Как анализировать данные на Python с Pandas: первые шаги

Pandas — главная Python-библиотека для анализа данных. Она быстрая и мощная: в ней можно работать с таблицами, в которых миллионы строк. Вместе с Марией Жаровой, ментором проекта на курсе по Data Science, рассказываем про команды, которые позволят начать работать с реальными данными.

Среда разработки

Pandas работает как в IDE (средах разработки), так и в облачных блокнотах для программирования. Как установить библиотеку в конкретную IDE, читайте тут. Мы для примера будем работать в облачной среде Google Colab. Она удобна тем, что не нужно ничего устанавливать на компьютер: файлы можно загружать и работать с ними онлайн, к тому же есть совместный режим для работы с коллегами. Про Colab мы писали в этом обзоре.

Пройдите тест и узнайте, какой вы аналитик данных и какие перспективы вас ждут. Ссылка в конце статьи.

Анализ данных в Pandas

Работа с отдельными столбцами или строками

Выделить несколько столбцов можно разными способами.

1. Сделать срез фрейма df[['Место в рейтинге', 'Ожидаемая продолжительность здоровой жизни']]

Срез можно сохранить в новой переменной: data_new = df[['Место в рейтинге', 'Ожидаемая продолжительность здоровой жизни']]

Теперь можно выполнить любое действие с этим сокращенным фреймом.

2. Использовать метод loc

Если столбцов очень много, можно использовать метод loc, который ищет значения по их названию: df.loc [:, 'Место в рейтинге':'Социальная поддержка']

В этом случае мы оставили все столбцы от Места в рейтинге до Социальной поддержки.

3. Использовать метод iloc

Если нужно вырезать одновременно строки и столбцы, можно сделать это с помощью метода iloc:df.iloc[0:100, 0:5]

Первый параметр показывает индексы строк, которые останутся, второй — индексы столбцов. Получаем такой фрейм:

В методе iloc значения в правом конце исключаются, поэтому последняя строка, которую мы видим, — 99.

4. Использовать метод tolist()

Можно выделить какой-либо столбец в отдельный список при помощи метода tolist(). Это упростит задачу, если необходимо извлекать данные из столбцов: df['Баллы'].tolist()

Часто бывает нужно получить в виде списка названия столбцов датафрейма. Это тоже можно сделать с помощью метода tolist(): df.columns.tolist()

Добавление новых строк и столбцов

В исходный датасет можно добавлять новые столбцы, создавая новые «признаки», как говорят в машинном обучении. Например, создадим столбец «Сумма», в который просуммируем значения колонок «ВВП на душу населения» и «Социальная поддержка» (сделаем это в учебных целях, практически суммирование этих показателей не имеет смысла): df['Сумма'] = df['ВВП на душу населения'] + df['Социальная поддержка']

Можно добавлять и новые строки: для этого нужно составить словарь с ключами — названиями столбцов. Если вы не укажете значения в каких-то столбцах, они по умолчанию заполнятся пустыми значениями NaN. Добавим еще одну страну под названием Country: new_row = {'Место в рейтинге': 100, 'Страна или регион': 'Country', 'Баллы': 100} df = df.append(new_row, ignore_index=True)

Важно: при добавлении новой строки методом .append() не забывайте указывать параметр ignore_index=True, иначе возникнет ошибка.

Иногда бывает полезно добавить строку с суммой, медианой или средним арифметическим) по столбцу. Сделать это можно с помощью агрегирующих (aggregate (англ.) — группировать, объединять) функций: sum(), mean(), median(). Для примера добавим в конце строку с суммами значений по каждому столбцу: df = df.append(df.sum(axis=0), ignore_index = True)

Удаление строк и столбцов

Удалить отдельные столбцы можно при помощи метода drop() — это целесообразно делать, если убрать нужно небольшое количество столбцов. df = df.drop(['Сумма'], axis = 1)

В других случаях лучше воспользоваться описанными выше срезами.

Обратите внимание, что этот метод требует дополнительного сохранения через присваивание датафрейма с примененным методом исходному. Также в параметрах обязательно нужно указать axis = 1, который показывает, что мы удаляем именно столбец, а не строку.

