Python模块 - Numpy与Pandas

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Numpy简介

Numpy是高性能科学计算和数据分析的基础包。它是pandas等其他各种工具的基础。

Numpy的主要功能：

• ndarray，一个多维数组结构，高效且节省空间
• 无需循环对数组数据进行快速运算的数学函数
• 线性代数、随机数生成和博立叶变换功能

创建ndarray：np.array(array_list)

数组与列表的区别：

- 数组对象内的元素类型必须相同
- 数组大小不可修改

常用属性

• T 数组的转置
• size 数组元素的个数
• ndim 数组的维数
• shape 数组的维度大小（元祖形式）
• dtype 数组元素的数据类型

创建array

np.zeros(10)	# 10个 0.的数组
np.ones(10)		# 10个的1.的数组

a = np.empty(100)		# 内存中存的值

np.arange(100)	# 快速创建100的数组
np.arange(15).reshape(3, 5)	# 创建二维数组
np.arange(2, 10, 0.3)
np.linspace(0, 50, 100)		# 0 ~ 50 平分成100份

np.eye(10)	# 线性代数

ndarray 批量运算

数组和标量之间的运算

a+1   1*3  1//a			a**0.5   a>5

同样大小数组之间的运算

a+b a/b a**b a%b a==b

索引

• 一位数组索引 a[5]

• 多维数组索引

  • 列表式写法 a[2][1]
  • 新式写法 a[2, 1]

切片

• 一位数组：a[5:8] a[4:] a[2:10]
• 多维数组：a[1:2, 3:4] a[:, 3:5] a[:,1]
• np数组的切片与列表切片的不同：数组切片时并不会自动复制（而是创建一个视图），在切片数组上的修改会影响原数组
  • copy()方法可以创建数组的深拷贝

ndarray布尔型索引

问题：给一个数组，选出数组中所有大于5的数

答案：a[a>5]

原理

• 数组与标量的运算：a>5会对a中的每一个元素进行判断，返回一个布尔数组
• 布尔型索引：将同样大小的布尔数组传进索引，会返回一个由所有True对应位置的元素的数组

例子：

# 1,给一个数组，选出数组中所有大于5的数
a = np.array([random.randint(1, 10) for _ in range(20)])
a[a>5]	# array([8, 6, 6, 7, 7, 6, 6])

# 2,给一个数组，选出数组中所有大于5的偶数
a = np.array([random.randint(1, 10) for _ in range(20)])
a[(a>5) & (a%2==0)]

# 3,给一个数组，选出数组中所有大于5的数和偶数
a = np.array([random.randint(1, 10) for _ in range(20)])
a[(a>5) | (a%2==0)]

ndarray花式索引

根据索引位置给出值

a = np.arange(20)
a[[1,4,5,6]]	# array([1, 4, 5, 6])

a = np.arange(20).reshape(4,5)	# array([[ 0,  1,  2,  3,  4],
                                        # [ 5,  6,  7,  8,  9],
                                        # [10, 11, 12, 13, 14],
                                        # [15, 16, 17, 18, 19]])

a[0, 2:5]	# array([7, 8, 9])
a[0, a[0]>2]
a[[1, 3], [1, 3]]	# 注意2个花式索引的取法，解析有点不一样，获取到的值是：array([ 6, 18])

# 如果就是想取6 8 16 18 可以使用下满的方法
a[[1, 3],:][:,[1,3]]	# : 表示全切

Numpy 通用函数

通用函数：能同时对数组中所有元素进行运算的函数

补充知识：

int # 向零取整
round # 向零外取整,round到两边距离相等时取偶数值
math.floor # 向小取整（向左取整）（地板）
math.ceil	# 向大取整（向右取整）（天花）

常见通用函数：

一元函数: 对一维数组处理

np.abs(a) 	# 绝对值
np.sqrt(a)	# 开方
np.exp(a)
np.log(a) 
np.ceil(a) 	# 向大取整（向右取整）（天花）
np.floor(a) # 向小取整（向左取整）（地板）
np.rint(a) 	# 等价于 round
np.round(a)	# 向零外取整,round到两边距离相等时取偶数值 
np.trunc(a) # 向零取整
np.modf(a)	# 将小数和整数拆开
np.isnan(a) 	# 过滤nan
np.isinf(a)		# 过滤inf
np.cos(a)
np.sin(a)
np.tan(a)

