Pandas学习笔记2——索引

Task02：索引（3天）

Pandas基础

• 单级索引
• loc方法、iloc方法、[]操作符
• loc方法
• iloc方法
• [] 操作符
• Series的[]操作
• DataFrame的[]操作
• 布尔索引
• 快速标量索引
• 区间索引
• 多级索引
• 创建多级索引
• 通过from_tuple或from_arrays
• 通过from_product
• 指定df中的列创建（set_index方法）
• 多层索引切片
• 多层索引中的slice对象
• 索引层的交换
• swaplevel方法（两层交换）
• 索引设定
• index_col参数
• reindex和reindex_like
• set_index和reset_index
• rename_axis和rename
• 常用索引型函数
• where函数
• mask函数
• query函数
• 重复元素处理
• duplicated方法
• drop_duplicates方法
• 抽样函数
• 参考内容

单级索引

loc方法、iloc方法、[]操作符

最常用的索引方法可能就是这三类，其中iloc表示位置索引，loc表示标签索引，[]也具有很大的便利性，各有特点。总结成一句话就是，行用loc，列用[]，位置用iloc。

loc方法

loc的适用条件：只有在index 或者column 为标签型索引的情况下.，只加一个参数时，只能进行 行 选择。

loc可以让你按照索引来进行行列选择，这里需要注意的是：所有在loc中使用的切片全部包含右端点！这是因为如果作为Pandas的使用者，那么肯定不太关心最后一个标签再往后一位是什么，但是如果是左闭右开，那么就很麻烦，先要知道再后面一列的名字是什么，非常不方便，因此Pandas中将loc设计为左右全闭。

loc的逗号两边可以是单个元素、元素列表、布尔列表、函数，四选一。
（1）单行索引

df.loc[1103] # 提取出1103这一行

（2）多行索引

df.loc[[1102,2304]] # 提取出1102和2304这两行
df.loc[1304:2103].head() # 左右全闭，这里不同于切片
df.loc[2402::-1].head() # 这里-1表示逆序

（3）单列索引

df.loc[:,'Height'].head() # 取‘Height’这一列

（4）多列索引

df.loc[:,['Height','Math']].head() # 取'Height','Math'这两列
df.loc[:,'Height':'Math'].head() # 多列连续索引（是闭区间）

（5）联合索引

df.loc[1102:2401:3,'Height':'Math'] # 每三行取一次

（6）函数式索引
所谓传入函数，就是换个方式传入列表或者标量。只不过当你怎么生成这个结果，里面的骚操作空间就很大了，远比单单直接把loc参数定死要灵活。

df.loc[lambda x:x['Gender']=='M'].head() # 取‘Gender’为‘M’的行
#loc中使用的函数，传入参数就是前面的df

# 这里的例子表示，loc中能够传入函数，并且函数的输入值是整张表，输出为标量、切片、合法列表（元素出现在索引中）、合法索引
def f(x):
    return [1101, 1103]
df.loc[f] # 取出‘1101’、‘1103’这两行

（7）布尔索引

df.loc[df['Address'].isin(['street_7','street_4'])].head() 
# 取出‘Address’一列是‘street_7’、‘street_4’的所有行

# 传入布尔列表
# i[-1]指的是街道编号
# 功能同上
df.loc[[
    True if i[-1] == '4' or i[-1] == '7' else False
    for i in df['Address'].values
]].head()

注：本质上说，loc中能传入的只有布尔列表和索引子集构成的列表，只要把握这个原则就很容易理解上面那些操作

iloc方法

iloc的适用条件：只有在index 是整形的情况适用，也就是只适合位置型索引。

如果说loc是按照索引（index）的值来选取的话，那么iloc就是按照索引的位置来进行选取。iloc不关心索引的具体值是多少，只关心位置是多少，所以使用iloc时方括号中只能使用数值。

注意与loc不同，切片右端点不包含。

（1）单行索引

df.iloc[3] # 取第四行
# 与下面的loc用法是一样的效果
df.loc[1104] # ‘1104’是索引名

（2）多行索引

df.iloc[3:5]

（3）单列索引

df.iloc[:,3].head()

（4）多列索引

df.iloc[:, 7::-2].head()  # 倒序，且每两列取一次

（5）混合索引

df.iloc[3::4,7::-2].head() # 每四行取一行，每两列取一列（倒序）

（6）函数式索引

df.iloc[lambda x:[3]].head() # 取第四行

注：iloc中接收的参数只能为整数或整数列表或布尔列表，不能使用布尔Series，如果要用就必须如下把values拿出来。

#df.iloc[df['School']=='S_1'].head() #报错
df.iloc[(df['School']=='S_1').values].head()