Соответственно, задав параметр axis = 0, можно удалить любую строку из датафрейма: для этого нужно написать ее номер в качестве первого аргумента в методе drop(). Удалим последнюю строчку (указываем ее индекс — это будет количество строк): df = df.drop(df.shape[0]-1, axis = 0)

Копирование датафрейма

Можно полностью скопировать исходный датафрейм в новую переменную. Это пригодится, если нужно преобразовать много данных и при этом работать не с отдельными столбцами, а со всеми данными: df_copied = df.copy()

Уникальные значения

Уникальные значения в какой-либо колонке датафрейма можно вывести при помощи метода .unique(): df['Страна или регион'].unique()

Чтобы дополнительно узнать их количество, можно воспользоваться функцией len():len(df['Страна или регион'].unique())

Подсчет количества значений

Отличается от предыдущего метода тем, что дополнительно подсчитывает количество раз, которое то или иное уникальное значение встречается в колонке, пишется как .value_counts(): df['Страна или регион'].value_counts()

Группировка данных

Некоторым обобщением .value_counts() является метод .groupby() — он тоже группирует данные какого-либо столбца по одинаковым значениям. Отличие в том, что при помощи него можно не просто вывести количество уникальных элементов в одном столбце, но и найти для каждой группы сумму / среднее значение / медиану по любым другим столбцам.

Рассмотрим несколько примеров. Чтобы они были более наглядными, округлим все значения в столбце «Баллы» (тогда в нем появятся значения, по которым мы сможем сгруппировать данные): df['Баллы_new'] = round(df['Баллы'])

1) Сгруппируем данные по новому столбцу баллов и посчитаем, сколько уникальных значений для каждой группы содержится в остальных столбцах. Для этого в качестве агрегирующей функции используем .count():df.groupby('Баллы_new').count()

Получается, что чаще всего страны получали 6 баллов (таких было 49):

2) Получим более содержательный для анализа данных результат — посчитаем сумму значений в каждой группе. Для этого вместо .count() используем sum():df.groupby('Баллы_new').sum()

3) Теперь рассчитаем среднее значение по каждой группе, в качестве агрегирующей функции в этом случае возьмем mean():df.groupby('Баллы_new').mean()

4) Рассчитаем медиану. Для этого пишем команду median():df.groupby('Баллы_new').median()

Это самые основные агрегирующие функции, которые пригодятся на начальном этапе работы с данными.

Вот пример синтаксиса, как можно сагрегировать значения по группам при помощи сразу нескольких функций:
df_agg = df.groupby('Баллы_new').agg({ 'Баллы_new': 'count', 'Баллы_new': 'sum', 'Баллы_new': 'mean', 'Баллы_new': 'median' })

Сводные таблицы

Бывает, что нужно сделать группировку сразу по двум параметрам. Для этого в Pandas используются сводные таблицы или pivot_table(). Они составляются на основе датафреймов, но, в отличие от них, группировать данные можно не только по значениям столбцов, но и по строкам.

В ячейки такой таблицы помещаются сгруппированные как по «координате» столбца, так и по «координате» строки значения. Соответствующую агрегирующую функцию указываем отдельным параметром.

Разберемся на примере. Сгруппируем средние значения из столбца «Социальная поддержка» по баллам в рейтинге и значению ВВП на душу населения. В прошлом действии мы уже округлили значения баллов, теперь округлим и значения ВВП: df['ВВП_new'] = round(df['ВВП на душу населения'])

Теперь составим сводную таблицу: по горизонтали расположим сгруппированные значения из округленного столбца «ВВП» (ВВП_new), а по вертикали — округленные значения из столбца «Баллы» (Баллы_new). В ячейках таблицы будут средние значения из столбца «Социальная поддержка», сгруппированные сразу по этим двум столбцам: pd.pivot_table(df, index = ['Баллы_new'], columns = ['ВВП_new'], values = 'Социальная поддержка', aggfunc = 'mean')

Сортировка данных

Строки датасета можно сортировать по значениям любого столбца при помощи функции sort_values(). По умолчанию метод делает сортировку по убыванию. Например, отсортируем по столбцу значений ВВП на душу населения: df.sort_values(by = 'ВВП на душу населения').head()

Видно, что самые высокие ВВП совсем не гарантируют высокое место в рейтинге.

