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【Python数据分析--pandas学习笔记】Python数据分析库pandas详细学习笔记（内容详细，适合小白入门），数据分析学习笔记_pandas库教程

作者：黑客灵魂 | 2024-07-19 18:58:11

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pandas库教程

一，pandas教程

1-1 pandas 安装

1-1-1 使用 pip 安装 pandas:

pip install pandas

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安装成功后，我们就可以导入 pandas 包使用：

import pandas

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'
运行

1-1-2 查看 pandas 版本

>>> import pandas
>>> pandas.__version__  # 查看版本
'1.1.5'

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导入 pandas 一般使用别名 pd 来代替：

>>> import pandas as pd
>>> pd.__version__  # 查看版本
'1.1.5'

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1-1-3 一个简单的 pandas 实例：

import pandas as pd

mydataset = {
  'sites': ["Google", "Runoob", "Wiki"],
  'number': [1, 2, 3]
}

myvar = pd.DataFrame(mydataset)

print(myvar)

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'
运行

执行以上代码，输出结果为：

image-20240420144421838

1-2 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 特点：

  • 索引： 每个 Series 都有一个索引，它可以是整数、字符串、日期等类型。如果没有显式指定索引，Pandas 会自动创建一个默认的整数索引。

  • 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、字符串等。

  • 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, index, dtype, name, copy)

  • 1

参数说明：

  • data：一组数据(ndarray 类型)。
  • index：数据索引标签，如果不指定，默认从 0 开始。
  • dtype：数据类型，默认会自己判断。
  • name：设置名称。
  • copy：拷贝数据，默认为 False。

创建一个简单的 Series 实例：

1-2-1 实例

import pandas as pd

a = [1, 2, 3]

myvar = pd.Series(a)

print(myvar)

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'
运行

image-20240420144621687

1-2-2 实例

import pandas as pd

a = [1, 2, 3]

myvar = pd.Series(a)

print(myvar[1])

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'
运行

输出结果如下：

2

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我们可以指定索引值，如下实例：

1-2-3 实例

import pandas as pd

a = ["Google", "Runoob", "Wiki"]

myvar = pd.Series(a, index = ["x", "y", "z"])

print(myvar)

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'
运行

输出结果如下：

Runoob

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我们也可以使用 key/value 对象，类似字典来创建 Series：

1-2-4 实例

import pandas as pd

sites = {1: "Google", 2: "Runoob", 3: "Wiki"}

myvar = pd.Series(sites)

print(myvar)

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'
运行

image-20240420144917331

1-2-5 实例

import pandas as pd

sites = {1: "Google", 2: "Runoob", 3: "Wiki"}

myvar = pd.Series(sites, index = [1, 2])

print(myvar)

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'
运行

image-20240420144955995

设置 Series 名称参数：

1-2-6 实例

import pandas as pd

sites = {1: "Google", 2: "Runoob", 3: "Wiki"}

myvar = pd.Series(sites, index = [1, 2], name="RUNOOB-Series-TEST" )

print(myvar)

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'
运行

image-20240420145105226

1-2-7 更多 Series 说明

7-1 基本操作：
# 获取值
value = series[2]  # 获取索引为2的值

# 获取多个值
subset = series[1:4]  # 获取索引为1到3的值

# 使用自定义索引
value = series_with_index['b']  # 获取索引为'b'的值

# 索引和值的对应关系
for index, value in series_with_index.items():
    print(f"Index: {index}, Value: {value}")

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7-2 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

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7-3 属性和方法：
# 获取索引
index = series_with_index.index

# 获取值数组
values = series_with_index.values

# 获取描述统计信息
stats = series_with_index.describe()

# 获取最大值和最小值的索引
max_index = series_with_index.idxmax()
min_index = series_with_index.idxmin()

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7-4 注意事项：
  • Series 中的数据是有序的。
  • 可以将 Series 视为带有索引的一维数组。
  • 索引可以是唯一的，但不是必须的。
  • 数据可以是标量、列表、NumPy 数组等。

1-3 Pandas 数据结构 - DataFrame

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 特点：

  • 列和行： DataFrame 由多个列组成，每一列都有一个名称，可以看作是一个 Series。同时，DataFrame 有一个行索引，用于标识每一行。
  • 二维结构： DataFrame 是一个二维表格，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、字符串等。

image-20240420145333354

image-20240420145343579

DataFrame 构造方法如下：

pandas.DataFrame( data, index, columns, dtype, copy)

  • 1

参数说明：

  • data：一组数据(ndarray、series, map, lists, dict 等类型)。
  • index：索引值，或者可以称为行标签。
  • columns：列标签，默认为 RangeIndex (0, 1, 2, …, n) 。
  • dtype：数据类型。
  • copy：拷贝数据，默认为 False。

Pandas DataFrame 是一个二维的数组结构，类似二维数组。

1-3-1 实例 - 使用列表创建

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)

