轻松玩转pandas

文章目录

• 1.pandas简介
• 2.pandas应用
• 3.pandas安装
• 4.Pandas 数据结构 - Series
• 5.Pandas 数据结构 - DataFrame
• 6.Pandas CSV 文件
• 7.数据处理
• 8.Pandas JSON

Pandas 是 Python 语言的一个扩展程序库，用于数据分析。

Pandas 名字衍生自术语 “panel data”（面板数据）和 “
Python data analysis”（Python 数据分析）。

Pandas 是一个开放源码、BSD 许可的库，提供高性能、易于使用的数据结构和数据分析工具。

Pandas 一个强大的分析结构化数据的工具集，基础是 
Numpy（提供高性能的矩阵运算）

1.pandas简介

Pandas 是一个开源的数据分析和数据处理库，它是基于 Python 编程语言的。
Pandas 提供了易于使用的数据结构和数据分析工具，特别适用于处理结构化数据，如表格型数据（类似于Excel表格）。
Pandas 是数据科学和分析领域中常用的工具之一，它使得用户能够轻松地从各种数据源中导入数据，并对数据进行高效的操作和分析。
Pandas 主要引入了两种新的数据结构：DataFrame 和 Series。

• Series： 类似于一维数组或列表，是由一组数据以及与之相关的数据标签（索引）构成。Series 可以看作是 DataFrame 中的一列，也可以是单独存在的一维数据结构。
• DataFrame： 类似于一个二维表格，它是 Pandas 中最重要的数据结构。DataFrame 可以看作是由多个 Series 按列排列构成的表格，它既有行索引也有列索引，因此可以方便地进行行列选择、过滤、合并等操作。

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。

2.pandas应用

Pandas 在数据科学和数据分析领域中具有广泛的应用，其主要优势在于能够处理和分析结构化数据。
以下是 Pandas 的一些主要应用领域：

• 金融领域：金融机构使用 Pandas 来处理和分析股票市场数据、财务数据、交易数据等。Pandas 的灵活性和高效性使得金融分析师能够快速进行数据清洗、统计分析、建模等工作。
• 科学研究：科学研究领域经常涉及大量的实验数据、观测数据等，Pandas 提供了强大的工具来处理和分析这些数据，例如天文学、生物学、地球科学等领域。
• 企业数据分析：各种企业和组织都需要对业务数据进行分析，以支持决策和战略规划。Pandas 提供了处理和分析企业数据的功能，包括销售数据、客户数据、运营数据等。
• 社交媒体分析：社交媒体平台产生的海量数据需要进行分析来了解用户行为、趋势和情感倾向。Pandas 可以帮助分析师处理和分析社交媒体数据，进行用户行为分析、情感分析等。
• 医疗保健：医疗保健领域需要处理和分析大量的医疗数据，包括患者数据、临床试验数据、医疗图像数据等。Pandas 提供了处理和分析这些数据的工具，支持医疗研究和临床决策。
• 教育研究：教育领域可以利用 Pandas 来处理学生表现数据、教学评估数据、课程数据等，从而进行教育研究和改进教学质量。
• 市场营销：市场营销专业人员可以使用 Pandas 分析市场数据、客户数据、广告数据等，以制定营销策略和优化市场活动效果。
  Pandas 在许多领域中都是一种强大而灵活的工具，为数据科学家、分析师和工程师提供了处理和分析数据的便捷方式。

3.pandas安装

安装 pandas 需要基础环境是 Python，Pandas 是一个基于 Python 的库，因此你需要先安装 Python，然后再通过 Python 的包管理工具 pip 安装 Pandas。
使用 pip 安装 pandas:

pip install pandas

安装成功后，我们就可以导入 pandas 包使用：

import pandas as pd

以下是pandas的一些简单实例

import pandas as pd
mydataset = {
  'sites': ["Google", "Runoob", "Wiki"],
  'number': [1, 2, 3]
}
myvar = pd.DataFrame(mydataset)
print(myvar)

4.Pandas 数据结构 - Series

Pandas Series 类似表格中的一个列（column），类似于一维数组，可以保存任何数据类型。
Series 的数据结构是非常有用的，因为它可以处理各种数据类型，同时保持了高效的数据操作能力。
Series 特点：

