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第9章 时序数据

import pandas as pd
import numpy as np

一、时序的创建

1. 四类时间变量

现在理解可能关于③和④有些困惑，后面会作出一些说明

2. 时间点的创建

（a）to_datetime方法

Pandas在时间点建立的输入格式规定上给了很大的自由度，下面的语句都能正确建立同一时间点

pd.to_datetime(‘2020.1.1‘)
pd.to_datetime(‘2020 1.1‘)
pd.to_datetime(‘2020 1 1‘)
pd.to_datetime(‘2020 1-1‘)
pd.to_datetime(‘2020-1 1‘)
pd.to_datetime(‘2020-1-1‘)
pd.to_datetime(‘2020/1/1‘)
pd.to_datetime(‘1.1.2020‘)
pd.to_datetime(‘1.1 2020‘)
pd.to_datetime(‘1 1 2020‘)
pd.to_datetime(‘1 1-2020‘)
pd.to_datetime(‘1-1 2020‘)
pd.to_datetime(‘1-1-2020‘)
pd.to_datetime(‘1/1/2020‘)
pd.to_datetime(‘20200101‘)
pd.to_datetime(‘2020.0101‘)

Timestamp(‘2020-01-01 00:00:00‘)

下面的语句都会报错

#pd.to_datetime(‘2020\\1\\1‘)
#pd.to_datetime(‘2020`1`1‘)
#pd.to_datetime(‘2020.1 1‘)
#pd.to_datetime(‘1 1.2020‘)

此时可利用format参数强制匹配

pd.to_datetime(‘2020\\1\\1‘,format=‘%Y\\%m\\%d‘)
pd.to_datetime(‘2020`1`1‘,format=‘%Y`%m`%d‘)
pd.to_datetime(‘2020.1 1‘,format=‘%Y.%m %d‘)
pd.to_datetime(‘1 1.2020‘,format=‘%d %m.%Y‘)

Timestamp(‘2020-01-01 00:00:00‘)

同时，使用列表可以将其转为时间点索引

pd.Series(range(2),index=pd.to_datetime([‘2020/1/1‘,‘2020/1/2‘]))

2020-01-01    0
2020-01-02    1
dtype: int64

type(pd.to_datetime([‘2020/1/1‘,‘2020/1/2‘]))

pandas.core.indexes.datetimes.DatetimeIndex

对于DataFrame而言，如果列已经按照时间顺序排好，则利用to_datetime可自动转换

df = pd.DataFrame({‘year‘: [2020, 2020],‘month‘: [1, 1], ‘day‘: [1, 2]})
pd.to_datetime(df)

0   2020-01-01
1   2020-01-02
dtype: datetime64[ns]

（b）时间精度与范围限制

事实上，Timestamp的精度远远不止day，可以最小到纳秒ns

pd.to_datetime(‘2020/1/1 00:00:00.123456789‘)

Timestamp(‘2020-01-01 00:00:00.123456789‘)

同时，它带来范围的代价就是只有大约584年的时间点是可用的

pd.Timestamp.min

Timestamp(‘1677-09-21 00:12:43.145225‘)

pd.Timestamp.max

Timestamp(‘2262-04-11 23:47:16.854775807‘)

（c）date_range方法

一般来说，start/end/periods（时间点个数）/freq（间隔方法）是该方法最重要的参数，给定了其中的3个，剩下的一个就会被确定

pd.date_range(start=‘2020/1/1‘,end=‘2020/1/10‘,periods=3)

DatetimeIndex([‘2020-01-01 00:00:00‘, ‘2020-01-05 12:00:00‘,
               ‘2020-01-10 00:00:00‘],
              dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=None)

pd.date_range(start=‘2020/1/1‘,end=‘2020/1/10‘,freq=‘D‘)

DatetimeIndex([‘2020-01-01‘, ‘2020-01-02‘, ‘2020-01-03‘, ‘2020-01-04‘,
               ‘2020-01-05‘, ‘2020-01-06‘, ‘2020-01-07‘, ‘2020-01-08‘,
               ‘2020-01-09‘, ‘2020-01-10‘],
              dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘D‘)

pd.date_range(start=‘2020/1/1‘,periods=3,freq=‘D‘)

