2：描述性统计

DataFrame用在大量的计算描述性信息统计和其他相关操作。其中大多数是聚合，例如sum()，mean()

一般而言，这些方法采用轴参数，就像ndarray。{sum，std，...}一样，但是可以通过名称或整数指定轴

1.1：sum()

返回所请求轴的值之和。默认情况下，轴为索引（轴=0）

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

d = {'Name':pd.Series(['A','B','C','D','E','F','G', 'H','I','J','K','L']),
    'Age':pd.Series([25,26,25,23,30,29,23,34,40,30,51,46]),
    'Rating':pd.Series([4.23,3.24,3.98,2.56,3.20,4.6,3.8,3.78,2.98,4.80,4.10,3.65])
 }

# 字典series -> dataframe
df = pd.DataFrame(d)

# 根据索引求和
print(df.sum())

print(df)
复制代码 
/Users/cuihaida/project/python/first/venv/bin/python /Users/cuihaida/project/python/first/my-data-anaylze/my_pandas03.py 
Name      ABCDEFGHIJKL
Age                382
Rating           44.92
dtype: object
   Name  Age  Rating
0     A   25    4.23
1     B   26    3.24
2     C   25    3.98
3     D   23    2.56
4     E   30    3.20
5     F   29    4.60
6     G   23    3.80
7     H   34    3.78
8     I   40    2.98
9     J   30    4.80
10    K   51    4.10
11    L   46    3.65

Process finished with exit code 0
1.2：mean()

返回平均值

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

d = {'Name':pd.Series(['A','B','C','D','E','F','G', 'H','I','J','K','L']),
    'Age':pd.Series([25,26,25,23,30,29,23,34,40,30,51,46]),
    'Rating':pd.Series([4.23,3.24,3.98,2.56,3.20,4.6,3.8,3.78,2.98,4.80,4.10,3.65])
 }

# 字典series -> dataframe
df = pd.DataFrame(d)

# 根据索引求和
print(df.sum())
print("=" * 20)
print(df.sum(axis=1, numeric_only=True))  # age + rating
print("=" * 20)

# 返回平均值
print(df.mean(axis=0, skipna=True, numeric_only=True))
print("=" * 20)
print(df)
复制代码 
/Users/cuihaida/project/python/first/venv/bin/python /Users/cuihaida/project/python/first/my-data-anaylze/my_pandas03.py 
Name      ABCDEFGHIJKL
Age                382
Rating           44.92
dtype: object
====================
0     29.23
1     29.24
2     28.98
3     25.56
4     33.20
5     33.60
6     26.80
7     37.78
8     42.98
9     34.80
10    55.10
11    49.65
dtype: float64
====================
Age       31.833333
Rating     3.743333
dtype: float64
====================
   Name  Age  Rating
0     A   25    4.23
1     B   26    3.24
2     C   25    3.98
3     D   23    2.56
4     E   30    3.20
5     F   29    4.60
6     G   23    3.80
7     H   34    3.78
8     I   40    2.98
9     J   30    4.80
10    K   51    4.10
11    L   46    3.65

Process finished with exit code 0
1.3：其他统计性函数
编号 方法 描述
1 count() 非空数
2 sum() 总数
3 mean() 平均数
4 median() 中位数
5 mode() 模式
6 std() 标准差
7 min() 最低值
8 max() 最大值
9 abs() 绝对值
10 prod() 乘积
11 cumsum() 累加
12 cumprod() 累乘

由于DataFrame是异构数据结构。泛型运算并不适用于所有功能，注意下面两点：

  • 诸如sum()，cumsum()之类的函数可用于数字和字符（或）字符串数据元素，而不会出现任何错误。虽然字符集合从不普遍使用，但不会抛出任何异常。
  • 当DataFrame包含字符或字符串数据时，诸如abs()，cumprod()之类的函数将引发异常，因为此类操作无法执行。
1.4：汇总函数describe

此函数提供平均值，std和IQR值。并且，函数不包括字符列和有关数字列的给定摘要

同时这个函数还支持一个include参数，用于传递有关汇总时需要考虑哪些列的必要信息的参数。取值列表；默认情况下为"数字"。

  • object − 汇总字符串列
  • number − 汇总数字列
  • all − 总结所有列在一起（不应该把它作为一个列表值）
python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

if __name__ == '__main__':
    d = {'Name': pd.Series(['A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G']),
         'Age': pd.Series([25, 26, 25, 23, 30, 29, 23]),
         'Rating': pd.Series([4.23, 3.24, 3.98, 2.56, 3.20, 4.6, 3.8])}
    df = pd.DataFrame(d)
    # 查看数据集的描述信息, include -> object,number,all
    # object -> object类型的数据, 就是字符串列
    # number -> 数值列, 默认
    # all -> 所有列
    print(df.describe(include=['number']))

3：函数的应用

要将您自己或其他库的函数应用于Pandas对象，您应该了解三个重要的方法：

  • 表函数应用程序：pipe()
  • 行或列函数应用程序：apply()
  • 元素级函数应用程序：applymap()

要使用的适当方法取决于您的函数是希望对整个数据帧进行操作，还是行操作还是按列操作，还是按元素操作

3.1：表函数应用程序

可以通过传递函数和适当数量的参数作为管道参数来执行对DataFrame自定义操作，使用的方法是pipe()

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 定义一个操作函数，到时候会让dataFrame应用这个函数
def adder(ele1, ele2):
    return ele1 + ele2

df = pd.DataFrame(np.random.randn(5,3),columns=['col1','col2','col3'])
print(df)
print("=" * 20)
ans = df.pipe(adder, 2) # 使用pipe()进行表函数应用, 对每一个元素 + 2
print(ans)
复制代码 
       col1      col2      col3
0 -1.743730  0.426996 -3.014761
1  0.209032 -0.407826  2.828854
2 -0.019639  0.879595  1.143649
3  0.155613 -0.562366 -3.301372
4  1.005468 -0.673557 -0.449234
====================
       col1      col2      col3
0  0.256270  2.426996 -1.014761
1  2.209032  1.592174  4.828854
2  1.980361  2.879595  3.143649
3  2.155613  1.437634 -1.301372
4  3.005468  1.326443  1.550766
3.2：行或列函数应用程序

