三、处理表格数据

原文：DS-100/textbook/notebooks/ch03

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

自豪地采用谷歌翻译

索引、切片和排序

起步

在本章的每一节中，我们将使用第一章中的婴儿名称数据集。我们将提出一个问题，将问题分解为大体步骤，然后使用pandas DataFrame将每个步骤转换为 Python 代码。 我们从导入pandas开始：

# pd is a common shorthand for pandas
import pandas as pd

现在我们可以使用pd.read_csv读取数据。

baby = pd.read_csv('babynames.csv')
baby

Name	Sex	Count	Year
0	Mary	F	9217
1	Anna	F	3860
2	Emma	F	2587
…	…	…	…
1891891	Verna	M	5
1891892	Winnie	M	5
1891893	Winthrop	M	5

1891894 行 × 4 列

请注意，为了使上述代码正常工作，babynames.csv文件必须位于这个笔记本的相同目录中。 通过在笔记本单元格中运行ls，我们可以检查当前文件夹中的文件：

ls
# babynames.csv                  indexes_slicing_sorting.ipynb

当我们使用熊猫来读取数据时，我们得到一个DataFrame。 DataFrame是一个表格数据结构，其中每列都有标签（这里是'Name', 'Sex', 'Count', 'Year'），并且每一行都有标签（这里是0,1,2, ..., 1891893）。 然而，Data8 中引入的表格仅包含列标签。

DataFrame的标签称为DataFrame的索引，并使许多数据操作更容易。

索引、切片和排序

让我们使用pandas来回答以下问题：

2016 年的五个最受欢迎的婴儿名字是？

拆分问题

我们可以将这个问题分解成以下更简单的表格操作：

• 分割出 2016 年的行。
• 按照计数对行降序排序。

现在，我们可以在pandas中表达这些步骤。

使用.loc切片

为了选择DataFrame的子集，我们使用.loc切片语法。 第一个参数是行标签，第二个参数是列标签：

baby

Name	Sex	Count	Year
0	Mary	F	9217
1	Anna	F	3860
2	Emma	F	2587
…	…	…	…
1891891	Verna	M	5
1891892	Winnie	M	5
1891893	Winthrop	M	5

1891894 行 × 4 列

baby.loc[1, 'Name'] # Row labeled 1, Column labeled 'Name'
# 'Anna'

要分割出多行或多列，我们可以使用:。 请注意.loc切片是包容性的，与 Python 的切片不同。

# Get rows 1 through 5, columns Name through Count inclusive
baby.loc[1:5, 'Name':'Count']

Name	Sex	Count
1	Anna	F
2	Emma	F
3	Elizabeth	F
4	Minnie	F
5	Margaret	F

我们通常需要DataFrame中的单个列：

baby.loc[:, 'Year']
'''
0          1884
1          1884
2          1884
           ... 
1891891    1883
1891892    1883
1891893    1883
Name: Year, Length: 1891894, dtype: int64
'''

请注意，当我们选择一列时，我们会得到一个pandas序列。 序列就像一维 NumPy 数组，因为我们可以一次在所有元素上执行算术运算。

baby.loc[:, 'Year'] * 2
'''
0          3768
1          3768
2          3768
           ... 
1891891    3766
1891892    3766
1891893    3766
Name: Year, Length: 1891894, dtype: int64
'''

为了选择特定的列，我们可以将列表传递给.loc切片：

# This is a DataFrame again
baby.loc[:, ['Name', 'Year']]

Name	Year
0	Mary
1	Anna
2	Emma
…	…
1891891	Verna
1891892	Winnie
1891893	Winthrop

1891894 行 × 2 列

选择列很常见，所以存在简写。

# Shorthand for baby.loc[:, 'Name']
baby['Name']
'''
0              Mary
1              Anna
2              Emma
             ...   
1891891       Verna
1891892      Winnie
1891893    Winthrop
Name: Name, Length: 1891894, dtype: object
'''

# Shorthand for baby.loc[:, ['Name', 'Count']]
baby[['Name', 'Count']]

Name	Count
0	Mary
1	Anna
2	Emma
…	…
1891891	Verna
1891892	Winnie
1891893	Winthrop

1891894 行 × 2 列

使用谓词对行切片

为了分割出 2016 年的行，我们将首先创建一个序列，其中每个想要保留的行为True，每个想要删除的行为False。 这很简单，因为序列上的数学和布尔运算符，应用于序列中的每个元素。

# Series of years
baby['Year']
'''
0          1884
1          1884
2          1884
           ... 
1891891    1883
1891892    1883
1891893    1883
Name: Year, Length: 1891894, dtype: int64
'''

# Compare each year with 2016
baby['Year'] == 2016
'''
0          False
1          False
2          False
           ...  
1891891    False
1891892    False
1891893    False
Name: Year, Length: 1891894, dtype: bool
'''