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'
运行

也可以使用字典来创建：

1-3-2 实例 - 使用字典创建

import pandas as pd

data = {'Site':['Google', 'Runoob', 'Wiki'], 'Age':[10, 12, 13]}

df = pd.DataFrame(data)

print (df)

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'
运行

image-20240420145500376

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。

ndarrays 可以参考：NumPy Ndarray 对象

1-3-3 实例 - 使用 ndarrays 创建

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)

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运行

image-20240420145614856

从以上输出结果可以知道， DataFrame 数据类型一个表格，包含 rows（行） 和 columns（列）：

image-20240420145634006

还可以使用字典（key/value），其中字典的 key 为列名:

1-3-4 实例 - 使用字典创建

import pandas as pd

data = [{'a': 1, 'b': 2},{'a': 5, 'b': 10, 'c': 20}]

df = pd.DataFrame(data)

print (df)

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'
运行

输出结果为：

   a   b     c
0  1   2   NaN
1  5  10  20.0

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没有对应的部分数据为 NaN。

Pandas 可以使用 loc 属性返回指定行的数据，如果没有设置索引，第一行索引为 0，第二行索引为 1，以此类推：

1-3-5 实例

import pandas as pd

data = {
  "calories": [420, 380, 390],
  "duration": [50, 40, 45]
}

# 数据载入到 DataFrame 对象
df = pd.DataFrame(data)

# 返回第一行
print(df.loc[0])
# 返回第二行
print(df.loc[1])

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'
运行

输出结果如下：

calories    420
duration     50
Name: 0, dtype: int64
calories    380
duration     40
Name: 1, dtype: int64

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**注意：**返回结果其实就是一个 Pandas Series 数据。

也可以返回多行数据，使用 [[ … ]] 格式，… 为各行的索引，以逗号隔开：

1-3-6 实例

import pandas as pd

data = {
  "calories": [420, 380, 390],
  "duration": [50, 40, 45]
}

# 数据载入到 DataFrame 对象
df = pd.DataFrame(data)

# 返回第一行和第二行
print(df.loc[[0, 1]])

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'
运行

输出结果为：

   calories  duration
0       420        50
1       380        40

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**注意：**返回结果其实就是一个 Pandas DataFrame 数据。

我们可以指定索引值，如下实例：

1-3-7 实例

import pandas as pd

data = {
  "calories": [420, 380, 390],
  "duration": [50, 40, 45]
}

df = pd.DataFrame(data, index = ["day1", "day2", "day3"])

print(df)

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运行

输出结果为：

      calories  duration
day1       420        50
day2       380        40
day3       390        45

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Pandas 可以使用 loc 属性返回指定索引对应到某一行：

1-3-8 实例

import pandas as pd

data = {
  "calories": [420, 380, 390],
  "duration": [50, 40, 45]
}

df = pd.DataFrame(data, index = ["day1", "day2", "day3"])

# 指定索引
print(df.loc["day2"])

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'
运行

输出结果为：

calories    380
duration     40
Name: day2, dtype: int64

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1-3-9 更多 DataFrame 说明

9-1 基本操作：
# 获取列
name_column = df['Name']

# 获取行
first_row = df.loc[0]

# 选择多列
subset = df[['Name', 'Age']]

# 过滤行
filtered_rows = df[df['Age'] > 30]

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9-2 属性和方法：
# 获取列名
columns = df.columns

# 获取形状（行数和列数）
shape = df.shape

# 获取索引
index = df.index

# 获取描述统计信息
stats = df.describe()

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9-3 数据操作：
# 添加新列
df['Salary'] = [50000, 60000, 70000]

# 删除列
df.drop('City', axis=1, inplace=True)

# 排序
df.sort_values(by='Age', ascending=False, inplace=True)

# 重命名列
df.rename(columns={'Name': 'Full Name'}, inplace=True)

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9-4 从外部数据源创建 DataFrame：
# 从CSV文件创建 DataFrame
df_csv = pd.read_csv('example.csv')

# 从Excel文件创建 DataFrame
df_excel = pd.read_excel('example.xlsx')

# 从字典列表创建 DataFrame
data_list = [{'Name': 'Alice', 'Age': 25}, {'Name': 'Bob', 'Age': 30}]
df_from_list = pd.DataFrame(data_list)

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9-5 注意事项：
  • DataFrame 是一种灵活的数据结构，可以容纳不同数据类型的列。
  • 列名和行索引可以是字符串、整数等。
  • DataFrame 可以通过多种方式进行数据选择、过滤、修改和分析。
  • 通过对 DataFrame 的操作，可以进行数据清洗、转换、分析和可视化等工作。

1-4 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。

1-4-1 实例

import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df.to_string())

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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。

1-4-2 实例

import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df)