可以使用apply()方法沿DataFrame或Panel的轴应用任意函数，该方法与描述性统计方法一样，采用可选的axis参数

默认情况下，该操作按列执行，将每一列视为类似数组的形式。

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 定义一个操作函数，到时候会让dataFrame应用这个函数
def adder(ele1,ele2):
    return ele1+ele2

df = pd.DataFrame(np.random.randn(5,3),columns=['col1','col2','col3'])
print(df)
print(df.apply(np.mean)) # 列求平均
print(df.apply(np.mean,axis=1)) # 行求平均
复制代码 
       col1      col2      col3
0 -0.123136 -0.512380 -0.258701
1  0.775471 -0.783096 -0.580526
2 -0.994060 -0.593498 -0.293823
3 -1.039347  0.523736 -0.062395
4 -0.378043 -0.651012 -0.509351
col1   -0.351823
col2   -0.403250
col3   -0.340959
dtype: float64
0   -0.298073
1   -0.196050
2   -0.627127
3   -0.192669
4   -0.512802
dtype: float64
3.3：元素级函数应用程序

并非所有函数都可以向量化（NumPy数组既不返回另一个数组，也不返回任何值）

DataFrame上的applymap() 方法和Series上的map() 类似地接受任何采用单个值并返回单个值的Python函数。

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

df = pd.DataFrame(np.random.randn(5, 3), columns=['col1', 'col2', 'col3'])
# 自定义函数
print(df)
print("=" * 20)
print(df['col1'].map(lambda x: x + 100)) # 对col1列的每一个数进行加1操作，不会影响原数组
复制代码 
       col1      col2      col3
0  0.720981 -1.848660 -1.021995
1 -0.263746  0.328287 -1.218116
2 -0.041258  0.364516 -0.553747
3 -0.772308  0.542454 -0.385765
4 -1.347373 -0.311151  0.608969
====================
0    100.720981
1     99.736254
2     99.958742
3     99.227692
4     98.652627
Name: col1, dtype: float64

4：重建索引

4.1：reindex()

重建索引 会更改DataFrame的行标签和列标签。重新索引是指使数据与特定轴上的一组给定标签匹配。

通过索引可以完成多个操作，例如：

  • 重新排序现有数据以匹配一组新标签。

  • 在标签数据不存在的标签位置中插入缺失值(NA)标记。

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np
N=20
df = pd.DataFrame({
    'A': pd.date_range(start='2016-01-01',periods=N,freq='D'),
    'x': np.linspace(0,stop=N-1,num=N),
    'y': np.random.rand(N),
    'C': np.random.choice(['Low','Medium','High'],N).tolist(),
    'D': np.random.normal(100, 10, size=(N)).tolist()
})

# DataFrame重建索引
# 找出df中的A, C, B列作为新的索引和列, 对于在df中不存在的列，默认填充NaN
df_reindexed = df.reindex(index=[0,2,5], columns=['A', 'C', 'B'])
print(df_reindexed)
复制代码 
           A       C   B
0 2016-01-01  Medium NaN
2 2016-01-03     Low NaN
5 2016-01-06     Low NaN
4.2：reindex_like()

可以使用reindex_like()重新索引以与其他对象对齐

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

def test2():
    df1 = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 3), columns=['col1', 'col2', 'col3'])
    df2 = pd.DataFrame(np.random.randn(7, 3), columns=['col1', 'col2', 'col3'])
    df1 = df1.reindex_like(df2) # df1变成df2的索引和列的结构，也是7行3列，如果多出来就切断，如果少，就填充NaN
    print(df1)

if __name__ == '__main__':
    test2()
复制代码 
       col1      col2      col3
0 -0.224233  1.808778  0.105156
1 -0.729603  0.874080  0.470185
2 -1.795519  0.289359 -1.302235
3 -1.007448 -0.064831 -0.150167
4  0.694548  0.283895  0.574875
5  0.410779 -1.394223  0.376044
6 -0.447436  1.297874  0.764893

🎉 当然可以不填充NaN, 可以通过给reindex() & reindex_like()赋值method属性，决定填充信息

  • pad/ffill − 向前填充值
  • bfill/backfill − 向后填充值
  • nearest − 从最接近的索引值填充

🎉 在指定填充信息之后，还可以使用limit属性决定最多填充几行

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

def test3():
    df1 = pd.DataFrame(np.random.randn(6, 3), columns=['col1', 'col2', 'col3'])
    df2 = pd.DataFrame(np.random.randn(2, 3), columns=['col1', 'col2', 'col3'])
    # 填充 NAN
    print(df2.reindex_like(df1))
    # 现在用前面的值填充NAN
    print("带前向填充的数据帧:")
    print(df2.reindex_like(df1, method='ffill'), limit=2) # 向前填充，最多填充2行

if __name__ == '__main__':
    test3()
复制代码 
       col1      col2     col3
0  0.342667  0.725107 -0.40085
1 -0.346052  0.070069 -0.03319
2       NaN       NaN      NaN
3       NaN       NaN      NaN
4       NaN       NaN      NaN
5       NaN       NaN      NaN
带前向填充的数据帧:
       col1      col2     col3
0  0.342667  0.725107 -0.40085
1 -0.346052  0.070069 -0.03319
2 -0.346052  0.070069 -0.03319
3 -0.346052  0.070069 -0.03319
4       NaN       NaN      NaN
5       NaN       NaN      NaN
4.3：重命名

通过rename()方法，您可以基于某些映射（字典或系列）或任意函数来重新标记轴

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

def test4():
    df1 = pd.DataFrame(np.random.randn(6, 3), columns=['col1', 'col2', 'col3'])
    print(df1)
    print("重命名行和列之后:")
    new = df1.rename(columns={'col1': 'c1', 'col2': 'c2'}, index={0: 'foo', 1: 'bar'})
    print(new)

if __name__ == '__main__':
    test4()
复制代码 
       col1      col2      col3
0  1.985762  1.067307 -0.681527
1  0.240389  0.700743  0.051090
2 -1.677559  0.175037  0.242483
3  0.623115 -0.200200  0.216992
4  2.097055 -1.563505 -0.156450
5  0.672499  0.088381 -0.601609
重命名行和列之后:
           c1        c2      col3
foo  1.985762  1.067307 -0.681527
bar  0.240389  0.700743  0.051090
2   -1.677559  0.175037  0.242483
3    0.623115 -0.200200  0.216992
4    2.097055 -1.563505 -0.156450
5    0.672499  0.088381 -0.601609