• 一维数组：Series是一维的，这意味着它只有一个轴（或维度），类似于 Python 中的列表。
• 索引：每个 Serie 都有一个索引，它可以是整数、字符串、日期等类型。如果不指定索引，Pandas 将默认创建一个从 0 开始的整数索引。
• 数据类型：*Series 可以容纳不同数据类型的元素，包括整数、浮点数、字符串、Python 对象等。
• 大小不变性：Series 的大小在创建后是不变的，但可以通过某些操作（如 append 或 delete）来改变。
• 操作：Series 支持各种操作，如数学运算、统计分析、字符串处理等。
• 缺失数据：Series 可以包含缺失数据，Pandas 使用NaN（Not a Number）来表示缺失或无值。

Series 是 Pandas 中的一种基本数据结构，类似于一维数组或列表，但具有标签（索引），使得数据在处理和分析时更具灵活性。
以下是关于 Pandas 中的 Series 的详细介绍。

创建 Series
可以使用 pd.Series() 构造函数创建一个 Series 对象，传递一个数据数组（可以是列表、NumPy 数组等）和一个可选的索引数组。

pandas.Series(data=None, index=None, dtype=None, name=None, copy=False, fastpath=False)

参数说明

• data：Series 的数据部分，可以是列表、数组、字典、标量值等。如果不提供此参数，则创建一个空的 Series。
• index：Series 的索引部分，用于对数据进行标记。可以是列表、数组、索引对象等。如果不提供此参数，则创建一个默认的整数索引。
• dtype：指定 Series 的数据类型。可以是 NumPy 的数据类型，例如 np.int64、np.float64 等。如果不提供此参数，则根据数据自动推断数据类型。
• name：Series 的名称，用于标识 Series 对象。如果提供了此参数，则创建的 Series 对象将具有指定的名称。
• copy：是否复制数据。默认为 False，表示不复制数据。如果设置为 True，则复制输入的数据。
• fastpath：是否启用快速路径。默认为 False。启用快速路径可能会在某些情况下提高性能。

import pandas as pd
a = [1, 2, 3]
myvar = pd.Series(a)
print(myvar)

使用列表、字典或数组创建一个默认索引的 Series。

# 使用列表创建 Series
s = pd.Series([1, 2, 3, 4])
# 使用 NumPy 数组创建 Series
s = pd.Series(np.array([1, 2, 3, 4]))
# 使用字典创建 Series
s = pd.Series({'a': 1, 'b': 2, 'c': 3, 'd': 4})

基本操作:

# 指定索引创建 Series
s = pd.Series([1, 2, 3, 4], index=['a', 'b', 'c', 'd'])
# 获取值
value = s[2]  # 获取索引为2的值
print(s['a'])  # 返回索引标签 'a' 对应的元素
# 获取多个值
subset = s[1:4]  # 获取索引为1到3的值
# 使用自定义索引
value = s['b']  # 获取索引为'b'的值
# 索引和值的对应关系
for index, value in s.items():
    print(f"Index: {index}, Value: {value}")

# 使用切片语法来访问 Series 的一部分
print(s['a':'c'])  # 返回索引标签 'a' 到 'c' 之间的元素
print(s[:3])  # 返回前三个元素
# 为特定的索引标签赋值
s['a'] = 10  # 将索引标签 'a' 对应的元素修改为 10
# 通过赋值给新的索引标签来添加元素
s['e'] = 5  # 在 Series 中添加一个新的元素，索引标签为 'e'
# 使用 del 删除指定索引标签的元素。
del s['a']  # 删除索引标签 'a' 对应的元素
# 使用 drop 方法删除一个或多个索引标签，并返回一个新的 Series。
s_dropped = s.drop(['b'])  # 返回一个删除了索引标签 'b' 的新 Series

基本运算：

# 算术运算
result = series * 2  # 所有元素乘以2
# 过滤
filtered_series = series[series > 2]  # 选择大于2的元素
# 数学函数
import numpy as np
result = np.sqrt(series)  # 对每个元素取平方根

计算统计数据：使用 Series 的方法来计算描述性统计。

print(s.sum())  # 输出 Series 的总和
print(s.mean())  # 输出 Series 的平均值
print(s.max())  # 输出 Series 的最大值
print(s.min())  # 输出 Series 的最小值
print(s.std())  # 输出 Series 的标准差

属性和方法：

# 获取索引
index = s.index
# 获取值数组
values = s.values
# 获取描述统计信息
stats = s.describe()
# 获取最大值和最小值的索引
max_index = s.idxmax()
min_index = s.idxmin()
# 其他属性和方法
print(s.dtype)   # 数据类型
print(s.shape)   # 形状
print(s.size)    # 元素个数
print(s.head())  # 前几个元素，默认是前 5 个
print(s.tail())  # 后几个元素，默认是后 5 个
print(s.sum())   # 求和
print(s.mean())  # 平均值
print(s.std())   # 标准差
print(s.min())   # 最小值
print(s.max())   # 最大值