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输出结果为：

              Name            Team  Number Position   Age Height  Weight            College     Salary
0    Avery Bradley  Boston Celtics     0.0       PG  25.0    6-2   180.0              Texas  7730337.0
1      Jae Crowder  Boston Celtics    99.0       SF  25.0    6-6   235.0          Marquette  6796117.0
2     John Holland  Boston Celtics    30.0       SG  27.0    6-5   205.0  Boston University        NaN
3      R.J. Hunter  Boston Celtics    28.0       SG  22.0    6-5   185.0      Georgia State  1148640.0
4    Jonas Jerebko  Boston Celtics     8.0       PF  29.0   6-10   231.0                NaN  5000000.0
..             ...             ...     ...      ...   ...    ...     ...                ...        ...
453   Shelvin Mack       Utah Jazz     8.0       PG  26.0    6-3   203.0             Butler  2433333.0
454      Raul Neto       Utah Jazz    25.0       PG  24.0    6-1   179.0                NaN   900000.0
455   Tibor Pleiss       Utah Jazz    21.0        C  26.0    7-3   256.0                NaN  2900000.0
456    Jeff Withey       Utah Jazz    24.0        C  26.0    7-0   231.0             Kansas   947276.0
457            NaN             NaN     NaN      NaN   NaN    NaN     NaN                NaN        NaN

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

1-4-3 实例

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')

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'
运行

执行成功后，我们打开 site.csv 文件，显示结果如下：

image-20240420150407245

1-4-4 数据处理

4-1 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。

4-1-1 实例 - 读取前面 5 行
import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df.head())

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输出结果为：

            Name            Team  Number Position   Age Height  Weight            College     Salary
0  Avery Bradley  Boston Celtics     0.0       PG  25.0    6-2   180.0              Texas  7730337.0
1    Jae Crowder  Boston Celtics    99.0       SF  25.0    6-6   235.0          Marquette  6796117.0
2   John Holland  Boston Celtics    30.0       SG  27.0    6-5   205.0  Boston University        NaN
3    R.J. Hunter  Boston Celtics    28.0       SG  22.0    6-5   185.0      Georgia State  1148640.0
4  Jonas Jerebko  Boston Celtics     8.0       PF  29.0   6-10   231.0                NaN  5000000.0

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4-1-2 实例 - 读取前面 10 行
import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df.head(10))

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输出结果为：

            Name            Team  Number Position   Age Height  Weight            College      Salary
0  Avery Bradley  Boston Celtics     0.0       PG  25.0    6-2   180.0              Texas   7730337.0
1    Jae Crowder  Boston Celtics    99.0       SF  25.0    6-6   235.0          Marquette   6796117.0
2   John Holland  Boston Celtics    30.0       SG  27.0    6-5   205.0  Boston University         NaN
3    R.J. Hunter  Boston Celtics    28.0       SG  22.0    6-5   185.0      Georgia State   1148640.0
4  Jonas Jerebko  Boston Celtics     8.0       PF  29.0   6-10   231.0                NaN   5000000.0
5   Amir Johnson  Boston Celtics    90.0       PF  29.0    6-9   240.0                NaN  12000000.0
6  Jordan Mickey  Boston Celtics    55.0       PF  21.0    6-8   235.0                LSU   1170960.0
7   Kelly Olynyk  Boston Celtics    41.0        C  25.0    7-0   238.0            Gonzaga   2165160.0
8   Terry Rozier  Boston Celtics    12.0       PG  22.0    6-2   190.0         Louisville   1824360.0
9   Marcus Smart  Boston Celtics    36.0       PG  22.0    6-4   220.0     Oklahoma State   3431040.0

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4-2 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，空行各个字段的值返回 NaN。

4-2-1 实例 - 读取末尾 5 行
import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df.tail())

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输出结果为：

             Name       Team  Number Position   Age Height  Weight College     Salary
453  Shelvin Mack  Utah Jazz     8.0       PG  26.0    6-3   203.0  Butler  2433333.0
454     Raul Neto  Utah Jazz    25.0       PG  24.0    6-1   179.0     NaN   900000.0
455  Tibor Pleiss  Utah Jazz    21.0        C  26.0    7-3   256.0     NaN  2900000.0
456   Jeff Withey  Utah Jazz    24.0        C  26.0    7-0   231.0  Kansas   947276.0
457           NaN        NaN     NaN      NaN   NaN    NaN     NaN     NaN        NaN

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4-2-2 实例 - 读取末尾 10 行
import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df.tail(10))

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输出结果为：

               Name       Team  Number Position   Age Height  Weight   College      Salary
448  Gordon Hayward  Utah Jazz    20.0       SF  26.0    6-8   226.0    Butler  15409570.0
449     Rodney Hood  Utah Jazz     5.0       SG  23.0    6-8   206.0      Duke   1348440.0
450      Joe Ingles  Utah Jazz     2.0       SF  28.0    6-8   226.0       NaN   2050000.0
451   Chris Johnson  Utah Jazz    23.0       SF  26.0    6-6   206.0    Dayton    981348.0
452      Trey Lyles  Utah Jazz    41.0       PF  20.0   6-10   234.0  Kentucky   2239800.0
453    Shelvin Mack  Utah Jazz     8.0       PG  26.0    6-3   203.0    Butler   2433333.0
454       Raul Neto  Utah Jazz    25.0       PG  24.0    6-1   179.0       NaN    900000.0
455    Tibor Pleiss  Utah Jazz    21.0        C  26.0    7-3   256.0       NaN   2900000.0
456     Jeff Withey  Utah Jazz    24.0        C  26.0    7-0   231.0    Kansas    947276.0
457             NaN        NaN     NaN      NaN   NaN    NaN     NaN       NaN         NaN