例子

a = np.arange(-5.5,5)
np.abs(a)
x, y = np.modf(a)	# 将小数和整数拆开，x是小数，y是整数

# numpy过滤nan
a = np.arange(0,5)
b = a/a					# array([nan,  1.,  1.,  1.,  1.])
b[~np.isnan(b)]	# ~ 是取反

# numpy过滤inf
a=np.array([3,4,5,6])
b=np.array([2,0,3,0])
c = a/b
c[c!=np.inf]		# 过滤inf
c[~np.isinf(c)]	# 过滤inf

二元函数: 对二维数组处理

np.add(a,b)					# a数组 + b数组   
np.subtract(a,b)		# a-b  一般不用调函数，直接对数组相加就好
np.multiply(a,b)
np.divide(a,b)
np.power(a,b)
np.mod(a,b)
np.maximum(a,b)		# 两个数组中的最大
np.minimum(a,b)		# 两个数组中的最小

Numpy 数学和统计方法

sum 	# 求和
mean	# 求平均值
std		# 求标准差
var		# 求方差

min		# 求最小值
max		# 求最大值
argmin	# 求最小值索引
argmax	# 求最大值索引

# 求方差
1 2 3 4 5
mean:3
((1-3)**2+(2-3)**2+(3-3)**2+(4-3)**2+(5-3)**2)/5

# 方差表示你这组数据的离散程度

标准差 = sqrt(方差)

# 差不多60%的数据分布在这区间
a.mean()+a.std()
a.mean()-a.std()

# 差不多80%的数据分布在这区间
a.mean()+2*a.std()
a.mean()-2*a.std()

Numpy 随机数生成

随机数函数在np.random子包内

np.random.rand			给定形状产生随机数组(0 ~ 1之间)
np.random.randint		给定**长度**产生随机整数
np.random.choice		给定形状产生随机选择
np.random.shuffle		与random.shuffle相同
np.random.uniform		给定形状产生随机数组

例子

np.random.randint(0, 10, 10)	# 生成一个长度10的随机数组
np.random.rand(5)
np.random.choice([1,2,3,4,5], (2,3))
np.random.uniform(2,5, (3,4))

补充 - 浮点数特殊值

• nan (Not a Number): 不等于任何浮点数（nan != nan）
• inf(infinity)：比任何浮点数都大
• Numpy中创建特殊值：np.nan np.inf
• 在数据分析中，nan常被用作表示数据缺失值

Pandas 数据分析

pandas简介

pandas是一个强大的Python数据分析的工具包，是基于NumPy构建的。

pandas的主要功能：

• 具备对其功能的数据结构DataFrame、Series
• 集成时间序列功能
• 提供丰富的数学运算和操作
• 灵活处理缺失数据

安装方法：pip install pandas

引用方法：import pandas as pd

Series 一维数组对象

Series是一种类似于一维数组的对象，由一组数据和一组与之相关相关的数据标签（索引）组成。

创建方式：

pd.Series([4, 5, -5, 3])
pd.Series([4, 5, -5, 3], index=[‘a‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘d‘])
pd.Series({‘a‘: 1, ‘b‘: 2, ‘c‘: 3})
pd.Series(0, index=[‘a‘, ‘b‘, ‘c‘])

合并两个Series

sr = sr1.append(sr2).sort_index() # 方式二 （0，死叉） （1，金叉）

获取值数组和索引数组：values属性和index属性

Series比较像列表（数组）和字典的结合体

Series 使用特性

Series支持array的（下标）特性：

• 从ndarray创建Series: Series(arr)
• 与标量运算：sr * 2
• 两个Series运算：sr1+sr2
• 索引：sr[0] [sr[[1,2,4]]]
• 切片：sr[0:2]
• 通用函数:np.abs(sr)
• 布尔值过滤：sr[sr>0]

