5. Pandas

Pandas es una librería en cierto sentido similar a NumPy. Pero si NumPy únicamente contiene vectores, matrices, tensores ,etc junto con operaciones matemáticas. Con pandas tenemos mas cosas como nombrar a las columnas con un nombre , incluir un índices o generación de gráficas.

Mas información:

• Libro de Pandas
• Practical Tutorial on Data Manipulation with Numpy and Pandas in Python
• 12 Amazing Pandas & NumPy Functions
• Cleaning Your Data Using Pandas
• Pandas Data Wrangling Cheat Sheet 2021
• Análisis Exploratorio de Datos (EDA) con pandas_profiling
• Error-free import of CSV files using Pandas DataFrame
• 10 Tricks for Converting Numbers and Strings to Datetime in Pandas
• Analyzing Panel Data in Pandas
• Be a more efficient data analyst, a comprehensive guide to pandas
• Differences Between concat(), merge() and join() with Python
• Simple ways to manipulate datetime variables with pandas

• Importar pandas

  import pandas as pd

• Crear un DataFrame a partir de la matriz de datos y el nombre de las columnas con DataFrame

tipo=['SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD']
capacidad=[0.5, 0.5, 0.24, 0.48, 1, 0.512, 1, 0.48, 0.12, 0.96, 0.256, 0.512, 1, 2, 0.5, 2, 2, 1, 1.5, 4, 2, 4, 6, 5, 8, 10, 12, 14, 16, 18]
precio=[101, 51, 27, 44, 86, 101, 138, 50, 22, 83, 41, 78, 126, 183, 91, 48, 51, 37, 55, 81, 48, 88, 187, 146, 240, 360, 387, 443, 516, 612]



data=zip(tipo,capacidad,precio)
columns=['tipo', 'capacidad','precio']

df=pd.DataFrame(data, columns=columns)

• Añadir una nueva fila al DataFrame con append.

df=df.append({'tipo':"SSD","capacidad":1,"precio":214},ignore_index=True)

Mas información:

• Función Pandas DataFrame DataFrame.append()

• Guardar los datos de un DataFrame

df.to_csv("datos.csv", index=False)

tipo,capacidad,precio
SSD,0.5,101
SSD,0.5,51
SSD,0.24,27
SSD,0.48,44
........
HDD,14.0,443
HDD,16.0,516
HDD,18.0,612
SSD,1.0,214

• Cargar los datos desde un fichero de texto llamado "datos.csv" y cuyo separador es una coma.

df=pd.read_csv("datos.csv",sep=",")

df.to_csv("datos.csv")
df=pd.read_csv("datos.csv",index_col=0)

• Cargar los datos desde una base de datos relacional

import sqlalchemy

connection = sqlalchemy.create_engine('mysql+pymysql://mi_usuario:mi_contrasenya@localhost:3306/mi_database')
df=pd.read_sql("SELECT * FROM mi_tabla",con=connection)

Crear un DataFrame desde una base de datos relacional es tan sencillo como crear la conexión con sqlalchemy.create_engine y luego con pandas llamar a read_sql.

conda install -c anaconda sqlalchemy

• Información general del DataFrame

df.info()

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 31 entries, 0 to 30
Data columns (total 3 columns):
 #   Column     Non-Null Count  Dtype  
---  ------     --------------  -----  
 0   tipo       31 non-null     object 
 1   capacidad  31 non-null     float64
 2   precio     31 non-null     int64  
dtypes: float64(1), int64(1), object(1)
memory usage: 872.0+ bytes

• Dimensión de los datos (filas y columnas)

df.shape

(31, 3)

• Mostrar las primeras filas

df.head()

  tipo  capacidad  precio
0  SSD       0.50     101
1  SSD       0.50      51
2  SSD       0.24      27
3  SSD       0.48      44
4  SSD       1.00      86

• Mostrar las últimas filas

df.tail()

   tipo  capacidad  precio
26  HDD       12.0     387
27  HDD       14.0     443
28  HDD       16.0     516
29  HDD       18.0     612
30  SSD        1.0     214