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4-3 info()

info() 方法返回表格的一些基本信息：

4-3-1 实例
import pandas as pd

df = pd.read_csv('nba.csv')

print(df.info())

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输出结果为：

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 458 entries, 0 to 457          # 行数，458 行，第一行编号为 0
Data columns (total 9 columns):            # 列数，9列
 #   Column    Non-Null Count  Dtype       # 各列的数据类型
---  ------    --------------  -----  
 0   Name      457 non-null    object 
 1   Team      457 non-null    object 
 2   Number    457 non-null    float64
 3   Position  457 non-null    object 
 4   Age       457 non-null    float64
 5   Height    457 non-null    object 
 6   Weight    457 non-null    float64
 7   College   373 non-null    object         # non-null，意思为非空的数据    
 8   Salary    446 non-null    float64
dtypes: float64(4), object(5)                 # 类型

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non-null 为非空数据，我们可以看到上面的信息中，总共 458 行，College 字段的空值最多。

1-5 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
   }
]

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1-5-1 实例

import pandas as pd

df = pd.read_json('sites.json')
   
print(df.to_string())

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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。

1-5-2 实例

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)

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'
运行

以上实例输出结果为：

     id    name             url  likes
0  A001    菜鸟教程  www.runoob.com     61
1  A002  Google  www.google.com    124
2  A003      淘宝  www.taobao.com     45

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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：

1-5-3 实例

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)

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'
运行

以上实例输出结果为：

      col1 col2
row1     1    x
row2     2    y
row3     3    z

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从 URL 中读取 JSON 数据：

1-5-4 实例

import pandas as pd

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

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以上实例输出结果为：

     id    name             url  likes
0  A001    菜鸟教程  www.runoob.com     61
1  A002  Google  www.google.com    124
2  A003      淘宝  www.taobao.com     45

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1-5-5 内嵌的 JSON 数据

假设有一组内嵌的 JSON 数据文件 nested_list.json ：

nested_list.json 文件内容

{
    "school_name": "ABC primary school",
    "class": "Year 1",
    "students": [
    {
        "id": "A001",
        "name": "Tom",
        "math": 60,
        "physics": 66,
        "chemistry": 61
    },
    {
        "id": "A002",
        "name": "James",
        "math": 89,
        "physics": 76,
        "chemistry": 51
    },
    {
        "id": "A003",
        "name": "Jenny",
        "math": 79,
        "physics": 90,
        "chemistry": 78
    }]
}

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'
运行

使用以下代码格式化完整内容：

5-1 实例
import pandas as pd

df = pd.read_json('nested_list.json')

print(df)

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以上实例输出结果为：

          school_name   class                                           students
0  ABC primary school  Year 1  {'id': 'A001', 'name': 'Tom', 'math': 60, 'phy...
1  ABC primary school  Year 1  {'id': 'A002', 'name': 'James', 'math': 89, 'p...
2  ABC primary school  Year 1  {'id': 'A003', 'name': 'Jenny', 'math': 79, 'p...

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这时我们就需要使用到 json_normalize() 方法将内嵌的数据完整的解析出来：

5-2 实例
import pandas as pd
import json

# 使用 Python JSON 模块载入数据
with open('nested_list.json','r') as f:
    data = json.loads(f.read())

# 展平数据
df_nested_list = pd.json_normalize(data, record_path =['students'])
print(df_nested_list)

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以上实例输出结果为：

     id   name  math  physics  chemistry
0  A001    Tom    60       66         61
1  A002  James    89       76         51
2  A003  Jenny    79       90         78

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  • data = json.loads(f.read()) 使用 Python JSON 模块载入数据。
  • json_normalize() 使用了参数 record_path 并设置为 [‘students’] 用于展开内嵌的 JSON 数据 students。

显示结果还没有包含 school_name 和 class 元素，如果需要展示出来可以使用 meta 参数来显示这些元数据：

5-3 实例
import pandas as pd
import json

# 使用 Python JSON 模块载入数据
with open('nested_list.json','r') as f:
    data = json.loads(f.read())

# 展平数据
df_nested_list = pd.json_normalize(
    data, 
    record_path =['students'], 
    meta=['school_name', 'class']
)
print(df_nested_list)

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以上实例输出结果为：

     id   name  math  physics  chemistry         school_name   class
0  A001    Tom    60       66         61  ABC primary school  Year 1
1  A002  James    89       76         51  ABC primary school  Year 1
2  A003  Jenny    79       90         78  ABC primary school  Year 1

