pandas学习（二）

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算术运算和数据对齐

pandas最重要的一个功能是，它可以对不同索引的对象进行算术运算。在将对象相加时，如果存在不同的索引对，则结果的索引就是该索引对的并集。对于有数据库经验的用户，这就像在索引标签上进行自动外连接。看一个简单的例子：

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In [150]: s1 = pd.Series([7.3, -2.5, 3.4, 1.5], index=['a', 'c', 'd', 'e'])

In [151]: s2 = pd.Series([-2.1, 3.6, -1.5, 4, 3.1],
   .....:                index=['a', 'c', 'e', 'f', 'g'])

In [152]: s1
Out[152]: 
a    7.3
c   -2.5
d    3.4
e    1.5
dtype: float64

In [153]: s2
Out[153]: 
a   -2.1
c    3.6
e   -1.5
f    4.0
g    3.1
dtype: float64

将它们相加就会产生：

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In [154]: s1 + s2
Out[154]: 
a    5.2
c    1.1
d    NaN
e    0.0
f    NaN
g    NaN
dtype: float64

自动的数据对齐操作在不重叠的索引处引入了NA值。缺失值会在算术运算过程中传播。

对于DataFrame，对齐操作会同时发生在行和列上：

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In [155]: df1 = pd.DataFrame(np.arange(9.).reshape((3, 3)), columns=list('bcd'),
   .....:                    index=['Ohio', 'Texas', 'Colorado'])

In [156]: df2 = pd.DataFrame(np.arange(12.).reshape((4, 3)), columns=list('bde'),
   .....:                    index=['Utah', 'Ohio', 'Texas', 'Oregon'])

In [157]: df1
Out[157]: 
            b    c    d
Ohio      0.0  1.0  2.0
Texas     3.0  4.0  5.0
Colorado  6.0  7.0  8.0

In [158]: df2
Out[158]: 
          b     d     e
Utah    0.0   1.0   2.0
Ohio    3.0   4.0   5.0
Texas   6.0   7.0   8.0
Oregon  9.0  10.0  11.0

把它们相加后将会返回一个新的DataFrame，其索引和列为原来那两个DataFrame的并集：

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In [159]: df1 + df2
Out[159]: 
            b   c     d   e
Colorado  NaN NaN   NaN NaN
Ohio      3.0 NaN   6.0 NaN
Oregon    NaN NaN   NaN NaN
Texas     9.0 NaN  12.0 NaN
Utah      NaN NaN   NaN NaN

因为’c’和’e’列均不在两个DataFrame对象中，在结果中以缺省值呈现。行也是同样。

在算术方法中填充值

在对不同索引的对象进行算术运算时，你可能希望当一个对象中某个轴标签在另一个对象中找不到时填充一个特殊值（比如0）：

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In [165]: df1 = pd.DataFrame(np.arange(12.).reshape((3, 4)),
   .....:                    columns=list('abcd'))

In [166]: df2 = pd.DataFrame(np.arange(20.).reshape((4, 5)),
   .....:                    columns=list('abcde'))

In [167]: df2.loc[1, 'b'] = np.nan

In [168]: df1
Out[168]: 
     a    b     c     d
0  0.0  1.0   2.0   3.0
1  4.0  5.0   6.0   7.0
2  8.0  9.0  10.0  11.0

In [169]: df2
Out[169]: 
      a     b     c     d     e
0   0.0   1.0   2.0   3.0   4.0
1   5.0   NaN   7.0   8.0   9.0
2  10.0  11.0  12.0  13.0  14.0
3  15.0  16.0  17.0  18.0  19.0

将它们相加时，没有重叠的位置就会产生NA值：

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In [170]: df1 + df2
Out[170]: 
      a     b     c     d   e
0   0.0   2.0   4.0   6.0 NaN
1   9.0   NaN  13.0  15.0 NaN
2  18.0  20.0  22.0  24.0 NaN
3   NaN   NaN   NaN   NaN NaN

使用df1的add方法，传入df2以及一个fill_value参数：

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In [171]: df1.add(df2, fill_value=0)
Out[171]: 
      a     b     c     d     e
0   0.0   2.0   4.0   6.0   4.0
1   9.0   5.0  13.0  15.0   9.0
2  18.0  20.0  22.0  24.0  14.0
3  15.0  16.0  17.0  18.0  19.0

与此类似，在对Series或DataFrame重新索引时，也可以指定一个填充值：

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In [174]: df1.reindex(columns=df2.columns, fill_value=0)
Out[174]: 
     a    b     c     d  e
0  0.0  1.0   2.0   3.0  0
1  4.0  5.0   6.0   7.0  0
2  8.0  9.0  10.0  11.0  0

DataFrame和Series之间的运算

跟不同维度的NumPy数组一样，DataFrame和Series之间算术运算也是有明确规定的。先来看一个具有启发性的例子，计算一个二维数组与其某行之间的差：

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In [175]: arr = np.arange(12.).reshape((3, 4))

In [176]: arr
Out[176]: 
array([[  0.,   1.,   2.,   3.],
       [  4.,   5.,   6.,   7.],
       [  8.,   9.,  10.,  11.]])

In [177]: arr[0]
Out[177]: array([ 0.,  1.,  2.,  3.])

In [178]: arr - arr[0]
Out[178]: 
array([[ 0.,  0.,  0.,  0.],
       [ 4.,  4.,  4.,  4.],
       [ 8.,  8.,  8.,  8.]])