DatetimeIndex([‘2020-01-01‘, ‘2020-01-02‘, ‘2020-01-03‘], dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘D‘)

pd.date_range(end=‘2020/1/3‘,periods=3,freq=‘D‘)

DatetimeIndex([‘2020-01-01‘, ‘2020-01-02‘, ‘2020-01-03‘], dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘D‘)

其中freq参数有许多选项，下面将常用部分罗列如下，更多选项可看这里

pd.date_range(start=‘2020/1/1‘,periods=3,freq=‘T‘)

DatetimeIndex([‘2020-01-01 00:00:00‘, ‘2020-01-01 00:01:00‘,
               ‘2020-01-01 00:02:00‘],
              dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘T‘)

pd.date_range(start=‘2020/1/1‘,periods=3,freq=‘M‘)

DatetimeIndex([‘2020-01-31‘, ‘2020-02-29‘, ‘2020-03-31‘], dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘M‘)

pd.date_range(start=‘2020/1/1‘,periods=3,freq=‘BYS‘)

DatetimeIndex([‘2020-01-01‘, ‘2021-01-01‘, ‘2022-01-03‘], dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘BAS-JAN‘)

bdate_range是一个类似与date_range的方法，特点在于可以在自带的工作日间隔设置上，再选择weekmask参数和holidays参数

它的freq中有一个特殊的‘C‘/‘CBM‘/‘CBMS‘选项，表示定制，需要联合weekmask参数和holidays参数使用

例如现在需要将工作日中的周一、周二、周五3天保留，并将部分holidays剔除

weekmask = ‘Mon Tue Fri‘
holidays = [pd.Timestamp(‘2020/1/%s‘%i) for i in range(7,13)]
#注意holidays
pd.bdate_range(start=‘2020-1-1‘,end=‘2020-1-15‘,freq=‘C‘,weekmask=weekmask,holidays=holidays)

DatetimeIndex([‘2020-01-03‘, ‘2020-01-06‘, ‘2020-01-13‘, ‘2020-01-14‘], dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘C‘)

3. DateOffset对象

（a）DataOffset与Timedelta的区别

Timedelta绝对时间差的特点指无论是冬令时还是夏令时，增减1day都只计算24小时

DataOffset相对时间差指，无论一天是23\24\25小时，增减1day都与当天相同的时间保持一致

例如，英国当地时间 2020年03月29日，01:00:00 时钟向前调整 1 小时 变为 2020年03月29日，02:00:00，开始夏令时

ts = pd.Timestamp(‘2020-3-29 01:00:00‘, tz=‘Europe/Helsinki‘)
ts + pd.Timedelta(days=1)

Timestamp(‘2020-03-30 02:00:00+0300‘, tz=‘Europe/Helsinki‘)

ts + pd.DateOffset(days=1)

Timestamp(‘2020-03-30 01:00:00+0300‘, tz=‘Europe/Helsinki‘)

这似乎有些令人头大，但只要把tz（time zone）去除就可以不用管它了，两者保持一致，除非要使用到时区变换

ts = pd.Timestamp(‘2020-3-29 01:00:00‘)
ts + pd.Timedelta(days=1)

Timestamp(‘2020-03-30 01:00:00‘)

ts + pd.DateOffset(days=1)

Timestamp(‘2020-03-30 01:00:00‘)

（b）增减一段时间

DateOffset的可选参数包括years/months/weeks/days/hours/minutes/seconds

pd.Timestamp(‘2020-01-01‘) + pd.DateOffset(minutes=20) - pd.DateOffset(weeks=2)

Timestamp(‘2019-12-18 00:20:00‘)

（c）各类常用offset对象

pd.Timestamp(‘2020-01-01‘) + pd.offsets.Week(2)

Timestamp(‘2020-01-15 00:00:00‘)

pd.Timestamp(‘2020-01-01‘) + pd.offsets.BQuarterBegin(1)

Timestamp(‘2020-03-02 00:00:00‘)

（d）序列的offset操作

利用apply函数

pd.Series(pd.offsets.BYearBegin(3).apply(i) for i in pd.date_range(‘20200101‘,periods=3,freq=‘Y‘))

