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Alex好好幹飯發表於2021-01-02

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缺失資料

缺失資料

在資料處理過程種我們經常會遇到缺失資料如NaN或None這樣的值，我們一般會對這些資料單獨處理，刪除或者修改或者忽略等，下面分不同情況討論下如何處理缺失資料。
下面操作以此表格為基礎，表格如下

df = pd.read_csv('data/learn_pandas.csv',
                     usecols = ['Grade', 'Name', 'Gender', 'Height',
                                'Weight', 'Transfer'])
df.head()

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
0	Freshman	Gaopeng Yang	Female	158.9	46	N
1	Freshman	Changqiang You	Male	166.5	70	N
2	Senior	Mei Sun	Male	188.9	89	N
3	Sophomore	Xiaojuan Sun	Female	nan	41	N
4	Sophomore	Gaojuan You	Male	174	74	N

看下前三個和最後三個的空值情況，都不為空。

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0
197	0	0	0	0	0	0
198	0	0	0	0	0	0
199	0	0	0	0	0	0

pd.concat([df.isna().head(3),df.isna().tail(3)])

在這裡插入圖片描述

一、缺失值的統計和刪除

1. 缺失資訊的統計

缺失資料可以使用 isna 或 isnull （兩個函式沒有區別）來檢視每個單元格是否缺失，結合sum()和mean()可以檢視某缺失值數量及佔比情況：

print(df.isna().sum())
print(df.isna().mean())

空值數量

	0
Grade	0
Name	0
Gender	0
Height	17
Weight	11
Transfer	12

空值佔比情況

	0
Grade	0
Name	0
Gender	0
Height	0.085
Weight	0.055
Transfer	0.06

如果想要檢視某一列缺失或者非缺失的行，可以利用 Series 上的 isna 或者 notna 進行布林索引。例如，檢視身高缺失的行：

df[df.Height.isna()].head()

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
3	Sophomore	Xiaojuan Sun	Female	nan	41	N
12	Senior	Peng You	Female	nan	48	nan
26	Junior	Yanli You	Female	nan	48	N
36	Freshman	Xiaojuan Qin	Male	nan	79	Y
60	Freshman	Yanpeng Lv	Male	nan	65	N

列印一下df.Height.isna()看看上面df傳入的是什麼

df.Height.isna()

在這裡插入圖片描述
可以看到本質傳入的是一個bool型的Series，篩選出非空的資料（索引為Ture）。那麼我們試一下傳入一個bool型的list是不是一樣的效果。

test1=[True for i in range(1,len(df))]
test1.append(False)
df[test1].tail()

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
194	Senior	Yanmei Qian	Female	160.3	49	nan
195	Junior	Xiaojuan Sun	Female	153.9	46	N
196	Senior	Li Zhao	Female	160.9	50	N
197	Senior	Chengqiang Chu	Female	153.9	45	N
198	Senior	Chengmei Shen	Male	175.3	71	N

可以看到效果完全一致，我們傳入了一個長度和df相同的bool型list,除最後一共元素為False外全為True,成功過濾掉最後一行。

如果想要同時對幾個列，檢索出全部為缺失或者至少有一個缺失或者沒有缺失的行，可以使用 isna, notna 和 any, all 的組合。例如，對身高、體重和轉系情況這3列分別進行這三種情況的檢索：

sub_set = df[['Height', 'Weight', 'Transfer']]
df[sub_set.isna().all(1)]# 全部缺失
df[sub_set.isna().any(1)].head() # 至少有一個缺失
df[sub_set.notna().all(1)].head() # 沒有缺失

all的作用是判斷指定軸的所有元素是否都為真，返回bool型的Series。any是隻要有真就返回True.
全部缺失情況

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
102	Junior	Chengli Zhao	Male	nan	nan	nan

至少有一個缺失

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
3	Sophomore	Xiaojuan Sun	Female	nan	41	N
9	Junior	Juan Xu	Female	164.8	nan	N
12	Senior	Peng You	Female	nan	48	nan
21	Senior	Xiaopeng Shen	Male	166	62	nan
26	Junior	Yanli You	Female	nan	48	N

沒有缺失

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
0	Freshman	Gaopeng Yang	Female	158.9	46	N
1	Freshman	Changqiang You	Male	166.5	70	N
2	Senior	Mei Sun	Male	188.9	89	N
4	Sophomore	Gaojuan You	Male	174	74	N
5	Freshman	Xiaoli Qian	Female	158	51	N

