Структура/объект Series представляет из себя объект, похожий на одномерный массив (питоновский список, например), но отличительной его чертой является наличие ассоциированных меток, т.н. индексов, вдоль каждого элемента из списка. Такая особенность превращает его в ассоциативный массив или словарь в Python.
У объекта Series есть атрибуты через которые можно получить список элементов и индексы, это values и index соответственно.
Имейте в виду, что список с индексами по длине должен совпадать с количеством элементов в Series.
DataFrame
Объект DataFrame лучше всего представлять себе в виде обычной таблицы и это правильно, ведь DataFrame является табличной структурой данных. В любой таблице всегда присутствуют строки и столбцы. Столбцами в объекте DataFrame выступают объекты Series, строки которых являются их непосредственными элементами.
DataFrame проще всего сконструировать на примере питоновского словаря:
Объект DataFrame имеет 2 индекса: по строкам и по столбцам. Если индекс по строкам явно не задан (например, колонка по которой нужно их строить), то pandas задаёт целочисленный индекс RangeIndex от 0 до N-1, где N это количество строк в таблице.
В этом примере перед тем как переименовать столбец Country Code, убедитесь, что с него сброшен индекс, иначе не будет никакого эффекта.
1. Подготовка к работе
Если вы хотите самостоятельно опробовать то, о чём тут пойдёт речь, загрузите набор данных Anime Recommendations Database с Kaggle. Распакуйте его и поместите в ту же папку, где находится ваш Jupyter Notebook (далее — блокнот).
После этого у вас должна появиться возможность воспроизвести то, что я покажу в следующих разделах этого материала.
2. Импорт данных
▍Загрузка CSV-данных
Здесь я хочу рассказать о преобразовании CSV-данных непосредственно в датафреймы (в объекты Dataframe). Иногда при загрузке данных формата CSV нужно указывать их кодировку (например, это может выглядеть как encoding='ISO-8859–1'). Это — первое, что стоит попробовать сделать в том случае, если оказывается, что после загрузки данных датафрейм содержит нечитаемые символы.
Существует похожая функция для загрузки данных из Excel-файлов — pd.read_excel.
▍Создание датафрейма из данных, введённых вручную
Это может пригодиться тогда, когда нужно вручную ввести в программу простые данные. Например — если нужно оценить изменения, претерпеваемые данными, проходящими через конвейер обработки данных.
Копирование датафреймов может пригодиться в ситуациях, когда требуется внести в данные изменения, но при этом надо и сохранить оригинал. Если датафреймы нужно копировать, то рекомендуется делать это сразу после их загрузки.
При экспорте данных они сохраняются в той же папке, где находится блокнот. Ниже показан пример сохранения первых 10 строк датафрейма, но то, что именно сохранять, зависит от конкретной задачи.
Экспортировать данные в виде Excel-файлов можно с помощью функции df.to_excel.
4. Просмотр и исследование данных
▍Получение n записей из начала или конца датафрейма
Сначала поговорим о выводе первых n элементов датафрейма. Я часто вывожу некоторое количество элементов из начала датафрейма где-нибудь в блокноте. Это позволяет мне удобно обращаться к этим данным в том случае, если я забуду о том, что именно находится в датафрейме. Похожую роль играет и вывод нескольких последних элементов.
1
2
3
anime.head(<span class="hljs-number">3</span>)
rating.tail(<span class="hljs-number">1</span>)
Данные из начала датафрейма
Данные из конца датафрейма
▍Подсчёт количества строк в датафрейме
Функция len(), которую я тут покажу, не входит в состав pandas. Но она хорошо подходит для подсчёта количества строк датафреймов. Результаты её работы можно сохранить в переменной и воспользоваться ими там, где они нужны.
1
2
3
len(df)
<span class="hljs-comment">#=> 3</span>
▍Подсчёт количества уникальных значений в столбце
Для подсчёта количества уникальных значений в столбце можно воспользоваться такой конструкцией:
В сведения о датафрейме входит общая информация о нём вроде заголовка, количества значений, типов данных столбцов.
1
2
anime.info()
Сведения о датафрейме
Есть ещё одна функция, похожая на df.info — df.dtypes. Она лишь выводит сведения о типах данных столбцов.
▍Вывод статистических сведений о датафрейме
Знание статистических сведений о датафрейме весьма полезно в ситуациях, когда он содержит множество числовых значений. Например, знание среднего, минимального и максимального значений столбца rating даёт нам некоторое понимание того, как, в целом, выглядит датафрейм. Вот соответствующая команда:
1
2
anime.describe()
Статистические сведения о датафрейме
▍Подсчёт количества значений
Для того чтобы подсчитать количество значений в конкретном столбце, можно воспользоваться следующей конструкцией:
1
2
anime.type.value_counts()
Подсчёт количества элементов в столбце
5. Извлечение информации из датафреймов
▍Создание списка или объекта Series на основе значений столбца
Это может пригодиться в тех случаях, когда требуется извлекать значения столбцов в переменные x и y для обучения модели. Здесь применимы следующие команды:
Поговорим о получении списков значений из индекса. Обратите внимание на то, что я здесь использовал датафрейм anime_modified, так как его индексные значения выглядят интереснее.