• Estadística descriptiva

df.describe()

       capacidad      precio
count  28.000000   28.000000
mean    4.092143  157.428571
std     5.209273  158.877178
min     0.120000   22.000000
25%     0.512000   50.750000
50%     1.750000   89.500000
75%     5.250000  184.000000
max    18.000000  612.000000

• Media de una columna

df.precio.mean()

157.42

• Desviación estándar de una columna

df.precio.std()

158.87

• Suma de una columna

	 
df.precio.sum()	 

4408.0

• Máximo de una columna

	 
df.precio.max()	 

612.0

• Mínimo de una columna

	 
df.precio.min()	 

22.0

• Correlación entre columnas

df.corr()

           capacidad    precio
capacidad   1.000000  0.962542
precio      0.962542  1.000000

Lo normal es que queramos acceder a los datos siempre por columnas. Así que explicaremos únicamente esa forma.

• Acceder a una columna.

df['capacidad']
df.loc[:,'capacidad']
df.capacidad

• Acceder a varias columnas

df[['precio','capacidad']]
df.loc[:,['precio','capacidad']]

• Acceder a todas las columnas excepto a una concreta (se usa para no acceder a la columna del resultado)

df.loc[:,df.columns!='tipo']

• Acceder a todas las columnas

df
df[:]
df.loc[:,:]

• Acceder a una columna por índice

df.iloc[:,1]

• Acceder a la última columna por índice

df.iloc[:,-1]

• Acceder a varias columnas por índice

df.iloc[:,[0,-1]]

• Obtener el nombre de todas las columnas

df.columns

['tipo', 'capacidad', 'precio']

• Obtener el nº de columnas

len(df.columns)

• Obtener el nombre de la columna por el Nº de columna

df.columns[0]

• Cambiar el nombre de una columna con rename. Se pasa un diccionario cuya clave es el nombre actual y el valor es el nuevo nombre.

#Cambiamos el nombre de la columna "tipo" al nuevo nombre "target"
df.rename(columns={'tipo': 'target'}, inplace=True)
new_df=df.rename(columns={'tipo': 'target'})

• Reordenar las columnas con reindex

#Ahora la columna target está al final
df=df.reindex(columns=['capacidad','precio','target'])

• Añadir la nueva columna velocidad al inicio del DataFrame

datos_nueva_columna=[1000, 1250, 6500, 2500, 2750, 2500, 1000, 1500, 2250, 5500, 2750, 4250, 5000, 3750, 2500, 6500, 5250, 5250, 3250, 3500, 7250, 6250, 2250, 3500, 4250, 6000, 2000, 3000, 5250, 2500]

df.insert(0,"velocidad",datos_nueva_columna)

• Añadir la nueva columna velocidad antes del "precio"

datos_nueva_columna=[1000, 1250, 6500, 2500, 2750, 2500, 1000, 1500, 2250, 5500, 2750, 4250, 5000, 3750, 2500, 6500, 5250, 5250, 3250, 3500, 7250, 6250, 2250, 3500, 4250, 6000, 2000, 3000, 5250, 2500]


df.insert(2,"velocidad",datos_nueva_columna)

• Añadir una nueva columna calculada

df.insert(3,"calculada",df.precio*df.capacidad)

  tipo  capacidad  precio  calculada
0  SSD       0.50     101      50.50
1  SSD       0.50      51      25.50
2  SSD       0.24      27       6.48
3  SSD       0.48      44      21.12
4  SSD       1.00      86      86.00
...........

• Modificar una columna

#Pasamos de euros a dolares
df.precio=df.precio*1.13

• Borrar la columna llamada calculada

df.drop(columns = ['calculada'], inplace = True)
new_df=df.drop(columns = ['calculada'])

• Filtrar por una condición: Cuyo tipo es "SSD"

df[df.tipo=='SSD']

• Filtrar por dos condiciones: Cuyo tipo es "SSD" y el precio es menor que 100

df[(df.tipo=='SSD') & (df.precio<100)]

• Valores únicos

df.tipo.unique()

array(['SSD', 'HDD'], dtype=object)

Vamos ahora a crear un DataFrame con datos inválidos.