2. 缺失資訊的刪除

資料處理中經常需要根據缺失值的大小、比例或其他特徵來進行行樣本或列特徵的刪除， pandas 中提供了 dropna 函式來進行操作。

dropna 的主要引數為軸方向 axis （預設為0，即刪除行）、刪除方式 how 、刪除的非缺失值個數閾值 thresh—threshold閾值的簡寫 （非缺失值沒有達到這個數量的相應維度會被刪除）、備選的刪除子集 subset ，其中 how 主要有 any 和 all 兩種引數可以選擇。

例如，刪除身高體重至少有一個缺失的行：

res=df.dropna(axis=0,subset =['Height','Weight'],how='any')
res.shape

輸出為(174, 6)，刪掉了26行資料。

例如，刪除超過15個缺失值的列：

res=df.dropna(axis=1,thresh=df.shape[0]-15)
res.shape

輸出(200, 5) 身高被刪除。

當然，不用 dropna 同樣是可行的，例如上述的兩個操作，也可以使用布林索引來完成：

res1 = df.loc[df[['Height', 'Weight']].notna().all(1)]
res2 = df.loc[:, ~(df.isna().sum()>15)]

二、缺失值的填充和插值

1. 利用fillna進行填充

在 fillna 中有三個引數是常用的： value, method, limit 。其中， value 為填充值，可以是標量，也可以是索引到元素的字典對映； method 為填充方法，有用前面的元素填充 ffill 和用後面的元素填充 bfill 兩種型別， limit 參數列示連續缺失值的最大填充次數。

s = pd.Series([np.nan, 1, np.nan, np.nan, 2, np.nan],
                  list('aaabcd'))
s.fillna(method='ffill', limit=1) # 用前面的值向後填充
s.ffill(limit=1) # 和上面的等價
s.fillna(s.mean())

注意含有缺失值的列中，計算均值時缺失值是不計算的，如果希望含有缺失值的行都不計入計算過程，可以事先採用上面提到的統計和刪除操作進行預處理。如果希望計入計算，可以使用對應規則對缺失值填充。
有時為了更加合理地填充，需要先進行分組後再操作。例如，根據年級進行身高的均值填充：

df.Height=df.groupby('Grade')['Height'].transform(
                         lambda x: x.fillna(x.mean()))
df=df.round({'Height':2})
df.head(5)

	Grade	Name	Gender	Height	Weight	Transfer
0	Freshman	Gaopeng Yang	Female	158.9	46	N
1	Freshman	Changqiang You	Male	166.5	70	N
2	Senior	Mei Sun	Male	188.9	89	N
3	Sophomore	Xiaojuan Sun	Female	163.08	41	N
4	Sophomore	Gaojuan You	Male	174	74	N

使用上述操作，對不同年級學生的缺失值用相應年級非缺失值均值進行填充。

練一練

對一個序列以如下規則填充缺失值：如果單獨出現的缺失值，就用前後均值填充，如果連續出現的缺失值就不填充，即序列[1, NaN, 3, NaN, NaN]填充後為[1, 2, 3, NaN, NaN]，請利用 fillna 函式實現。（提示：利用 limit 引數）

實現方法：想了好久腦殼疼，剛開始還想到了之前的滑窗和今天學到的結合，複習了一下滑窗發現好像沒用。後面想到可以利用兩次fillna，一次向前，一次向後，然後取均值的方法得到結果，試驗了下果然可行。
測試的例子如下：

s = pd.Series([1,np.nan, 3, np.nan,np.nan, 4],
                  list('aabcdd'))
s

	0
a	1
a	nan
b	3
c	nan
d	nan
d	4

實現方法：

s1 = s.fillna(method='ffill',limit=1)
s2 = s.fillna(method='backfill',limit=1)
s=(s1+s2)/2
s

	0
a	1
a	2
b	3
c	nan
d	nan
d	4

2. 插值函式

在關於 interpolate 函式的文件描述中，列舉了許多插值法，包括了大量 Scipy 中的方法。由於很多插值方法涉及到比較複雜的數學知識，因此這裡只討論比較常用且簡單的三類情況，即線性插值、最近鄰插值和索引插值。

對於 interpolate 而言，除了插值方法（預設為 linear 線性插值）之外，有與 fillna 類似的兩個常用引數，一個是控制方向的 limit_direction ，另一個是控制最大連續缺失值插值個數的 limit 。其中，限制插值的方向預設為 forward ，這與 fillna 的 method 中的 ffill 是類似的，若想要後向限制插值或者雙向限制插值可以指定為 backward 或 both 。