5：迭代和排序

5.1：迭代
5.2：排序

核心就是sort_index()和sort_values()

python 复制代码 
import numpy as np
import pandas as pd

def test1():
    # 定义一个10行两列的dataframe, index表示每一行的索引，columns表示每一列的key
    unsorted_df = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 2), index=[1, 4, 6, 2, 3, 5, 9, 8, 0, 7], columns = ['col2', 'col1'])
    print(unsorted_df)
    print("默认排序")
    print(unsorted_df.sort_index()) # 排序, 默认根据index的升序排序(index从0 -> 9)
    print("可以使用ascending参数控制倒排")
    print(unsorted_df.sort_index(ascending=False))  # 倒排, index从9 -> 0
    print("也可以对列进行排序, 可以通过指定axis = 1")
    print(unsorted_df.sort_index(axis=1))
    print("可以使用 sort_values() 对值进行排序, by属性是通过那个key, 可以指定多个，列表形式")
    print(unsorted_df.sort_values(by='col1'))
    print("sort_values() 提供了从mergesort归并排序，heapsort堆排序和quicksort快排中选择算法的指定")
    print("mergesort是唯一稳定的排序")
    print(unsorted_df.sort_values(by='col1', kind='mergesort'))


if __name__ == '__main__':
    test1()
复制代码 
/Users/cuihaida/project/python/first/venv/bin/python /Users/cuihaida/project/python/first/my-data-anaylze/my_pandas04.py 
       col2      col1
1  0.071396 -1.011856
4 -0.218280  0.530760
6 -0.206268  0.562001
2 -0.385724  2.792641
3 -0.294598 -0.322529
5 -0.212050  0.278547
9  0.375532 -0.281603
8  0.690356  1.799434
0 -0.974060 -1.411210
7  0.502817  0.433678
默认排序
       col2      col1
0 -0.974060 -1.411210
1  0.071396 -1.011856
2 -0.385724  2.792641
3 -0.294598 -0.322529
4 -0.218280  0.530760
5 -0.212050  0.278547
6 -0.206268  0.562001
7  0.502817  0.433678
8  0.690356  1.799434
9  0.375532 -0.281603
可以使用ascending参数控制倒排
       col2      col1
9  0.375532 -0.281603
8  0.690356  1.799434
7  0.502817  0.433678
6 -0.206268  0.562001
5 -0.212050  0.278547
4 -0.218280  0.530760
3 -0.294598 -0.322529
2 -0.385724  2.792641
1  0.071396 -1.011856
0 -0.974060 -1.411210
也可以对列进行排序, 可以通过指定axis = 1
       col1      col2
1 -1.011856  0.071396
4  0.530760 -0.218280
6  0.562001 -0.206268
2  2.792641 -0.385724
3 -0.322529 -0.294598
5  0.278547 -0.212050
9 -0.281603  0.375532
8  1.799434  0.690356
0 -1.411210 -0.974060
7  0.433678  0.502817
可以使用 sort_values() 对值进行排序, by属性是通过那个key, 可以指定多个，列表形式
       col2      col1
0 -0.974060 -1.411210
1  0.071396 -1.011856
3 -0.294598 -0.322529
9  0.375532 -0.281603
5 -0.212050  0.278547
7  0.502817  0.433678
4 -0.218280  0.530760
6 -0.206268  0.562001
8  0.690356  1.799434
2 -0.385724  2.792641
sort_values() 提供了从mergesort归并排序，heapsort堆排序和quicksort快排中选择算法的指定
mergesort是唯一稳定的排序
       col2      col1
0 -0.974060 -1.411210
1  0.071396 -1.011856
3 -0.294598 -0.322529
9  0.375532 -0.281603
5 -0.212050  0.278547
7  0.502817  0.433678
4 -0.218280  0.530760
6 -0.206268  0.562001
8  0.690356  1.799434
2 -0.385724  2.792641

Process finished with exit code 0

6：series的文本处理

几乎所有这些方法都可用于Python字符串函数

因此，将Series对象转换为String对象，然后执行该操作。

方法 说明
lower() 将系列/索引中的字符串转换为小写。
upper() 将系列/索引中的字符串转换为大写。
len() 计算字符串length()。
strip() 帮助从两侧从系列/索引中的每个字符串中去除空格（包括换行符）。
split(' ') 用给定的模式分割每个字符串。
cat(sep=' ') 用给定的分隔符连接系列/索引元素。
get_dummies() 返回具有一键编码值的DataFrame。
contains(pattern) 如果子字符串包含在元素中，则为每个元素返回一个布尔值True，否则返回False。
replace(a,b) a值替换成b。
repeat(value) 以指定的次数重复每个元素。
count(pattern) 返回每个元素中模式出现的次数。
startswith(pattern) 如果系列/索引中的元素以模式开头，则返回true。
endswith(pattern) 如果系列/索引中的元素以模式结尾，则返回true。
find(pattern) 返回模式首次出现的第一个位置。
findall(pattern) 返回所有出现的模式的列表。
swapcase 大小写互换
islower() 检查"系列/索引"中每个字符串中的所有字符是否都小写。返回布尔值
isupper() 检查"系列/索引"中每个字符串中的所有字符是否都大写。返回布尔值。
isnumeric() 检查"系列/索引"中每个字符串中的所有字符是否都是数字。返回布尔值。
python 复制代码 
import numpy as np
import pandas as pd

def test2():
    s = pd.Series(['Tom', 'William Rick', 'John', 'Alber@t', np.nan, '1234', 'SteveSmith'])
    print(s.str.len())
    print(s.str.lower())
    print(s.str.upper())


if __name__ == '__main__':
    test2()

