python数据分析 pandas库-数据操作

一、数据新增

1.追加数据

DataFrame.append

功能：将行追加到 DataFrame 中。
用法：df.append(other：其他DataFrame对象, ignore_index=False：用于重置DataFrame的原所有索引，False表示不重置, verify_integrity=False：当它为Ture时会检测合并后的结果, sort=False：当它为Ture时结果将按照索引或列进行排序)
```
import pandas as pd
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'A': [5], 'B': [6]})df = df1.append(df2, ignore_index=True)
print(df)
```

2.扩展数据

DataFrame.assign

功能：通过提供的新列来扩展 DataFrame,它与直接修改源DataFrame不一样的点是，会重新返回一个DataFrame对象。

用法：df.assign(**kwargs)

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]})# 添加新列 'C'
df = df.assign(C=[5, 6])
print(df)

3.插入数据

DataFrame.insert

功能：在 DataFrame 中指定位置插入新列。
用法：df.insert(loc:指定新列在 DataFrame 中的位置（索引）, column, value, allow_duplicates=False：如果设置为 True，则允许插入的列名称与现有列名重复)
```
df = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]})# 在位置 1 插入新列 'C'
df.insert(1, 'C', [5, 6])
print(df)
```

4.连接数据

DataFrame.concat

功能：沿指定轴连接多个 DataFrame 对象。
用法：pd.concat(objs, axis=0:决定连接的方向，axis=0 表示按行连接（默认），axis=1 表示按列连接。, join='outer':默认outer交集，保留所有索引，并填充缺失值, ignore_index=False, keys=None：用于在合并后给结果对象创建多级索引的键)
```
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'A': [5, 6], 'B': [7, 8]})# 沿行轴（axis=0）连接 df1 和 df2
df = pd.concat([df1, df2], ignore_index=True)
print(df)
```

5.更新数据

DataFrame.update

功能：根据另一个 DataFrame 更新现有 DataFrame 中的值。

用法：df.update(other)

df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'A': [5, 6], 'B': [7, 8]})# 更新 df1 的数据
df1.update(df2)
print(df1)

append：将 DataFrame 或 Series 行追加到现有对象。
assign：添加或修改 DataFrame 列。
insert：在指定位置插入新列。
concat：连接多个 DataFrame 或 Series。
update：根据另一个 DataFrame 更新现有 DataFrame。

二、数据查询

1. 单个元素查询（标签查询）

pandas.at

功能：用于快速访问 DataFrame 中的单个标量元素。适用于较少的操作，效率较高。

用法：df.at[row_label, column_label]

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
})# 获取 'row1' 行和 'A' 列的单个元素
value = df.at[0, 'A']
print(value)  # 输出 1

2.单个元素查询（索引查询）

pandas.iat

功能：用于快速访问 DataFrame 中的单个标量元素，基于整数位置进行索引。

用法：df.iat[row_index, column_index]

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
})# 获取第1行和第2列的单个元素
value = df.iat[0, 0]
print(value)  # 输出 1

3.行列查询（标签查询）

pandas.loc

功能：基于行和列的标签进行数据选择。可以选择特定行、列或子集。

用法：df.loc[row_labels, column_labels]

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
}, index=['row1', 'row2', 'row3'])# 获取 'row2' 行和 'A' 列的数据
subset = df.loc['row2', 'A']
print(subset)  # 输出 2# 获取 'row1' 和 'row3' 行的所有数据
subset = df.loc[['row1', 'row3']]
print(subset)

4.行列查询（索引查询）

pandas.iloc

功能：基于整数位置进行数据选择。可以选择特定行、列或子集。

用法：df.iloc[row_indices, column_indices]

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
})# 获取第1行和第2列的数据
subset = df.iloc[0, 1]
print(subset)  # 输出 4# 获取前2行和前1列的数据
subset = df.iloc[0:2, 0]
print(subset)

5.切块查询

pandas.xs

功能：从 DataFrame 中获取跨切片的数据。可以根据某个轴（行或列）进行切片。

用法：df.xs(key, level, axis)

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
}, index=pd.MultiIndex.from_tuples([('x', 'a'), ('x', 'b'), ('y', 'c')], names=['first', 'second']))# 获取 'x' 级别的所有数据
result = df.xs('x', level='first')
print(result)

6.表达式查询

pandas.query

功能：使用表达式进行数据查询，类似于 SQL 的查询语句。

用法：df.query('expression')

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
})# 查询列 'A' 值大于 1 的行
result = df.query('A > 1')
print(result)

7.条件查询

pandas.where

功能：根据条件进行数据筛选，可以选择满足条件的元素或替换不满足条件的元素。

用法：df.where(condition, other)