擴充知識

這裡看得不是很明白，啥是線性插值啊？去找了英文文件看了。
所謂線性插值是一種針對一維資料的插值方法，它根據一維資料序列中需要插值的點的左右鄰近兩個資料點來進行數值的估計。當然了它不是求這兩個點資料大小的平均值（當然也有求平均值的情況），而是根據到這兩個點的距離來分配它們的比重的。
圖片比較容易看懂。
在這裡插入圖片描述
公式：

因為需要插入的位置前後都有資料才方便插，所以對於插入位置左右只有一個資料的情況（比如上面程式碼的例子），就根據插入方向向前/後複製。

線性插值的例子：

s = pd.Series([np.nan, np.nan, 1,
                   np.nan, np.nan, np.nan,
                   2, np.nan, np.nan])
s.values
# 輸出為array([nan, nan,  1., nan, nan, nan,  2., nan, nan])

例如，在預設線性插值法下分別進行 backward 和雙向限制插值，同時限制最大連續條數為1：

res = s.interpolate(limit_direction='backward', limit=1)
res.values
#輸出為array([ nan, 1.  , 1.  ,  nan,  nan, 1.75, 2.  ,  nan,  nan])

res = s.interpolate(limit_direction='both', limit=1)
res.values
#輸出為array([ nan, 1.  , 1.  , 1.25,  nan, 1.75, 2.  , 2.  ,  nan])

第二種常見的插值是最近鄰插補，即缺失值的元素和離它最近的非缺失值元素一樣：

s.interpolate('nearest').values
# 輸出為array([nan, nan,  1.,  1.,  1.,  2.,  2., nan, nan])

這種只在兩端非缺失的位置插，距離兩端位置一樣情況按前一個複製插。

最後來介紹索引插值，即根據索引大小進行線性插值。例如，構造不等間距的索引進行演示：

In [33]: s = pd.Series([0,np.nan,10],index=[0,1,10])

In [34]: s
Out[34]: 
0      0.0
1      NaN
10    10.0
dtype: float64

In [35]: s.interpolate() # 預設的線性插值，等價於計算中點的值
Out[35]: 
0      0.0
1      5.0
10    10.0
dtype: float64

In [36]: s.interpolate(method='index') # 和索引有關的線性插值，計算相應索引大小對應的值
Out[36]: 
0      0.0
1      1.0
10    10.0
dtype: float64

同時，這種方法對於時間戳索引也是可以使用的，有關時間序列的其他話題會在第十章進行討論，這裡舉一個簡單的例子：

In [37]: s = pd.Series([0,np.nan,10],
   ....:               index=pd.to_datetime(['20200101',
   ....:                                     '20200102',
   ....:                                     '20200111']))
   ....: 

In [38]: s
Out[38]: 
2020-01-01     0.0
2020-01-02     NaN
2020-01-11    10.0
dtype: float64

In [39]: s.interpolate()
Out[39]: 
2020-01-01     0.0
2020-01-02     5.0
2020-01-11    10.0
dtype: float64

In [40]: s.interpolate(method='index')
Out[40]: 
2020-01-01     0.0
2020-01-02     1.0
2020-01-11    10.0
dtype: float64

三、Nullable型別

1. 缺失記號及其缺陷

在 python 中的缺失值用 None 表示，該元素除了等於自己本身之外，與其他任何元素不相等：

In [41]: None == None
Out[41]: True

In [42]: None == False
Out[42]: False

In [43]: None == []
Out[43]: False

In [44]: None == ''
Out[44]: False

在 numpy 中利用 np.nan 來表示缺失值，該元素除了不和其他任何元素相等之外，和自身的比較結果也返回 False ：

In [45]: np.nan == np.nan
Out[45]: False

In [46]: np.nan == None
Out[46]: False

In [47]: np.nan == False
Out[47]: False

值得注意的是，雖然在對缺失序列或表格的元素進行比較操作的時候， np.nan 的對應位置會返回 False ，但是在使用 equals 函式進行兩張表或兩個序列的相同性檢驗時，會自動跳過兩側表都是缺失值的位置，直接返回 True ：

s1 = pd.Series([1, np.nan])
s2 = pd.Series([1, 2])
s3 = pd.Series([1, np.nan])

print(s1 == 1)
print(s1 == s3)
print(s1.equals(s3))

前兩個都輸出如下
0 True
1 False
dtype: bool
第三個輸出為True

在時間序列的物件中， pandas 利用 pd.NaT 來指代缺失值，它的作用和 np.nan 是一致的（時間序列的物件和構造將在第十章討論）：

In [54]: pd.to_timedelta(['30s', np.nan]) # Timedelta中的NaT
Out[54]: TimedeltaIndex(['0 days 00:00:30', NaT], dtype='timedelta64[ns]', freq=None)