一旦我们有了这个True和False的序列，我们就可以将它传递给.loc。

# We are slicing rows, so the boolean Series goes in the first
# argument to .loc
baby_2016 = baby.loc[baby['Year'] == 2016, :]
baby_2016

Name	Sex	Count	Year
1850880	Emma	F	19414
1850881	Olivia	F	19246
1850882	Ava	F	16237
…	…	…	…
1883745	Zyahir	M	5
1883746	Zyel	M	5
1883747	Zylyn	M	5

32868 行 × 4 列

对行排序

下一步是按'Count'对行降序排序。 我们可以使用sort_values()函数。

sorted_2016 = baby_2016.sort_values('Count', ascending=False)
sorted_2016

Name	Sex	Count	Year
1850880	Emma	F	19414
1850881	Olivia	F	19246
1869637	Noah	M	19015
…	…	…	…
1868752	Mikaelyn	F	5
1868751	Miette	F	5
1883747	Zylyn	M	5

32868 行 × 4 列

最后，我们将使用.iloc分割出DataFrame的前五行。 .iloc的工作方式类似.loc，但接受数字索引而不是标签。 它的切片中没有包含右边界，就像 Python 的列表切片。

# Get the value in the zeroth row, zeroth column
sorted_2016.iloc[0, 0]
# Get the first five rows
sorted_2016.iloc[0:5]

Name	Sex	Count	Year
1850880	Emma	F	19414
1850881	Olivia	F	19246
1869637	Noah	M	19015
1869638	Liam	M	18138
1850882	Ava	F	16237

总结

我们现在拥有了 2016 年的五个最受欢迎的婴儿名称，并且学会了在pandas中表达以下操作：

操作	pandas
读取 CSV 文件	pd.read_csv()
使用标签或索引来切片	.loc和.iloc
使用谓词对行切片	在.loc中使用布尔值的序列
对行排序	.sort_values()

分组和透视

在本节中，我们将回答这个问题：

每年最受欢迎的男性和女性名称是什么？

这里再次展示了婴儿名称数据集：

baby = pd.read_csv('babynames.csv')
baby.head()
# the .head() method outputs the first five rows of the DataFrame

Name	Sex	Count	Year
0	Mary	F	9217
1	Anna	F	3860
2	Emma	F	2587
3	Elizabeth	F	2549
4	Minnie	F	2243

拆分问题

我们应该首先注意到，上一节中的问题与这个问题有相似之处；上一节中的问题将名称限制为 2016 年出生的婴儿，而这个问题要求所有年份的名称。

我们再次将这个问题分解成更简单的表格操作。

• 将baby表按'Year'和'Sex'分组。
• 对于每一组，计算最流行的名称。

认识到每个问题需要哪种操作，有时很棘手。通常，一系列复杂的步骤会告诉你，可能有更简单的方式来表达你想要的东西。例如，如果我们没有立即意识到需要分组，我们可能会编写如下步骤：

• 遍历每个特定的年份。
• 对于每一年，遍历每个特定的性别。
• 对于每一个特定年份和性别，找到最常见的名字。

几乎总是有一种更好的替代方法，用于遍历pandas DataFrame。特别是，遍历DataFrame的特定值，通常应该替换为分组。

分组

为了在pandas中进行分组。 我们使用.groupby()方法。

baby.groupby('Year')
# <pandas.core.groupby.DataFrameGroupBy object at 0x1a14e21f60>

.groupby()返回一个奇怪的DataFrameGroupBy对象。 我们可以使用聚合函数，在该对象上调用.agg()来获得熟悉的输出：

# The aggregation function takes in a series of values for each group
# and outputs a single value
def length(series):
    return len(series)

# Count up number of values for each year. This is equivalent to
# counting the number of rows where each year appears.
baby.groupby('Year').agg(length)

Name	Sex	Count
Year
1880	2000	2000
1881	1935	1935
1882	2127	2127
…	…	…
2014	33206	33206
2015	33063	33063
2016	32868	32868

137 行 × 3 列

你可能会注意到length函数只是简单调用了len函数，所以我们可以简化上面的代码。

baby.groupby('Year').agg(len)

Name	Sex	Count
Year
1880	2000	2000
1881	1935	1935
1882	2127	2127
…	…	…
2014	33206	33206
2015	33063	33063
2016	32868	32868

137 行 × 3 列

聚合应用于DataFrame的每一列，从而产生冗余信息。 我们可以在分组之前使用切片限制输出列。

year_rows = baby[['Year', 'Count']].groupby('Year').agg(len)
year_rows

# A further shorthand to accomplish the same result:
#
# year_counts = baby[['Year', 'Count']].groupby('Year').count()
#
# pandas has shorthands for common aggregation functions, including
# count, sum, and mean.