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接下来，让我们尝试读取更复杂的 JSON 数据，该数据嵌套了列表和字典，数据文件 nested_mix.json 如下：

nested_mix.json 文件内容

{
    "school_name": "local primary school",
    "class": "Year 1",
    "info": {
      "president": "John Kasich",
      "address": "ABC road, London, UK",
      "contacts": {
        "email": "admin@e.com",
        "tel": "123456789"
      }
    },
    "students": [
    {
        "id": "A001",
        "name": "Tom",
        "math": 60,
        "physics": 66,
        "chemistry": 61
    },
    {
        "id": "A002",
        "name": "James",
        "math": 89,
        "physics": 76,
        "chemistry": 51
    },
    {
        "id": "A003",
        "name": "Jenny",
        "math": 79,
        "physics": 90,
        "chemistry": 78
    }]
}

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'
运行

nested_mix.json 文件转换为 DataFrame：

mport pandas as pd
import json

# 使用 Python JSON 模块载入数据
with open('nested_mix.json','r') as f:
    data = json.loads(f.read())
   
df = pd.json_normalize(
    data,
    record_path =['students'],
    meta=[
        'class',
        ['info', 'president'],
        ['info', 'contacts', 'tel']
    ]
)

print(df)

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以上实例输出结果为：

     id   name  math  physics  chemistry   class info.president info.contacts.tel
0  A001    Tom    60       66         61  Year 1    John Kasich         123456789
1  A002  James    89       76         51  Year 1    John Kasich         123456789
2  A003  Jenny    79       90         78  Year 1    John Kasich         123456789

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读取内嵌数据中的一组数据

以下是实例文件 nested_deep.json，我们只读取内嵌中的 math 字段：

nested_deep.json 文件内容

{
    "school_name": "local primary school",
    "class": "Year 1",
    "students": [
    {
        "id": "A001",
        "name": "Tom",
        "grade": {
            "math": 60,
            "physics": 66,
            "chemistry": 61
        }
  
    },
    {
        "id": "A002",
        "name": "James",
        "grade": {
            "math": 89,
            "physics": 76,
            "chemistry": 51
        }
        
    },
    {
        "id": "A003",
        "name": "Jenny",
        "grade": {
            "math": 79,
            "physics": 90,
            "chemistry": 78
        }
    }]
}

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'
运行

这里我们需要使用到 glom 模块来处理数据套嵌，glom 模块允许我们使用 . 来访问内嵌对象的属性。

第一次使用我们需要安装 glom：

pip3 install glom

  • 1
5-4 实例
import pandas as pd
from glom import glom

df = pd.read_json('nested_deep.json')

data = df['students'].apply(lambda row: glom(row, 'grade.math'))
print(data)

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以上实例输出结果为：

0    60
1    89
2    79
Name: students, dtype: int64

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1-6 Pandas 数据清洗

数据清洗是对一些没有用的数据进行处理的过程。

很多数据集存在数据缺失、数据格式错误、错误数据或重复数据的情况，如果要使数据分析更加准确，就需要对这些没有用的数据进行处理。

在这个教程中，我们将利用 Pandas包来进行数据清洗。

本文使用到的测试数据 property-data.csv 如下：

image-20240420152606258

上表包含了四种空数据：

  • n/a
  • NA
  • —
  • na

1-7 Pandas 清洗空值

如果我们要删除包含空字段的行，可以使用 dropna() 方法，语法格式如下：

DataFrame.dropna(axis=0, how='any', thresh=None, subset=None, inplace=False)

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参数说明：

  • axis：默认为 0，表示逢空值剔除整行，如果设置参数 axis＝1 表示逢空值去掉整列。
  • how：默认为 ‘any’ 如果一行（或一列）里任何一个数据有出现 NA 就去掉整行，如果设置 how=‘all’ 一行（或列）都是 NA 才去掉这整行。
  • thresh：设置需要多少非空值的数据才可以保留下来的。
  • subset：设置想要检查的列。如果是多个列，可以使用列名的 list 作为参数。
  • inplace：如果设置 True，将计算得到的值直接覆盖之前的值并返回 None，修改的是源数据。

我们可以通过 isnull() 判断各个单元格是否为空。

1-7-1 实例

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

print (df['NUM_BEDROOMS'])
print (df['NUM_BEDROOMS'].isnull())

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image-20240420152942097

以上例子中我们看到 Pandas 把 n/a 和 NA 当作空数据，na 不是空数据，不符合我们要求，我们可以指定空数据类型：

1-7-2 实例

import pandas as pd

missing_values = ["n/a", "na", "--"]
df = pd.read_csv('property-data.csv', na_values = missing_values)

print (df['NUM_BEDROOMS'])
print (df['NUM_BEDROOMS'].isnull())

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image-20240420153024811

接下来的实例演示了删除包含空数据的行。

1-7-3 实例

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

new_df = df.dropna()

print(new_df.to_string())

