【Pandas操作2】groupby函数、pivot_table函数、数据运算(map和apply)、重复值清洗、异常值清洗、缺失值处理

1 数据清洗

#### 概述

数据清洗是指对原始数据进行处理和转换，以去除无效、重复、缺失或错误的数据，使数据符合分析的要求。

#### 作用和意义

- 提高数据质量：
  - 通过数据清洗，数据质量得到提升，减少错误分析和错误决策。
- 增加数据可用性：
  - 清洗后的数据更加规整和易于使用，提高数据的可用性和可读性。


## 清洗维度

- 缺失值处理：
  - 对于缺失的数据，可以删除包含缺失值的行或列或者填充缺失值。
- 重复值处理：
  - 识别和删除重复的数据行，避免重复数据对分析结果产生误导。
- 异常值处理：
  - 检测和处理异常值，决定是删除、替换或保留异常值。

## 缺失值清洗

##### 缺失值/空值的删除

- 伪造缺失值数据

import pandas as pd
from pandas import DataFrame, Series

df = pd.read_csv('./data/none.csv', index_col=0)
df  # NaN就是None空白

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缺失值的检测和删除,相关方法：
- isnull():检测df中的每一个元素是否为空值，为空则给该元素返回True，否则返回False
- notnull():检测df中的每一个元素是否为非空值，为非空则给该元素返回True，否则返回False
- any():检测一行或一列布尔值中是否存在一个或多个True，有则返回True，否则返回False
- all():检测一行或一列布尔值中是否存全部为True，有则返回True，否则返回False
- dropna():将存在缺失值/空值的行或者列进行删除

# 检测哪些列中存在控制
df.isnull()

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# 检测非空值
df.notnull()

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# 可以判断哪些列存在控制
# axis=0表示针对列进行any操作
# axis=1表示针对行进行any操作
df.isnull().any(axis=0)

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df.notnull().all(axis=0)

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dropna()进行空值检测和过滤

# 直接返回删除空值对应后的结果，不会直接改变原始数据
df.dropna()

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计算df中每一列存在缺失值的个数和占比

for col in df.columns:
    # 满足该条件则表示第col列中存在空值
    if df[col].isnull().sum() > 0:
        # 求出该列空值的个数
        null_count = df[col].isnull().sum()
        # 求出该列中空值的占比：  空值的数量/列的总元素个数
        p = format(null_count / df[col].size, '.2%')
        print(col, null_count, p)

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使用任意值填充空值

# 如果想应用于原始数据，就加上inplace=True
df.fillna(value=666)

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使用近邻值填充空值

# 在竖直方向上，会用空值前面的值填充空值  ffill前值填充 
df.fillna(axis=0, method='ffill').fillna(axis=0, method='bfill')  # bfill后值填充

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使用相关的统计值填充空值

# 可以空值列的均值、中位数、方差等统计指标对空值进行填充
for col in df.columns:
    if df[col].isnull().sum() > 0:
        # 计算出空值对应的均值
        mean_value = df[col].mean()
        df[col].fillna(value=mean_value, inplace=True)
df

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注意：实现空值的清洗最好选择删除的方式，如果删除的成本比较高，再选择填充的方式。

2 重复值清洗

伪造重复行的数据源

df = pd.read_csv('data/repeat.csv', index_col=0)
df

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使用duplicated()方法检测重复的行数据

df.duplicated().sum() # 2

使用drop_duplicates()方法检测且删除重复的行数据

df.drop_duplicates()

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3 异常值清洗

异常值是分析师和数据科学家常用的术语，因为它需要密切注意，否则可能导致错误的估计。
简单来说，异常值是一个观察值，远远超出了样本中的整体模式。

异常值在统计学上的全称是疑似异常值，也称作离群点，异常值的分析也称作离群点分析。
异常值是指样本中出现的“极端值”，数据值看起来异常大或异常小，其分布明显偏离其余的观测值。
异常值分析是检验数据中是否存在不合常理的数据。

给定条件的异常数据处理
- 自定义一个1000行3列（A，B，C）取值范围为0-1的数据源，然后将C列中的值大于其两倍标准差的异常值进行清洗

data = pd.read_csv('./data/outlier.csv', index_col=0)
data

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# C列的2倍标准差
twice_std = data['C'].std() * 2
twice_std

# 判定异常值, 即值大于2倍的标准差
ex = data['C'] > twice_std
ex  # True表示异常值，False标志正常值

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# 取出True对应的行数据 (异常值对应的行数据)
data.loc[ex]

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# 提取异常值对应行数据的行索引
drop_index = data.loc[ex].index
drop_index

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# 将异常值对应的行从数据表格中进行删除
data.drop(index=drop_index)

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3 map映射

给Series中的一组数据提供另外一种表现形式，或者说给其绑定一组指定的标签或字符串。
创建一个df，两列分别是姓名和薪资，然后给其名字起对应的英文名,然后将英文的性别统一转换为中文的性别

dic = {
    'name': ['tom', 'jerry', 'alex', 'tom'],
    'salary': [10000, 20000, 15000, 21000],
    'gender': ['male', 'female', 'male', 'female']
}
df = pd.DataFrame(data=dic)
df