tipo=[None, 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 'SSD', 
     'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD', 'HDD']
capacidad=[0.5, math.nan, 0.24, None, 1, 0.512, 1, 0.48, 0.12, 0.96, 0.256, 0.512, 1, 2, 0.5, 2, 2, 1, 1.5, 4, 2, 4, 6, 5, 8, 10, 12, 14, 16, 18]
precio=[101, 51, math.nan, 44, None, 101, 138, 50, 22, 83, 41, 78, 126, 183, 91, 48, 51, 37, 55, 81, 48, 88, 187, 146, 240, 360, 387, 443, 516, 612]
 
 
 
data=zip(tipo,capacidad,precio)
columns=['tipo', 'capacidad','precio']
 
df=pd.DataFrame(data, columns=columns)

• Obtener el número de datos a NaN o None de cada columna

df.isnull().sum()

tipo         1
capacidad    2
precio       2
dtype: int64

• Borrar aquellas filas que tiene el valor NaN o None

df=df.dropna()
df.isnull().sum()

tipo         0
capacidad    0
precio       0
dtype: int64

Con dataframes lo sencillo usar seaborn

• Scatter plot por el tipo

figure=plt.figure(figsize=(12,8))
axes = figure.add_subplot()

sns.scatterplot(x="capacidad", y="precio", hue="tipo",data=df,ax=axes)

• KDE

figure=plt.figure(figsize=(16,5))
axes = figure.add_subplot(1,2,1)
sns.kdeplot(x="capacidad",data=df,fill=True,ax=axes)
axes = figure.add_subplot(1,2,2)
sns.kdeplot(x="precio",data=df,fill=True,ax=axes)

• KDE por el tipo

figure=plt.figure(figsize=(16,5))
axes = figure.add_subplot(1,2,1)
sns.kdeplot(x="capacidad",hue="tipo",data=df,fill=True,ax=axes)
axes = figure.add_subplot(1,2,2)
sns.kdeplot(x="precio",hue="tipo",data=df,fill=True,ax=axes)

• Histograma por tipo

figure=plt.figure(figsize=(16,5))
axes = figure.add_subplot(1,2,1)
sns.histplot(x="capacidad",hue="tipo",data=df,ax=axes)
axes = figure.add_subplot(1,2,2)
sns.histplot(x="precio",hue="tipo",data=df,ax=axes)

• Pair plot

pairplot=sns.pairplot(df,hue="tipo")

Crea un DataDrame con los datos que proporciona load_iris. Recuerda que la propiedad feature_names retorna los nombres. La columna de los tipos de flor la debes llamar tipo_flor

• Grábalo a disco y mira el fichero resultante.
  • Ahora prueba a cargarlo
• Grábalo a disco con otro nombre pero ahora sin el parámetro index=False y mira la diferencia con el anterior fichero.
  • Ahora prueba a cargarlo
• Muestra el nombre de las columnas y los tipos de datos de cada una de ellas.
• Imprime por pantalla "El nº de número de características es: NNNNN y el número de muestras es: NNNNNN"
• Imprime por pantalla las primeras filas
• Imprime por pantalla las últimas filas
• ¿Cuando ocupa en memoria el DataFrame?

Siguiendo con el DataFrame anterior imprime por pantalla:

• El tamaño medio del ancho del pétalo
• La desviación del ancho del pétalo
• El máximo ancho del pétalo
• El mínimo ancho del pétalo

Siguiendo con el DataFrame anterior:

• Imprime por pantalla el nombre de las columnas como un array
• Imprime por pantalla el nombre de la primera columna
• Imprime por pantalla el número de columnas que hay.
• Cambia el nombre de la columna "tipo_flor" por el de "target"
• Mueve la columna "target" al final del DataFrame
• Inserta una nueva columna que sea el área del pétalo. Deberás insertarla antes de la última columna.
• Inserta una nueva columna que sea el área del sépalo. Deberás insertarla antes de la última columna.

Siguiendo con el DataFrame anterior imprime por pantalla:

• El ancho del pétalo de las flores de tipo "0" pero cuyo largo del pétalo sea entre [1.3,1.9]
• El ancho del sépalo de las flores de tipo "1"
• Indica los tipos de flores que hay.
• Indica cuantos valores de la columna "target" son "null"
• Indicar cuantos valores del DataFrame son "null"
• ¿Como se borrarían aquellas filas que tienen algún datos que es null?