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],'B': [4, 5, 6]
})# 将不满足条件（列 'A' > 1）的元素替换为 NaN
result = df.where(df['A'] > 1)
print(result)

总结

at 和 iat：用于访问单个标量元素，at 基于标签，iat 基于位置。
loc 和 iloc：用于选取数据，loc 基于标签，iloc 基于位置。
xs：用于获取跨切片数据。
query：用于表达式查询。
where：用于条件筛选和替换。

三、数据清洗

1. 处理缺失值

DataFrame.isna() 和 DataFrame.isnull()：检测缺失值。

df = pd.DataFrame({'A': [1, None, 3], 'B': [4, 5, None]})
print(df.isna())

DataFrame.dropna()：删除缺失值所在的行或列。

df_cleaned = df.dropna()  # 删除包含缺失值的行

DataFrame.fillna()：填充缺失值。

df_filled = df.fillna(0)  # 用 0 填充缺失值

DataFrame.interpolate()：使用插值方法填充缺失值。
```
df_interpolated = df.interpolate()
```

2. 处理重复数据

DataFrame.duplicated()：检测重复行。

df = pd.DataFrame({'A': [1, 1, 2], 'B': [3, 3, 4]})
print(df.duplicated())  # 检测重复行

DataFrame.drop_duplicates()：删除重复行。
```
df_unique = df.drop_duplicates()
```

3. 处理异常值

使用统计方法识别异常值：

例如，使用 Z-Score 或 IQR（四分位距）来识别异常值。

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 2, 3, 100]})
z_scores = stats.zscore(df)
df_cleaned = df[(abs(z_scores) < 3).all(axis=1)]

使用 IQR 识别异常值：

Q1 = df['A'].quantile(0.25)
Q3 = df['A'].quantile(0.75)
IQR = Q3 - Q1
df_cleaned = df[(df['A'] >= (Q1 - 1.5 * IQR)) & (df['A'] <= (Q3 + 1.5 * IQR))]

4. 处理数据类型

DataFrame.astype()：转换数据类型。
```
df['A'] = df['A'].astype(int)
```
DataFrame.convert_dtypes()：自动转换 DataFrame 的数据类型。
```
df = df.convert_dtypes()
```

5. 清理文本数据

DataFrame.replace()：替换文本中的特定值。

df = pd.DataFrame({'A': ['foo', 'bar', 'foo']})
df['A'] = df['A'].replace('foo', 'baz')

DataFrame.str.strip()：去除字符串中的前后空白字符。
```
df['A'] = df['A'].str.strip()
```
DataFrame.str.lower() 和 DataFrame.str.upper()：转换字符串为小写或大写。
```
df['A'] = df['A'].str.lower()
```

6. 数据转换

DataFrame.apply()：应用自定义函数进行数据转换。
```
df['A'] = df['A'].apply(lambda x: x * 2)
```
DataFrame.map()：将映射函数应用于 DataFrame 或 Series。
```
df['A'] = df['A'].map({1: 'one', 2: 'two'})
```

7. 处理分类数据

DataFrame.get_dummies()

：将分类变量转换为虚拟变量（one-hot encoding）。
```
df = pd.get_dummies(df, columns=['A'])
```

总结

缺失值处理：isna(), dropna(), fillna(), interpolate()
重复数据处理：duplicated(), drop_duplicates()
异常值处理：使用统计方法如 Z-Score 和 IQR
数据类型转换：astype(), convert_dtypes()
文本数据清理：replace(), str.strip(), str.lower(), str.upper()
数据转换：apply(), map()
分类数据处理：get_dummies()

四、数据统计

在 Pandas 中，数据统计是数据分析中的核心部分，它包括对数据进行各种统计计算和汇总。以下是一些常用的 Pandas 数据统计函数和方法：

1. 基本统计描述

DataFrame.describe()：计算 DataFrame 中各列的基本统计描述，包括计数、均值、标准差、最小值、四分位数和最大值。
```
df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3, 4, 5], 'B': [10, 20, 30, 40, 50]})
print(df.describe())
```
Series.describe()：对 Series 计算基本统计描述。
```
s = pd.Series([1, 2, 3, 4, 5])
print(s.describe())
```

2. 聚合函数

DataFrame.mean()：计算每列的均值。
```
print(df.mean())
```
DataFrame.median()：计算每列的中位数。
```
print(df.median())
```
DataFrame.sum()：计算每列的总和。
```
print(df.sum())
```
DataFrame.min() 和 DataFrame.max()：计算每列的最小值和最大值。
```
print(df.min())
print(df.max())
```
DataFrame.std()：计算每列的标准差。
```
print(df.std())
```
DataFrame.var()：计算每列的方差。
```
print(df.var())
```

