数据分析之Pandas合并操作总结

    技术2022-07-10  133

    ↑↑↑关注后"星标"Datawhale每日干货 & 每月组队学习,不错过  Datawhale干货  作者:耿远昊,Datawhale成员,华东师范大学 pandas 是一个强大的分析结构化数据的工具集,它的使用基础是Numpy(提供高性能的矩阵运算),用于数据挖掘和数据分析,同时也提供数据清洗功能。Pandas做分析数据,可以分为索引、分组、变形及合并四种操作。前边已经介绍过索引操作、分组操作及变形操作,最后对Pandas中的合并操作进行介绍,涉及知识点提纲如下图:     本文目录               1. append与assign                  1.1. append方法                  1.2. assign方法2. combine与update    2.1. combine方法    2.2. update方法              3. concat方法                4. merge与join    4.1. merge函数    4.2. join函数在详细讲解每个模块之前,首先读入数据: import numpy as np import pandas as pd df = pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/table.csv') df.head()

    append与assign

    1. append方法(一般用来添加行)

    (1)利用序列添加行(必须指定name)

    df_append = df.loc[:3,['Gender','Height']].copy() # 默认深拷贝 df_append

    s = pd.Series({'Gender':'F','Height':188},name='new_row') # name定义增加的这一行索引名。 df_append.append(s)

    (2)用DataFrame添加表

    df_temp = pd.DataFrame({'Gender':['F','M'],'Height':[188,176]}) df_append.append(df_temp)

    从上面可以看到这个索引是不会自动往下续的,因为我们新建的df_temp如下:

    pd.DataFrame({'Gender':['F','M'],'Height':[188,176]})

    可以看到这个索引就是0和1,如果你直接append而不加参数则就会直接将上面的DataFrame直接和df_append粘在一起而不会改变索引,那么怎么改变索引使得这个索引顺着前面的索引呢?看下面的例子:

    df_append.append(df_temp, ignore_index=True)

    下面是这个append函数的原形式:

    DataFrame.append(self,other,ignore_index=False,verify_integrity=False,sort=False)

    其中的ignore_index就是表示是否要跟着前面的索引来定义后面的索引,一般来说是默认False,也就是像我们的第一个例子这样。现在我们将这个参数改成True,就可以顺着索引了,就像上面的这个例子一样。

    当然这里也可以自行改变索引名:

    df_temp = pd.DataFrame({'Gender':['F','M'],'Height':[188,176]},index=['new_1','new_2']) df_append.append(df_temp)

    其他的参数学习可以参考这个网站:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.append.html?highlight=append#pandas.DataFrame.append

    2. assign方法(一般用来添加列)

    该方法主要用于添加列,列名直接由参数指定:

    s = pd.Series(list('abcd'),index=range(4)) df_append.assign(Letter=s) # 这里定义列名就直接在assign参数定义。

    这个一般定义要添加的列Series是没有列索引名的:

    s = pd.Series(list('abcd'),index=range(4)) s

    可以一次添加多个列:

    df_append.assign(col1=lambda x:x['Gender']*2, col2=s)

    可以看出这个可以添加任意多个列,但是都是要在参数中依次定义的。

    参考学习:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.assign.html?highlight=assign#pandas.DataFrame.assign

    combine与update

    1. combine方法

    combine和update都是用于表的填充函数,可以根据某种规则填充。

    (1)填充对象

    可以看出combine方法是按照表的顺序轮流进行逐列循环的,而且自动索引对齐,缺失值为NaN,理解这一点很重要。

    df_combine_1 = df.loc[:1,['Gender','Height']].copy() df_combine_2 = df.loc[10:11,['Gender','Height']].copy() df_combine_1.combine(df_combine_2,lambda x,y:print(x))

    因为lambda函数是输出x和y,没有返回值所以都为NaN。

    df1 = pd.DataFrame({'A': [5, 0], 'B': [2, 4]}) df2 = pd.DataFrame({'A': [1, 1], 'B': [3, 3]}) df1.combine(df2, np.minimum)

    combine函数原型:

    DataFrame.combine(self,other:'DataFrame',func,fill_value = None,overwrite = True)

    这里通过多个例子尝试可以发现,func函数是必不可少的,也就是我们必须有一个func来返回数值。

    (2)一些例子

    例①:根据列均值的大小填充

    df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]}) df2 = pd.DataFrame({'A': [8, 7], 'B': [6, 5]}) df1.combine(df2,lambda x,y:x if x.mean()>y.mean() else y)