Чтобы сделать сортировку по убыванию, можно воспользоваться параметром ascending (от англ. «по возрастанию») = False: df.sort_values(by = 'ВВП на душу населения', ascending=False)

Фильтрация

Иногда бывает нужно получить строки, удовлетворяющие определенному условию; для этого используется «фильтрация» датафрейма. Условия могут быть самые разные, рассмотрим несколько примеров и их синтаксис:

1) Получение строки с конкретным значением какого-либо столбца (выведем строку из датасета для Норвегии): df[df['Страна или регион'] == 'Norway']

2) Получение строк, для которых значения в некотором столбце удовлетворяют неравенству. Выведем строки для стран, у которых «Ожидаемая продолжительность здоровой жизни» больше единицы:
df[df['Ожидаемая продолжительность здоровой жизни'] > 1]

3) В условиях фильтрации можно использовать не только математические операции сравнения, но и методы работы со строками. Выведем строки датасета, названия стран которых начинаются с буквы F, — для этого воспользуемся методом .startswith():
df[df['Страна или регион'].str.startswith('F')]

4) Можно комбинировать несколько условий одновременно, используя логические операторы. Выведем строки, в которых значение ВВП больше 1 и уровень социальной поддержки больше 1,5: df[(df['ВВП на душу населения'] > 1) & (df['Социальная поддержка'] > 1.5)]

Таким образом, если внутри внешних квадратных скобок стоит истинное выражение, то строка датасета будет удовлетворять условию фильтрации. Поэтому в других ситуациях можно использовать в условии фильтрации любые функции/конструкции, возвращающие значения True или False.

Применение функций к столбцам

Зачастую встроенных функций и методов для датафреймов из библиотеки бывает недостаточно для выполнения той или иной задачи. Тогда мы можем написать свою собственную функцию, которая преобразовывала бы строку датасета как нам нужно, и затем использовать метод .apply() для применения этой функции ко всем строкам нужного столбца.

Рассмотрим пример: напишем функцию, которая преобразует все буквы в строке к нижнему регистру, и применим к столбцу стран и регионов: def my_lower(row): return row.lower() df['Страна или регион'].apply(lower)

Очистка данных

Это целый этап работы с данными при подготовке их к построению моделей и нейронных сетей. Рассмотрим основные приемы и функции.

1) Удаление дубликатов из датасета делается при помощи функции drop_duplucates(). По умолчанию удаляются только полностью идентичные строки во всем датасете, но можно указать в параметрах и отдельные столбцы. Например, после округления у нас появились дубликаты в столбцах «ВВП_new» и «Баллы_new», удалим их: df_copied = df.copy() df_copied.drop_duplicates(subset = ['ВВП_new', 'Баллы_new'])

Этот метод не требует дополнительного присваивания в исходную переменную, чтобы результат сохранился, — поэтому предварительно создадим копию нашего датасета, чтобы не форматировать исходный.

Строки-дубликаты удаляются полностью, таким образом, их количество уменьшается. Чтобы заменить их на пустые, можно использовать параметр inplace = True.df_copied.drop_duplicates(subset = ['ВВП_new', 'Баллы_new'], inplace = True)

2) Для замены пропусков NaN на какое-либо значение используется функция fillna(). Например, заполним появившиеся после предыдущего пункта пропуски в последней строке нулями: df_copied.fillna(0)

3) Пустые строки с NaN можно и вовсе удалить из датасета, для этого используется функция dropna() (можно также дополнительно указать параметр inplace = True): df_copied.dropna()

Построение графиков

В Pandas есть также инструменты для простой визуализации данных.

1) Обычный график по точкам.

Построим зависимость ВВП на душу населения от места в рейтинге: df.plot(x = 'Место в рейтинге', y = 'ВВП на душу населения')

2) Гистограмма.

Отобразим ту же зависимость в виде столбчатой гистограммы: df.plot.hist(x = 'Место в рейтинге', y = 'ВВП на душу населения')

3) Точечный график.
df.plot.scatter(x = 'Место в рейтинге', y = 'ВВП на душу населения')

Мы видим предсказуемую тенденцию: чем выше ВВП на душу населения, тем ближе страна к первой строчке рейтинга.

Сохранение датафрейма на компьютер

Сохраним наш датафрейм на компьютер: df.to_csv('WHR_2019.csv')

Теперь с ним можно работать и в других программах.

Блокнот с кодом можно скачать здесь (формат .ipynb).

Тест-симулятор по аналитике данных