Count
Year
1880
1881
1882
…
2014
2015
2016

137 行 × 1 列

请注意，生成的DataFrame的索引现在包含特定年份，因此我们可以像以前一样，使用.loc分割出年份的子集：

# Every twentieth year starting at 1880
year_rows.loc[1880:2016:20, :]

Count
Year
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000

多个列的分组

我们在 Data8 中看到，我们可以按照多个列分组，基于唯一值来获取分组。 为此，请将列标签列表传递到.groupby()。

grouped_counts = baby.groupby(['Year', 'Sex']).sum()
grouped_counts

	Count
Year	Sex
1880	F
M	110491
1881	F
…	…
2015	M
2016	F
M	1880674

274 行 × 1 列

上面的代码计算每年每个性别出生的婴儿总数。 现在让我们使用多列分组，来计算每年和每个性别的最流行的名称。 由于数据已按照年和性别的递减顺序排序，因此我们可以定义一个聚合函数，该函数返回每个序列中的第一个值。 （如果数据没有排序，我们可以先调用sort_values()。）

# The most popular name is simply the first one that appears in the series
def most_popular(series):
    return series.iloc[0]

baby_pop = baby.groupby(['Year', 'Sex']).agg(most_popular)
baby_pop

	Name	Count
Year	Sex
1880	F	Mary
M	John	9655
1881	F	Mary
…	…	…
2015	M	Noah
2016	F	Emma
M	Noah	19015

274 行 × 2 列

注意，多列分组会导致每行有多个标签。 这被称为“多级索引”，并且很难处理。 需要知道的重要事情是，.loc接受行索引的元组，而不是单个值：

baby_pop.loc[(2000, 'F'), 'Name']
# 'Emily'

但.iloc的行为与往常一样，因为它使用索引而不是标签：

baby_pop.iloc[10:15, :]

	Name	Count
Year	Sex
1885	F	Mary
M	John	8756
1886	F	Mary
M	John	9026
1887	F	Mary

透视

如果按两列分组，则通常可以使用数据透视表，以更方便的格式显示数据。 数据透视表可以使用一组分组标签，作为结果表的列。

为了透视，使用pd.pivot_table()函数。

pd.pivot_table(baby,
               index='Year',         # Index for rows
               columns='Sex',        # Columns
               values='Name',        # Values in table
               aggfunc=most_popular) # Aggregation function

Sex	F	M
Year
1880	Mary	John
1881	Mary	John
1882	Mary	John
…	…	…
2014	Emma	Noah
2015	Emma	Noah
2016	Emma	Noah

137 行 × 2 列

将此结果与我们使用.groupby()计算的baby_pop表进行比较。 我们可以看到baby_pop中的Sex索引成为了数据透视表的列。

baby_pop

	Name	Count
Year	Sex
1880	F	Mary
M	John	9655
1881	F	Mary
…	…	…
2015	M	Noah
2016	F	Emma
M	Noah	19015

274 行 × 2 列

总结

我们现在有了数据集中每个性别和年份的最受欢迎的婴儿名称，并学会了在pandas中表达以下操作：

操作	pandas
分组	df.groupby(label)
多列分组	df.groupby([label1, label2])
分组和聚合	df.groupby(label).agg(func)
透视	pd.pivot_table()

应用、字符串和绘图

在本节中，我们将回答这个问题：

我们可以用名字的最后一个字母来预测婴儿的性别吗？

这里再次展示了婴儿名称数据集：

baby = pd.read_csv('babynames.csv')
baby.head()
# the .head() method outputs the first five rows of the DataFrame

Name	Sex	Count	Year
0	Mary	F	9217
1	Anna	F	3860
2	Emma	F	2587
3	Elizabeth	F	2549
4	Minnie	F	2243

拆解问题

虽然有很多方法可以预测是否可能，但我们将在本节中使用绘图。 我们可以将这个问题分解为两个步骤：

• 计算每个名称的最后一个字母。
• 按照最后一个字母和性别分组，使用计数来聚合。
• 绘制每个性别和字母的计数。

应用

pandas序列包含.apply()方法，它接受一个函数并将其应用于序列中的每个值。

names = baby['Name']
names.apply(len)
'''
0          4
1          4
2          4
          ..
1891891    5
1891892    6
1891893    8
Name: Name, Length: 1891894, dtype: int64
'''

为了提取每个名字的最后一个字母，我们可以定义我们自己的函数来传入.apply()：

def last_letter(string):
    return string[-1]

names.apply(last_letter)
'''
0          y
1          a
2          a
          ..
1891891    a
1891892    e
1891893    p
Name: Name, Length: 1891894, dtype: object
'''