Series支持字典的特性（标签）

• 从字典创建Series：Series(dic)
• in运算：‘a‘ in sr
• 键索引：sr[‘a‘] sr[[‘a‘, ‘b‘, ‘d‘]]

sr.index
sr.values
sr.index[0]
sr[[1, 3]]
sr[[‘a‘, ‘d‘]]
sr[‘a‘: ‘s‘]	# 通过标签切片，前包后也包

Series 整数索引

pandas Series对象的整数索引往往会使新手抓狂。

例如：

sr = pd.Series(np.arange(4))
sr[-1]	# 会报错

如果索引是整数类型，则根据整数进行下标获取值时总是面向标签的。

解决办法：loc属性（将索引解释为标签）和iloc属性（将索引解释为下标）

sr2.loc[10]		# 根据标签索引
sr2.iloc[10]	# 根据下标索引

sr2.iloc[-1]
sr2.iloc[3:6]
sr2.iloc[[2, 3, 7]]

Series 数据对齐

两个series数组对象，将会根据索引对齐后再相加

sr1 = pd.Series([11,23,34], index=[‘c‘,‘a‘,‘d‘])
sr2 = pd.Series([11,20,10], index=[‘d‘,‘c‘,‘a‘])
sr1+sr2		# 将会按照index对齐之后进行相加

sr1 = pd.Series([11,23,34], index=[‘c‘,‘a‘,‘d‘])
sr2 = pd.Series([11,20,10,21], index=[‘d‘,‘c‘,‘a‘,‘b‘])
sr1+sr2		# 出现缺省值，b 将会用 NaN 代替

sr1 = pd.Series([11,23,34], index=[‘b‘,‘a‘,‘d‘])
sr2 = pd.Series([11,20,10], index=[‘d‘,‘c‘,‘a‘])
sr1+sr2		# b     NaN			c     NaN

sr1 = pd.Series([11,23,34], index=[‘b‘,‘a‘,‘d‘])
sr2 = pd.Series([11,20,10], index=[‘d‘,‘c‘,‘a‘])
# 如何使结果在索引`b`处的值为11，在索引`c`处的值为20
# 灵活的算术方法：add sub div mul
sr1.add(sr2, fill_value=0)	# sr1 + sr2 , 有NaN就用0代替

Series 缺失值的处理

sr.isnull()		# NaN 返回 True
sr.notnull()	# not NaN 返回 True

# 丢掉
sr = sr[sr.notnull()]
sr = sr.dropna()
# 填充成其他值
sr = sr.fillna(0)					# 使用0填充
sr = sr.fillna(sr.mean())	# 使用平均值填充

DataFrame的创建方式

dataframe的列得是同一个类型

DataFrame是一个表格型的数据结构，含有一组有序的列。DataFrame可以被看作是由Series组成的字典，并且共用一个索引。

创建方式

# 方式一
pd.DataFrame({‘one‘: [1,2,3], ‘two‘: [4,5,6]})
pd.DataFrame({‘one‘: [1,2,3], ‘two‘: [4,5,6]}, index=[‘a‘,‘b‘,‘c‘])

# 方式二
pd.DataFrame({‘one‘:pd.Series([1,2,3],index=[‘a‘,‘b‘,‘c‘]), ‘two‘:pd.Series([1,2,3,4], index=[‘b‘,‘a‘,‘c‘,‘d‘])})

csv文件读取与写入

df.to_csv(‘test2.csv‘)
pd.read_csv(‘test2.csv‘)

DataFrame 常用属性

index		行索引
T				转置
columns		获取列索引
values		获取值数组 (二维数组)
describe()		获取快速统计

DataFrame 索引和切片

DataFrame是一个二维数据类型，所以有行索引和列索引。

DataFrame同样可以铜鼓标签和位置两种方法进行索引和切片

loc属性和iloc属性

• 使用方法：逗号隔开，前面是行索引，后面是列索引
• 行/列索引部分可以是常规索引、切片、布尔值索引、花式索引任意搭配

loc会将行解释为索引标签，iloc会将行解释为其索引下标

df[‘one‘][‘a‘]			# one是列索引，a是行索引
df.loc[‘a‘, ‘one‘]	# 推荐这种，a 是 行索引，one是列索引
df.loc[‘a‘,:]				# 切片 a 这一行数据