7：自定义选项的设置

python 复制代码 
import numpy as np
import pandas as pd

def test3():
    # 查看可以展示的最大行数和列数
    print(pd.get_option("display.max_rows"))
    print(pd.get_option("display.max_columns"))  # 默认显示的列数是0, 表示显示所有列
    print("=" * 40)
    # 设置最大行数和列数
    pd.set_option("display.max_rows", 10)
    pd.set_option("display.max_columns", 10)  # 调整成为最多显示10列
    print(pd.get_option("display.max_rows"))
    print(pd.get_option("display.max_columns"))
    print("=" * 40)
    # 恢复默认
    pd.reset_option("display.max_rows")
    pd.reset_option("display.max_columns")
    print(pd.get_option("display.max_rows"))
    print(pd.get_option("display.max_columns"))
    print("=" * 40)
    # 查看描述
    print(pd.describe_option("display.max_rows"))
    print(pd.describe_option("display.max_columns"))
    print("=" * 40)
    # 临时设置，只在with块中生效
    with pd.option_context("display.max_rows", 10, "display.max_columns", 10):
        print(pd.get_option("display.max_rows"))  # 10
        print(pd.get_option("display.max_columns"))  # 10
        print("=" * 40)
    print(pd.get_option("display.max_rows")) # 60, 不受到option_context的设置的影响
    print(pd.get_option("display.max_columns")) # 10
    print("=" * 40)

if __name__ == '__main__':
    test3()
复制代码 
60
0
========================================
10
10
========================================
60
0
========================================
display.max_rows : int
    If max_rows is exceeded, switch to truncate view. Depending on
    `large_repr`, objects are either centrally truncated or printed as
    a summary view. 'None' value means unlimited.

    In case python/IPython is running in a terminal and `large_repr`
    equals 'truncate' this can be set to 0 and pandas will auto-detect
    the height of the terminal and print a truncated object which fits
    the screen height. The IPython notebook, IPython qtconsole, or
    IDLE do not run in a terminal and hence it is not possible to do
    correct auto-detection.
    [default: 60] [currently: 60]
None
display.max_columns : int
    If max_cols is exceeded, switch to truncate view. Depending on
    `large_repr`, objects are either centrally truncated or printed as
    a summary view. 'None' value means unlimited.

    In case python/IPython is running in a terminal and `large_repr`
    equals 'truncate' this can be set to 0 or None and pandas will auto-detect
    the width of the terminal and print a truncated object which fits
    the screen width. The IPython notebook, IPython qtconsole, or IDLE
    do not run in a terminal and hence it is not possible to do
    correct auto-detection and defaults to 20.
    [default: 0] [currently: 0]
None
========================================
10
10
========================================
60
0
========================================

8：索引和数据查询

Python和NumPy索引运算符"[]"和属性运算符"."。可以在各种用例中快速轻松地访问Pandas数据结构

Pandas现在支持两种类型的多轴索引：下表中提到了三种类型：

索引 说明
.loc() 基于标签
.iloc() 基于整数
8.1：loc

.loc() 具有多种访问方法，例如：

  • 一个标量标签
  • 标签列表
  • 切片对象
  • 布尔数组

loc 需要两个单/列表/范围运算符，以"，"分隔。第一个指示行，第二个指示列。

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

def test1():
    df = pd.DataFrame(np.random.randn(8, 4),
                      index=['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h'],
                      columns=['A', 'B', 'C', 'D'])  # 定义一个8行4列的DataFrame, 索引为a-h, 列名为A-D
    print(df)
    print("筛选出每一行的A列")
    print(df['A'])
    print("=" * 30)
    print(df.loc[:, 'A'])
    print("=" * 30)
    print("筛选出所有的AC列")
    print(df.loc[:, ['A', 'C']])
    print("=" * 30)
    print("同时可以指定行和列, 例如输出a, c, f行的A, C列")
    print(df.loc[['a', 'c', 'f'], ['A', 'C']])
    print("=" * 30)
    print("可以为所有的列指定行的范围，使用:")
    print(df.loc['a':'c', ['A', 'C']])
    print("=" * 30)

if __name__ == '__main__':
    test1()
复制代码 
          A         B         C         D
a  1.382366 -1.163601  0.176177  0.672256
b -0.282480 -0.967808  0.930259  0.316234
c -0.043770  1.639644 -0.505511  1.421071
d  0.660928  0.612623  0.292144  1.240187
e  1.449997 -0.061115  0.104454  0.194620
f -1.048595 -0.017617  0.250532 -1.888130
g  0.856651  0.994930 -0.220943  1.727685
h -0.482508 -0.440425 -0.317698 -0.555271
筛选出每一行的A列
a    1.382366
b   -0.282480
c   -0.043770
d    0.660928
e    1.449997
f   -1.048595
g    0.856651
h   -0.482508
Name: A, dtype: float64
==============================
a    1.382366
b   -0.282480
c   -0.043770
d    0.660928
e    1.449997
f   -1.048595
g    0.856651
h   -0.482508
Name: A, dtype: float64
==============================
筛选出所有的AC列
          A         C
a  1.382366  0.176177
b -0.282480  0.930259
c -0.043770 -0.505511
d  0.660928  0.292144
e  1.449997  0.104454
f -1.048595  0.250532
g  0.856651 -0.220943
h -0.482508 -0.317698
==============================
同时可以指定行和列, 例如输出a, c, f行的A, C列
          A         C
a  1.382366  0.176177
c -0.043770 -0.505511
f -1.048595  0.250532
==============================
可以为所有的列指定行的范围，使用:
          A         C
a  1.382366  0.176177
b -0.282480  0.930259
c -0.043770 -0.505511
==============================
8.2：iloc