5.Pandas 数据结构 - DataFrame

DataFrame 是 Pandas 中的另一个核心数据结构，用于表示二维表格型数据。
DataFrame 是一个表格型的数据结构，它含有一组有序的列，每列可以是不同的值类型（数值、字符串、布尔型值）。
DataFrame 既有行索引也有列索引，它可以被看做由 Series 组成的字典（共同用一个索引）。
DataFrame 提供了各种功能来进行数据访问、筛选、分割、合并、重塑、聚合以及转换等操作。
DataFrame 特点：

• 二维结构： DataFrame 是一个二维表格，可以被看作是一个 Excel 电子表格或 SQL 表，具有行和列。可以将其视为多个 Series 对象组成的字典。
• 列的数据类型： 不同的列可以包含不同的数据类型，例如整数、浮点数、字符串或 Python 对象等。
• 索引：DataFrame 可以拥有行索引和列索引，类似于 Excel 中的行号和列标。
• 大小可变：可以添加和删除列，类似于 Python 中的字典。
• 自动对齐：在进行算术运算或数据对齐操作时，DataFrame 会自动对齐索引。
• 处理缺失数据：DataFrame 可以包含缺失数据，Pandas 使用 NaN（Not a Number）来表示。
• 数据操作：支持数据切片、索引、子集分割等操作。
• 时间序列支持：DataFrame 对时间序列数据有特别的支持，可以轻松地进行时间数据的切片、索引和操作。
• 丰富的数据访问功能：通过 .loc、.iloc 和 .query() 方法，可以灵活地访问和筛选数据。
• 灵活的数据处理功能：包括数据合并、重塑、透视、分组和聚合等。
• 数据可视化：虽然 DataFrame 本身不是可视化工具，但它可以与 Matplotlib 或 Seaborn 等可视化库结合使用，进行数据可视化。
• 高效的数据输入输出：可以方便地读取和写入数据，支持多种格式，如 CSV、Excel、SQL 数据库和 HDF5 格式。
• 描述性统计：提供了一系列方法来计算描述性统计数据，如 .describe()、.mean()、.sum() 等。
• 灵活的数据对齐和集成：可以轻松地与其他 DataFrame 或 Series 对象进行合并、连接或更新操作。
• 转换功能：可以对数据集中的值进行转换，例如使用 .apply() 方法应用自定义函数。
• 滚动窗口和时间序列分析：支持对数据集进行滚动窗口统计和时间序列分析。

DataFrame 构造方法如下：

pandas.DataFrame(data=None, index=None, columns=None, dtype=None, copy=False)

参数说明：

• data：DataFrame 的数据部分，可以是字典、二维数组、Series、DataFrame 或其他可转换为 DataFrame 的对象。如果不提供此参数，则创建一个空的 DataFrame。
• index：DataFrame 的行索引，用于标识每行数据。可以是列表、数组、索引对象等。如果不提供此参数，则创建一个默认的整数索引。
• columns：DataFrame 的列索引，用于标识每列数据。可以是列表、数组、索引对象等。如果不提供此参数，则创建一个默认的整数索引。
• dtype：指定 DataFrame 的数据类型。可以是 NumPy 的数据类型，例如 np.int64、np.float64 等。如果不提供此参数，则根据数据自动推断数据类型。
• copy：是否复制数据。默认为 False，表示不复制数据。如果设置为 True，则复制输入的数据。

Pandas DataFrame 是一个二维的数组结构，类似二维数组。

import pandas as pd
data = [['Google', 10], ['Runoob', 12], ['Wiki', 13]]
# 创建DataFrame
df = pd.DataFrame(data, columns=['Site', 'Age'])
# 使用astype方法设置每列的数据类型
df['Site'] = df['Site'].astype(str)
df['Age'] = df['Age'].astype(float)
print(df)

也可以使用字典来创建：

import pandas as pd
data = {'Site':['Google', 'Runoob', 'Wiki'], 'Age':[10, 12, 13]}
df = pd.DataFrame(data)
print (df)

以下实例使用 ndarrays 创建，ndarray 的长度必须相同， 如果传递了 index，则索引的长度应等于数组的长度。如果没有传递索引，则默认情况下，索引将是range(n)，其中n是数组长度。

import numpy as np
import pandas as pd
# 创建一个包含网站和年龄的二维ndarray
ndarray_data = np.array([
    ['Google', 10],
    ['Runoob', 12],
    ['Wiki', 13]
])
# 使用DataFrame构造函数创建数据帧
df = pd.DataFrame(ndarray_data, columns=['Site', 'Age'])
# 打印数据帧
print(df)

