Python 数据分箱:处理混合类型与自定义分类的完整指南

Python 数据分箱:处理混合类型与自定义分类的完整指南

本文详细介绍了在Python Pandas中如何将混合数据类型(包含数值和文本)的年龄数据有效地划分到预定义的分类区间。通过解决pd.cut函数中常见的“分箱标签数量与分箱边界不匹配”错误,并结合pd.to_numeric和fillna等方法,实现对非数值和缺失值统一归类为“unknown”,最终生成结构清晰、易于分析的分类数据。

引言:数据分箱与挑战

在数据分析和机器学习领域,将连续的数值数据划分为离散的类别(即数据分箱或离散化)是一项常见的预处理任务。这有助于简化模型、减少噪声,并使数据更易于解释。然而,当原始数据中包含非数值项、缺失值,并且需要自定义复杂的分类逻辑时,这项任务可能会变得复杂。例如,将用户年龄数据分箱,并要求将所有非数值、无法识别的年龄统一归类为“unknown”类别,同时确保分箱结果的准确性和可读性。

Pandas库提供了pd.cut函数来方便地进行数据分箱,但其使用需要严格遵循一些规则,特别是关于分箱边界和标签的数量匹配。本文将深入探讨如何使用pd.cut以及相关工具,解决混合数据类型分箱的常见问题,并提供一个健壮的解决方案。

核心工具:Pandas cut 函数及其常见问题

pd.cut是Pandas中用于将数值数据分箱到指定区间的强大工具。它的基本用法是接收一个Series或DataFrame列、分箱边界(bins)和对应的标签(labels)。

一个常见的错误是“Bin labels must be one fewer than the number of bin edges”(分箱标签的数量必须比分箱边界的数量少一个)。这是因为如果存在N个标签,那么就需要N+1个边界来定义这N个区间。例如,要创建两个区间(标签),需要三个边界([boundary1, boundary2, boundary3])。

数据预处理:识别非数值与缺失值

在进行数值分箱之前,处理原始数据中的非数值或格式不一致的条目至关重要。通常,我们会将这些条目转换为NaN(Not a Number),以便后续统一处理。

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以下代码片段展示了如何识别并标记非数值年龄:

import pandas as pdimport numpy as np# 假设 candy 是你的 DataFrame,'Q3: AGE' 是包含年龄数据的列# 为了演示,我们创建一个示例DataFramecandy_data = {    'Q3: AGE': ['45-55', '20', '56', '35', 'sixty-nine', 'unknown', '10', np.nan]}candy = pd.DataFrame(candy_data)print("原始数据:")print(candy)# 创建True/False索引,判断哪些值是纯数字age_index = candy['Q3: AGE'].astype(str).str.isnumeric()# 对于索引,用False填充缺失值(NaN值在str.isnumeric()后会变为NaN,需要处理)age_index = age_index.fillna(False)# 选择'Q3: AGE'列中非数字或缺失的值,并将其设为np.nancandy.loc[~age_index, 'Q3: AGE'] = np.nanprint("n预处理后,非数字值转换为NaN:")print(candy)

这段代码首先通过str.isnumeric()方法检查’Q3: AGE’列中的每个字符串是否只包含数字。然后,它将str.isnumeric()可能产生的NaN值填充为False,确保所有非数字或缺失的原始值都被正确识别。最后,利用这个布尔索引,将所有非数字的年龄条目替换为np.nan。

构建分箱逻辑与标签

为了将年龄数据分箱到预定义的类别,我们需要明确定义分箱的边界(bins)和对应的标签(labels)。根据需求,我们的类别包括:unknown、17 and under、18-25、26-35、36-45、46-55和56+。

# 定义分箱边界# 注意:为了解决“Bin labels must be one fewer than the number of bin edges”错误,# 并且考虑到'unknown'类别主要通过fillna处理,我们在数值分箱的开始添加一个额外的低边界(如-1),# 以便pd.cut有足够的区间来匹配标签。bins = [-float('inf'), -1, 17, 25, 35, 45, 55, float('inf')]# 定义分箱标签labels = ['unknown_placeholder', '17 and under', '18-25', '26-35', '36-45', '46-55', '56+']# 这里的 'unknown_placeholder' 是一个临时标签,它将对应于 [-inf, -1] 区间,# 但我们真正的 'unknown' 类别将通过填充NaN值来实现。

关键点:

分箱边界数量: bins列表现在包含8个元素,而labels列表包含7个元素,满足len(bins) = len(labels) + 1的要求。-1边界的作用: 在本例中,年龄通常是正数。添加-1作为边界,主要是为了满足pd.cut的参数要求,使得bins的数量比labels多一个。实际的’unknown’类别将主要通过对NaN值进行填充来获得。‘unknown_placeholder’: 这是一个占位符。任何数值小于或等于-1的项(在实际年龄数据中几乎不会出现)会落入这个区间。真正的非数值和缺失值会先被pd.to_numeric转换为NaN,然后通过fillna(‘unknown’)处理。