[] 操作符

Series的[]操作

（1）单元素索引

s = pd.Series(df['Math'],index=df.index)
s[1101]
#使用的是索引标签

（2）多行索引

s[0:4]
#使用的是绝对位置的整数切片，与元素无关，这里容易混淆

（3）函数式索引

s[lambda x: x.index[16::-6]]
#注意使用lambda函数时，直接切片(如：s[lambda x: 16::-6])就报错，此时使用的不是绝对位置切片，而是元素切片，非常易错

（4）布尔索引

s[s>80]

注：如果不想陷入困境，请不要在行索引为浮点时使用[]操作符，因为在Series中[]的浮点切片并不是进行位置比较，而是值比较，非常特殊。

DataFrame的[]操作

（1）单行索引

df[1:2]
#这里非常容易写成df['label']，会报错
#同Series使用了绝对位置切片

#如果想要获得某一个元素，可用如下get_loc方法：
row = df.index.get_loc(1102)
df[row:row+1]

（2）多行索引

#用切片，如果是选取指定的某几行，推荐使用loc，否则很可能报错
df[3:5]

（3）但列索引

df['School'].head()

（4）多列索引

df[['School','Math']].head()

（5）函数式索引

df[lambda x:['Math','Physics']].head()

（6）布尔索引

df[df['Gender']=='F'].head()

注：一般来说，[]操作符常用于列选择或布尔选择，尽量避免行的选择。

布尔索引

（1）布尔符号：’&’，’|’，’~’：分别代表和and，或or，取反not

df[(df['Gender']=='F')&(df['Address']=='street_2')].head()
# 取‘Gender’为‘F’，‘Address’为‘street_2’的所有行

# 取‘Math’>85或者‘Address’为‘street_7’满足一项的所有行
df[(df['Math']>85)|(df['Address']=='street_7')].head()

# 取反
df[~((df['Math']>75)|(df['Address']=='street_1'))].head()

（2）loc和[]中相应位置都能使用布尔列表选择：

df.loc[df['Math'] > 60, df.columns == 'Physics'].head()

思考：为什么df.loc[df[‘Math’]>60,(df[:8][‘Address’]==‘street_6’).values].head()得到和上述结果一样？values能去掉吗？

df.loc[df['Math']>60,(df[:8]['Address']=='street_6').values].head()

答：8位布尔列表，只有最后一个是‘True’，因此也就和上面一样，把最后一列给选进来。
（3）isin方法

df[df['Address'].isin(['street_1', 'street_4'])
   & df['Physics'].isin(['A', 'A+'])]

#上面也可以用字典方式写：
df[df[['Address', 'Physics']].isin({
    'Address': ['street_1', 'street_4'],
    'Physics': ['A', 'A+']
}).all(1)]
#all与&的思路是类似的，其中的1代表按照跨列方向判断是否全为True

上面也可以用字典方式写：

df[df[['Address', 'Physics']].isin({
    'Address': ['street_1', 'street_4'],
    'Physics': ['A', 'A+']
}).all(1)]
#all与&的思路是类似的，其中的1代表按照跨列方向判断是否全为True

快速标量索引

当只需要取一个元素时，at和iat方法能够提供更快的实现：

display(df.at[1101,'School'])
display(df.loc[1101,'School'])
display(df.iat[0,0])
display(df.iloc[0,0])

下面测试他们的时间：

%timeit df.at[1101,'School']
%timeit df.loc[1101,'School']
%timeit df.iat[0,0]
%timeit df.iloc[0,0]

区间索引

（1）利用interval_range方法

pd.interval_range(start=0,end=5)
#closed参数可选'left''right''both''neither'，默认左开右闭

pd.interval_range(start=0,periods=8,freq=5)
#periods参数控制区间个数，freq控制步长

（2）利用cut将数值列转为区间为元素的分类变量，例如统计数学成绩的区间情况：

math_interval = pd.cut(df['Math'], bins=[0, 40, 60, 80, 100])
#注意，如果没有类型转换，此时并不是区间类型，而是category类型
math_interval.head()

（3）区间索引的选取

df_i = df.join(math_interval,rsuffix='_interval')[['Math','Math_interval']]
            .reset_index().set_index('Math_interval')
df_i.head()

df_i.loc[65].head()
#包含该值就会被选中

df_i.loc[[65,90]]