df.loc[[‘a‘,‘c‘],:]
df.loc[[‘a‘,‘c‘],‘two‘]		# 任意搭配

DataFrame 数据对齐与缺省数据

DataFrame对象在运算时，同样会进行数据对齐，其行索引和列索引分别对齐。

DataFrame处理缺省数据的相关方法：

dropna(axis=0,how=‘any‘,...)		# axis=0按行删；axis=1按列删。how=‘any‘ 出现一个就删，how=‘all‘都出现才删。
fillna()		# 填充
isnull()
notnull()

df.dropna(how=‘all‘)	# 都出现才删除	默认是 any
df2.dropna(axis=1)		# 按列删	默认是0

Pandas 其他常用方法

mean(axis=0, skipna=False)		对列（行）求平均值
sum(axis=1)										对列（行）求平均值
sort_index(axio,...,ascending)	对列（行）索引排序
sort_values(by, axis, ascending)	 按某一列（行）的值排序，注意：有nan的不参与排序 放到最后显示

# Numpy的通用函数同样适用于pandas

例子

f.sort_values(by=‘two‘)	# 按two列排序
df.sort_values(by=‘two‘, ascending=False)	# 按two降序排序
df.sort_values(by=1, ascending=False, axis=1)	# 按1这一行降序排序

df.sort_index()		# 按行索引排序
df.sort_index(ascending=False)	# 按行索引降序排序
df.sort_index(ascending=False, axis=1)	# 按列索引降序排序

Pandas 时间对象

时间序列类型：

• 时间戳：特定时刻
• 固定日期：如2017年7月
• 时间间隔：起始时间-结束时间

Python标准库处理时间对象：datetime

灵活处理时间对象： dateutil dateutil.parser.parse()

成组处理事件对象：pandas pd.to_datetime()

datetime.datetime.strptime(‘2010-08-21‘, ‘%Y-%m-%d‘)
import dateutil
dateutil.parser.parse(‘2001-01-01‘)
dateutil.parser.parse(‘200101/01‘)
dateutil.parser.parse(‘2001/01/01‘)
dateutil.parser.parse(‘01/01/2020‘)
pd.to_datetime([‘2019-01-01‘,‘2010/Feb/02‘])

Pandas 时间对象处理

产生时间对象数组 date_range

start 开始时间
end		结束时间
period	时间长度
freq		时间频率，默认为‘D‘， 可选H(our), W(eek), B(usiness),S(emi-)M(onth),(min)T(es), S(econd), A(year), ...

pd.date_range(‘2010-01-01‘,‘2010-5-1‘)
pd.date_range(‘2010-01-01‘,periods=60)
pd.date_range?
pd.date_range(‘2010-01-01‘,periods=60,freq=‘H‘)
pd.date_range(‘2010-01-01‘,periods=60,freq=‘W‘)
pd.date_range(‘2010-01-01‘,periods=60,freq=‘W-MON‘)
pf = pd.date_range(‘2010-01-01‘,periods=60,freq=‘B‘)
pd.date_range(‘2010-01-01‘,periods=60,freq=‘1h20min‘)
df[0].to_pydatetime()		# 转换成Python的datetime类型

将索引转换为时间列

df[‘date‘] = pd.to_datetime(df[‘date‘])
df.set_index("date", inplace=True)
# df.set_index(‘date‘,drop=True)

Pandas 时间序列

时间序列就是以时间对象为索引的Series或DataFrame

datetime对象作为索引时是存储在DatetimeIndex对象中的

时间序列特殊功能：

• 传入“年”或“年月”作为切片方式
• 传入日期范围作为切片方式
• 丰富的函数支持：resample(), truncate() ....

sr = pd.Series(np.arange(1000), index=pd.date_range(‘2017-1-1‘, periods=1000))
sr[‘2017-3‘]
sr[‘2017-4‘]
sr[‘2017‘]
sr[‘2017‘:‘2018-3‘]
sr[‘2017-12-24‘:‘2018-2-1‘]
sr.resample(‘W‘).sum()	# 按周求和
sr.resample(‘m‘).sum()
sr.resample(‘m‘).mean()
sr.resample(‘M‘).first()	# 每个月第一天数据
sr.truncate(before=‘2018-2-3‘)	# 切掉掉前面的,因为有时间切片了，所以不推荐这个方法
sr.truncate(after=‘2018-2-3‘)

