python常用的序列处理函数 Python中的时间序列数据操作总结

时间序列数据是一种在一段时间内收集的数据类型，它通常用于金融、经济学和气象学等领域，经常通过分析来了解随着时间的推移的趋势和模式

pandas是Python中一个强大且流行的数据操作库，特别适合处理时间序列数据。它提供了一系列工具和函数可以轻松加载、操作和分析时间序列数据。

在本文中，我们介绍时间序列数据的索引和切片、重新采样和滚动窗口计算以及其他有用的常见操作，这些都是使用Pandas操作时间序列数据的关键技术。

数据类型

Python

在Python中，没有专门用于表示日期的内置数据类型。一般情况下都会使用datetime模块提供的datetime对象进行日期时间的操作。

import datetimet = datetime.datetime.now()print(f"type: {type(t)} and t: {t}")#type: <class 'datetime.datetime'> and t: 2022-12-26 14:20:51.278230

一般情况下我们都会使用字符串的形式存储日期和时间。所以在使用时我们需要将这些字符串进行转换成datetime对象。

一般情况下时间的字符串有以下格式：

• YYYY-MM-DD (e.g. 2022-01-01)
• YYYY/MM/DD (e.g. 2022/01/01)
• DD-MM-YYYY (e.g. 01-01-2022)
• DD/MM/YYYY (e.g. 01/01/2022)
• MM-DD-YYYY (e.g. 01-01-2022)
• MM/DD/YYYY (e.g. 01/01/2022)
• HH:MM:SS (e.g. 11:30:00)
• HH:MM:SS AM/PM (e.g. 11:30:00 AM)
• HH:MM AM/PM (e.g. 11:30 AM)

strptime 函数以字符串和格式字符串作为参数，返回一个datetime对象。

string = '2022-01-01 11:30:09't = datetime.datetime.strptime(string, "%Y-%m-%d %H:%M:%S")print(f"type: {type(t)} and t: {t}")#type: <class 'datetime.datetime'> and t: 2022-01-01 11:30:09

格式字符串如下：

还可以使用strftime函数将datetime对象转换回特定格式的字符串表示。

t = datetime.datetime.now()t_string = t.strftime("%m/%d/%Y, %H:%M:%S")#12/26/2022, 14:38:47t_string = t.strftime("%b/%d/%Y, %H:%M:%S")#Dec/26/2022, 14:39:32

Unix时间(POSIX时间或epoch时间)是一种将时间表示为单个数值的系统。它表示自1970年1月1日星期四00:00:00协调世界时(UTC)以来经过的秒数。

Unix时间和时间戳通常可以互换使用。Unix时间是创建时间戳的标准版本。一般情况下使用整数或浮点数据类型用于存储时间戳和Unix时间。

我们可以使用time模块的mktime方法将datetime对象转换为Unix时间整数。也可以使用datetime模块的fromTimestamp方法。

#convert datetime to unix timeimport timefrom datetime import datetimet = datetime.now()unix_t = int(time.mktime(t.timetuple()))#1672055277#convert unix time to datetimeunix_t = 1672055277t = datetime.fromtimestamp(unix_t)#2022-12-26 14:47:57

使用dateutil模块来解析日期字符串获得datetime对象。

from dateutil import parserdate = parser.parse("29th of October, 1923")#datetime.datetime(1923, 10, 29, 0, 0)

Pandas

Pandas提供了三种日期数据类型:

1、Timestamp或DatetimeIndex:它的功能类似于其他索引类型，但也具有用于时间序列操作的专门函数。

t = pd.to_datetime("29/10/1923", dayfirst=True)#Timestamp('1923-10-29 00:00:00')t = pd.Timestamp('2019-01-01', tz = 'Europe/Berlin')#Timestamp('2019-01-01 00:00:00 0100', tz='Europe/Berlin')t = pd.to_datetime(["04/23/1920", "10/29/1923"])#DatetimeIndex(['1920-04-23', '1923-10-29'], dtype='datetime64[ns]', freq=None)

2、Period或periodIndex:一个有开始和结束的时间间隔。它由固定的间隔组成。

t = pd.to_datetime(["04/23/1920", "10/29/1923"])period = t.to_period("D")#PeriodIndex(['1920-04-23', '1923-10-29'], dtype='period[D]')

3、Timedelta或TimedeltaIndex:两个日期之间的时间间隔。

delta = pd.TimedeltaIndex(data =['1 days 03:00:00', '2 days 09:05:01.000030'])"""TimedeltaIndex(['1 days 02:00:00', '1 days 06:05:01.000030'], dtype='timedelta64[ns]', freq=None)"""

