【pandas】变形（长宽表变换）

变形

长宽表的变形

长表变宽表就是一个分类变量的多个值展开成多个变量，和哑变量变换有点相似，但不是0-1编码而是其他变量的值。

宽表变长表类似，多个类别可以化在一个分类变量下。

pivot

pivot是一种典型的长表变宽表的函数，首先来看一个例子：下表存储了张三和李四的语文和数学分数，现在想要把语文和数学分数作为列来展示。

df = pd.DataFrame({
    
    'Class':[1,1,2,2],
                   'Name':['San Zhang','San Zhang','Si Li','Si Li'],
                   'Subject':['Chinese','Math','Chinese','Math'],
                   'Grade':[80,75,90,85]})
df

对于一个基本的长变宽的操作而言，最重要的有三个要素，分别是变形后的行索引、需要转到列索引的列，以及这些列和行索引对应的数值，它们分别对应了pivot方法中的index, columns, values参数。新生成表的列索引是columns对应列的unique值，而新表的行索引是index对应列的unique值，而values对应了想要展示的数值列。

df.pivot(index='Name', columns='Subject', values='Grade')

⭐注意：利用pivot进行变形操作需要满足唯一性的要求，即由于在新表中的行列索引对应了唯一的value，因此原表中的index和columns对应两个列的行组合必须唯一。

多级索引

pandas从1.1.0开始，pivot相关的三个参数允许被设置为列表，这也意味着会返回多级索引。这里构造一个相应的例子来说明如何使用：下表中六列分别为班级、姓名、测试类型（期中考试和期末考试）、科目、成绩、排名。pandas从1.1.0开始，pivot相关的三个参数允许被设置为列表，这也意味着会返回多级索引。这里构造一个相应的例子来说明如何使用：下表中六列分别为班级、姓名、测试类型（期中考试和期末考试）、科目、成绩、排名。

df = pd.DataFrame({
    
    'Class':[1, 1, 2, 2, 1, 1, 2, 2],
                   'Name':['San Zhang', 'San Zhang', 'Si Li', 'Si Li',
                              'San Zhang', 'San Zhang', 'Si Li', 'Si Li'],
                   'Examination': ['Mid', 'Final', 'Mid', 'Final',
                                    'Mid', 'Final', 'Mid', 'Final'],
                   'Subject':['Chinese', 'Chinese', 'Chinese', 'Chinese',
                                 'Math', 'Math', 'Math', 'Math'],
                   'Grade':[80, 75, 85, 65, 90, 85, 92, 88],
                   'rank':[10, 15, 21, 15, 20, 7, 6, 2]})
df

现在想要把测试类型和科目联合组成的四个类别（期中语文、期末语文、期中数学、期末数学）转到列索引，并且同时统计成绩和排名：

pivot_multi = df.pivot(index = ['Class', 'Name'],
                       columns = ['Subject','Examination'],
                       values = ['Grade','rank'])
pivot_multi

pivot_table

pivot的使用依赖于唯一性条件，那如果不满足唯一性条件，那么必须通过聚合操作使得相同行列组合对应的多个值变为一个值。例如，张三和李四都参加了两次语文考试和数学考试，按照学院规定，最后的成绩是两次考试分数的平均值，此时就无法通过pivot函数来完成。

df = pd.DataFrame({
    
    'Name':['San Zhang', 'San Zhang', 
                              'San Zhang', 'San Zhang',
                              'Si Li', 'Si Li', 'Si Li', 'Si Li'],
                   'Subject':['Chinese', 'Chinese', 'Math', 'Math',
                                 'Chinese', 'Chinese', 'Math', 'Math'],
                   'Grade':[80, 90, 100, 90, 70, 80, 85, 95]})
df

pandas中提供了pivot_table来实现，其中的aggfunc参数就是使用的聚合函数。上述场景可以如下写出：

df.pivot_table(index = 'Name',
               columns = 'Subject',
               values = 'Grade',
               aggfunc = 'mean')

