Python数据分析基础 📊

1. NumPy基础操作 🔢

1.1 NumPy数组创建与操作

NumPy是Python中科学计算的基础库，提供了高效的多维数组对象和处理工具：

import numpy as np

# 创建数组
arr1 = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
arr2 = np.zeros((3, 4))  # 3x4的零矩阵
arr3 = np.ones((2, 3))   # 2x3的1矩阵
arr4 = np.arange(0, 10, 2)  # [0,2,4,6,8]

# 数组操作
arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(arr.shape)    # 形状：(2, 3)
print(arr.dtype)    # 数据类型
print(arr.size)     # 元素总数
print(arr.ndim)     # 维度数

# 数组计算
arr_sum = arr1 + arr1  # 元素级加法
arr_mul = arr1 * 2     # 标量乘法
dot_product = np.dot(arr1, arr1)  # 点积

1.2 数组切片与索引

arr = np.array([[1, 2, 3, 4],
                [5, 6, 7, 8],
                [9, 10, 11, 12]])

# 基本切片
print(arr[0, :])    # 第一行
print(arr[:, 1])    # 第二列
print(arr[0:2, 1:3])  # 子矩阵

# 布尔索引
mask = arr > 5
print(arr[mask])    # 输出大于5的元素

1.3 数组运算与统计

arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 基本运算
print(np.sum(arr))          # 求和
print(np.mean(arr))         # 平均值
print(np.std(arr))          # 标准差
print(np.var(arr))          # 方差

# 按轴运算
print(np.sum(arr, axis=0))  # 按列求和
print(np.sum(arr, axis=1))  # 按行求和

2. Pandas数据处理 🐼

2.1 Series和DataFrame基础

import pandas as pd

# 创建Series
s = pd.Series([1, 3, 5, np.nan, 6, 8])

# 创建DataFrame
df = pd.DataFrame({
    'A': [1, 2, 3, 4],
    'B': pd.date_range('20230101', periods=4),
    'C': pd.Series(1, index=list(range(4))),
    'D': np.random.randn(4)
})

# 基本属性
print(df.shape)     # 形状
print(df.dtypes)    # 数据类型
print(df.index)     # 索引
print(df.columns)   # 列名

2.2 数据清洗与处理

# 处理缺失值
df.fillna(value=0)           # 填充缺失值
df.dropna(how='any')         # 删除含有缺失值的行

# 数据转换
df['A'] = df['A'].astype('float64')  # 类型转换
df['B'] = pd.to_datetime(df['B'])    # 转换为日期类型

# 数据筛选
mask = df['A'] > 2
filtered_df = df[mask]       # 条件筛选

# 数据排序
df.sort_values('A', ascending=False)  # 按A列降序排序

2.3 数据聚合与分组操作

# 分组操作
grouped = df.groupby('A')
print(grouped.mean())        # 分组平均值
print(grouped.count())       # 分组计数

# 聚合操作
agg_funcs = {
    'B': 'count',
    'C': ['sum', 'mean'],
    'D': ['min', 'max']
}
result = df.groupby('A').agg(agg_funcs)

3. Matplotlib数据可视化 📈

3.1 基础绘图

import matplotlib.pyplot as plt

# 线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot([1, 2, 3, 4], [1, 4, 2, 3])
plt.title('Simple Line Plot')
plt.xlabel('X axis')
plt.ylabel('Y axis')
plt.grid(True)
plt.show()

# 散点图
plt.scatter(df['A'], df['D'])
plt.title('Scatter Plot')
plt.show()

3.2 高级绘图

# 子图
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 4))

ax1.plot(df['A'], df['B'])
ax1.set_title('Plot 1')

ax2.scatter(df['C'], df['D'])
ax2.set_title('Plot 2')

plt.tight_layout()
plt.show()

# 直方图
plt.hist(df['D'], bins=20)
plt.title('Histogram')
plt.show()

4. 实战案例：股票数据分析 📊

让我们创建一个完整的股票数据分析系统：

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from datetime import datetime, timedelta
import yfinance as yf

class StockAnalyzer:
    """股票数据分析类"""
    
    def __init__(self, symbol: str, start_date: str, end_date: str):
        self.symbol = symbol
        self.start_date = start_date
        self.end_date = end_date
        self.data = None
        self._load_data()
    
    def _load_data(self):
        """加载股票数据"""
        try:
            self.data = yf.download(self.symbol, 
                                  start=self.start_date, 
                                  end=self.end_date)
        except Exception as e:
            raise Exception(f"加载股票数据失败：{str(e)}")
    
    def calculate_technical_indicators(self):
        """计算技术指标"""
        # 移动平均线
        self.data['MA5'] = self.data['Close'].rolling(window=5).mean()
        self.data['MA20'] = self.data['Close'].rolling(window=20).mean()
        