如果想要选取某个区间，先要把分类变量转为区间变量，再使用overlap方法：

#df_i.loc[pd.Interval(70,75)].head() 报错
df_i[df_i.index.astype('interval').overlaps(pd.Interval(70, 85))].head()

多级索引

创建多级索引

通过from_tuple或from_arrays

（1）直接创建元组

tuples = [('A','a'),('A','b'),('B','a'),('B','b')]
mul_index = pd.MultiIndex.from_tuples(tuples, names=('Upper', 'Lower'))
mul_index

pd.DataFrame({'Score':['perfect','good','fair','bad']},index=mul_index)

（2）利用zip创建元组

L1 = list('AABB')
L2 = list('abab')
tuples = list(zip(L1,L2))
mul_index = pd.MultiIndex.from_tuples(tuples, names=('Upper', 'Lower'))
pd.DataFrame({'Score':['perfect','good','fair','bad']},index=mul_index)

（3）通过Array创建元组

arrays = [['A', 'a'], ['A', 'b'], ['B', 'a'], ['B', 'b']]
mul_index = pd.MultiIndex.from_tuples(arrays, names=('Upper', 'Lower'))
pd.DataFrame({'Score': ['perfect', 'good', 'fair', 'bad']}, index=mul_index)

通过from_product

L1 = ['A','B']
L2 = ['a','b']
mul_index = pd.MultiIndex.from_product([L1,L2],names=('Upper', 'Lower'))
#两两相乘
pd.DataFrame({'Score': ['perfect', 'good', 'fair', 'bad']}, index=mul_index)

指定df中的列创建（set_index方法）

df_using_mul = df.set_index(['Class','Address'])
df_using_mul.head()

多层索引切片

（1）一般切片

#df_using_mul.loc['C_2','street_5']
#当索引不排序时，单个索引会报出性能警告
#df_using_mul.index.is_lexsorted()
#该函数检查是否排序
df_using_mul.sort_index().loc['C_2','street_5']
#df_using_mul.sort_index().index.is_lexsorted()

#df_using_mul.loc[('C_2','street_5'):] 报错
#当不排序时，不能使用多层切片
df_using_mul.sort_index().loc[('C_2','street_6'):('C_3','street_4')]
#注意此处由于使用了loc，因此仍然包含右端点

df_using_mul.sort_index().loc[('C_2','street_7'):'C_3'].head()
#非元组也是合法的，表示选中该层所有元素

（2）第一类特殊情况：由元组构成列表

df_using_mul.sort_index().loc[[('C_2','street_7'),('C_3','street_2')]]
#表示选出某几个元素，精确到最内层索引

（3）第二类特殊情况：由列表构成元组

df_using_mul.sort_index().loc[(['C_2','C_3'],['street_4','street_7']),:]
#选出第一层在‘C_2’和'C_3'中且第二层在'street_4'和'street_7'中的行

注意两者的区别：

多层索引中的slice对象

L1,L2 = ['A','B','C'],['a','b','c']
mul_index1 = pd.MultiIndex.from_product([L1,L2],names=('Upper', 'Lower'))
L3,L4 = ['D','E','F'],['d','e','f']
mul_index2 = pd.MultiIndex.from_product([L3,L4],names=('Big', 'Small'))
df_s = pd.DataFrame(np.random.rand(9,9),index=mul_index1,columns=mul_index2)
df_s

索引Slice的使用非常灵活：

df_s.loc[idx['B':,df_s['D']['d']>0.3],idx[df_s.sum()>4]]
#df_s.sum()默认为对列求和，因此返回一个长度为9的数值列表

索引层的交换

swaplevel方法（两层交换）

df_using_mul.swaplevel(i=1,j=0,axis=0).sort_index().head()

#如果索引有name，可以直接使用name
df_muls.reorder_levels(['Address','School','Class'],axis=0).sort_index().head()

效果是一样的。

索引设定

index_col参数

index_col是read_csv中的一个参数，而不是某一个方法：

pd.read_csv('data/table.csv',index_col=['Address','School']).head()

reindex和reindex_like

（1）reindex是指重新索引，它的重要特性在于索引对齐，很多时候用于重新排序

df.reindex(index=[1101,1203,1206,2402])

df.reindex(columns=['Height','Gender','Average']).head()