此外，pivot_table具有边际汇总的功能，可以通过设置margins=True来实现，其中边际的聚合方式与aggfunc中给出的聚合方法一致。下面就分别统计了语文均分和数学均分、张三均分和李四均分，以及总体所有分数的均分：

df.pivot_table(index = 'Name',
               columns = 'Subject',
               values = 'Grade',
               aggfunc='mean',
               margins=True)

行或列的汇总为新表中行元素或者列元素的平均值，而总体的汇总为新表中四个元素的平均值。这种关系是随着aggfunc聚合函数变化的。

df.pivot_table(index = 'Name',
               columns = 'Subject',
               values = 'Grade',
               aggfunc='sum',
               margins=True)

melt

长宽表只是数据呈现方式的差异，但其包含的信息量是等价的，前面提到了利用pivot把长表转为宽表，那么就可以通过相应的逆操作把宽表转为长表，melt函数就起到了这样的作用。在下面的例子中，Subject以列索引的形式存储，现在想要将其压缩到一个列中。

df = pd.DataFrame({
    
    'Class':[1,2],
                   'Name':['San Zhang', 'Si Li'],
                   'Chinese':[80, 90],
                   'Math':[80, 75]})
df

Class	Name	Chinese	Math
0	1	San Zhang	80	80
1	2	Si Li	90	75

df_melted = df.melt(id_vars = ['Class', 'Name'],
                    value_vars = ['Chinese', 'Math'],
                    var_name = 'Subject',
                    value_name = 'Grade')
df_melted

Class	Name	Subject	Grade
0	1	San Zhang	Chinese	80
1	2	Si Li	Chinese	90
2	1	San Zhang	Math	80
3	2	Si Li	Math	75

melt的主要参数和压缩的过程如下图所示：

逆操作

前面提到了melt和pivot是一组互逆过程，那么就一定可以通过pivot操作把df_melted转回df的形式：

df_unmelted = df_melted.pivot(index = ['Class', 'Name'],
                              columns='Subject',
                              values='Grade')
df_unmelted # 下面需要恢复索引，并且重命名列索引名称

	Subject	Chinese	Math
Class	Name
1	San Zhang	80	80
2	Si Li	90	75

df_unmelted = df_unmelted.reset_index().rename_axis(columns={
    
    'Subject':''})
df_unmelted.equals(df)

	Class	Name	Chinese	Math
0	1	San Zhang	80	80
1	2	Si Li	90	75

wide_to_long

melt方法中，在列索引中被压缩的一组值对应的列元素只能代表同一层次的含义，即values_name。现在如果列中包含了交叉类别，比如期中期末的类别和语文数学的类别，那么想要把values_name对应的Grade扩充为两列分别对应语文分数和数学分数，只把期中期末的信息压缩，这种需求下就要使用wide_to_long函数来完成。

df = pd.DataFrame({
    
    'Class':[1,2],'Name':['San Zhang', 'Si Li'],
                   'Chinese_Mid':[80, 75], 'Math_Mid':[90, 85],
                   'Chinese_Final':[80, 75], 'Math_Final':[90, 85]})
df

	Class	Name	Chinese_Mid	Math_Mid	Chinese_Final	Math_Final
0	1	San Zhang	80	90	80	90
1	2	Si Li	75	85	75	85

pd.wide_to_long(df,
                stubnames=['Chinese', 'Math'],
                i = ['Class', 'Name'],
                j='Examination',
                sep='_',
                suffix='.+')