    例②:索引对齐特性(默认状态下,后面的表没有的行列都会设置为NaN)

    df2 = pd.DataFrame({'B': [8, 7], 'C': [6, 5]},index=[1,2]) df1.combine(df2,lambda x,y:x if x.mean()>y.mean() else y)

    例③:使得df1原来符合条件的值不会被覆盖

    df1.combine(df2,lambda x,y:x if x.mean()>y.mean() else y,overwrite=False)

    例④:在新增匹配df2的元素位置填充-1

    df1.combine(df2,lambda x,y:x if x.mean()>y.mean() else y,fill_value=-1) # 也就是将NaN位置补成-1

    参考学习:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.combine.html?highlight=combine#pandas.DataFrame.combine

    (3)combine_first方法

    这个方法作用是用df2填补df1的缺失值,功能比较简单,但很多时候会比combine更常用,下面举两个例子:

    df1 = pd.DataFrame({'A': [None, 0], 'B': [None, 4]}) df2 = pd.DataFrame({'A': [1, 1], 'B': [3, 3]}) df1.combine_first(df2)

    也就是要在df1的基础之上,如果df1有缺失值,就在df2的对应位置补上去,当然如果df1没有缺失值,则这个填充也就相当于没填充,也就意义不大了。

    df1 = pd.DataFrame({'A': [None, 0], 'B': [4, None]}) df2 = pd.DataFrame({'B': [3, 3], 'C': [1, 1]}, index=[1, 2]) df1.combine_first(df2)

    当然,如果df1的缺失值位置在df2中也是NaN,那也是不会填充的。

    这里也涉及到很多参数问题,可以参考这个:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.combine_first.html#pandas.DataFrame.combine_first

    2. update方法

    (1)三个特点

    ①返回的框索引只会与被调用框的一致(默认使用左连接,下一节会介绍)

    ②第二个框中的nan元素不会起作用

    ③没有返回值,直接在df上操作

    (2)例子

    例①:索引完全对齐情况下的操作

    df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [400, 500, 600]}) df2 = pd.DataFrame({'B': [4, 5, 6], 'C': [7, 8, 9]}) df1.update(df2) df1

    这里需要注意:这个也是在df1的基础之上进行改变,而这个update是连行列索引都不改变,不增加,就是在这个基础上,对df1中对应位置的元素改成df2中对应位置的元素。看上面的例子也很好理解了。

    例②:部分填充

    df1 = pd.DataFrame({'A': ['a', 'b', 'c'], 'B': ['x', 'y', 'z']}) df2 = pd.DataFrame({'B': ['d', 'e']}, index=[1,2]) df1.update(df2) df1

    这个例子就是说明了,我们这个操作可以对df1的某几个元素进行改变,不一定是要整行整列改变。

    例③:缺失值不会填充

    df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [400, 500, 600]}) df2 = pd.DataFrame({'B': [4, np.nan, 6]}) df1.update(df2) df1

    这个例子就是,我们如果update了缺失值NaN,则就不会在原df1中把对应元素改成NaN了,这个缺失值是不会被填充的。

    更多参数参考:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.update.html?highlight=update#pandas.DataFrame.update

    concat方法

    concat方法可以在两个维度上拼接,默认纵向凭借(axis=0),拼接方式默认外连接

    所谓外连接,就是取拼接方向的并集,而'inner'时取拼接方向(若使用默认的纵向拼接,则为列的交集)的交集

    下面举一些例子说明其参数:

    df1 = pd.DataFrame({'A': ['A0', 'A1'], 'B': ['B0', 'B1']}, index = [0,1]) df2 = pd.DataFrame({'A': ['A2', 'A3'], 'B': ['B2', 'B3']}, index = [2,3]) df3 = pd.DataFrame({'A': ['A1', 'A3'], 'D': ['D1', 'D3'], 'E': ['E1', 'E3']},index = [1,3]) df1

    df2

    df3

    默认状态拼接:

    pd.concat([df1,df2])

    axis=1时沿列方向拼接:

    pd.concat([df1,df2],axis=1)

    join设置为内连接(由于axis=0,因此列取交集):

    pd.concat([df3,df1])

    pd.concat([df3,df1],join='inner') # 对索引取交集

    join设置为外链接:

    pd.concat([df3,df1],join='outer')

    pd.concat([df3,df1],join='outer',sort=True) #sort设置列排序,默认为False

    其实就是对列索引进行排序。verify_integrity检查列是否唯一: pd.concat([df2,df1],verify_integrity=True,sort=True) # pd.concat([df3,df1],verify_integrity=True,sort=True) 报错