同理，只不过这个索引切片变成了整数

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

def test2():
    df = pd.DataFrame(np.random.randn(8, 4),
                      index=['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h'],
                      columns=['A', 'B', 'C', 'D'])
    print(df)
    print("=" * 30)
    print("df中的前4行是：")
    print(df.iloc[:4])
    print("=" * 30)
    print("df中的后4行是：")
    print(df.iloc[4:])
    print("=" * 30)
    print("df中的第2行和第4行是：")
    print(df.iloc[[1, 3]])
    print("=" * 30)
    print("df中的前4行的后两列是：")
    print(df.iloc[:4, 2:])
    print("=" * 30)
    print("df中的第2行和第4行，第2列和第4列是：")
    print(df.iloc[[1, 3], [1, 3]])
    print("=" * 30)

if __name__ == '__main__':
    test2()
复制代码 
          A         B         C         D
a -0.343237 -0.155287 -0.713359  0.071921
b -0.165145  0.491577 -0.107699  1.016831
c -0.527483 -0.391398  0.700065  0.054806
d -2.306590  0.223241 -0.097838 -0.431856
e -1.398431 -0.267630  0.366289 -0.373675
f -0.446961 -1.622479 -0.319882 -0.999932
g  0.645857 -1.249595  0.513613 -0.140469
h  0.227319  0.543510  1.938501  1.312588
==============================
df中的前4行是：
          A         B         C         D
a -0.343237 -0.155287 -0.713359  0.071921
b -0.165145  0.491577 -0.107699  1.016831
c -0.527483 -0.391398  0.700065  0.054806
d -2.306590  0.223241 -0.097838 -0.431856
==============================
df中的后4行是：
          A         B         C         D
e -1.398431 -0.267630  0.366289 -0.373675
f -0.446961 -1.622479 -0.319882 -0.999932
g  0.645857 -1.249595  0.513613 -0.140469
h  0.227319  0.543510  1.938501  1.312588
==============================
df中的第2行和第4行是：
          A         B         C         D
b -0.165145  0.491577 -0.107699  1.016831
d -2.306590  0.223241 -0.097838 -0.431856
==============================
df中的前4行的后两列是：
          C         D
a -0.713359  0.071921
b -0.107699  1.016831
c  0.700065  0.054806
d -0.097838 -0.431856
==============================
df中的第2行和第4行，第2列和第4列是：
          B         D
b  0.491577  1.016831
d  0.223241 -0.431856
==============================

四：高级操作

1：缺失值处理

1.1：对于缺失值的表示
  • NaN ：float 类型的默认缺失标记（来自 NumPy）
  • None ：object 类型的缺失标记（Python 内置）
  • NaT ：时间类型（datetime64）的缺失值
1.2：对于缺失值的检测
python 复制代码 
df.isna()       # 返回布尔矩阵（True=缺失）
df.notna()      # 返回布尔矩阵（False=缺失）
df.isnull()     # isna() 的别名（功能相同）

df.isna().sum()             # 每列缺失值数量
df.isna().sum().sum()       # 整个DataFrame缺失值总数
df.isna().mean() * 100      # 每列缺失值百分比
python 复制代码 
import numpy as np
import pandas as pd

dict = {
    'name': ['Tom', 'Nick', 'John'],
    'age': [20, 21, 19],
    'city': ['New York', 'Paris', None]
}

df = pd.DataFrame(dict)

print(df)
print("=" * 50)
print("布尔矩阵，如果是缺失值，将返回True, 否则是False")
print(df.isna())
print("=" * 50)
print("每列缺失值百分比")
print(df.isna().mean() * 100)
1.3：对于缺失值的删除
python 复制代码 
# 删除包含缺失值的行（默认）
df.dropna(axis=0)  

# 删除包含缺失值的列
df.dropna(axis=1)  

# 删除全为缺失值的行
df.dropna(how='all')  

# 删除在特定列有缺失的行
df.dropna(subset=['col1', 'col2'])  

# 保留至少有 n 个非缺失值的行
df.dropna(thresh=5)
1.4：对于缺失值的填充
python 复制代码 
# 可以固定值填充
df.fillna(0)  # 所有缺失值填充为0
df.fillna({'col1': 0, 'col2': 'unknown'})  # 按列指定填充值

# 统计值填充
df.fillna(df.mean()) # 用各列均值填充
df['col1'].fillna(df['col1'].median(), inplace=True)  # 中位数填充（原地修改）

# 前后填充
df.fillna(method='ffill')      # 用前一个有效值填充（向前填充）
df.fillna(method='bfill')      # 用后一个有效值填充（向后填充）
df.fillna(method='ffill', limit=2)  # 最多向前填充2个

# 插值法填充
df.interpolate()               # 线性插值（默认）
df.interpolate(method='time')  # 时间索引插值
df.interpolate(method='polynomial', order=2)  # 二阶多项式插值
1.5：其他常用操作
python 复制代码 
# 将数值列的NaN替换为None（转换类型）
df['col'] = df['col'].where(pd.notnull(df['col']), None)

# 按分组用组内均值填充
df.groupby('group_col').transform(lambda x: x.fillna(x.mean()))

# 将占位符（如 -999）识别为缺失值
df.replace(-999, np.nan, inplace=True)

2：统计、分组和连接

Pandas核心操作 统计计算 分组操作 数据连接 描述性统计 相关性分析 分布分析 累积计算 分组聚合 分组转换 分组过滤 分组迭代 Merge合并 Join连接 Concatenate拼接 数据比较 高级技巧 透视表 交叉表 时间重采样 性能优化

2.1：统计计算

基础统计函数

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)

# 基本统计信息
print("描述性统计:")
print(df.describe())

# 特定统计计算
print("\n销售总额:", df['Sales'].sum())
print("平均成本:", df['Cost'].mean())
print("最大销售额:", df['Sales'].max())
print("销售额标准差:", df['Sales'].std())
print("非空值数量:", df['Sales'].count())

相关性的分析

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)

# 添加利润列
df['Profit'] = df['Sales'] - df['Cost']

# 计算相关性矩阵
correlation = df[['Sales', 'Cost', 'Profit']].corr()
print("\n相关性矩阵:")
print(correlation)

# 单个相关性
print("\n销售与利润的相关性:", df['Sales'].corr(df['Profit']))

累积计算

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)

# 累积计算
df['Cumulative_Sales'] = df['Sales'].cumsum()  # 累积求和, [250, 550, 730, 1130]
df['Running_Max'] = df['Sales'].cummax()  # 累积最大值, [250, 300, 300, 400]

print("\n累积统计:")
print(df[['Product', 'Sales', 'Cumulative_Sales', 'Running_Max']])()

print("\n累积统计:")
print(df[['Product', 'Sales', 'Cumulative_Sales', 'Running_Max']])