0   2023-01-02
1   2024-01-01
2   2025-01-01
dtype: datetime64[ns]

直接使用对象加减

pd.date_range(‘20200101‘,periods=3,freq=‘Y‘) + pd.offsets.BYearBegin(3)

DatetimeIndex([‘2023-01-02‘, ‘2024-01-01‘, ‘2025-01-01‘], dtype=‘datetime64[ns]‘, freq=‘A-DEC‘)

定制offset，可以指定weekmask和holidays参数（思考为什么三个都是一个值）

pd.Series(pd.offsets.CDay(3,weekmask=‘Wed Fri‘,holidays=‘2020010‘).apply(i)
                                  for i in pd.date_range(‘20200105‘,periods=3,freq=‘D‘))

0   2020-01-15
1   2020-01-15
2   2020-01-15
dtype: datetime64[ns]

二、时序的索引及属性

1. 索引切片

这一部分几乎与第二章的规则完全一致

rng = pd.date_range(‘2020‘,‘2021‘, freq=‘W‘)
ts = pd.Series(np.random.randn(len(rng)), index=rng)
ts.head()

2020-01-05   -0.275349
2020-01-12    2.359218
2020-01-19   -0.447633
2020-01-26   -0.479830
2020-02-02    0.517587
Freq: W-SUN, dtype: float64

ts[‘2020-01-26‘]

-0.47982974619679947

合法字符自动转换为时间点

ts[‘2020-01-26‘:‘20200726‘].head()

2020-01-26   -0.479830
2020-02-02    0.517587
2020-02-09   -0.575879
2020-02-16    0.952187
2020-02-23    0.554098
Freq: W-SUN, dtype: float64

2. 子集索引

ts[‘2020-7‘].head()

2020-07-05   -0.088912
2020-07-12    0.153852
2020-07-19    1.670324
2020-07-26    0.568214
Freq: W-SUN, dtype: float64

支持混合形态索引

ts[‘2011-1‘:‘20200726‘].head()

2020-01-05   -0.275349
2020-01-12    2.359218
2020-01-19   -0.447633
2020-01-26   -0.479830
2020-02-02    0.517587
Freq: W-SUN, dtype: float64

3. 时间点的属性

采用dt对象可以轻松获得关于时间的信息

pd.Series(ts.index).dt.week.head()

0    1
1    2
2    3
3    4
4    5
dtype: int64

pd.Series(ts.index).dt.day.head()

0     5
1    12
2    19
3    26
4     2
dtype: int64

利用strftime可重新修改时间格式

pd.Series(ts.index).dt.strftime(‘%Y-间隔1-%m-间隔2-%d‘).head()

0    2020-间隔1-01-间隔2-05
1    2020-间隔1-01-间隔2-12
2    2020-间隔1-01-间隔2-19
3    2020-间隔1-01-间隔2-26
4    2020-间隔1-02-间隔2-02
dtype: object

对于datetime对象可以直接通过属性获取信息

pd.date_range(‘2020‘,‘2021‘, freq=‘W‘).month

Int64Index([ 1,  1,  1,  1,  2,  2,  2,  2,  3,  3,  3,  3,  3,  4,  4,  4,  4,
             5,  5,  5,  5,  5,  6,  6,  6,  6,  7,  7,  7,  7,  8,  8,  8,  8,
             8,  9,  9,  9,  9, 10, 10, 10, 10, 11, 11, 11, 11, 11, 12, 12, 12,
            12],
           dtype=‘int64‘)

pd.date_range(‘2020‘,‘2021‘, freq=‘W‘).weekday

Int64Index([6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6,
            6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6,
            6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6],
           dtype=‘int64‘)