    这里因为df1和df2的列索引相同,所以可以正常返回。而df1和df3的列索引不同,所以会报错。

    这个verify_integrity就是为了保证只有在索引相同时才会进行操作的函数,而可以拿来检查函数列是否唯一。同样,可以添加Series:

    s = pd.Series(['X0', 'X1'], name='X') pd.concat([df1,s],axis=1)

    key参数用于对不同的数据框增加一个标号,便于索引:

    pd.concat([df1,df2], keys=['x', 'y'])

    pd.concat([df1,df2], keys=['x', 'y']).index

    这里相当于对原索引的基础上,又设定了行索引,针对这个df1和df2。然这里也可以解决行索引杂乱无章的问题,和append一样,都是通过ignore_index参数来完成:

    pd.concat([df3,df1], ignore_index=True)

    更多参数参考:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.concat.html?highlight=concat#pandas.concat

    merge与join

    1. merge函数

    merge函数的作用是将两个pandas对象横向合并,遇到重复的索引项时会使用笛卡尔积,默认inner连接,可选left、outer、right连接。

    所谓左连接,就是指以第一个表索引为基准,右边的表中如果不再左边的则不加入,如果在左边的就以笛卡尔积的方式加入。

    merge/join与concat的不同之处在于on参数,可以指定某一个对象为key来进行连接

    同样的,下面举一些例子:

    left = pd.DataFrame({'key1': ['K0', 'K0', 'K1', 'K2'], 'key2': ['K0', 'K1', 'K0', 'K1'], 'A': ['A0', 'A1', 'A2', 'A3'], 'B': ['B0', 'B1', 'B2', 'B3']}) right = pd.DataFrame({'key1': ['K0', 'K1', 'K1', 'K2'],'key2': ['K0', 'K0', 'K0', 'K0'], 'C': ['C0', 'C1', 'C2', 'C3'],'D': ['D0', 'D1', 'D2', 'D3']}) right2 = pd.DataFrame({'key1': ['K0', 'K1', 'K1', 'K2'],'key2': ['K0', 'K0', 'K0', 'K0'], 'C': ['C0', 'C1', 'C2', 'C3']}) left

    right

    right2

    以key1为准则连接,如果具有相同的列,则默认suffixes=('_x','_y'):

    pd.merge(left, right, on='key1')

    这个函数相对有点复杂,可以多看例子来想想。以多组键连接:

    pd.merge(left, right, on=['key1','key2'])

    默认使用inner连接,因为merge只能横向拼接,所以取行向上keys的交集,下面看如果使用how=outer参数。注意:这里的how就是concat的join

    pd.merge(left, right, how='outer', on=['key1','key2'])

    使用了how='outer',那么如果行中带有缺失值也会被返回。

    左连接:

    pd.merge(left, right, how='left', on=['key1', 'key2'])

    以左边的left表的索引为基准。

    右连接:

    pd.merge(left, right, how='right', on=['key1', 'key2'])

    以右边的right表索引为基准。

    如果还是对笛卡尔积不太了解,请务必理解下面这个例子,由于B的所有元素为2,因此需要6行:

    left = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [2, 2]}) right = pd.DataFrame({'A': [4, 5, 6], 'B': [2, 2, 2]}) print(left) print(right)

    pd.merge(left, right, on='B', how='outer')

    validate检验的是到底哪一边出现了重复索引,如果是“one_to_one”则两侧索引都是唯一,如果"one_to_many"则左侧唯一

    left = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [2, 2]}) right = pd.DataFrame({'A': [4, 5, 6], 'B': [2, 3, 4]}) print(left) print(right)

    # pd.merge(left, right, on='B', how='outer',validate='one_to_one') # 报错 # MergeError: Merge keys are not unique in left dataset; not a one-to-one merge

    这里因为left中索引不唯一,所以报错了。所以我们改一下left,使得它索引唯一。如下例:

    left = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [2, 1]}) pd.merge(left, right, on='B', how='outer',validate='one_to_one')

    indicator参数指示了,合并后该行索引的来源

    df1 = pd.DataFrame({'col1': [0, 1], 'col_left': ['a', 'b']}) df2 = pd.DataFrame({'col1': [1, 2, 2], 'col_right': [2, 2, 2]}) pd.merge(df1, df2, on='col1', how='outer', indicator=True) # indicator='indicator_column'也是可以的

    这里就是新增一列表明每行索引的来源。

    更多参数:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.merge.html?highlight=merge#pandas.DataFrame.merge

