1-准备工作
😁 第 1 章 准备工作
1.1 本书的内容
本书讲的是利用Python进行数据控制、处理、整理、分析等方面的具体细节和基本要点。介绍Python编程和用于数据处理的库和工具环境，掌握这些，可以让你成为一个数据分析专家。虽然本书的标题是“数据分析”，重点却是Python编程、库，以及用于数据分析的工具。这就是数据分析要用到的Python编程。
什么样的数据？
当书中出现“数据”时，究竟指的是什么呢？主要指的是结构化数据（structured data），这个故意含糊其辞的术语代指了所有通用格式的数据，例如：
- 表格型数据，其中各列可能是不同的类型（字符串、数值、日期等）。比如保存在关系型数据库中或以制表符/逗号为分隔符的文本文件中的那些数据。
- 多维数组（矩阵）。
- 通过关键列（对于SQL用户而言，就是主键和外键）相互联系的多个表。
- 间隔平均或不平均的时间序列。
这绝不是一个完整的列表。大部分数据集都能被转化为更加适合分析和建模的结构化形式，虽然有时这并不是很明显。如果不行的话，也可以将数据集的特征提取为某种结构化形式。例如，一组新闻文章可以被处理为一张词频表，而这张词频表就可以用于情感分析。
大部分电子表格软件（比如Microsoft Excel，它可能是世界上使用最广泛的数据分析工具了）的用户不会对此类数据感到陌生。
1.2 为什么要使用Python进行数据分析
自从1991年诞生以来，Python现在已经成为最受欢迎的动态编程语言之一，其他还有Perl、Ruby等。由于拥有大量的Web框架（比如Rails（Ruby）和Django（Python）），自从2005年，使用Python和Ruby进行网站建设工作非常流行。这些语言常被称作脚本（scripting）语言，因为它们可以用于编写简短而粗糙的小程序（也就是脚本）。我个人并不喜欢“脚本语言”这个术语，因为它好像在说这些语言无法用于构建严谨的软件。在众多解释型语言中，由于各种历史和文化的原因，Python发展出了一个巨大而活跃的科学计算（scientific computing）社区。在过去的10年，Python从一个边缘或“自担风险”的科学计算语言，成为了数据科学、机器学习、学界和工业界软件开发最重要的语言之一。
在数据分析、交互式计算以及数据可视化方面，Python将不可避免地与其他开源和商业的领域特定编程语言/工具进行对比，如R、MATLAB、SAS、Stata等。近年来，由于Python的库（例如pandas和scikit-learn）不断改良，使其成为数据分析任务的一个优选方案。结合其在通用编程方面的强大实力，我们完全可以只使用Python 这一种语言构建以数据为中心的应用。
① Python作为胶水语言
Python成为成功的科学计算工具的部分原因是，它能够轻松地集成C、C++以及Fortran代码。大部分现代计算环境都利用了一些Fortran和C库来实现线性代数、优选、积分、快速傅里叶变换以及其他诸如此类的算法。许多企业和国家实验室也利用Python来“粘合”那些已经用了多年的遗留软件系统。
大多数软件都是由两部分代码组成的：少量需要占用大部分执行时间的代码，以及大量不经常执行的“胶水代码”。大部分情况下，胶水代码的执行时间是微不足道的。开发人员的精力几乎都是花在优化计算瓶颈上面，有时更是直接转用更低级的语言（比如C）。
② 解决“两种语言”问题
很多组织通常都会用一种类似于领域特定的计算语言（如SAS和R）对新想法做研究、原型构建和测试，然后再将这些想法移植到某个更大的生产系统中去（可能是用Java、C#或C++编写的）。人们逐渐意识到，Python不仅适用于研究和原型构建，同时也适用于构建生产系统。为什么一种语言就够了，却要使用两个语言的开发环境呢？我相信越来越多的企业也会这样看，因为研究人员和工程技术人员使用同一种编程工具将会给企业带来非常显著的组织效益。
③ 为什么不选Python
虽然Python非常适合构建分析应用以及通用系统，但它对不少应用场景适用性较差。
由于Python是一种解释型编程语言，因此大部分Python代码都要比用编译型语言（比如Java和C++）编写的代码运行慢得多。由于程序员的时间通常都比CPU时间值钱，因此许多人也愿意对此做一些取舍。但是，在那些延迟要求非常小或高资源利用率的应用中（例如高频交易系统），耗费时间使用诸如C++这样更低级、更低生产率的语言进行编程也是值得的。
对于高并发、多线程的应用程序而言（尤其是拥有许多计算密集型线程的应用程序），Python并不是一种理想的编程语言。这是因为Python有一个叫做全局解释器锁（Global Interpreter Lock，GIL）的组件，这是一种防止解释器同时执行多条Python字节码指令的机制。虽然很多大数据处理应用程序为了能在较短的时间内完成数据集的处理工作都需要运行在计算机集群上，但是仍然有一些情况需要用单进程多线程系统来解决。
这并不是说Python不能执行真正的多线程并行代码。例如，Python的C插件使用原生的C或C++的多线程，可以并行运行而不被GIL影响，只要它们不频繁地与Python对象交互。