当我们从arr减去arr[0]，每一行都会执行这个操作。这就叫做广播（broadcasting），附录A将对此进行详细讲解。DataFrame和Series之间的运算差不多也是如此：

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In [179]: frame = pd.DataFrame(np.arange(12.).reshape((4, 3)),
   .....:                      columns=list('bde'),
   .....:                      index=['Utah', 'Ohio', 'Texas', 'Oregon'])

In [180]: series = frame.iloc[0]

In [181]: frame
Out[181]: 
          b     d     e
Utah    0.0   1.0   2.0
Ohio    3.0   4.0   5.0
Texas   6.0   7.0   8.0
Oregon  9.0  10.0  11.0

In [182]: series
Out[182]: 
b    0.0
d    1.0
e    2.0
Name: Utah, dtype: float64

默认情况下，DataFrame和Series之间的算术运算会将Series的索引匹配到DataFrame的列，然后沿着行一直向下广播：

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In [183]: frame - series
Out[183]: 
          b    d    e
Utah    0.0  0.0  0.0
Ohio    3.0  3.0  3.0
Texas   6.0  6.0  6.0
Oregon  9.0  9.0  9.0

如果某个索引值在DataFrame的列或Series的索引中找不到，则参与运算的两个对象就会被重新索引以形成并集：

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In [184]: series2 = pd.Series(range(3), index=['b', 'e', 'f'])

In [185]: frame + series2
Out[185]: 
          b   d     e   f
Utah    0.0 NaN   3.0 NaN
Ohio    3.0 NaN   6.0 NaN
Texas   6.0 NaN   9.0 NaN
Oregon  9.0 NaN  12.0 NaN

如果你希望匹配行且在列上广播，则必须使用算术运算方法。例如：

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In [186]: series3 = frame['d']

In [187]: frame
Out[187]: 
          b     d     e
Utah    0.0   1.0   2.0
Ohio    3.0   4.0   5.0
Texas   6.0   7.0   8.0
Oregon  9.0  10.0  11.0

In [188]: series3
Out[188]: 
Utah       1.0
Ohio       4.0
Texas      7.0
Oregon    10.0
Name: d, dtype: float64

In [189]: frame.sub(series3, axis='index')
Out[189]: 
          b    d    e
Utah   -1.0  0.0  1.0
Ohio   -1.0  0.0  1.0
Texas  -1.0  0.0  1.0
Oregon -1.0  0.0  1.0

传入的轴号就是希望匹配的轴。在本例中，我们的目的是匹配DataFrame的行索引（axis=’index’ or axis=0）并进行广播。

函数应用和映射

NumPy的ufuncs（元素级数组方法）也可用于操作pandas对象：

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In [190]: frame = pd.DataFrame(np.random.randn(4, 3), columns=list('bde'),
   .....:                      index=['Utah', 'Ohio', 'Texas', 'Oregon'])

In [191]: frame
Out[191]: 
               b         d         e
Utah   -0.204708  0.478943 -0.519439
Ohio   -0.555730  1.965781  1.393406
Texas   0.092908  0.281746  0.769023
Oregon  1.246435  1.007189 -1.296221

In [192]: np.abs(frame)
Out[192]: 
               b         d         e
Utah    0.204708  0.478943  0.519439
Ohio    0.555730  1.965781  1.393406
Texas   0.092908  0.281746  0.769023
Oregon  1.246435  1.007189  1.296221

另一个常见的操作是，将函数应用到由各列或行所形成的一维数组上。DataFrame的apply方法即可实现此功能：

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In [193]: f = lambda x: x.max() - x.min()

In [194]: frame.apply(f)
Out[194]: 
b    1.802165
d    1.684034
e    2.689627
dtype: float64

这里的函数f，计算了一个Series的最大值和最小值的差，在frame的每列都执行了一次。结果是一个Series，使用frame的列作为索引。

如果传递axis=’columns’到apply，这个函数会在每行执行：

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In [195]: frame.apply(f, axis='columns')
Out[195]:
Utah      0.998382
Ohio      2.521511
Texas     0.676115
Oregon    2.542656
dtype: float64

许多最为常见的数组统计功能都被实现成DataFrame的方法（如sum和mean），因此无需使用apply方法。

传递到apply的函数不是必须返回一个标量，还可以返回由多个值组成的Series：

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In [196]: def f(x):
   .....:     return pd.Series([x.min(), x.max()], index=['min', 'max'])

In [197]: frame.apply(f)
Out[197]: 
            b         d         e
min -0.555730  0.281746 -1.296221
max  1.246435  1.965781  1.393406

汇总和计算描述统计

pandas对象拥有一组常用的数学和统计方法。它们大部分都属于约简和汇总统计，用于从Series中提取单个值（如sum或mean）或从DataFrame的行或列中提取一个Series。跟对应的NumPy数组方法相比，它们都是基于没有缺失数据的假设而构建的。看一个简单的DataFrame：

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In [230]: df = pd.DataFrame([[1.4, np.nan], [7.1, -4.5],
   .....:                    [np.nan, np.nan], [0.75, -1.3]],
   .....:                   index=['a', 'b', 'c', 'd'],
   .....:                   columns=['one', 'two'])

In [231]: df
Out[231]: 
    one  two
a  1.40  NaN
b  7.10 -4.5
c   NaN  NaN
d  0.75 -1.3

调用DataFrame的sum方法将会返回一个含有列的和的Series：

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In [232]: df.sum()
Out[232]: 
one    9.25
two   -5.80
dtype: float64

传入axis=’columns’或axis=1将会按行进行求和运算：

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In [233]: df.sum(axis=1)
Out[233]:
a    1.40
b    2.60
c     NaN
d   -0.55

NA值会自动被排除，除非整个切片（这里指的是行或列）都是NA。通过skipna选项可以禁用该功能：

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In [234]: df.mean(axis='columns', skipna=False)
Out[234]: 
a      NaN
b    1.300
c      NaN
d   -0.275
dtype: float64