在Pandas中，可以使用to_datetime方法将对象转换为datetime数据类型或进行任何其他转换。

import pandas as pddf = pd.read_csv("dataset.txt")df.head()"""date value0 1991-07-01 3.5265911 1991-08-01 3.1808912 1991-09-01 3.2522213 1991-10-01 3.6110034 1991-11-01 3.565869"""df.info()"""<class 'pandas.core.frame.Dataframe'>RangeIndex: 204 entries, 0 to 203Data columns (total 2 columns):# Column Non-Null Count Dtype --- ------ -------------- ----- 0 date 204 non-null object 1 value 204 non-null float64dtypes: float64(1), object(1)memory usage: 3.3 KB"""# Convert to datetimedf["date"] = pd.to_datetime(df["date"], format = "%Y-%m-%d")df.info()"""<class 'pandas.core.frame.Dataframe'>rangeIndex: 204 entries, 0 to 203Data columns (total 2 columns):# Column Non-Null Count Dtype --- ------ -------------- ----- 0 date 204 non-null datetime64[ns]1 value 204 non-null float64 dtypes: datetime64[ns](1), float64(1)memory usage: 3.3 KB"""# Convert to Unixdf['unix_time'] = df['date'].apply(lambda x: x.timestamp())df.head()"""date value unix_time0 1991-07-01 3.526591 678326400.01 1991-08-01 3.180891 681004800.02 1991-09-01 3.252221 683683200.03 1991-10-01 3.611003 686275200.04 1991-11-01 3.565869 688953600.0"""df["date_converted_from_unix"] = pd.to_datetime(df["unix_time"], unit = "s")df.head()"""date value unix_time date_converted_from_unix0 1991-07-01 3.526591 678326400.0 1991-07-011 1991-08-01 3.180891 681004800.0 1991-08-012 1991-09-01 3.252221 683683200.0 1991-09-013 1991-10-01 3.611003 686275200.0 1991-10-014 1991-11-01 3.565869 688953600.0 1991-11-01"""

我们还可以使用parse_dates参数在任何文件加载时直接声明日期列。

df = pd.read_csv("dataset.txt", parse_dates=["date"])df.info()"""<class 'pandas.core.frame.Dataframe'>RangeIndex: 204 entries, 0 to 203Data columns (total 2 columns):# Column Non-Null Count Dtype --- ------ -------------- ----- 0 date 204 non-null datetime64[ns]1 value 204 non-null float64 dtypes: datetime64[ns](1), float64(1)memory usage: 3.3 KB"""

如果是单个时间序列的数据，最好将日期列作为数据集的索引。

df.set_index("date",inplace=True)"""Valuedate 1991-07-01 3.5265911991-08-01 3.1808911991-09-01 3.2522211991-10-01 3.6110031991-11-01 3.565869... ...2008-02-01 21.6542852008-03-01 18.2649452008-04-01 23.1076772008-05-01 22.9125102008-06-01 19.431740"""

Numpy也有自己的datetime类型np.Datetime64。特别是在大型数据集时，向量化是非常有用的，应该优先使用。

import numpy as nparr_date = np.array('2000-01-01', dtype=np.datetime64)arr_date#array('2000-01-01', dtype='datetime64[D]')#broadcastingarr_date = arr_date np.arange(30)"""array(['2000-01-01', '2000-01-02', '2000-01-03', '2000-01-04','2000-01-05', '2000-01-06', '2000-01-07', '2000-01-08','2000-01-09', '2000-01-10', '2000-01-11', '2000-01-12','2000-01-13', '2000-01-14', '2000-01-15', '2000-01-16','2000-01-17', '2000-01-18', '2000-01-19', '2000-01-20','2000-01-21', '2000-01-22', '2000-01-23', '2000-01-24','2000-01-25', '2000-01-26', '2000-01-27', '2000-01-28','2000-01-29', '2000-01-30'], dtype='datetime64[D]')"""

有用的函数

下面列出的是一些可能对时间序列有用的函数。

df = pd.read_csv("dataset.txt", parse_dates=["date"])df["date"].dt.day_name()"""0 Monday1 Thursday2 Sunday3 Tuesday4 Friday... 199 Friday200 Saturday201 Tuesday202 Thursday203 SundayName: date, Length: 204, dtype: object"""

DataReader

Pandas_datareader是pandas库的一个辅助库。它提供了许多常见的金融时间序列数据

#pip install pandas-datareaderfrom pandas_datareader import wb#GDP per Capita From World Bankdf = wb.download(indicator='NY.GDP.PCAP.KD', country=['US', 'FR', 'GB', 'DK', 'NO'], start=1960, end=2019)"""NY.GDP.PCAP.KDcountry year Denmark 2019 57203.0277942018 56563.4884732017 55735.7649012016 54556.0689552015 53254.856370... ...United States 1964 21599.8187051963 20701.2699471962 20116.2351241961 19253.5473291960 19135.268182[300 rows x 1 columns]"""