1
2
anime_modified.index.tolist()
Результаты выполнения команды
▍Получение списка значений столбцов
Вот команда, которая позволяет получить список значений столбцов:
1
2
anime.columns.tolist()
Результаты выполнения команды
6. Добавление данных в датафрейм и удаление их из него
▍Присоединение к датафрейму нового столбца с заданным значением
Иногда мне приходится добавлять в датафреймы новые столбцы. Например — в случаях, когда у меня есть тестовый и обучающий наборы в двух разных датафреймах, и мне, прежде чем их скомбинировать, нужно пометить их так, чтобы потом их можно было бы различить. Для этого используется такая конструкция:
▍Создание нового датафрейма из подмножества столбцов
Это может пригодиться в том случае, если требуется сохранить в новом датафрейме несколько столбцов огромного датафрейма, но при этом не хочется выписывать имена столбцов, которые нужно удалить.
Этот приём может оказаться полезным в том случае, если из датафрейма нужно удалить лишь несколько столбцов. Если удалять нужно много столбцов, то эта задача может оказаться довольно-таки утомительной, поэтому тут я предпочитаю пользоваться возможностью, описанной в предыдущем разделе.
▍Добавление в датафрейм строки с суммой значений из других строк
Для демонстрации этого примера самостоятельно создадим небольшой датафрейм, с которым удобно работать. Самое интересное здесь — это конструкция df.sum(axis=0), которая позволяет получать суммы значений из различных строк.
Функция df.merge, которую мы тут рассмотрим, похожа на левое соединение SQL. Она применяется тогда, когда два датафрейма нужно объединить по некоему столбцу.
Индексными значениями датафрейма anime_modified являются названия аниме. Обратите внимание на то, как мы используем эти названия для выбора конкретных столбцов.
1
2
anime_modified.loc[[<span class="hljs-string">'Haikyuu!! Second Season'</span>,<span class="hljs-string">'Gintama'</span>]]
Результаты выполнения команды
▍Получение строк по числовым индексам
Эта методика отличается от той, которая описана в предыдущем разделе. При использовании функции df.iloc первой строке назначается индекс 0, второй — индекс 1, и так далее. Такие индексы назначаются строкам даже в том случае, если датафрейм был модифицирован и в его индексном столбце используются строковые значения.
Следующая конструкция позволяет выбрать три первых строки датафрейма:
Эта техника напоминает получение среза списка. А именно, речь идёт о получении фрагмента датафрейма, содержащего строки, соответствующие заданной конфигурации индексов.
Из датафреймов можно выбирать строки, соответствующие заданному условию. Обратите внимание на то, что при использовании этого метода сохраняются существующие индексные значения.
▍Функция df.groupby и агрегирование столбцов различными способами
Обратите внимание на то, что здесь используется reset_index(). В противном случае столбец type становится индексным столбцом. В большинстве случаев я рекомендую делать то же самое.
Для того чтобы извлечь из датафрейма некие данные, нет ничего лучше, чем сводная таблица. Обратите внимание на то, что здесь я серьёзно отфильтровал датафрейм, что ускорило создание сводной таблицы.
▍Запись в ячейки, содержащие значение NaN, какого-то другого значения
Здесь мы поговорим о записи значения 0 в ячейки, содержащие значение NaN. В этом примере мы создаём такую же сводную таблицу, как и ранее, но без использования fill_value=0. А затем используем функцию fillna(0) для замены значений NaN на 0.
Я использую функцию df.sample каждый раз, когда мне нужно получить небольшой случайный набор строк из большого датафрейма. Если используется параметр frac=1, то функция позволяет получить аналог исходного датафрейма, строки которого будут перемешаны.
Термин “сводная таблица” хорошо известен тем, кто не по наслышке знаком с инструментом Microsoft Excel или любым иным, предназначенным для обработки и анализа данных. В pandas сводные таблицы строятся через метод .pivot_table. За основу возьмём всё тот же пример с Титаником. Например, перед нами стоит задача посчитать сколько всего женщин и мужчин было в конкретном классе корабля:
В качестве индекса теперь у нас будет пол человека, колонками станут значения из PClass, функцией агрегирования будет count (подсчёт количества записей) по колонке Name.
В pandas очень удобно анализировать временные ряды. В качестве показательного примера я буду использовать цену на акции корпорации Apple за 5 лет по дням. Файл с данными можно скачать тут.
Здесь мы формируем DataFrame с DatetimeIndex по колонке Date и сортируем новый индекс в правильном порядке для работы с выборками. Если колонка имеет формат даты и времени отличный от ISO8601, то для правильного перевода строки в нужный тип, можно использовать метод pandas.to_datetime.
Давайте теперь узнаем среднюю цену акции (mean) на закрытии (Close):
Для визуального анализа данных, pandas использует библиотеку matplotlib. Продемонстрирую простейший способ визуализации в pandas на примере с акциями Apple.
Берём цену закрытия в промежутке между 2012 и 2017.
По оси X, если не задано явно, всегда будет индекс. По оси Y в нашем случае цена закрытия. Если внимательно посмотреть, то в 2014 году цена на акцию резко упала, это событие было связано с тем, что Apple проводила сплит 7 к 1. Так мало кода и уже более-менее наглядный анализ