三、重采样

所谓重采样，就是指resample函数，它可以看做时序版本的groupby函数

1. resample对象的基本操作

采样频率一般设置为上面提到的offset字符

df_r = pd.DataFrame(np.random.randn(1000, 3),index=pd.date_range(‘1/1/2020‘, freq=‘S‘, periods=1000),
                  columns=[‘A‘, ‘B‘, ‘C‘])

r = df_r.resample(‘3min‘)
r

<pandas.core.resample.DatetimeIndexResampler object at 0x7ff73ebafc10>

r.sum()

df_r2 = pd.DataFrame(np.random.randn(200, 3),index=pd.date_range(‘1/1/2020‘, freq=‘D‘, periods=200),
                  columns=[‘A‘, ‘B‘, ‘C‘])
r = df_r2.resample(‘CBMS‘)
r.sum()

2. 采样聚合

r = df_r.resample(‘3T‘)

r[‘A‘].mean()

2020-01-01 00:00:00   -0.048737
2020-01-01 00:03:00    0.021236
2020-01-01 00:06:00    0.015248
2020-01-01 00:09:00    0.025865
2020-01-01 00:12:00   -0.058593
2020-01-01 00:15:00    0.087952
Freq: 3T, Name: A, dtype: float64

r[‘A‘].agg([np.sum, np.mean, np.std])

类似地，可以使用函数/lambda表达式

r.agg({‘A‘: np.sum,‘B‘: lambda x: max(x)-min(x)})

3. 采样组的迭代

采样组的迭代和groupby迭代完全类似，对于每一个组都可以分别做相应操作

small = pd.Series(range(6),index=pd.to_datetime([‘2020-01-01 00:00:00‘, ‘2020-01-01 00:30:00‘
                                                 , ‘2020-01-01 00:31:00‘,‘2020-01-01 01:00:00‘
                                                 ,‘2020-01-01 03:00:00‘,‘2020-01-01 03:05:00‘]))
resampled = small.resample(‘H‘)
for name, group in resampled:
    print("Group: ", name)
    print("-" * 27)
    print(group, end="\n\n")

Group:  2020-01-01 00:00:00
---------------------------
2020-01-01 00:00:00    0
2020-01-01 00:30:00    1
2020-01-01 00:31:00    2
dtype: int64

Group:  2020-01-01 01:00:00
---------------------------
2020-01-01 01:00:00    3
dtype: int64

Group:  2020-01-01 02:00:00
---------------------------
Series([], dtype: int64)

Group:  2020-01-01 03:00:00
---------------------------
2020-01-01 03:00:00    4
2020-01-01 03:05:00    5
dtype: int64

四、窗口函数

下面主要介绍pandas中两类主要的窗口(window)函数:rolling/expanding

s = pd.Series(np.random.randn(1000),index=pd.date_range(‘1/1/2020‘, periods=1000))
s.head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.185221
2020-01-03   -0.646472
2020-01-04   -1.430293
2020-01-05   -0.956094
Freq: D, dtype: float64

1. Rolling

（a）常用聚合

所谓rolling方法，就是规定一个窗口，它和groupby对象一样，本身不会进行操作，需要配合聚合函数才能计算结果

s.rolling(window=50)

Rolling [window=50,center=False,axis=0]

s.rolling(window=50).mean()

2020-01-01         NaN
2020-01-02         NaN
2020-01-03         NaN
2020-01-04         NaN
2020-01-05         NaN
                ...   
2022-09-22    0.160743
2022-09-23    0.136296
2022-09-24    0.147523
2022-09-25    0.133087
2022-09-26    0.130841
Freq: D, Length: 1000, dtype: float64

min_periods参数是指需要的非缺失数据点数量阀值

s.rolling(window=50,min_periods=3).mean().head()

2020-01-01         NaN
2020-01-02         NaN
2020-01-03   -0.051759
2020-01-04   -0.396392
2020-01-05   -0.508333
Freq: D, dtype: float64

count/sum/mean/median/min/max/std/var/skew/kurt/quantile/cov/corr都是常用的聚合函数

（b）rolling的apply聚合

使用apply聚合时，只需记住传入的是window大小的Series，输出的必须是标量即可，比如如下计算变异系数

s.rolling(window=50,min_periods=3).apply(lambda x:x.std()/x.mean()).head()

2020-01-01          NaN
2020-01-02          NaN
2020-01-03   -10.018809
2020-01-04    -2.040720
2020-01-05    -1.463460
Freq: D, dtype: float64