分布分析

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)

# 值计数
print("\n类别分布:")
print(df['Category'].value_counts())

# 分位数
print("\n销售额的25%分位数:", df['Sales'].quantile(0.25))
print("销售额的50%分位数:", df['Sales'].quantile(0.5))

# 直方图分箱
print("\n销售额分布:")
print(pd.cut(df['Sales'], bins=3).value_counts())
2.2：分组操作

基础分组统计

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)
# 按类别分组并计算平均值
category_group = df.groupby('Category')
print("\n按类别分组平均值:")
print(category_group.mean(numeric_only=True))

# 多列分组
multi_group = df.groupby(['Category', 'Product'])
print("\n多级分组总和:")
print(multi_group.sum(numeric_only=True))

聚合函数

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)
# 应用多个聚合函数
agg_results = category_group.agg({
    'Sales': ['sum', 'mean', 'max'],
    'Cost': ['min', 'median']
})
print("\n多聚合函数结果:")
print(agg_results)

分组转换

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)
# 计算组内标准化值
df['Z-Score'] = category_group['Sales'].transform(
    lambda x: (x - x.mean()) / x.std()
)

# 填充组内平均值
df['Sales_Filled'] = category_group['Sales'].transform(
    lambda x: x.fillna(x.mean())
)

print("\n分组转换结果:")
print(df[['Product', 'Category', 'Sales', 'Z-Score', 'Sales_Filled']])

分组过滤

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)

# 过滤销售总额超过400的组
filtered_groups = category_group.filter(lambda x: x['Sales'].sum() > 400)
print("\n销售总额超过400的类别:")
print(filtered_groups)

分组迭代

python 复制代码 
import pandas as pd
import numpy as np

# 创建示例数据
data = {
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Sales': [250, 300, 180, 400, np.nan],
    'Cost': [120, 150, 100, 220, 180],
    'Category': ['Electronics', 'Furniture', 'Electronics', 'Furniture', 'Office']
}
df = pd.DataFrame(data)

category_group = df.groupby('Category')

print("\n分组迭代:")
for name, group in category_group:
    print(f"\n类别: {name}")
    print(group[['Product', 'Sales']])
2.3：数据连接

合并 (Merge)

python 复制代码 
# 创建第二个DataFrame
inventory = pd.DataFrame({
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'F'],
    'Stock': [15, 8, 20, 12],
    'Warehouse': ['NY', 'CA', 'TX', 'FL']
})

# 内连接
inner_merge = pd.merge(df, inventory, on='Product', how='inner')
print("\n内连接结果:")
print(inner_merge)

# 左连接
left_merge = pd.merge(df, inventory, on='Product', how='left')
print("\n左连接结果:")
print(left_merge)

# 指定不同列名
prices = pd.DataFrame({
    'Item': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Price': [99, 149, 79, 199, 129]
})
different_cols = pd.merge(df, prices, left_on='Product', right_on='Item')
print("\n不同列名连接:")
print(different_cols[['Product', 'Sales', 'Price']])

连接 (Join)

python 复制代码 
# 设置索引
df_indexed = df.set_index('Product')
inventory_indexed = inventory.set_index('Product')

# 索引连接
joined = df_indexed.join(inventory_indexed, how='left')
print("\n索引连接结果:")
print(joined)

拼接 (Concatenate)

python 复制代码 
# 创建新数据
new_products = pd.DataFrame({
    'Product': ['F', 'G'],
    'Sales': [320, 280],
    'Cost': [150, 130],
    'Category': ['Electronics', 'Office']
})

# 垂直拼接
vertical_concat = pd.concat([df, new_products], ignore_index=True)
print("\n垂直拼接结果:")
print(vertical_concat)

# 水平拼接
additional_info = pd.DataFrame({
    'Product': ['A', 'B', 'C', 'D', 'E'],
    'Rating': [4.5, 4.2, 4.8, 4.0, 4.6]
})
horizontal_concat = pd.concat([df, additional_info.set_index('Product')], axis=1)
print("\n水平拼接结果:")
print(horizontal_concat)

比较与组合

python 复制代码 
# 比较数据集
comparison = df.compare(new_products)
print("\n数据集比较:")
print(comparison)

# 组合数据
combine_first = df.set_index('Product').combine_first(
    new_products.set_index('Product')
)
print("\n组合数据结果:")
print(combine_first)
2.4：高级技巧

数据透视表

python 复制代码 
# 创建透视表
pivot_table = pd.pivot_table(
    df, 
    values='Sales', 
    index='Category', 
    columns=pd.cut(df['Cost'], bins=[0, 150, 250]), 
    aggfunc=['sum', 'mean'],
    fill_value=0
)
print("\n数据透视表:")
print(pivot_table)

交叉表

python 复制代码 
# 创建交叉表
cross_tab = pd.crosstab(
    df['Category'], 
    pd.cut(df['Cost'], bins=[0, 150, 250]),
    values=df['Sales'], 
    aggfunc='mean'
)
print("\n交叉表:")
print(cross_tab)

分组时间序列重采样

python 复制代码 
# 创建时间序列数据
date_rng = pd.date_range(start='2023-01-01', end='2023-01-10', freq='D')
time_series = pd.DataFrame({
    'Date': date_rng,
    'Sales': np.random.randint(100, 500, size=(len(date_rng))),
    'Category': np.random.choice(['Electronics', 'Furniture', 'Office'], size=len(date_rng))
})

# 按类别分组并重采样
time_series.set_index('Date', inplace=True)
resampled = time_series.groupby('Category').resample('3D').sum()
print("\n时间序列重采样:")
print(resampled)

3：日期相关操作

3.1：日期的创建和转换

创建时间戳

python 复制代码 
ts = pd.Timestamp("2023-08-15 14:30:00")
print("单个时间戳", ts)

# 时间范围, periods -> 个数, freq -> 时间间隔，D-天，H-小时，M-分钟，S-秒
date_range = pd.date_range('2023-01-01', periods=5, freq='D')
print("\n日期范围:", date_range)