        # RSI指标
        delta = self.data['Close'].diff()
        gain = (delta.where(delta > 0, 0)).rolling(window=14).mean()
        loss = (-delta.where(delta < 0, 0)).rolling(window=14).mean()
        rs = gain / loss
        self.data['RSI'] = 100 - (100 / (1 + rs))
        
        # MACD指标
        exp1 = self.data['Close'].ewm(span=12, adjust=False).mean()
        exp2 = self.data['Close'].ewm(span=26, adjust=False).mean()
        self.data['MACD'] = exp1 - exp2
        self.data['Signal'] = self.data['MACD'].ewm(span=9, adjust=False).mean()
        
        return self.data
    
    def plot_stock_analysis(self):
        """绘制股票分析图表"""
        # 创建子图
        fig = plt.figure(figsize=(15, 10))
        
        # 价格和成交量图
        ax1 = plt.subplot2grid((4, 1), (0, 0), rowspan=2)
        ax2 = plt.subplot2grid((4, 1), (2, 0))
        ax3 = plt.subplot2grid((4, 1), (3, 0))
        
        # 绘制价格和移动平均线
        ax1.plot(self.data.index, self.data['Close'], label='Close')
        ax1.plot(self.data.index, self.data['MA5'], label='MA5')
        ax1.plot(self.data.index, self.data['MA20'], label='MA20')
        ax1.set_title(f'{self.symbol} Stock Analysis')
        ax1.set_ylabel('Price')
        ax1.legend()
        ax1.grid(True)
        
        # 绘制成交量
        ax2.bar(self.data.index, self.data['Volume'])
        ax2.set_ylabel('Volume')
        ax2.grid(True)
        
        # 绘制MACD
        ax3.plot(self.data.index, self.data['MACD'], label='MACD')
        ax3.plot(self.data.index, self.data['Signal'], label='Signal')
        ax3.set_ylabel('MACD')
        ax3.legend()
        ax3.grid(True)
        
        plt.tight_layout()
        return fig
    
    def generate_trading_signals(self):
        """生成交易信号"""
        signals = pd.DataFrame(index=self.data.index)
        signals['signal'] = 0
        
        # MACD交叉信号
        signals['signal'] = np.where(
            self.data['MACD'] > self.data['Signal'], 1, 0)
        signals['position'] = signals['signal'].diff()
        
        return signals
    
    def calculate_returns(self):
        """计算收益率统计"""
        daily_returns = self.data['Close'].pct_change()
        
        stats = {
            'Total Return': (self.data['Close'][-1] / self.data['Close'][0] - 1) * 100,
            'Average Daily Return': daily_returns.mean() * 100,
            'Daily Return Std': daily_returns.std() * 100,
            'Sharpe Ratio': (daily_returns.mean() / daily_returns.std()) * np.sqrt(252),
            'Max Drawdown': ((self.data['Close'] / self.data['Close'].cummax() - 1)
                           .min()) * 100
        }
        
        return pd.Series(stats)

def main():
    """主函数：演示股票分析系统的使用"""
    # 创建分析器实例
    analyzer = StockAnalyzer(
        symbol='AAPL',
        start_date='2023-01-01',
        end_date='2023-12-31'
    )
    
    try:
        # 计算技术指标
        analyzer.calculate_technical_indicators()
        
        # 生成交易信号
        signals = analyzer.generate_trading_signals()
        
        # 计算收益统计
        returns = analyzer.calculate_returns()
        print("\n收益率统计：")
        print(returns)
        
        # 绘制分析图表
        fig = analyzer.plot_stock_analysis()
        plt.show()
        
    except Exception as e:
        print(f"分析过程出错：{str(e)}")

if __name__ == "__main__":
    main()

实战案例特点：

1. 完整的分析框架

   • 数据加载和预处理
   • 技术指标计算
   • 交易信号生成
   • 收益率分析

2. 可视化展示

   • 多子图展示
   • 价格和成交量分析
   • 技术指标展示

3. 模块化设计

   • 清晰的类结构
   • 功能分离
   • 易于扩展

4. 实用的分析工具

   • 移动平均线
   • MACD指标
   • RSI指标
   • 收益率统计

扩展建议：

1. 添加更多技术指标
2. 实现回测系统
3. 添加风险管理模块
4. 实现实时数据分析
5. 添加机器学习预测
6. 实现投资组合分析
7. 添加报告生成功能

这个实战案例展示了如何将NumPy、Pandas和Matplotlib结合起来，创建一个完整的股票数据分析系统。它提供了一个可扩展的框架，可以根据实际需求添加更多功能。

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咱们下一期见！