（c）基于时间的rolling

s.rolling(‘15D‘).mean().head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.245598
2020-01-03   -0.051759
2020-01-04   -0.396392
2020-01-05   -0.508333
Freq: D, dtype: float64

可选closed=‘right‘（默认）‘left‘‘both‘‘neither‘参数，决定端点的包含情况

s.rolling(‘15D‘, closed=‘right‘).sum().head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.491195
2020-01-03   -0.155277
2020-01-04   -1.585570
2020-01-05   -2.541664
Freq: D, dtype: float64

2. Expanding

（a）expanding函数

普通的expanding函数等价与rolling(window=len(s),min_periods=1)，是对序列的累计计算

s.rolling(window=len(s),min_periods=1).sum().head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.491195
2020-01-03   -0.155277
2020-01-04   -1.585570
2020-01-05   -2.541664
Freq: D, dtype: float64

s.expanding().sum().head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.491195
2020-01-03   -0.155277
2020-01-04   -1.585570
2020-01-05   -2.541664
Freq: D, dtype: float64

apply方法也是同样可用的

s.expanding().apply(lambda x:sum(x)).head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.491195
2020-01-03   -0.155277
2020-01-04   -1.585570
2020-01-05   -2.541664
Freq: D, dtype: float64

（b）几个特别的Expanding类型函数

cumsum/cumprod/cummax/cummin都是特殊expanding累计计算方法

s.cumsum().head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.491195
2020-01-03   -0.155277
2020-01-04   -1.585570
2020-01-05   -2.541664
Freq: D, dtype: float64

s.cumsum().head()

2020-01-01    0.305974
2020-01-02    0.491195
2020-01-03   -0.155277
2020-01-04   -1.585570
2020-01-05   -2.541664
Freq: D, dtype: float64

shift/diff/pct_change都是涉及到了元素关系

①shift是指序列索引不变，但值向后移动

②diff是指前后元素的差，period参数表示间隔，默认为1，并且可以为负

③pct_change是值前后元素的变化百分比，period参数与diff类似

s.shift(2).head()

2020-01-01         NaN
2020-01-02         NaN
2020-01-03    0.305974
2020-01-04    0.185221
2020-01-05   -0.646472
Freq: D, dtype: float64

s.diff(3).head()

2020-01-01         NaN
2020-01-02         NaN
2020-01-03         NaN
2020-01-04   -1.736267
2020-01-05   -1.141316
Freq: D, dtype: float64

s.pct_change(3).head()

2020-01-01         NaN
2020-01-02         NaN
2020-01-03         NaN
2020-01-04   -5.674559
2020-01-05   -6.161897
Freq: D, dtype: float64

五、问题与练习

【问题一】 如何对date_range进行批量加帧操作或对某一时间段加大时间戳密度？

【问题二】 如何批量增加TimeStamp的精度？

【问题三】 对于超出处理时间的时间点，是否真的完全没有处理方法？

【问题四】 给定一组非连续的日期，怎么快速找出位于其最大日期和最小日期之间，且没有出现在该组日期中的日期？

【练习一】 现有一份关于某超市牛奶销售额的时间序列数据，请完成下列问题：

（a）销售额出现最大值的是星期几？（提示：利用dayofweek函数）

（b）计算除去春节、国庆、五一节假日的月度销售总额

（c）按季度计算周末（周六和周日）的销量总额

（d）从最后一天开始算起，跳过周六和周一，以5天为一个时间单位向前计算销售总和

（e）假设现在发现数据有误，所有同一周里的周一与周五的销售额记录颠倒了，请计算2018年中每月第一个周一的销售额（如果该周没有周一或周五的记录就保持不动）

pd.read_csv(‘data/time_series_one.csv‘).head()

【练习二】 继续使用上一题的数据，请完成下列问题：

（a）以50天为窗口计算滑窗均值和滑窗最大值（min_periods设为1）

（b）现在有如下规则：若当天销售额超过向前5天的均值，则记为1，否则记为0，请给出2018年相应的计算结果

（c）将(c)中的“向前5天”改为“向前非周末5天”，请再次计算结果

Pandas 时序数据

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原文地址：https://www.cnblogs.com/hichens/p/13285701.html