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pandas之query方法和sample隨機抽樣操作

query方法

在 pandas 中，支持把字符串形式的查詢表達式傳入 query 方法來查詢數據，其表達式的執行結果必須返回布爾列表。在進行復雜索引時，由于這種檢索方式無需像普通方法一樣重復使用 DataFrame 的名字來引用列名，一般而言會使代碼長度在不降低可讀性的前提下有所減少。

例如

In [61]: df.query('((School == "Fudan University")'
  ....:     ' (Grade == "Senior")'
  ....:     ' (Weight > 70))|'
  ....:     '((School == "Peking University")'
  ....:     ' (Grade != "Senior")'
  ....:     ' (Weight > 80))')
  ....: 
Out[61]: 
        School   Grade      Name Gender Weight Transfer
38  Peking University Freshman    Qiang Han  Male  87.0    N
66  Fudan University  Senior Chengpeng Zhou  Male  81.0    N
99  Peking University Freshman Changpeng Zhao  Male  83.0    N
131  Fudan University  Senior Chengpeng Qian  Male  73.0    Y

在 query 表達式中，幫用戶注冊了所有來自 DataFrame 的列名，所有屬于該 Series 的方法都可以被調用，和正常的函數調用并沒有區別，例如查詢體重超過均值的學生：

In [62]: df.query('Weight > Weight.mean()').head()
Out[62]: 
              School   Grade      Name Gender Weight Transfer
1        Peking University  Freshman Changqiang You  Male  70.0    N
2  Shanghai Jiao Tong University   Senior     Mei Sun  Male  89.0    N
4        Fudan University Sophomore   Gaojuan You  Male  74.0    N
10 Shanghai Jiao Tong University  Freshman  Xiaopeng Zhou  Male  74.0    N
14      Tsinghua University   Senior  Xiaomei Zhou Female  57.0    N

同時，在 query 中還注冊了若干英語的字面用法，幫助提高可讀性，例如： or, and, or, is in, not in 。

例如，篩選出男生中不是大一大二的學生：

In [63]: df.query('(Grade not in ["Freshman", "Sophomore"]) and'
  ....:     '(Gender == "Male")').head()
  ....: 
Out[63]: 
              School  Grade      Name Gender Weight Transfer
2  Shanghai Jiao Tong University Senior    Mei Sun  Male  89.0    N
16      Tsinghua University Junior Xiaoqiang Qin  Male  68.0    N
17      Tsinghua University Junior   Peng Wang  Male  65.0    N
18      Tsinghua University Senior  Xiaofeng Sun  Male  71.0    N
21 Shanghai Jiao Tong University Senior Xiaopeng Shen  Male  62.0   NaN

此外，在字符串中出現與列表的比較時， ==和!= 分別表示元素出現在列表和沒有出現在列表，等價于 is in 和 not in，例如查詢所有大三和大四的學生：

In [64]: df.query('Grade == ["Junior", "Senior"]').head()
Out[64]: 
              School  Grade      Name Gender Weight Transfer
2  Shanghai Jiao Tong University Senior    Mei Sun  Male  89.0    N
7       Tsinghua University Junior Gaoqiang Qian Female  50.0    N
9        Peking University Junior    Juan Xu Female   NaN    N
11      Tsinghua University Junior  Xiaoquan Lv Female  43.0    N
12 Shanghai Jiao Tong University Senior    Peng You Female  48.0   NaN

對于 query 中的字符串，如果要引用外部變量，只需在變量名前加 @ 符號。例如，取出體重位于70kg到80kg之間的學生：

In [65]: low, high =70, 80

In [66]: df.query('Weight.between(@low, @high)').head()
Out[66]: 
              School   Grade      Name Gender Weight Transfer
1        Peking University  Freshman Changqiang You  Male  70.0    N
4        Fudan University Sophomore   Gaojuan You  Male  74.0    N
10 Shanghai Jiao Tong University  Freshman  Xiaopeng Zhou  Male  74.0    N
18      Tsinghua University   Senior  Xiaofeng Sun  Male  71.0    N
35       Peking University  Freshman   Gaoli Zhao  Male  78.0    N

隨機抽樣

如果把 DataFrame 的每一行看作一個樣本，或把每一列看作一個特征，再把整個 DataFrame 看作總體，想要對樣本或特征進行隨機抽樣就可以用 sample 函數。有時在拿到大型數據集后，想要對統計特征進行計算來了解數據的大致分布，但是這很費時間。

同時，由于許多統計特征在等概率不放回的簡單隨機抽樣條件下，是總體統計特征的無偏估計，比如樣本均值和總體均值，那么就可以先從整張表中抽出一部分來做近似估計。

sample 函數中的主要參數為 n, axis, frac, replace, weights ，前三個分別是指抽樣數量、抽樣的方向（0為行、1為列）和抽樣比例（0.3則為從總體中抽出30%的樣本）。

replace 和 weights 分別是指是否放回和每個樣本的抽樣相對概率，當 replace = True 則表示有放回抽樣。例如，對下面構造的 df_sample 以 value 值的相對大小為抽樣概率進行有放回抽樣，抽樣數量為3。

In [67]: df_sample = pd.DataFrame({'id': list('abcde'),
  ....:              'value': [1, 2, 3, 4, 90]})
  ....:

In [68]: df_sample
Out[68]: 
 id value
0 a   1
1 b   2
2 c   3
3 d   4
4 e   90

In [69]: df_sample.sample(3, replace = True, weights = df_sample.value)
Out[69]: 
 id value
4 e   90
4 e   90
4 e   90

補充：pandas.DataFrame.sample 隨機選取若干行

1、數據切片選取

1.1 pandas.DataFrame.sample 隨機選取若干行

1.1.1 功能說明

有時候我們只需要數據集中的一部分，并不需要全部的數據。這個時候我們就要對數據集進行隨機的抽樣。pandas中自帶有抽樣的方法。

功能相似：numpy.random.choice

Generates a random sample from a given 1-D numpy array.

1.1.2 使用說明

1.函數名及功能

DataFrame.sample(n=None, frac=None, replace=False, weights=None, random_state=None, axis=None)[source]

2.輸入參數說明

參數名稱	參數說明	舉例說明
n	要抽取的行數	df.sample(n=3,random_state=1) 提取3行數據列表注意，使用random_state，以確保可重復性的例子。
frac	抽取行的比例例如frac=0.8，就是抽取其中80%。	df.sample(frac=0.8, replace=True, random_state=1)
replace	是否為有放回抽樣， True:有放回抽樣 False:未放回抽樣	True:取行數據后，可以重復放回后再取 False:取行數據后不放回，下次取其它行數據注意：當N>總數據容量，replace設置為值時有效
weights	字符索引或概率數組 axis=0:為行字符索引或概率數組 axis=1:為列字符索引或概率數組
random_state	int: 隨機數發生器種子或numpy.random.RandomState	random_state=None,取得數據不重復 random_state=1,可以取得重復數據
axis	選擇抽取數據的行還是列 axis=0:抽取行 axis=1:抽取列	也就是說axis=1時，在列中隨機抽取n列，在axis=0時，在行中隨機抽取n行。