    2. join函数

    join函数作用是将多个pandas对象横向拼接,遇到重复的索引项时会使用笛卡尔积,默认左连接,可选inner、outer、right连接。

    left = pd.DataFrame({'A': ['A0', 'A1', 'A2'], 'B': ['B0', 'B1', 'B2']}, index=['K0', 'K1', 'K2']) right = pd.DataFrame({'C': ['C0', 'C2', 'C3'], 'D': ['D0', 'D2', 'D3']}, index=['K0', 'K2', 'K3']) left.join(right)

    这里是默认左连接,也就是按照left索引的基础上来填充。对于many_to_one模式下的合并,往往join更为方便。同样可以指定key:

    left = pd.DataFrame({'A': ['A0', 'A1', 'A2', 'A3'], 'B': ['B0', 'B1', 'B2', 'B3'], 'key': ['K0', 'K1', 'K0', 'K1']}) right = pd.DataFrame({'C': ['C0', 'C1'], 'D': ['D0', 'D1']}, index=['K0', 'K1']) print(left) print(right)

    left.join(right, on='key')

    多层key:

    left = pd.DataFrame({'A': ['A0', 'A1', 'A2', 'A3'], 'B': ['B0', 'B1', 'B2', 'B3'], 'key1': ['K0', 'K0', 'K1', 'K2'], 'key2': ['K0', 'K1', 'K0', 'K1']}) index = pd.MultiIndex.from_tuples([('K0', 'K0'), ('K1', 'K0'), ('K2', 'K0'), ('K2', 'K1')],names=['key1','key2']) right = pd.DataFrame({'C': ['C0', 'C1', 'C2', 'C3'], 'D': ['D0', 'D1', 'D2', 'D3']}, index=index) print(left) print(index) print(right)

    left.join(right, on=['key1','key2'])

    参考:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.join.html?highlight=join#pandas.DataFrame.join

    问题与练习

    1. 问题

    【问题一】请思考什么是append/assign/combine/update/concat/merge/join各自最适合使用的场景,并举出相应的例子。

    append:主要是用来添加行,也就是在一个表中下方添加。

    assign:主要是用来添加列,也就是在表的右方添加。

    combine:这个函数的填充可以根据某种规则来填充,当然它衍生的combine_first就是一个比较常用的函数了,这个函数是直接填充。

    update:这个函数是会在前表的基础之上,将后表填充,不会更改索引,也就是按照前表的索引来操作。

    concat:这个函数也是进行直接的拼接,不会管索引,所以会出现多个相同的索引的情况,主要用于列的拼接。

    merge:这个函数就是用于行拼接多一些,可以指定key来拼接,多用于one_to_one和one_to_many的情况。

    join:这个函数也适用于行拼接,多用于many_to_one的情况,还可以应对多层keys的拼接。

    例子的话可以看上面的讲解,也是比较详细的。

    【问题二】merge_ordered和merge_asof的作用是什么?和merge是什么关系?

    作用可以参考:

    https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.merge_ordered.html?highlight=merge_ordered#pandas.merge_ordered https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.merge_asof.html#pandas.merge_asof

    应该是merge的衍生出来的函数,可以完善merge函数的一切缺陷。

    【问题三】请构造一个多级索引与多级索引合并的例子,尝试使用不同的合并函数。

    下面建立两个多级索引。

    df1=pd.DataFrame(np.arange(12).reshape(4,3),index=[list("AABB"),[1,2,1,2]],columns=[list("XXY"),[10,11,10]]) df1

    df2=pd.DataFrame(np.arange(9).reshape(3,3),index=[list("CCD"),[3,3,4]],columns=[list("ZZK"),[9,7,9]]) df2

    下面是几个合并的例子。

    df1.append(df2)

    df1.combine_first(df2)

    df2.update(df1) df2

    pd.concat([df1,df2])

    【问题四】上文提到了连接的笛卡尔积,那么当连接方式变化时(inner/outer/left/right),这种笛卡尔积规则会相应变化吗?请构造相应例子。

    答:就是我们用merge的时候,他会自动计算笛卡尔积,但是最后返回的是不是全部的笛卡尔积,就要看这些连接方式了,有时候是左连接,那就会根据左表的索引来返回,有时候右连接,就会根据右表索引来返回,有时候也会全部返回,这些就要看参数了。

    2. 练习

    【练习一】有2张公司的员工信息表,每个公司共有16名员工,共有五个公司,请解决如下问题:

    pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Employee1.csv').head()

    pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Employee2.csv').head()