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以上实例输出结果如下：

image-20240420153116570

**注意：**默认情况下，dropna() 方法返回一个新的 DataFrame，不会修改源数据。

如果你要修改源数据 DataFrame, 可以使用 inplace = True 参数:

1-7-4 实例

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

df.dropna(inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下：

image-20240420153215273

我们也可以移除指定列有空值的行：

1-7-5 实例

移除 ST_NUM 列中字段值为空的行：

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

df.dropna(subset=['ST_NUM'], inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下：

image-20240420153311172

我们也可以 fillna() 方法来替换一些空字段：

1-7-6 实例

使用 12345 替换空字段：

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

df.fillna(12345, inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下：

image-20240420153629179

我们也可以指定某一个列来替换数据：

1-7-7 实例

使用 12345 替换 PID 为空数据：

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

df['PID'].fillna(12345, inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下：

image-20240420153729771

替换空单元格的常用方法是计算列的均值、中位数值或众数。

Pandas使用 mean()、median() 和 mode() 方法计算列的均值（所有值加起来的平均值）、中位数值（排序后排在中间的数）和众数（出现频率最高的数）。

1-7-8 实例

使用 mean() 方法计算列的均值并替换空单元格：

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

x = df["ST_NUM"].mean()

df["ST_NUM"].fillna(x, inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下，红框为计算的均值替换来空单元格：

image-20240420153821087

1-7-9 实例

使用 median() 方法计算列的中位数并替换空单元格：

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

x = df["ST_NUM"].median()

df["ST_NUM"].fillna(x, inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下，红框为计算的中位数替换来空单元格：

image-20240420153929756

1-7-10 实例

使用 mode() 方法计算列的众数并替换空单元格：

import pandas as pd

df = pd.read_csv('property-data.csv')

x = df["ST_NUM"].mode()

df["ST_NUM"].fillna(x, inplace = True)

print(df.to_string())

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以上实例输出结果如下，红框为计算的众数替换来空单元格：

image-20240420154014570

1-7-11 pandas 清洗格式错误数据

数据格式错误的单元格会使数据分析变得困难，甚至不可能。

我们可以通过包含空单元格的行，或者将列中的所有单元格转换为相同格式的数据。

以下实例会格式化日期：

import pandas as pd

# 第三个日期格式错误
data = {
  "Date": ['2020/12/01', '2020/12/02' , '20201226'],
  "duration": [50, 40, 45]
}

df = pd.DataFrame(data, index = ["day1", "day2", "day3"])

df['Date'] = pd.to_datetime(df['Date'], format='mixed')

print(df.to_string())

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'
运行

以上实例输出结果如下：

           Date  duration
day1 2020-12-01        50
day2 2020-12-02        40
day3 2020-12-26        45

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1-7-12 Pandas 清洗错误数据

数据错误也是很常见的情况，我们可以对错误的数据进行替换或移除。

以下实例会替换错误年龄的数据：

import pandas as pd

person = {
  "name": ['Google', 'Runoob' , 'Taobao'],
  "age": [50, 40, 12345]    # 12345 年龄数据是错误的
}

df = pd.DataFrame(person)

df.loc[2, 'age'] = 30 # 修改数据

print(df.to_string())

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'
运行

以上实例输出结果如下：

     name  age
0  Google   50
1  Runoob   40
2  Taobao   30

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也可以设置条件语句：

将 age 大于 120 的设置为 120:

import pandas as pd

person = {
  "name": ['Google', 'Runoob' , 'Taobao'],
  "age": [50, 200, 12345]    
}

df = pd.DataFrame(person)

for x in df.index:
  if df.loc[x, "age"] > 120:
    df.loc[x, "age"] = 120

print(df.to_string())

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'
运行

以上实例输出结果如下：

     name  age
0  Google   50
1  Runoob  120
2  Taobao  120

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也可以将错误数据的行删除：

将 age 大于 120 的删除:

import pandas as pd

person = {
  "name": ['Google', 'Runoob' , 'Taobao'],
  "age": [50, 40, 12345]    # 12345 年龄数据是错误的
}

df = pd.DataFrame(person)

for x in df.index:
  if df.loc[x, "age"] > 120:
    df.drop(x, inplace = True)

print(df.to_string())

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'
运行

以上实例输出结果如下：

     name  age
0  Google   50
1  Runoob   40

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1-7-13 Pandas 清洗重复数据

如果我们要清洗重复数据，可以使用 duplicated() 和 drop_duplicates() 方法。

如果对应的数据是重复的，duplicated() 会返回 True，否则返回 False。

import pandas as pd

person = {
  "name": ['Google', 'Runoob', 'Runoob', 'Taobao'],
  "age": [50, 40, 40, 23]  
}
df = pd.DataFrame(person)

print(df.duplicated())