1.3 重要的Python库
👇 下面先对各个库做一个简单的介绍：
① NumPy
NumPy（Numerical Python的简称）是Python科学计算的基础包。本书大部分内容都基于NumPy以及构建于其上的库。它提供了以下功能（不限于此）：
- 快速高效的多维数组对象ndarray。
- 用于对数组执行元素级计算以及直接对数组执行数学运算的函数。
- 用于读写硬盘上基于数组的数据集的工具。
- 线性代数运算、傅里叶变换，以及随机数生成。
- 成熟的 C API， 用于Python插件和原生C、C++、Fortran代码访问NumPy的数据结构和计算工具。
除了为Python提供快速的数组处理能力，NumPy在数据分析方面还有另外一个主要作用，即作为在算法和库之间传递数据的容器。对于数值型数据，NumPy数组在存储和处理数据时要比内置的Python数据结构高效得多。此外，由低级语言（比如C和Fortran）编写的库可以直接操作NumPy数组中的数据，无需进行任何数据复制工作。因此，许多Python的数值计算工具要么使用NumPy数组作为主要的数据结构，要么可以与NumPy进行无缝交互操作。
② pandas
pandas 提供了快速便捷处理结构化数据的大量数据结构和函数。自从2010年出现以来，它助使Python成为强大而高效的数据分析环境。本书用得最多的pandas对象是DataFrame，它是一个面向列（column-oriented）的二维表结构，另一个是Series，一个一维的标签化数组对象。
pandas兼具NumPy高性能的数组计算功能以及电子表格和关系型数据库（如SQL）灵活的数据处理功能。它提供了复杂精细的索引功能，能更加便捷地完成重塑、切片和切块、聚合以及选取数据子集等操作。因为数据操作、准备、清洗是数据分析最重要的技能，pandas是本书的重点。
pandas这个名字源于panel data（面板数据，这是多维结构化数据集在计量经济学中的术语）以及Python data analysis（Python数据分析）。
③ matplotlib
matplotlib 是最流行的用于绘制图表和其它二维数据可视化的Python库。它最初由 John D.Hunter（JDH）创建，目前由一个庞大的开发团队维护。它非常适合创建出版物上用的图表。虽然还有其它的 Python 可视化库，matplotlib 却是使用最广泛的，并且它和其它生态工具配合也非常完美。我认为，可以使用它作为默认的可视化工具。
④ IPython和Jupyter
IPython 项目起初是Fernando Pérez在2001年的一个用以加强和Python交互的子项目。在随后的16年中，它成为了Python数据栈最重要的工具之一。虽然IPython本身没有提供计算和数据分析的工具，它却可以大大提高交互式计算和软件开发的生产率。IPython鼓励“执行-探索”的工作流，区别于其它编程软件的“编辑-编译-运行”的工作流。它还可以方便地访问系统的shell和文件系统。因为大部分的数据分析代码包括探索、试错和重复，IPython可以使工作更快。
2014年，Fernando和IPython团队宣布了Jupyter项目，一个更宽泛的多语言交互计算工具的计划。IPython web notebook变成了Jupyter notebook，现在支持40种编程语言。IPython现在可以作为Jupyter使用Python的内核（一种编程语言模式）。
IPython变成了Jupyter庞大开源项目（一个交互和探索式计算的高效环境）中的一个组件。它最老也是最简单的模式，现在是一个用于编写、测试、调试Python代码的强化shell。你还可以使用通过Jupyter Notebook，一个支持多种语言的交互式网络代码“笔记本”，来使用IPython。IPython shell 和Jupyter notebooks特别适合进行数据探索和可视化。
Jupyter notebooks还可以编写Markdown和HTML内容，它提供了一种创建代码和文本的富文本方法。其它编程语言也在Jupyter中植入了内核，好让在Jupyter中可以使用Python以外的语言。
⑤ SciPy
SciPy 是一组专门解决科学计算中各种标准问题域的包的集合，主要包括下面这些包：
- scipy.integrate：数值积分例程和微分方程求解器。
- scipy.linalg：扩展了由numpy.linalg提供的线性代数例程和矩阵分解功能。
- scipy.optimize：函数优化器（最小化器）以及根查找算法。
- scipy.signal：信号处理工具。
- scipy.sparse：稀疏矩阵和稀疏线性系统求解器。
- scipy.special：SPECFUN（这是一个实现了许多常用数学函数（如伽玛函数）的Fortran库）的包装器。
- scipy.stats：标准连续和离散概率分布（如密度函数、采样器、连续分布函数等）、各种统计检验方法，以及更好的描述统计法。
NumPy和SciPy结合使用，便形成了一个相当完备和成熟的计算平台，可以处理多种传统的科学计算问题。