Pandas 文件处理

数据文件常用格式：csv（以某间隔符分割字符）

pandas读取文件：从文件名、URL、文件对象中加载数据

• read_csv 默认分隔符为逗号
• read_table 默认分隔符为制表符

read_csv read_table 函数主要参数

sep			指定分隔符，可用正则表达式，如‘\s+‘， 不指定则默认是 `,`
header=None			指定文件无列名
names						指定列名
index_col				指定某列作为索引
skip_row				指定跳过某些行
na_values				指定某些字符串表示缺失值（将某些奇怪字符串解析成NaN）
parse_dates			指定某些列是否被解析为日期，类型为布尔型或列表

例子

# 常用
df = pd.read_csv(‘zn2006SHFE2020.csv‘, index_col=‘datetime‘, parse_dates=[‘datetime‘])[[‘open‘,‘high‘,‘low‘,‘close‘]]

pd.read_csv(‘zn2006.csv‘)
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, index_col=0)		# 指定第0列为索引
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, index_col=‘datetime‘)		# 指定`datetime`列为索引
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, index_col=‘datetime‘, parse_dates=True)
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, index_col=‘datetime‘, parse_dates=[‘datetime‘])
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, header=None)
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, header=None, names=list(‘qwertyuiopasdfg‘))
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, header=None, skiprows=[2,3,4])
pd.read_csv(‘zn2006.csv‘, na_values=[‘None‘])		# 将None替换为NaN

写入到CSV文件：to_csv函数

写入文件函数的主要参数：

sep			指定文件分隔符
na_rep	指定缺失值转换的字符串，默认为空字符串
header=False		不输出列名一行
index=False			不输出行索引一行
cols						指定输出的列，传入列表

df.to_csv(‘test.csv‘, header=False, index=False, na_rep=‘null‘)
df.to_csv(‘test.csv‘, header=False, index=False, na_rep=‘null‘,columns=[‘open‘,‘high‘,‘low‘,‘close‘])
df.to_html(‘test.html‘)
pd.read_excel(‘test.xlsx‘)

pandas支持的其他文件类型

• json
• xml
• html
• 数据库
• pickle
• excel

补充

rolling函数

可以取前10的窗口

df[‘pre_high‘] = df[‘high‘].rolling(10).max()

shift平移函数

通过shift函数里面的值来控制向前还是向后偏移, 缺少的值会填充NaN，groupby函数里的参数控制基于什么字段进行shift.

注意：-1 是向前前移

df16[‘pre_close‘] = df16[‘close‘].shift(1)	# 向后偏移

temp[‘value_shift‘] = temp.groupby(‘id‘)[‘value‘].shift(1);temp
Out[180]: 
   id  value  value_shift
0   1      1          NaN
1   1      2          1.0
2   1      3          2.0
3   2      4          NaN
4   2      5          4.0
5   3      6          NaN

temp[‘value_shift_1‘] = temp.groupby(‘id‘)[‘value‘].shift(-1);temp
Out[181]: 
   id  value  value_shift  value_shift_1
0   1      1          NaN            2.0
1   1      2          1.0            3.0
2   1      3          2.0            NaN
3   2      4          NaN            5.0
4   2      5          4.0            NaN
5   3      6          NaN            NaN

通过shift函数里面的值来控制向前还是向后偏移, 缺少的值会填充NaN.

groupby函数里的参数控制基于什么字段进行shift.

补充函数

series.describe()		# 总结数据分布情况
np.sign(<series/array>)		# sign()是Python的Numpy中的取数字符号（数字前的正负号）的函数。(大于0，返回1) ;(等于0，返回0);(小于0，返回-1)
Series.value_counts()			# 统计值的出现次数
series.cumsum()						# 累加之前的数据
series.cumprod()					# 累乘之前的数据
series.pct_change()				# 表示当前元素与先前元素的相差百分比，当然指定periods=n,表示当前元素与先前第n 个元素的相差百分比。可以用来算当天较上一天的return（收益）

Python模块 - Numpy与Pandas

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