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'
运行

以上实例输出结果如下：

0    False
1    False
2     True
3    False
dtype: bool

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删除重复数据，可以直接使用drop_duplicates() 方法。

import pandas as pd

persons = {
  "name": ['Google', 'Runoob', 'Runoob', 'Taobao'],
  "age": [50, 40, 40, 23]  
}

df = pd.DataFrame(persons)

df.drop_duplicates(inplace = True)
print(df)

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'
运行

以上实例输出结果如下：

     name  age
0  Google   50
1  Runoob   40
3  Taobao   23

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1-8 Pandas 常用函数

1-8-1 读取数据

image-20240420154404826

import pandas as pd

# 从 CSV 文件中读取数据
df = pd.read_csv('data.csv')

# 从 Excel 文件中读取数据
df = pd.read_excel('data.xlsx')

# 从 SQL 数据库中读取数据
import sqlite3
conn = sqlite3.connect('database.db')
df = pd.read_sql('SELECT * FROM table_name', conn)

# 从 JSON 字符串中读取数据
json_string = '{"name": "John", "age": 30, "city": "New York"}'
df = pd.read_json(json_string)

# 从 HTML 页面中读取数据
url = 'https://www.runoob.com'
dfs = pd.read_html(url)
df = dfs[0] # 选择第一个数据框

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1-8-2 查看数据

image-20240420154453743

# 显示前五行数据
df.head()

# 显示后五行数据
df.tail()

# 显示数据信息
df.info()

# 显示基本统计信息
df.describe()

# 显示数据的行数和列数
df.shape

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import pandas as pd

data = [
    {"name": "Google", "likes": 25, "url": "https://www.google.com"},
    {"name": "Runoob", "likes": 30, "url": "https://www.runoob.com"},
    {"name": "Taobao", "likes": 35, "url": "https://www.taobao.com"}
]

df = pd.DataFrame(data)
# 显示前两行数据
print(df.head(2))
# 显示前最后一行数据
print(df.tail(1))

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'
运行

以上实例输出结果为：

     name  likes                     url
0  Google     25  https://www.google.com
1  Runoob     30  https://www.runoob.com
     name  likes                     url
2  Taobao     35  https://www.taobao.com

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1-8-3 数据清洗

image-20240420154550411

# 删除包含缺失值的行或列
df.dropna()

# 将缺失值替换为指定的值
df.fillna(0)

# 将指定值替换为新值
df.replace('old_value', 'new_value')

# 检查是否有重复的数据
df.duplicated()

# 删除重复的数据
df.drop_duplicates()

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1-8-4 数据选择和切片

image-20240420154625865

# 选择指定的列
df['column_name']

# 通过标签选择数据
df.loc[row_index, column_name]

# 通过位置选择数据
df.iloc[row_index, column_index]

# 通过标签或位置选择数据
df.ix[row_index, column_name]

# 选择指定的列
df.filter(items=['column_name1', 'column_name2'])

# 选择列名匹配正则表达式的列
df.filter(regex='regex')

# 随机选择 n 行数据
df.sample(n=5)

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1-8-5 数据排序

image-20240420154708794

# 按照指定列的值排序
df.sort_values('column_name')

# 按照多个列的值排序
df.sort_values(['column_name1', 'column_name2'], ascending=[True, False])

# 按照索引排序
df.sort_index()

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1-8-6 数据分组和聚合

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# 按照指定列进行分组
df.groupby('column_name')

# 对分组后的数据进行聚合操作
df.aggregate('function_name')

# 生成透视表
df.pivot_table(values='value', index='index_column', columns='column_name', aggfunc='function_name')

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1-8-7 数据合并

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# 将多个数据框按照行或列进行合并
df = pd.concat([df1, df2])

# 按照指定列将两个数据框进行合并
df = pd.merge(df1, df2, on='column_name')

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1-8-8 数据选择和过滤

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1-8-9 数据统计和描述

image-20240420154928146

1-8-10 实例

假设我们有如下的 JSON 数据，数据保存到 data.json 文件：

[
  {
    "name": "Alice",
    "age": 25,
    "gender": "female",
    "score": 80
  },
  {
    "name": "Bob",
    "age": null,
    "gender": "male",
    "score": 90
  },
  {
    "name": "Charlie",
    "age": 30,
    "gender": "male",
    "score": null
  },
  {
    "name": "David",
    "age": 35,
    "gender": "male",
    "score": 70
  }
]