⑥ scikit-learn
2010年诞生以来，scikit-learn 成为了Python的通用机器学习工具包。仅仅七年，就汇聚了全世界超过1500名贡献者。它的子模块包括：
- 分类：SVM、近邻、随机森林、逻辑回归等等。
- 回归：Lasso、岭回归等等。
- 聚类：k-均值、谱聚类等等。
- 降维：PCA、特征选择、矩阵分解等等。
- 选型：网格搜索、交叉验证、度量。
- 预处理：特征提取、标准化。
与pandas、statsmodels和IPython一起，scikit-learn对于Python成为高效数据科学编程语言起到了关键作用。虽然本书不会详细讲解scikit-learn，我会简要介绍它的一些模型，以及用其它工具如何使用这些模型。
⑦ statsmodels
statsmodels 是一个统计分析包，起源于斯坦福大学统计学教授Jonathan Taylor，他设计了多种流行于R语言的回归分析模型。Skipper Seabold和Josef Perktold在2010年正式创建了statsmodels项目，随后汇聚了大量的使用者和贡献者。受到R的公式系统的启发，Nathaniel Smith发展出了Patsy项目，它提供了statsmodels的公式或模型的规范框架。
与scikit-learn比较，statsmodels包含经典统计学和经济计量学的算法。包括如下子模块：
- 回归模型：线性回归，广义线性模型，健壮线性模型，线性混合效应模型等等。
- 方差分析（ANOVA）。
- 时间序列分析：AR，ARMA，ARIMA，VAR和其它模型。
- 非参数方法： 核密度估计，核回归。
- 统计模型结果可视化。
statsmodels更关注与统计推断，提供不确定估计和参数p-值。相反的，scikit-learn注重预测。
同scikit-learn一样，我也只是简要介绍statsmodels，以及如何用NumPy和pandas使用它。
1.4 Python 环境配置
推荐免费的Anaconda安装包，本书使用的是Python 3.6，因此推荐选择Python 3.6或更高版本。
要在Windows上运行，先下载Anaconda安装包。跟随Anaconda下载页面的Windows安装指导进行安装即可。
现在，来确认设置是否正确。打开命令行窗口（cmd.exe），输入python以打开Python解释器。可以看到类似下面的Anaconda版本的输出：
1.6 本书导航
① 目录结构
如果之前从未使用过Python，那你可能需要先看看本书的第2章和第3章，我简要介绍了Python的特点，IPython和Jupyter notebooks。这些知识是为本书后面的内容做铺垫。如果你已经掌握Python，可以选择跳过。
接下来，简单地介绍了NumPy的关键特性，附录A中是更高级的NumPy功能。然后，我介绍了pandas，本书剩余的内容全部是使用pandas、NumPy和matplotlib处理数据分析的问题。我已经尽量让全书的结构循序渐进，但偶尔会有章节之间的交叉，有时用到的概念还没有介绍过。
② 代码示例
本书大部分代码示例的输入形式和输出结果都会按照其在 IPython shell 或 Jupyter notebooks 中执行时的样子进行排版：
In [5]: CODE EXAMPLE
Out[5]: OUTPUT
但你看到类似的示例代码，就是让你在in的部分输入代码，按 Enter 键执行（Jupyter 中是按 Shift-Enter）。然后就可以在out看到输出。
③ 导包惯例
Python社区已经广泛采取了一些常用模块的命名惯例：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import seaborn as sns
import statsmodels as sm
也就是说，当你看到np.arange时，就应该想到它引用的是NumPy中的arange函数。这样做的原因是：在Python软件开发过程中，不建议直接引入类似NumPy这种大型库的全部内容（from numpy import *）。
④ 常用术语
由于你可能不太熟悉书中使用的一些有关编程和数据科学方面的常用术语，所以在这里先给出其简单定义：
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数据规整（Munge/Munging/Wrangling） 指的是将非结构化和（或）散乱数据处理为结构化或整洁形式的整个过程。这几个词已经悄悄成为当今数据黑客们的行话了。Munge这个词跟Lunge押韵。
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伪码（Pseudocode） 算法或过程的“代码式”描述，而这些代码本身并不是实际有效的源代码。
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语法糖（Syntactic sugar） 这是一种编程语法，它并不会带来新的特性，但却能使代码更易读、更易写。