（2）可以选择缺失值的填充方法：fill_value和method（bfill/ffill/nearest），其中method参数必须索引单调

df.reindex(index=[1101,1203,1206,2402],method='bfill')
#bfill表示用所在索引1206的后一个有效行填充，ffill为前一个有效行，nearest是指最近的

df.reindex(index=[1101,1203,1206,2402],method='nearest')
#数值上1205比1301更接近1206，因此用前者填充

（3）reindex_like的作用为生成一个横纵索引完全与参数列表一致的DataFrame，数据使用被调用的表

df_temp = pd.DataFrame({
    'Weight': np.zeros(5),
    'Height': np.zeros(5),
    'ID': [1101, 1104, 1103, 1106, 1102]
}).set_index('ID')
df_temp.reindex_like(df[0:5][['Weight', 'Height']])

（4）如果df_temp单调还可以使用method参数：

df_temp = pd.DataFrame({
    'Weight': range(5),
    'Height': range(5),
    'ID': [1101, 1104, 1103, 1106, 1102]
}).set_index('ID').sort_index()
df_temp.reindex_like(df[0:5][['Weight', 'Height']], method='bfill')
#可以自行检验这里的1105的值是否是由bfill规则填充

set_index和reset_index

（1）先介绍set_index：从字面意思看，就是将某些列作为索引。
（2）使用表内列作为索引：

df.set_index('Class').head()

（3）利用append参数可以将当前索引维持不变

df.set_index('Class',append=True).head()

（4）当使用与表长相同的列作为索引（需要先转化为Series，否则报错）：

df.set_index(pd.Series(range(df.shape[0]))).head()

（5） 可以直接添加多级索引：

df.set_index([pd.Series(range(df.shape[0])),
              pd.Series(np.ones(df.shape[0]))]).head()

（6）下面介绍reset_index方法，它的主要功能是将索引重置
（7）默认状态直接恢复到自然数索引：

（8）用level参数指定哪一层被reset，用col_level参数指定set到哪一层：

rename_axis和rename

（1）rename_axis是针对多级索引的方法，作用是修改某一层的索引名，而不是索引标签

df_temp.rename_axis(index={'Lower':'LowerLower'},columns={'Big':'BigBig'})

（2）rename方法用于修改列或者行索引标签，而不是索引名：

df_temp.rename(index={'A':'T'},columns={'e':'changed_e'}).head()

常用索引型函数

where函数

（1）对条件为False的单元进行填充

（2）通过这种方法筛选结果和[]操作符的结果完全一致：

# 把‘Gender’不等于M的行全部去除
df.where(df['Gender']=='M').dropna().head()

（3）第一个参数为布尔条件，第二个参数为填充值：

df.where(df['Gender']=='M',np.random.rand(df.shape[0],df.shape[1])).head()

mask函数

mask函数与where功能上相反，其余完全一致，即对条件为True的单元进行填充

# 把‘Gender’等于M的所有行全部删除
df.mask(df['Gender']=='M').dropna().head()

df.mask(df['Gender']=='M',np.random.rand(df.shape[0],df.shape[1])).head()

query函数

query函数中的布尔表达式中，下面的符号都是合法的：行列索引名、字符串、and/not/or/&/|/~/not in/in/==/!=、四则运算符

df.query(
    '(Address in ["street_6","street_7"])&(Weight>(70+10))&(ID in [1303,2304,2402])'
)

重复元素处理

duplicated方法

（1）该方法返回了是否重复的布尔列表

（2）可选参数keep默认为first，即首次出现设为不重复，若为last，则最后一次设为不重复，若为False，则所有重复项为True

drop_duplicates方法

（1）从名字上看出为剔除重复项，这在后面章节中的分组操作中可能是有用的，例如需要保留每组的第一个值：

df.drop_duplicates('Class')

（2）参数与duplicate函数类似：

df.drop_duplicates('Class',keep='last')

（3）在传入多列时等价于将多列共同视作一个多级索引，比较重复项：

df.drop_duplicates(['School','Class'])

抽样函数

这里的抽样函数指的就是sample函数
（1）n为样本量

df.sample(n=5)

（2）frac为抽样比

df.sample(frac=0.05)

（3）replace为是否放回

df.sample(n=df.shape[0],replace=True).head()

（4）axis为抽样维度，默认为0，即抽行

df.sample(n=3,axis=1).head()

（5）weights为样本权重，自动归一化

参考内容

1. 教程仓库链接
2. 《利用Python进行数据分析》