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# 将性别使用中文来标志
sex_dic = {
     'male':'男',
     'female':'女'
}

# map可以根据gender这组数据中的每一个元素根据字典表示的关系进行映射
df['gender'] = df['gender'].map(sex_dic)
df

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# 给每一个英文名起一个中文名
name_dic = {
    'tom': '张三',
    'jerry': '李四',
    'alex': '王五'
}
df['e_name'] = df['name'].map(name_dic)
df

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4 数据运算

map函数对Series数据的运算处理(map作为Series的运算工具)

超过3000部分的钱缴纳50%的税，计算每个人的税后薪资

def after_sal(s):  # 此处s参数表示每一个薪资的数据
    # 该函数的调用次数取决于salary列中元素的个数
    return s - (s - 3000) * 0.5
    

df['after_sal'] = df['salary'].map(after_sal)
df

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# 改为匿名函数
df['salary'].map(lambda s: s - (s - 3000) * 0.5)

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dic = {
    'name': ['tom', 'jerry', 'alex', 'tom'],
    'salary': [10000, 20000, 15000, 21000],
    'gender': ['male', 'female', 'male', 'female'],
    'hire_date': ['2020-01-10', '2021-11-11', '2022-12-12','2023-01-19',]
}
df = pd.DataFrame(data=dic)
df

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# 将每一个员工的入职日期 +2 年
# 将 'hire_date' 转换为日期格式并加上2年
df['hire_date'] = pd.to_datetime(df['hire_date'])
df['hire_date_now'] = df['hire_date'].map(lambda x: x + pd.DateOffset(years=2))
df

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dic = {
    'name': ['tom', 'jerry', 'alex', 'tom'],
    'salary': [10000, 20000, 15000, 21000],
    'gender': ['male', 'female', 'male', 'female'],
    'hire_date': ['2020-01-10', '2021-11-11', '2022-12-12','2023-01-19',]
}
df = pd.DataFrame(data=dic)

# 也可以使用函数
# 将每一个员工的入职日期 +2 年
def func(x):
    year, month, day = x.split('-')
    year = int(year) + 2
    return str(year)+'-'+month+'-'+day
df['hire_date'] = df['hire_date'].map(func)
df

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提示:apply也可以像map一样充当运算工具，不过apply运算效率要远远高于map。
因此在数据量级较大的时候可以使用apply。

dic = {
    'name': ['tom', 'jerry', 'alex', 'tom'],
    'salary': [10000, 20000, 15000, 21000],
    'gender': ['male', 'female', 'male', 'female'],
    'hire_date': ['2020-01-10', '2021-11-11', '2022-12-12','2023-01-19',]
}
df = pd.DataFrame(data=dic)


def func(x):
    year, month, day = x.split('-')
    year = int(year) + 2
    return str(year)+'-'+month+'-'+day
df['hire_date'] = df['hire_date'].apply(func)
df

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5 数据分组

数据分类处理的核心：
- groupby()函数
- groups属性查看分组情况

import pandas as pd
import warnings

warnings.filterwarnings('ignore')

df = pd.DataFrame({
    'item':['Apple','Banana','0range','Banana','0range','Apple'],
    'price':[4, 3, 3, 2.5, 4, 2],
    'color':['red','yellow','yellow','green','green','green'],
    'weight':[12,20,50,30,20,44]
})
df

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# 计算每种水果的平均价格
df.groupby(by='item').groups  # groups查看分组的结果

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mean_price = df.groupby(by='item')['price'].mean()
mean_price

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# 将平均价格转为字典
dic = mean_price.to_dict()
dic

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# 将水果的平均价格汇总到原始的数据中
df['mean_price'] = df['item'].map(dic)
df

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# 计算不同颜色水果的最大重量
max_weight = df.groupby(by='color')['weight'].max()

max_weight

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dic = max_weight.to_dict()
df['color'].map(dic)

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# 将不同水果的最大重量汇总到原始的数据中
df['max_weight'] = df['color'].map(dic)
df

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# 计算每种水果最大价格和最低价格的差值
def func(x):  # 参数x:一组水果的所有价格
    return x.max() - x.min()
    
df.groupby(by='item')['price'].transform(func)

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agg实现对分组后的结果进行多种不同形式的聚合操作

# 求每种水果的最大和最小价格
df.groupby(by='item')['price'].agg(['max', 'min', 'mean', 'sum'])

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6 透视表pivot_table函数

对不同字段不同形式的聚合操作

# 计算每种水果的平均价格
# 参数index：表示分组的条件
# 参数values：表示对哪些字段进行聚合操作
# 参数aggfunc：用户指定聚合形式
df.pivot_table(index='item', values='price', aggfunc='mean')

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# 计算不同颜色水果的最大、最小和平均重量
df.pivot_table(index='color', aggfunc={'weight': 'max', 'weight': 'min', 'weight': 'mean',})

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# 计算不同颜色水果的最大、最小和平均重量
df.pivot_table(index='color', values='weight', aggfunc=['max', 'min', 'mean'])

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