索引的变形

这里主要指行列索引的变换

stack与unstack

unstack

unstack函数的作用是把行索引转为列索引，例如下面这个简单的例子：

df = pd.DataFrame(np.ones((4,2)),
                  index = pd.Index([('A', 'cat', 'big'),
                                    ('A', 'dog', 'small'),
                                    ('B', 'cat', 'big'),
                                    ('B', 'dog', 'small')]),
                  columns=['col_1', 'col_2'])
df

df.unstack()

unstack的主要参数是移动的层号，默认转化最内层，移动到列索引的最内层，同时支持同时转化多个层：

⭐唯一性要求：在unstack中必须保证被转为列索引的行索引层被转为列索引的行索引层和被保留的行索引层被保留的行索引层构成的组合是唯一的

stack

与unstack相反，stack的作用就是把列索引的层压入行索引，其用法完全类似。

聚合与变形的关系

在上面介绍的所有函数中，除了带有聚合效果的pivot_table以外，所有的函数在变形前后并不会带来values个数的改变，只是这些值在呈现的形式上发生了变化。在上一章讨论的分组聚合操作，由于生成了新的行列索引，因此必然也属于某种特殊的变形操作，但由于聚合之后把原来的多个值变为了一个值，因此values的个数产生了变化，这也是分组聚合与变形函数的最大区别。

其他变形函数

crosstab

crosstab并不是一个值得推荐使用的函数，因为它能实现的所有功能pivot_table都能完成，并且速度更快。在默认状态下，crosstab可以统计元素组合出现的频数，即count操作。例如统计learn_pandas数据集中学校和转系情况对应的频数：

⭐从上面可以看出这两个函数的区别在于，crosstab的对应位置传入的是具体的序列，而pivot_table传入的是被调用表对应的名字，若传入序列对应的值则会报错。

⭐crosstab的性能劣于pivot_table

explode

explode参数能够对某一列的元素进行纵向的展开，被展开的单元格必须存储list, tuple, Series, np.ndarray中的一种类型。

get_dummies

get_dummies是用于特征构建的重要函数之一，其作用是把类别特征转为指示变量。例如，对年级一列转为指示变量，属于某一个年级的对应列标记为1，否则为0：

实战

Ex1

现有一份关于美国非法药物的数据集，其中SubstanceName, DrugReports分别指药物名称和报告数量：

1. 将数据转为如下的形式：

解答：

#用pivot将“YYYY”的长表变成宽表
df_unmelted=df.pivot(index=['State','COUNTY','SubstanceName'],columns='YYYY',values='DrugReports')
df_unmelted

#恢复索引，并且重命名列索引名称
df_unmelted = df_unmelted.reset_index().rename_axis(columns={
    
    'YYYY':''})
df_unmelted

2. 将第1问中的结果恢复为原表。

#将年份的宽表变成长表,同时删除DrugReports为空的值
df_melted = df_unmelted.melt(id_vars=['State','COUNTY','SubstanceName'],
                            value_vars=df_unmelted.columns[-8:],
                            var_name='YYYY',
                            value_name='DrugReports').dropna(subset=['DrugReports'])
df_melted 

#重置索引，行排序，调制年份及DrugReports的格式
df_melted  = df_melted.sort_values([ 'State','COUNTY','SubstanceName']) .reset_index().astype({
    
    'YYYY':'int64', 'DrugReports':'int64'})
df_melted 

#列排序
df_melted = df_melted[['YYYY','State','COUNTY','SubstanceName','DrugReports']]
df_melted

3. 按 State 分别统计每年的报告数量总和，其中 State, YYYY 分别为列索引和行索引，要求分别使用 pivot_table 函数与 groupby+unstack 两种不同的策略实现，并体会它们之间的联系。

Ex2 特殊的wide_to_long方法

从功能上看，melt方法应当属于wide_to_long的一种特殊情况，即stubnames只有一类。请使用wide_to_long生成melt一节中的df_melted。（提示：对列名增加适当的前缀）

df = pd.DataFrame({
    
    'Class':[1,2],
                   'Name':['San Zhang', 'Si Li'],
                   'Chinese':[80, 90],
                   'Math':[80, 75]})
df = df.rename(columns={
    
    'Chinese':'pre_Chinese', 'Math':'pre_Math'})
pd.wide_to_long(df,
                stubnames=['pre'],
                i = ['Class', 'Name'],
                j='Subject',
                sep='_',
                suffix='.+').reset_index().rename(columns={
    
    'pre':'Grade'})

参考：
joyful pandas第五章变形