DataFrame 的属性和方法
DataFrame 对象有许多属性和方法，用于数据操作、索引和处理，例如：shape、columns、index、head()、tail()、info()、describe()、mean()、sum() 等。

# DataFrame 的属性和方法
print(df.shape)     # 形状
print(df.columns)   # 列名
print(df.index)     # 索引
print(df.head())    # 前几行数据，默认是前 5 行
print(df.tail())    # 后几行数据，默认是后 5 行
print(df.info())    # 数据信息
print(df.describe())# 描述统计信息
print(df.mean())    # 求平均值
print(df.sum())     # 求和

6.Pandas CSV 文件

CSV（Comma-Separated Values，逗号分隔值，有时也称为字符分隔值，因为分隔字符也可以不是逗号），其文件以纯文本形式存储表格数据（数字和文本）。
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。
Pandas 可以很方便的处理 CSV 文件，本文以 nba.csv 为例，你可以下载 nba.csv 或打开 nba.csv 查看。

import pandas as pd
df = pd.read_csv('nba.csv')
print(df.to_string())

to_string() 用于返回 DataFrame 类型的数据，如果不使用该函数，则输出结果为数据的前面 5 行和末尾 5 行，中间部分以 … 代替。

import pandas as pd
df = pd.read_csv('nba.csv')
print(df)

我们也可以使用 to_csv() 方法将 DataFrame 存储为 csv 文件：

import pandas as pd
# 三个字段 name, site, age
nme = ["Google", "Runoob", "Taobao", "Wiki"]
st = ["www.google.com", "www.runoob.com", "www.taobao.com", "www.wikipedia.org"]
ag = [90, 40, 80, 98]
# 字典
dict = {'name': nme, 'site': st, 'age': ag}
df = pd.DataFrame(dict)
# 保存 dataframe
df.to_csv('site.csv')

7.数据处理

head()
head( n ) 方法用于读取前面的 n 行，如果不填参数 n ，默认返回 5 行。

import pandas as pd
df = pd.read_csv('nba.csv')
print(df.head())

tail()
tail( n ) 方法用于读取尾部的 n 行，如果不填参数 n ，默认返回 5 行，空行各个字段的值回 NaN。

import pandas as pd
df = pd.read_csv('nba.csv')
print(df.tail())

info()
info() 方法返回表格的一些基本信息：

import pandas as pd
df = pd.read_csv('nba.csv')
print(df.info())

8.Pandas JSON

JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript 对象表示法），是存储和交换文本信息的语法，类似 XML。
JSON 比 XML 更小、更快，更易解析，更多 JSON 内容可以参考 JSON 教程。
Pandas 可以很方便的处理 JSON 数据，本文以 sites.json 为例，内容如下：

[
   {
   "id": "A001",
   "name": "菜鸟教程",
   "url": "www.runoob.com",
   "likes": 61
   },
   {
   "id": "A002",
   "name": "Google",
   "url": "www.google.com",
   "likes": 124
   },
   {
   "id": "A003",
   "name": "淘宝",
   "url": "www.taobao.com",
   "likes": 45
   }
]

to_string() 用于返回 DataFrame 类型的数据，我们也可以直接处理 JSON 字符串。

import pandas as pd

data =[
    {
      "id": "A001",
      "name": "菜鸟教程",
      "url": "www.runoob.com",
      "likes": 61
    },
    {
      "id": "A002",
      "name": "Google",
      "url": "www.google.com",
      "likes": 124
    },
    {
      "id": "A003",
      "name": "淘宝",
      "url": "www.taobao.com",
      "likes": 45
    }
]
df = pd.DataFrame(data)
print(df)

JSON 对象与 Python 字典具有相同的格式，所以我们可以直接将 Python 字典转化为 DataFrame 数据：

import pandas as pd
# 字典格式的 JSON
s = {
    "col1":{"row1":1,"row2":2,"row3":3},
    "col2":{"row1":"x","row2":"y","row3":"z"}
}
# 读取 JSON 转为 DataFrame
df = pd.DataFrame(s)
print(df)

从 URL 中读取 JSON 数据：

import pandas as pd

URL = 'https://static.jyshare.com/download/sites.json'
df = pd.read_json(URL)
print(df)