    (a) 每个公司有多少员工满足如下条件:既出现第一张表,又出现在第二张表。

    df1=pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Employee1.csv') df2=pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Employee2.csv') df1.head()

    df2.head()

    pd.merge(df1['Name'],df2['Name'])

    (b) 将所有不符合(a)中条件的行筛选出来,合并为一张新表,列名与原表一致。

    L = list(set(df1['Name']).interp(set(df2['Name']))) df_b1 = df1[~df1['Name'].isin(L)] df_b2 = df2[~df2['Name'].isin(L)] df_b = pd.concat([df_b1,df_b2]).set_index('Name') df_b.head()

    (c) 现在需要编制所有80位员工的信息表,对于(b)中的员工要求不变,对于满足(a)条件员工,它们在某个指标的数值,取偏离它所属公司中满足(b)员工的均值数较小的哪一个,例如:P公司在两张表的交集为{p1},并集扣除交集为{p2,p3,p4},那么如果后者集合的工资均值为1万元,且p1在表1的工资为13000元,在表2的工资为9000元,那么应该最后取9000元作为p1的工资,最后对于没有信息的员工,利用缺失值填充。

    df1['重复'] = ['Y_1' if df1.loc[i,'Name'] in L else 'N' for i in range(df1.shape[0])] df2['重复'] = ['Y_2' if df2.loc[i,'Name'] in L else 'N' for i in range(df2.shape[0])] df1 = df1.set_index(['Name','重复']) df2 = df2.set_index(['Name','重复']) df_c = pd.concat([df1,df2]) result = pd.DataFrame({'Company':[],'Name':[],'Age':[],'Height':[],'Weight':[],'Salary':[]}) group = df_c.groupby(['Company','重复']) for i in L: first = group.get_group((i[0].upper(),'Y_1')).reset_index(level=1).loc[i,:][-4:] second = group.get_group((i[0].upper(),'Y_2')).reset_index(level=1).loc[i,:][-4:] mean = group.get_group((i[0].upper(),'N')).reset_index(level=1).mean() final = [i[0].upper(),i] for j in range(4): final.append(first[j] if abs(first[j]-mean[j])<abs(second[j]-mean[j]) else second[j]) result = pd.concat([result,pd.DataFrame({result.columns.tolist()[k]:[final[k]] for k in range(6)})]) result = pd.concat([result.set_index('Name'),df_b]) for i in list('abcde'): for j in range(1,17): item = i+str(j) if item not in result.index: result = pd.concat([result,pd.DataFrame({'Company':[i.upper()],'Name':[item] ,'Age':[np.nan],'Height':[np.nan],'Weight':[np.nan],'Salary':[np.nan]}).set_index('Name')]) result['Number'] = [int(i[1:]) for i in result.index] result.reset_index().drop(columns='Name').set_index(['Company','Number']).sort_index()

    【练习二】有2张课程的分数表(分数随机生成),但专业课(学科基础课、专业必修课、专业选修课)与其他课程混在一起,请解决如下问题:

    pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Course1.csv').head()

    pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Course2.csv').head()

    (a) 将两张表分别拆分为专业课与非专业课(结果为四张表)。

    df1=pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Course1.csv') df1.head()

    df2=pd.read_csv('joyful-pandas-master/data/Course2.csv') df2.head()

    df_a11= df1.query('课程类别 in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') df_a12= df1.query('课程类别 not in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') df_a21= df2.query('课程类别 in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') df_a22= df2.query('课程类别 not in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') df_a11.head()

    df_a12.head()

    df_a21.head()

    df_a22.head()

    (b) 将两张专业课的分数表和两张非专业课的分数表分别合并。

    df_a11.append(df_a21, ignore_index=True) # 专业课

    df_a12.append(df_a22, ignore_index=True) # 非专业课

    (c) 不使用(a)中的步骤,请直接读取两张表合并后拆分。

    df = pd.concat([df1,df2]) df

    special = df.query('课程类别 in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') common = df.query('课程类别 not in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') special.head() common.head()

    (d) 专业课程中有缺失值吗,如果有的话请在完成(3)的同时,用组内(3种类型的专业课)均值填充缺失值后拆分。

    df.isnull().any()

    说明“分数”列是存在缺失值的,所以我们需要将“分数”列的缺失值补上。

    df['分数'] = df.groupby('课程类别').transform(lambda x: x.fillna(x.mean()))['分数'] df['分数'].isnull().any() False

    出现False说明缺失值已经被填补完成了。下一步就开始拆分:

    special2 = df.query('课程类别 in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') common2 = df.query('课程类别 not in ["学科基础课","专业必修课","专业选修课"]') special2.head()

    common2.head()

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