3. 分组统计

DataFrame.groupby()：按照指定列进行分组。

df = pd.DataFrame({'A': ['foo', 'foo', 'bar', 'bar'], 'B': [1, 2, 3, 4]})
grouped = df.groupby('A')
print(grouped.mean())

GroupBy.agg()：对分组结果应用多种聚合函数。

grouped = df.groupby('A')
print(grouped.agg({'B': ['sum', 'mean']}))

GroupBy.transform()：对每组数据应用函数并返回与原 DataFrame 相同形状的结果。
```
python复制代码df['B_transformed'] = grouped['B'].transform(lambda x: x - x.mean())
print(df)
```

4. 透视表

DataFrame.pivot_table()

：创建透视表以汇总数据。

df = pd.DataFrame({'A': ['foo', 'foo', 'bar', 'bar'], 'B': [1, 2, 3, 4], 'C': [5, 6, 7, 8]})
pivot_table = pd.pivot_table(df, values='C', index='A', columns='B', aggfunc='mean')
print(pivot_table)

5. 相关性

DataFrame.corr()：计算各列之间的相关系数矩阵。

df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3, 4], 'B': [10, 20, 30, 40]})
print(df.corr())

DataFrame.cov()：计算各列之间的协方差矩阵。
```
print(df.cov())
```

6. 频率统计

Series.value_counts()：计算 Series 中每个值的出现次数。

s = pd.Series(['a', 'b', 'a', 'c', 'a', 'b'])
print(s.value_counts())

DataFrame.value_counts()：计算 DataFrame 中每行的出现次数（可通过 DataFrame 的行或列计算）。
```
df = pd.DataFrame({'A': ['a', 'b', 'a'], 'B': ['x', 'x', 'y']})
print(df.value_counts())
```

总结

基本统计描述：describe()
聚合函数：mean(), median(), sum(), min(), max(), std(), var()
分组统计：groupby(), agg(), transform()
透视表：pivot_table()
相关性：corr(), cov()
频率统计：value_counts()

五、数据排序

1. 排序 DataFrame

按列排序
- DataFrame.sort_values(by, axis, ascending)：按照指定列排序，by 参数指定要排序的列名，axis 为 0 表示按行排序（默认），ascending 为 True 表示升序（默认），False 表示降序。
```
df = pd.DataFrame({'A': [3, 1, 2], 'B': [9, 7, 6]})
sorted_df = df.sort_values(by='A', ascending=True)
print(sorted_df)
```
- 按多列排序
  
  你可以指定多个列进行排序，每个列可以有不同的排序顺序。
```
df = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 1], 'B': [9, 7, 7]})
sorted_df = df.sort_values(by=['A', 'B'], ascending=[True, False])
print(sorted_df)
```
按索引排序
- DataFrame.sort_index(axis, level, ascending)
  
  ：按照索引排序，
```
axis
```
  为 0 表示按行索引排序（默认），
```
level
```
  允许在多级索引的情况下进行排序，
```
ascending
```
  为 True 表示升序，False 表示降序。
```
df = pd.DataFrame({'A': [3, 1, 2]}, index=['c', 'a', 'b'])
sorted_df = df.sort_index(ascending=True)
print(sorted_df)
```

2. 排序 Series

按值排序
- Series.sort_values(ascending)
  
  ：按照值排序，
```
ascending
```
  为 True 表示升序（默认），False 表示降序。
```
s = pd.Series([3, 1, 2], index=['c', 'a', 'b'])
sorted_s = s.sort_values(ascending=True)
print(sorted_s)
```
按索引排序
- Series.sort_index(ascending)
  
  ：按照索引排序，
```
ascending
```
  为 True 表示升序，False 表示降序。
```
python复制代码sorted_s = s.sort_index(ascending=True)
print(sorted_s)
```

3. 排序相关参数

by：指定排序的列或索引。
axis：指定排序的轴，0 表示按行（默认），1 表示按列。
ascending：指定升序或降序，默认是升序。
level：在多级索引的情况下，指定要排序的级别。

示例代码

import pandas as pd# 创建示例 DataFrame
df = pd.DataFrame({'A': [3, 1, 2], 'B': [9, 7, 6]}, index=['c', 'a', 'b'])# 按列 'A' 升序排序
sorted_df_by_A = df.sort_values(by='A', ascending=True)
print("按列 'A' 升序排序:")
print(sorted_df_by_A)# 按列 'A' 降序排序，并按列 'B' 升序排序
sorted_df_by_A_and_B = df.sort_values(by=['A', 'B'], ascending=[False, True])
print("\n按列 'A' 降序排序，并按列 'B' 升序排序:")
print(sorted_df_by_A_and_B)# 按索引升序排序
sorted_df_by_index = df.sort_index(ascending=True)
print("\n按索引升序排序:")
print(sorted_df_by_index)