字符串操作

虽然.apply()是灵活的，但在处理文本数据时，在使用pandas内置的字符串操作函数通常会更快。

pandas通过序列的.str属性，提供字符串操作函数。

names = baby['Name']
names.str.len()
'''
0          4
1          4
2          4
          ..
1891891    5
1891892    6
1891893    8
Name: Name, Length: 1891894, dtype: int64
'''

我们可以用类似的方式，直接分离出每个名字的最后一个字母。

names.str[-1]
'''
0          y
1          a
2          a
          ..
1891891    a
1891892    e
1891893    p
Name: Name, Length: 1891894, dtype: object
'''

我们建议查看文档来获取字符串方法的完整列表。

我们现在可以将最后一个字母的这一列添加到我们的婴儿数据帧中。

baby['Last'] = names.str[-1]
baby

Name	Sex	Count	Year	Last
0	Mary	F	9217	1884
1	Anna	F	3860	1884
2	Emma	F	2587	1884
…	…	…	…	…
1891891	Verna	M	5	1883
1891892	Winnie	M	5	1883
1891893	Winthrop	M	5	1883

1891894 行 × 5 列

分组

为了计算每个最后一个字母的性别分布，我们需要按Last和Sex分组。

# Shorthand for baby.groupby(['Last', 'Sex']).agg(np.sum)
baby.groupby(['Last', 'Sex']).sum()

	Count	Year
Last	Sex
a	F	58079486
M	1931630	53566324
b	F	17376
…	…	…
y	M	18569388
z	F	142023
M	120123	9649274

52 行 × 2 列

请注意，因为每个没有用于分组的列都传递到聚合函数中，所以也求和了年份。 为避免这种情况，我们可以在调用.groupby()之前选择所需的列。

# When lines get long, you can wrap the entire expression in parentheses
# and insert newlines before each method call
letter_dist = (
    baby[['Last', 'Sex', 'Count']]
    .groupby(['Last', 'Sex'])
    .sum()
)
letter_dist

	Count
Last	Sex
a	F
M	1931630
b	F
…	…
y	M
z	F
M	120123

52 行 × 1 列

绘图

pandas为大多数基本绘图提供了内置的绘图函数，包括条形图，直方图，折线图和散点图。 为了从DataFrame中绘制图形，请使用.plot属性：

# We use the figsize option to make the plot larger
letter_dist.plot.barh(figsize=(10, 10))
# <matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot at 0x1a17af4780>

虽然这个绘图显示了字母和性别的分布，但是男性和女性的条形很难分开。 通过在pandas文档中查看绘图，我们了解到pandas将DataFrame的一行中的列绘制为一组条形，并将每列显示为不同颜色的条形。 这意味着letter_dist表的透视版本将具有正确的格式。

letter_pivot = pd.pivot_table(
    baby, index='Last', columns='Sex', values='Count', aggfunc='sum'
)
letter_pivot

Sex	F	M
Last
a	58079486	1931630
b	17376	1435939
c	30262	1672407
…	…	…
x	37381	644092
y	24877638	18569388
z	142023	120123

26 行 × 2 列

letter_pivot.plot.barh(figsize=(10, 10))
# <matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot at 0x1a17c36978>

请注意，pandas为我们生成了图例，这很方便 但是，这仍然难以解释。 我们为每个字母和性别绘制了计数，这些计数会导致一些条形看起来很长，而另一些几乎看不见。 相反，我们应该绘制每个最后一个字母的男性和女性的比例。

total_for_each_letter = letter_pivot['F'] + letter_pivot['M']

letter_pivot['F prop'] = letter_pivot['F'] / total_for_each_letter
letter_pivot['M prop'] = letter_pivot['M'] / total_for_each_letter
letter_pivot

Sex	F	M	F prop	M prop
Last
a	58079486	1931630	0.967812	0.032188
b	17376	1435939	0.011956	0.988044
c	30262	1672407	0.017773	0.982227
…	…	…	…	…
x	37381	644092	0.054853	0.945147
y	24877638	18569388	0.572597	0.427403
z	142023	120123	0.541771	0.458229

26 行 × 4 列

(letter_pivot[['F prop', 'M prop']]
 .sort_values('M prop') # Sorting orders the plotted bars
 .plot.barh(figsize=(10, 10))
)
# <matplotlib.axes._subplots.AxesSubplot at 0x1a18194b70>

总结

我们可以看到几乎所有以'p'结尾的名字都是男性，以'a'结尾的名字都是女性！ 一般来说，许多字母的条形长度之间的差异意味着，如果我们只知道他们的名字的最后一个字母，我们往往可以准确猜测一个人的性别。

我们已经学会在pandas中表达以下操作：

操作	pandas
逐元素应用函数	series.apply(func)
字符串操作	series.str.func()
绘图	df.plot.func()