# 工作日范围(bdate)
bdate_range = pd.bdate_range('2023-08-01', periods=5)
print("\n工作日范围:", bdate_range)

转换数据类型

python 复制代码 
# 从字符串转换
dates = ['2023-01-01', '2023-02-15', '2023-03-22']
df = pd.DataFrame({'date_str': dates})
df['date_dt'] = pd.to_datetime(df['date_str'])
print("\n字符串转日期:\n", df)

# 从不同格式转换
euro_dates = ['15/08/2023', '20/09/2023', '05/11/2023']
df['euro_date'] = pd.to_datetime(euro_dates, format='%d/%m/%Y')
print("\n欧洲格式日期:\n", df)

# 处理错误日期
mixed_dates = ['2023-01-01', 'invalid', '2023-03-22', '2023-02-30']
df = pd.DataFrame({'date': mixed_dates})
df['converted'] = pd.to_datetime(df['date'], errors='coerce')
print("\n错误处理转换:\n", df)
3.2：日期时间属性提取

dt.year/month/day/...

基本属性的提取

python 复制代码 
# 创建时间序列数据
dates = pd.date_range('2023-01-01', periods=10, freq='D')
df = pd.DataFrame({'date': dates})

# 提取日期组件
df['year'] = df['date'].dt.year
df['month'] = df['date'].dt.month
df['day'] = df['date'].dt.day
df['dayofweek'] = df['date'].dt.dayofweek  # 周一=0, 周日=6
df['day_name'] = df['date'].dt.day_name()
df['is_weekend'] = df['date'].dt.dayofweek >= 5

print("\n日期属性提取:\n", df.head())

时间属性的提取

python 复制代码 
# 创建带时间的数据
times = pd.date_range('2023-01-01 08:00', periods=5, freq='4H')
df = pd.DataFrame({'datetime': times})

# 提取时间组件
df['hour'] = df['datetime'].dt.hour
df['minute'] = df['datetime'].dt.minute
df['second'] = df['datetime'].dt.second
df['time'] = df['datetime'].dt.time
df['period'] = pd.cut(df['hour'], 
                     bins=[0, 6, 12, 18, 24], 
                     labels=['Night', 'Morning', 'Afternoon', 'Evening'])

print("\n时间属性提取:\n", df)
3.3：日期时间运算

时间差的计算

python 复制代码 
# 创建时间差
td1 = pd.Timedelta(days=5, hours=3)
print("\n时间差:", td1)

# 时间运算
start = pd.Timestamp('2023-01-01')
end = start + pd.Timedelta(weeks=2)
print("开始日期:", start)
print("结束日期:", end)
print("时间差:", end - start)

# 序列运算
dates = pd.date_range('2023-01-01', periods=5, freq='2D')
df = pd.DataFrame({'date': dates})
df['next_date'] = df['date'] + pd.Timedelta(days=1)
df['days_diff'] = (df['next_date'] - df['date']).dt.days

print("\n时间差计算:\n", df)

日期的偏移

python 复制代码 
from pandas.tseries.offsets import *

# 基本偏移
date = pd.Timestamp('2023-08-15')
print("\n原始日期:", date)
print("加3天:", date + DateOffset(days=3))
print("加2个月:", date + DateOffset(months=2))

# 工作日偏移
print("下个工作日:", date + BDay())
print("下个月第一个工作日:", date + BMonthBegin())

# 特殊偏移
print("季度末:", date + BQuarterEnd())
print("财年末(3月):", date + FY5253Quarter(quarter=4, startingMonth=3, variation="nearest"))
3.4：时间序列操作

重新采样

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# 创建时间序列数据
date_rng = pd.date_range('2023-01-01', '2023-01-10', freq='8H')
data = np.random.randint(0, 100, size=(len(date_rng)))
ts = pd.Series(data, index=date_rng)

# 降采样 (低频)
daily_mean = ts.resample('D').mean()
daily_max = ts.resample('D').max()
print("\n按天重采样(均值):\n", daily_mean)
print("\n按天重采样(最大值):\n", daily_max)

# 升采样 (高频)
upsampled = ts.resample('2H').asfreq()  # 插入NaN
ffilled = ts.resample('2H').ffill()     # 向前填充
print("\n升采样(插入NaN):\n", upsampled.head(10))
print("\n升采样(向前填充):\n", ffilled.head(10))

# OHLC重采样
ohlc = ts.resample('D').ohlc()
print("\nOHLC重采样:\n", ohlc)

滚动窗口的计算

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# 创建时间序列
data = np.random.randn(100)
index = pd.date_range('2023-01-01', periods=100, freq='D')
ts = pd.Series(data, index=index)

# 滚动计算
rolling_mean = ts.rolling(window=7).mean()
rolling_std = ts.rolling(window=14).std()
expanding_mean = ts.expanding().mean()

# 组合计算
df = pd.DataFrame({
    'value': ts,
    '7d_mean': rolling_mean,
    '14d_std': rolling_std,
    'exp_mean': expanding_mean
})
print("\n滚动窗口计算(前10行):\n", df.head(10))

# 带偏移的滚动窗口
offset_mean = ts.rolling(window='30D').mean()  # 30天滚动平均
print("\n时间偏移滚动窗口:\n", offset_mean.head(10))
3.5：日期索引操作

时间索引切片

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# 创建时间序列数据
data = np.random.randn(100)
index = pd.date_range('2023-01-01', periods=100, freq='D')
ts = pd.Series(data, index=index)

# 基础切片
print("1月数据:\n", ts['2023-01'])
print("\n1月15日至1月20日:\n", ts['2023-01-15':'2023-01-20'])

# 部分日期字符串切片
print("\n所有1月15日数据:\n", ts[ts.index.day == 15])

# 时间范围切片
print("\n1月1日到3月1日:\n", ts['2023-01-01':'2023-03-01'])

时间索引操作

python 复制代码 
# 设置时间索引
df = pd.DataFrame({
    'value': np.random.randn(100),
    'date': pd.date_range('2023-01-01', periods=100, freq='D')
})
df.set_index('date', inplace=True)

