1．4．5 pandas -Python机器学习基础教程(上)

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1.4.5 Pandas：数据处理的瑞士军刀

在Python的机器学习生态系统中，Pandas无疑是最强大的数据处理和分析库之一，被誉为数据科学的“瑞士军刀”。它提供了高性能、易用的数据结构和数据分析工具，使得数据清洗、转换、分析和可视化等任务变得异常简单。本章节将深入探讨Pandas的核心功能，包括其数据结构、基本操作、数据清洗与预处理、以及如何利用Pandas为机器学习项目准备数据。

1.4.5.1 Pandas简介

Pandas基于NumPy构建，提供了两种主要的数据结构：Series（一维数组）和DataFrame（二维表格型数据结构，类似于Excel中的表格）。Series用于存储一维同质数据（即数据类型相同的数据），而DataFrame则是一个表格型的数据结构，可以存储具有不同数据类型的列，非常适合处理和分析结构化数据。

1.4.5.2 数据结构

Series

Series是Pandas中最基本的数据结构，它类似于一维数组或列表，但提供了更丰富的功能。Series对象包含三个主要组成部分：索引（index）、值（values）和名称（name，可选）。索引是Series的轴标签，允许我们快速访问、修改或删除数据。

import pandas as pd
# 创建一个Series
s = pd.Series([1, 2, 3, 4, 5], index=['a', 'b', 'c', 'd', 'e'], name='numbers')
print(s)

DataFrame

DataFrame是Pandas中用于存储和操作结构化数据的主要数据结构。它类似于SQL表或Excel中的数据表，每列可以是不同的数据类型（数值、字符串、布尔值等）。DataFrame由行索引和列标签组成，允许我们以多种方式访问、修改数据。

# 创建一个DataFrame
data = {'Name': ['Tom', 'Jerry', 'Mickey'], 'Age': [5, 7, 9], 'City': ['New York', 'Chicago', 'Los Angeles']}
df = pd.DataFrame(data)
print(df)

1.4.5.3 基本操作

Pandas提供了大量的方法来执行基本的数据操作，包括但不限于数据选择、过滤、排序、分组和合并。

数据选择：通过行索引、列名或条件表达式选择数据。

# 选择列
print(df['Name'])
# 选择行
print(df.loc['Tom'])
# 条件选择
print(df[df['Age'] > 5])

数据过滤：使用布尔索引过滤数据。

# 过滤出年龄大于5的记录
filtered_df = df[df['Age'] > 5]
print(filtered_df)

数据排序：按一列或多列对数据进行排序。

# 按年龄升序排序
sorted_df = df.sort_values(by='Age')
print(sorted_df)

数据分组：使用groupby方法将数据分成多个组，并对每个组执行聚合操作。

# 按城市分组，并计算每个城市的年龄平均值
grouped = df.groupby('City')['Age'].mean()
print(grouped)

数据合并：使用merge、join或concat等方法合并多个DataFrame。

# 假设有另一个DataFrame
df2 = pd.DataFrame({'Name': ['Tom', 'Donald', 'Goofy'], 'Job': ['Cat', 'Duck', 'Dog']})
# 基于Name列合并df和df2
merged_df = pd.merge(df, df2, on='Name')
print(merged_df)

1.4.5.4 数据清洗与预处理

在机器学习项目中，数据清洗和预处理是至关重要的一步。Pandas提供了丰富的功能来帮助我们处理缺失值、异常值、数据类型不一致等问题。

处理缺失值：使用fillna、dropna等方法填充或删除缺失值。

# 填充缺失值
df_filled = df.fillna(0)  # 假设我们用0填充缺失值
# 删除含有缺失值的行
df_dropped = df.dropna()

处理异常值：根据业务逻辑或统计方法识别并处理异常值，如使用describe查看统计信息，结合条件过滤。
数据类型转换：使用astype方法转换数据类型，确保数据的一致性。
重命名和映射：使用rename、replace等方法重命名列名或替换数据中的值。
文本数据处理：Pandas结合正则表达式等工具，可以对文本数据进行清洗和预处理，如去除空格、转换大小写、分词等。

1.4.5.5 Pandas在机器学习项目中的应用

在机器学习项目中，Pandas通常用于数据准备阶段。这包括加载数据、探索性数据分析（EDA）、数据清洗、特征工程以及数据集的分割（训练集、验证集、测试集）。

加载数据：Pandas可以轻松读取多种格式的数据文件，如CSV、Excel、JSON等。
探索性数据分析：利用Pandas的统计函数和可视化工具（结合Matplotlib、Seaborn等库）对数据进行初步分析，了解数据的分布、缺失情况、异常值等。
数据清洗：如前所述，Pandas提供了丰富的功能来处理缺失值、异常值等，确保数据的准确性和完整性。
特征工程：Pandas可以帮助我们创建新的特征、转换现有特征（如编码分类变量、归一化数值特征等），为机器学习模型提供有效的输入。
数据集的分割：使用Pandas的随机抽样功能，可以将数据集分割为训练集、验证集和测试集，以便评估模型性能。

总之，Pandas是Python机器学习项目中不可或缺的工具之一。通过掌握Pandas的核心功能和技巧，我们可以更加高效地处理和分析数据，为机器学习模型的构建和优化提供坚实的基础。