In [55]: pd.to_datetime(['20200101', np.nan]) # Datetime中的NaT
Out[55]: DatetimeIndex(['2020-01-01', 'NaT'], dtype='datetime64[ns]', freq=None)

那麼為什麼要引入 pd.NaT 來表示時間物件中的缺失呢？仍然以 np.nan 的形式存放會有什麼問題？在 pandas 中可以看到 object 型別的物件，而 object 是一種混雜物件型別，如果出現了多個型別的元素同時儲存在 Series 中，它的型別就會變成 object 。例如，同時存放整數和字串的列表：

pd.Series([1, 'two']).dtype

dtype(‘O’)
NaT 問題的根源來自於 np.nan 的本身是一種浮點型別，而如果浮點和時間型別混合儲存，如果不設計新的內建缺失型別來處理，就會變成含糊不清的 object 型別，這顯然是不希望看到的。

In [57]: type(np.nan)
Out[57]: float

同時，由於 np.nan 的浮點性質，如果在一個整數的 Series 中出現缺失，那麼其型別會轉變為 float64 ；而如果在一個布林型別的序列中出現缺失，那麼其型別就會轉為 object 而不是 bool ：

In [58]: pd.Series([1, np.nan]).dtype
Out[58]: dtype('float64')

In [59]: pd.Series([True, False, np.nan]).dtype
Out[59]: dtype('O')

因此，在進入 1.0.0 版本後， pandas 嘗試設計了一種新的缺失型別 pd.NA 以及三種 Nullable 序列型別來應對這些缺陷，它們分別是 Int, boolean 和 string 。

2. Nullable型別的性質

從字面意義上看 Nullable 就是可空的，言下之意就是序列型別不受缺失值的影響。例如，在上述三個 Nullable 型別中儲存缺失值，都會轉為 pandas 內建的 pd.NA ：

In [60]: pd.Series([np.nan, 1], dtype = 'Int64') # "i"是大寫的
Out[60]: 
0    <NA>
1       1
dtype: Int64

In [61]: pd.Series([np.nan, True], dtype = 'boolean')
Out[61]: 
0    <NA>
1    True
dtype: boolean

In [62]: pd.Series([np.nan, 'my_str'], dtype = 'string')
Out[62]: 
0      <NA>
1    my_str
dtype: string

在 Int 的序列中，返回的結果會盡可能地成為 Nullable 的型別,操作的時候缺失值保持不變。

對於 boolean 型別的序列而言，其和 bool 序列的行為主要有兩點區別：

第一點是帶有缺失的布林列表無法進行索引器中的選擇，而 boolean 會把缺失值看作 False ：

s = pd.Series(['a', 'b'])
s_boolean = pd.Series([True, np.nan],dtype='boolean')
 #s_boolean 不指定型別下面的索引會報錯
s[s_boolean]

第二點是在進行邏輯運算時， bool 型別在缺失處返回的永遠是 False ，而 boolean 會根據邏輯運算是否能確定唯一結果來返回相應的值。那什麼叫能否確定唯一結果呢？舉個簡單例子： True | pd.NA 中無論缺失值為什麼值，必然返回 True ； False | pd.NA 中的結果會根據缺失值取值的不同而變化，此時返回 pd.NA ； False & pd.NA 中無論缺失值為什麼值，必然返回 False 。

In [70]: s_boolean & True
Out[70]: 
0    True
1    <NA>
dtype: boolean

In [71]: s_boolean | True
Out[71]: 
0    True
1    True
dtype: boolean

In [72]: ~s_boolean # 取反操作同樣是無法唯一地判斷缺失結果
Out[72]: 
0    False
1     <NA>
dtype: boolean

關於 string 型別的具體性質將在下一章文字資料中進行討論。

一般在實際資料處理時，可以在資料集讀入後，先通過 convert_dtypes 轉為 Nullable 型別：

df = pd.read_csv('data/learn_pandas.csv')
df = df.convert_dtypes()
df.dtypes

	0
School	string
Grade	string
Name	string
Gender	string
Height	float64
Weight	Int64
Transfer	string
Test_Number	Int64
Test_Date	string
Time_Record	string

3. 缺失資料的計算和分組

當呼叫函式 sum, prob 使用加法和乘法的時候，缺失資料等價於被分別視作0和1，即不改變原來的計算結果。
當使用累計函式時，會自動跳過缺失值所處的位置。
下面是奇奇怪怪的比較結果：