Siguiendo con el DataFrame anterior y usando Seaborn:

• Muestra un scatter plot del ancho del pétalo en el eje X y el ancho del sépalo en el eje Y según el tipo de flor.
• Muestra el gráfico KDE de la distribución del largo del pétalo y del largo del sépalo.
• Muestra el gráfico KDE de la distribución del largo del pétalo y del largo del sépalo pero separado por el tipo de flor.
• Muestra un pairplot

Descarga el siguiente fichero tiempos_red_neuronal.csv que contiene los segundos que ha tardado en entrenarse una red neuronal según el nº de épocas y la función de activación usada

• Abre el fichero con un editor de texto y comprueba que formato tiene
• Carga el fichero con pandas
• Muestra las columnas que tiene
• Renombra la columna talla a epoca
• Muestra cuantas filas hay
• Muestra cuantos valores son null o NaN en cada columna
• Muestra el % de valores a null o NaN en cada columna
• Borra las filas que tengan algún valor a null o NaN
• Muestra las estadísticas de cada columna. ¿Podrías borrar alguna? ¿Explica porqué? En caso afirmativo borra la columna
• Indica que funciones de activación se han usado
• Indica hasta cuantas épocas se ha entrenado la red
• Indica la función de activación que ha tenido el mayor tiempo en la última época

Siguiendo con el DataFrame anterior:

• Muestra un scatter plot
  • Eje X:Época
  • Eje Y:Tiempo
  • Separa los datos por colores según la función de activación
  • Añade un título al gráfico y a los 2 ejes.

¿Ves algo raro en los datos?

Siguiendo con el DataFrame anterior:

• Haz una regresión lineal de los datos para cada tipo de activación.
• Haz un gráfico que:
  • Muestre la recta de la regresión de cada función de activación.
  • En la etiqueta de cada función de activación se muestre también el valor de R² para cada uno de ellos.

Siguiendo con el DataFrame anterior:

La gráfica no deja claro cda una de las rectas. Para mejorarlo se podría anotar al final de cada recta el nombre de la función de activación tal y como se muestra en el siguiente gráfico:

Para poner texto en una gráfica se usa el método annotate y la librería adjustText - automatic label placement for matplotlib

Usando la función plot_metrics muestra las gráficas de las pérdidas por épocas de las siguientes redes neuronales para el DataFrame de las flores:

Además:

• Deberás mostrar los 9 subplots en la disposición de 9x1 (9 filas y 1 columna)
• El título de cada subplot será el nº de neuronas por capa

Siguiendo con el DataFrame anterior:

• Para las 4 columnas de las características de las flores y el tipo de flor, crea 5 nuevas columnas que se llamen igual pero con el prefijo normalizado_. Esas 5 nuevas columnas tendrán los valores según la fórmula:

$$ valor = \frac {X-min}{max-min} $$

• Para las 4 columnas de las características de las flores y el tipo de flor, crea 5 nuevas columnas que se llamen igual pero con el prefijo standarizado_. Esas 5 nuevas columnas tendrán los valores según la fórmula:

$$ valor = \frac {X-media}{desviación} $$

Usando la función plot_metrics muestra las gráficas de las pérdidas por épocas de las siguientes redes neuronales para el DataFrame de las flores:

Pero para cada tipo de red ,deberás entrenarla 3 veces distintas y obtener resultado distintos con:

• Los datos originales
• Los datos normalizados
• Los datos estandarizados

Además:

• Deberás mostrar los 9 subplots en la disposición de 9x3 (9 filas y 3 columnas)
  • En la primera columna se mostrarán el resultado de entrenar la red con los datos originales
  • En la segunda columna se mostrarán el resultado de entrenar la red con los datos normalizados
  • En la tercera columna se mostrarán el resultado de entrenar la red con los datos estandarizados
• El título de cada subplot:
  • En la primera columna se mostrarán nº de neuronas por capa y el texto "originales"
  • En la segunda columna se mostrarán nº de neuronas por capa y el texto "normalizados"
  • En la tercera columna se mostrarán nº de neuronas por capa y el texto "estandarizados"

¿Hay diferencias al usar los datos normalizados o estandarizado? ¿Cual es mejor y peor? ¿Las ventajas son las mismas independientemente de la red?