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我们可以使用 Pandas 读取 JSON 数据，并进行数据清洗和处理、数据选择和过滤、数据统计和描述等操作，具体如下：

import pandas as pd

# 读取 JSON 数据
df = pd.read_json('data.json')

# 删除缺失值
df = df.dropna()

# 用指定的值填充缺失值
df = df.fillna({'age': 0, 'score': 0})

# 重命名列名
df = df.rename(columns={'name': '姓名', 'age': '年龄', 'gender': '性别', 'score': '成绩'})

# 按成绩排序
df = df.sort_values(by='成绩', ascending=False)

# 按性别分组并计算平均年龄和成绩
grouped = df.groupby('性别').agg({'年龄': 'mean', '成绩': 'mean'})

# 选择成绩大于等于90的行，并只保留姓名和成绩两列
df = df.loc[df['成绩'] >= 90, ['姓名', '成绩']]

# 计算每列的基本统计信息
stats = df.describe()

# 计算每列的平均值
mean = df.mean()

# 计算每列的中位数
median = df.median()

# 计算每列的众数
mode = df.mode()

# 计算每列非缺失值的数量
count = df.count()

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输出结果如下：

# df
   姓名  年龄 性别  成绩
1  Bob   0  male  90

# grouped
             年龄  成绩
性别                
female  25.000000  80
male    27.500000  80

# stats
         成绩
count   1.0
mean   90.0
std     NaN
min    90.0
25%    90.0
50%    90.0
75%    90.0
max    90.0

# mean
成绩    90.0
dtype: float64

# median
成绩    90.0
dtype: float64

# mode
    姓名    成绩
0  Bob  90.0

# count
姓名    1
成绩    1
dtype: int64

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1-9 Pandas 相关性分析

  • 在 Pandas 中，数据相关性分析是通过计算不同变量之间的相关系数来了解它们之间的关系。
  • 在 Pandas 中，数据相关性是一项重要的分析任务，它帮助我们理解数据中各个变量之间的关系。
  • Pandas 使用 corr() 方法计算数据集中每列之间的关系。
df.corr(method='pearson', min_periods=1)

  • 1
  • method (可选): 字符串类型，用于指定计算相关系数的方法。默认是 ‘pearson’，还可以选择 ‘kendall’（Kendall Tau 相关系数）或 ‘spearman’（Spearman 秩相关系数）。
  • min_periods (可选): 表示计算相关系数时所需的最小观测值数量。默认值是 1，即只要有至少一个非空值，就会进行计算。如果指定了 min_periods，并且在某些列中的非空值数量小于该值，则相应列的相关系数将被设为 NaN。

df.corr() 方法返回一个相关系数矩阵，矩阵的行和列对应数据框的列名，矩阵的元素是对应列之间的相关系数。

常见的相关性系数包括 Pearson 相关系数和 Spearman 秩相关系数：

  • Pearson 相关系数: 即皮尔逊相关系数，用于衡量了两个变量之间的线性关系强度和方向。它的取值范围在 -1 到 1 之间，其中 -1 表示完全负相关，1 表示完全正相关，0 表示无线性相关。可以使用 corr() 方法计算数据框中各列之间的 Pearson 相关系数。
  • **Spearman 相关系数：**即斯皮尔曼相关系数，是一种秩相关系数。用于衡量两个变量之间的单调关系，即不一定是线性关系。它通过比较变量的秩次来计算相关性。可以使用 corr(method=‘spearman’) 方法计算数据框中各列之间的 Spearman 相关系数。

Pearson 相关系数

import pandas as pd

# 创建一个示例数据框
data = {'A': [1, 2, 3, 4, 5], 'B': [5, 4, 3, 2, 1]}
df = pd.DataFrame(data)

# 计算 Pearson 相关系数
correlation_matrix = df.corr()
print(correlation_matrix)

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'
运行

输出结果：

     A    B
A  1.0 -1.0
B -1.0  1.0

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说明：由于数据集是线性相关的，因此 Pearson 相关系数矩阵对角线上的值为 1，而非对角线上的值为 -1 表示完全负相关。

Spearman 秩相关系数

import pandas as pd

# 创建一个示例数据框
data = {'A': [1, 2, 3, 4, 5], 'B': [5, 4, 3, 2, 1]}
df = pd.DataFrame(data)

# 计算 Spearman 相关系数
spearman_correlation_matrix = df.corr(method='spearman')
print(spearman_correlation_matrix)

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输出结果：

     A    B
A  1.0 -1.0
B -1.0  1.0

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**说明：**Spearman 相关系数矩阵的结果与 Pearson 相关系数矩阵相同，因为这两个变量之间是完全的单调负相关。

可视化相关性

这里我们要使用 Python 的 Seaborn 库， Seaborn 是一个基于 Matplotlib 的数据可视化库，专注于统计图形的绘制，旨在简化数据可视化的过程。

Seaborn 提供了一些简单的高级接口，可以轻松地绘制各种统计图形，包括散点图、折线图、柱状图、热图等，而且具有良好的美学效果。

安装 Seaborn：

pip install seaborn

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import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd

# 创建一个示例数据框
data = {'A': [1, 2, 3, 4, 5], 'B': [5, 4, 3, 2, 1]}
df = pd.DataFrame(data)

# 计算 Pearson 相关系数
correlation_matrix = df.corr()
# 使用热图可视化 Pearson 相关系数
sns.heatmap(correlation_matrix, annot=True, cmap='coolwarm', fmt=".2f")
plt.show()

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**说明：**这段代码将生成一个热图，用颜色表示相关系数的强度，其中正相关用温暖色调表示，负相关用冷色调表示。annot=True 参数在热图上显示具体的数值。

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