In [80]: np.nan == 0
Out[80]: False

In [81]: pd.NA == 0
Out[81]: <NA>

In [82]: np.nan > 0
Out[82]: False

In [83]: pd.NA > 0
Out[83]: <NA>

In [84]: np.nan + 1
Out[84]: nan

In [85]: np.log(np.nan)
Out[85]: nan

In [86]: np.add(np.nan, 1)
Out[86]: nan

In [87]: np.nan ** 0
Out[87]: 1.0

In [88]: pd.NA ** 0
Out[88]: 1

In [89]: 1 ** np.nan
Out[89]: 1.0

In [90]: 1 ** pd.NA
Out[90]: 1

對於一些函式而言，缺失可以作為一個類別處理，例如在 groupby, get_dummies 中可以設定相應的引數來進行增加缺失類別：

df_nan = pd.DataFrame({'category':['a','a','b',np.nan,np.nan],
                           'value':[1,3,5,7,9]})
df_nan

	category	value
0	a	1
1	a	3
2	b	5
3	nan	7
4	nan	9

df_nan.groupby('category',
                    dropna=False)['value'].mean()

category	value
a	2
b	5
nan	8

pd.get_dummies(df_nan.category, dummy_na=True)

	a	b	nan
0	1	0	0
1	1	0	0
2	0	1	0
3	0	0	1
4	0	0	1

四、練習(待完成)

Ex1：缺失值與類別的相關性檢驗

在資料處理中，含有過多缺失值的列往往會被刪除，除非缺失情況與標籤強相關。下面有一份關於二分類問題的資料集，其中 X_1, X_2 為特徵變數， y 為二分類標籤。
在這裡插入圖片描述
事實上，有時缺失值出現或者不出現本身就是一種特徵，並且在一些場合下可能與標籤的正負是相關的。關於缺失出現與否和標籤的正負性，在統計學中可以利用卡方檢驗來斷言它們是否存在相關性。按照特徵缺失的正例、特徵缺失的負例、特徵不缺失的正例、特徵不缺失的負例，可以分為四種情況，設它們分別對應的樣例數為 n11,n10,n01,n00 。假若它們是不相關的，那麼特徵缺失中正例的理論值，就應該接近於特徵缺失總數 × 總體正例的比例，即：
$E_{11} = n_{11} \approx (n_{11}+n_{10})\times\frac{n_{11}+n_{01}}{n_{11}+n_{10}+n_{01}+n_{00}} = F_{11}$
其他的三種情況同理。現將實際值和理論值分別記作 $E_{ij}, F_{ij}$ ，那麼希望下面的統計量越小越好，即代表實際值接近不相關情況的理論值：
$\sum_{i\in \{0,1\}}\sum_{j\in \{0,1\}} \frac{(E_{ij}-F_{ij})^2}{F_{ij}}$
可以證明上面的統計量近似服從自由度為 1 的卡方分佈，即 $S\overset{\cdot}{\sim} \chi^2(1)$ 。因此，可通過計算 $P(\chi^2(1)>S)$ 的概率來進行相關性的判別，一般認為當此概率小於 0.05 時缺失情況與標籤正負存在相關關係，即不相關條件下的理論值與實際值相差較大。

上面所說的概率即為統計學上關於 2×2 列聯表檢驗問題的 p 值，它可以通過 scipy.stats.chi2(S, 1) 得到。請根據上面的材料，分別對 X_1, X_2 列進行檢驗。

Ex2：用迴歸模型解決分類問題

KNN 是一種監督式學習模型，既可以解決迴歸問題，又可以解決分類問題。對於分類變數，利用 KNN 分類模型可以實現其缺失值的插補，思路是度量缺失樣本的特徵與所有其他樣本特徵的距離，當給定了模型引數 n_neighbors=n 時，計算離該樣本距離最近的 n 個樣本點中最多的那個類別，並把這個類別作為該樣本的缺失預測類別，具體如下圖所示，未知的類別被預測為黃色：
在這裡插入圖片描述

上面有色點的特徵資料提供如下：在這裡插入圖片描述
已知待預測的樣本點為 X1=0.8,X2=−0.2 ，那麼預測類別可以如下寫出：

對於迴歸問題而言，需要得到的是一個具體的數值，因此預測值由最近的 n 個樣本對應的平均值獲得。請把上面的這個分類問題轉化為迴歸問題，僅使用 KNeighborsRegressor 來完成上述的 KNeighborsClassifier 功能。
請根據第1問中的方法，對 audit 資料集中的 Employment 變數進行缺失值插補。