# 按时间组件选择
print("所有周一数据:\n", df[df.index.dayofweek == 0].head())

# 按时间范围选择
print("\n工作时间数据(9AM-5PM):\n", df.between_time('09:00', '17:00'))

# 按日期类型选择
print("\n月初数据:\n", df[df.index.is_month_start])
print("\n季度末数据:\n", df[df.index.is_quarter_end])
3.6：其他常用操作

时区的处理

python 复制代码 
# 创建时区无关时间
date_rng = pd.date_range('2023-01-01 00:00', periods=3, freq='8H')
ts = pd.Series(range(3), index=date_rng)

# 添加时区
ts_utc = ts.tz_localize('UTC')
print("\nUTC时间:\n", ts_utc)

# 时区转换
ts_ny = ts_utc.tz_convert('America/New_York')
print("\n纽约时间:\n", ts_ny)

# 处理夏令时
dst_range = pd.date_range('2023-03-12 00:00', periods=5, freq='H', tz='America/New_York')
print("\n夏令时转换:\n", dst_range)

节假日日历

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from pandas.tseries.holiday import USFederalHolidayCalendar

# 创建美国节假日日历
cal = USFederalHolidayCalendar()
holidays = cal.holidays(start='2023-01-01', end='2023-12-31')
print("2023年美国联邦节假日:\n", holidays)

# 工作日计算
bday_us = pd.offsets.CustomBusinessDay(calendar=USFederalHolidayCalendar())
date = pd.Timestamp('2023-12-24')  # 圣诞节前
print("\n2023-12-24后的第一个工作日:", date + bday_us)

# 自定义节假日
class MyCalendar(AbstractHolidayCalendar):
    rules = [
        Holiday('My Birthday', month=8, day=15),
        Holiday('Company Founding', month=11, day=1)
    ]
    
my_cal = MyCalendar()
my_holidays = my_cal.holidays(start='2023-01-01', end='2023-12-31')
print("\n自定义节假日:\n", my_holidays)

时间序列分析

python 复制代码 
# 创建带趋势和季节性的时间序列
np.random.seed(42)
t = np.arange(100)
trend = 0.1 * t
seasonality = 5 * np.sin(2 * np.pi * t / 30)
noise = np.random.normal(0, 1, 100)
data = trend + seasonality + noise

index = pd.date_range('2023-01-01', periods=100, freq='D')
ts = pd.Series(data, index=index)

# 分解时间序列
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
decomposed = seasonal_decompose(ts, model='additive', period=30)

# 创建包含组件的DataFrame
df_decomposed = pd.DataFrame({
    'observed': decomposed.observed,
    'trend': decomposed.trend,
    'seasonal': decomposed.seasonal,
    'residual': decomposed.resid
})

print("\n时间序列分解(前5行):\n", df_decomposed.head())

时间序列的存储

python 复制代码 
# 高效存储时间序列
df = pd.DataFrame({
    'timestamp': pd.date_range('2023-01-01', periods=1000, freq='T'),
    'value': np.random.randn(1000)
})

# 优化数据类型
df['timestamp'] = df['timestamp'].astype('datetime64[s]')  # 精确到秒
print("\n优化前内存:", df.memory_usage(deep=True).sum())
df['value'] = df['value'].astype('float32')
print("优化后内存:", df.memory_usage(deep=True).sum())

# 使用Period表示时间区间
df['period'] = df['timestamp'].dt.to_period('D')
print("\n周期表示:\n", df[['timestamp', 'period']].head())

大型的时间序列处理

python 复制代码 
# 创建大型时间序列
size = 10**6  # 100万行
big_ts = pd.Series(
    np.random.randn(size),
    index=pd.date_range('2020-01-01', periods=size, freq='S')
)

# 高效重采样
%timeit big_ts.resample('1T').mean()  # 原始方法

# 使用Grouper优化
%timeit big_ts.groupby(pd.Grouper(freq='1T')).mean()

# 下采样优化
%timeit big_ts.loc[big_ts.index.min():big_ts.index.max():'5T']  # 步长选择
3.7：完整实际实例演示
python 复制代码 
import numpy as np
import pandas as pd
from pandas.tseries.holiday import USFederalHolidayCalendar
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose

# 创建销售数据集
np.random.seed(42)
dates = pd.date_range('2023-01-01', '2023-06-30', freq='D')
sales = np.random.randint(50, 200, size=len(dates))
weekday_effect = np.where(dates.dayofweek == 5, 1.5, 1)  # 周六增加50%
sales = (sales * weekday_effect).astype(int)

df = pd.DataFrame({
    'date': dates,
    'sales': sales,
    'returns': np.random.randint(0, 10, size=len(dates))
})

# 设置日期索引
df.set_index('date', inplace=True)

# 1. 月度销售分析
monthly_sales = df['sales'].resample('ME').sum()
monthly_avg = df['sales'].resample('ME').mean()

# 2. 周分析
df['weekday'] = df.index.day_name()
weekly_sales = df.groupby('weekday')['sales'].mean().reindex([
    'Monday', 'Tuesday', 'Wednesday', 'Thursday', 'Friday', 'Saturday', 'Sunday'
])

# 3. 滚动分析
df['7d_avg'] = df['sales'].rolling(window=7).mean()
df['7d_std'] = df['sales'].rolling(window=7).std()

# 4. 节假日分析
cal = USFederalHolidayCalendar()
holidays = cal.holidays(start='2023-01-01', end='2023-06-30')
holiday_sales = df[df.index.isin(holidays)]['sales'].mean()

# 5. 时间序列分解
decomposed = seasonal_decompose(df['sales'], model='additive', period=30)

print("月度销售总额:\n", monthly_sales)
print("\n周平均销售:\n", weekly_sales)
print("\n节假日平均销售额:", holiday_sales)
复制代码 
月度销售总额:
 date
2023-01-31    4073
2023-02-28    3558
2023-03-31    3923
2023-04-30    3913
2023-05-31    4063
2023-06-30    4525
Freq: ME, Name: sales, dtype: int64

周平均销售:
 weekday
Monday       119.192308
Tuesday      114.692308
Wednesday    133.961538
Thursday     128.346154
Friday       128.038462
Saturday     178.920000
Sunday       128.923077
Name: sales, dtype: float64

节假日平均销售额: 131.4

4：数据分类

5：可视化和SQL操作

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