实现数据分箱

现在,我们可以将预处理后的数据应用到pd.cut函数中,并结合pd.to_numeric和fillna来完成分箱任务。

# 将'Q3: AGE'列转换为数值类型,无法转换的设为NaN# errors='coerce' 是关键,它会将所有无法转换为数字的值(包括预处理后的NaN)变为NaNnumeric_age = pd.to_numeric(candy['Q3: AGE'], errors='coerce')# 使用pd.cut进行分箱# 注意:这里我们将labels列表的第一个元素替换为'17 and under',因为-1到17的范围才对应这个标签# 实际上,由于我们使用fillna处理unknown,所以pd.cut的第一个标签会对应第一个有效数值区间labels_for_cut = ['17 and under', '18-25', '26-35', '36-45', '46-55', '56+']bins_for_cut = [-float('inf'), 17, 25, 35, 45, 55, float('inf')]# 重新定义bins和labels,以更直观地匹配。# 这里的策略是:先用pd.cut处理所有有效数值,然后将所有NaN(包括由非数字转换的NaN)填充为'unknown'。# 因此,pd.cut本身不需要直接处理'unknown'标签对应的数值范围。candy['age_cat'] = pd.cut(numeric_age,                          bins=bins_for_cut,                          labels=labels_for_cut,                          include_lowest=True) # include_lowest=True 确保最低边界值被包含在内# 填充所有NaN值为'unknown'# 这一步处理了原始数据中的NaN以及pd.to_numeric转换失败(如'sixty-nine')产生的NaNcandy['age_cat'] = candy['age_cat'].fillna('unknown')print("n完成分箱后的数据:")print(candy)

管理分类数据类型与顺序

pd.cut默认会创建一个Categorical类型的Series。为了确保’unknown’类别在分类列表中的首位,并且可以明确控制其顺序,我们可以显式地重新创建Categorical Series。

# 定义期望的分类顺序desired_categories = ['unknown', '17 and under', '18-25', '26-35', '36-45', '46-55', '56+']# 将'age_cat'列转换为Categorical类型,并指定期望的顺序,设置为无序(ordered=False)candy['age_cat'] = pd.Categorical(candy['age_cat'],                                  categories=desired_categories,                                  ordered=False)print("n最终age_cat列的分类信息和顺序:")print(candy['age_cat'])# 示例输出# Categories (7, object): ['unknown', '17 and under', '18-25', '26-35', '36-45', '46-55', '56+']

通过pd.Categorical构造函数,我们能够精确控制分类的顺序,即使它们在逻辑上是无序的。这对于报告和可视化非常有用,可以确保“unknown”类别始终位于列表的开头。

完整示例代码

import pandas as pdimport numpy as np# 示例数据df = pd.DataFrame(['45-55', '20', '56', '35', 'sixty-nine', '10', np.nan, 'unknown'], columns=['age'])print("原始数据:")print(df)# 1. 数据预处理:将非纯数字和原始缺失值转换为NaNage_index = df['age'].astype(str).str.isnumeric()age_index = age_index.fillna(False)df.loc[~age_index, 'age'] = np.nanprint("n预处理后 (非数字和原始NaN转换为NaN):")print(df)# 2. 定义分箱边界和标签# 注意:这里的分箱边界和标签是针对数值分箱的,'unknown'通过fillna处理bins_for_cut = [-float('inf'), 17, 25, 35, 45, 55, float('inf')]labels_for_cut = ['17 and under', '18-25', '26-35', '36-45', '46-55', '56+']# 3. 执行分箱# 将'age'列转换为数值,无法转换的(包括之前设置的NaN)会再次变为NaNnumeric_age = pd.to_numeric(df['age'], errors='coerce')# 使用pd.cut进行数值分箱df['age_cat'] = pd.cut(numeric_age,                       bins=bins_for_cut,                       labels=labels_for_cut,                       include_lowest=True)# 4. 填充所有NaN值为'unknown'df['age_cat'] = df['age_cat'].fillna('unknown')# 5. 设置分类数据类型和期望的顺序desired_categories = ['unknown', '17 and under', '18-25', '26-35', '36-45', '46-55', '56+']df['age_cat'] = pd.Categorical(df['age_cat'],                               categories=desired_categories,                               ordered=False) # 保持为无序分类print("n最终分箱结果:")print(df)print("nage_cat列的分类信息:")print(df['age_cat'].dtype)

注意事项与最佳实践

bins与labels数量匹配: 始终确保len(bins) == len(labels) + 1,这是pd.cut函数的基本要求。errors=’coerce’: 在使用pd.to_numeric转换列时,设置errors=’coerce’是一个非常稳健的实践。它会将所有无法转换为数值的条目自动替换为NaN,简化了后续的缺失值处理。fillna()的灵活运用: fillna()是处理NaN值的关键。在本教程中,我们利用它将所有由非数值转换而来的NaN以及原始的NaN统一归类为“unknown”。include_lowest参数: pd.cut的include_lowest=True参数用于指定最低边界值是否包含在第一个区间内。根据具体需求进行设置。明确分类顺序: 使用pd.Categorical构造函数,可以显式地定义分类的顺序,这对于数据展示、排序和某些统计分析非常有用。即使分类是无序的(ordered=False),也可以指定其在类别列表中的显示顺序。逐步处理:数据清洗、数值转换、分箱和类别设置分解为独立步骤,可以提高代码的可读性和可维护性,也更容易调试。

总结

本教程提供了一个在Python Pandas中对混合数据类型进行分箱的全面解决方案。通过理解pd.cut的工作原理、解决常见的错误、以及结合pd.to_numeric和fillna进行数据预处理和后处理,我们可以有效地将复杂数据转换为结构化的分类数据。这种方法不仅解决了“unknown”类别的处理难题,还确保了分箱结果的准确性和灵活性,为后续的数据分析和建模奠定了坚实基础。

以上就是Python 数据分箱:处理混合类型与自定义分类的完整指南的详细内容,更多请关注创想鸟其它相关文章!

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