日期范围

我们可以使用pandas的date_range方法定义一个日期范围。

pd.date_range(start="2021-01-01", end="2022-01-01", freq="D")"""DatetimeIndex(['2021-01-01', '2021-01-02', '2021-01-03', '2021-01-04','2021-01-05', '2021-01-06', '2021-01-07', '2021-01-08','2021-01-09', '2021-01-10',...'2021-12-23', '2021-12-24', '2021-12-25', '2021-12-26','2021-12-27', '2021-12-28', '2021-12-29', '2021-12-30','2021-12-31', '2022-01-01'],dtype='datetime64[ns]', length=366, freq='D')"""pd.date_range(start="2021-01-01", end="2022-01-01", freq="BM")"""DatetimeIndex(['2021-01-29', '2021-02-26', '2021-03-31', '2021-04-30','2021-05-31', '2021-06-30', '2021-07-30', '2021-08-31','2021-09-30', '2021-10-29', '2021-11-30', '2021-12-31'],dtype='datetime64[ns]', freq='BM')"""fridays = pd.date_range('2022-11-01', '2022-12-31', freq="W-FRI")"""DatetimeIndex(['2022-11-04', '2022-11-11', '2022-11-18', '2022-11-25','2022-12-02', '2022-12-09', '2022-12-16', '2022-12-23','2022-12-30'],dtype='datetime64[ns]', freq='W-FRI')"""

我们可以使用timedelta_range方法创建一个时间序列。

t = pd.timedelta_range(0, periods=10, freq="H")"""TimedeltaIndex(['0 days 00:00:00', '0 days 01:00:00', '0 days 02:00:00','0 days 03:00:00', '0 days 04:00:00', '0 days 05:00:00','0 days 06:00:00', '0 days 07:00:00', '0 days 08:00:00','0 days 09:00:00'],dtype='timedelta64[ns]', freq='H')"""

格式化

我们dt.strftime方法改变日期列的格式。

df["new_date"] = df["date"].dt.strftime("%b %d, %Y")df.head()"""date value new_date0 1991-07-01 3.526591 Jul 01, 19911 1991-08-01 3.180891 Aug 01, 19912 1991-09-01 3.252221 Sep 01, 19913 1991-10-01 3.611003 Oct 01, 19914 1991-11-01 3.565869 Nov 01, 1991"""

解析

解析datetime对象并获得日期的子对象。

df["year"] = df["date"].dt.yeardf["month"] = df["date"].dt.monthdf["day"] = df["date"].dt.daydf["calendar"] = df["date"].dt.datedf["hour"] = df["date"].dt.timedf.head()"""date value year month day calendar hour0 1991-07-01 3.526591 1991 7 1 1991-07-01 00:00:001 1991-08-01 3.180891 1991 8 1 1991-08-01 00:00:002 1991-09-01 3.252221 1991 9 1 1991-09-01 00:00:003 1991-10-01 3.611003 1991 10 1 1991-10-01 00:00:004 1991-11-01 3.565869 1991 11 1 1991-11-01 00:00:00"""

还可以重新组合它们。

df["date_joined"] = pd.to_datetime(df[["year","month","day"]])print(df["date_joined"])"""0 1991-07-011 1991-08-012 1991-09-013 1991-10-014 1991-11-01... 199 2008-02-01200 2008-03-01201 2008-04-01202 2008-05-01203 2008-06-01Name: date_joined, Length: 204, dtype: datetime64[ns]

过滤查询

使用loc方法来过滤Dataframe。

df = df.loc["2021-01-01":"2021-01-10"]

truncate 可以查询两个时间间隔中的数据

df_truncated = df.truncate('2021-01-05', '2022-01-10')

常见数据操作

下面就是对时间序列数据集中的值执行操作。我们使用yfinance库创建一个用于示例的股票数据集。

#get google stock price dataimport yfinance as yfstart_date = '2020-01-01'end_date = '2023-01-01'ticker = 'GOOGL'df = yf.download(ticker, start_date, end_date)df.head()"""Date Open High Low Close Adj Close Volume 2020-01-02 67.420502 68.433998 67.324501 68.433998 68.433998 272780002020-01-03 67.400002 68.687500 67.365997 68.075996 68.075996 234080002020-01-06 67.581497 69.916000 67.550003 69.890503 69.890503 467680002020-01-07 70.023003 70.175003 69.578003 69.755501 69.755501 343300002020-01-08 69.740997 70.592499 69.631500 70.251999 70.251999 35314000"""

计算差值

diff函数可以计算一个元素与另一个元素之间的插值。

#subtract that day's value from the previous daydf["diff_Close"] = df["Close"].diff()#Subtract that day's value from the day's value 2 days agodf["Diff_Close_2Days"] = df["Close"].diff(periods=2)

累计总数

df["Volume_Cumulative"] = df["Volume"].cumsum()

滚动窗口计算

滚动窗口计算(移动平均线)。

df["Close_Rolling_14"] = df["Close"].rolling(14).mean()df.tail()

可以对我们计算的移动平均线进行可视化

常用的参数：

• center:决定滚动窗口是否应以当前观测值为中心。
• min_periods:窗口中产生结果所需的最小观测次数。

s = pd.Series([1, 2, 3, 4, 5])#the rolling window will be centered on each observationrolling_mean = s.rolling(window=3, center=True).mean()"""0 NaN1 2.02 3.03 4.04 NaNdtype: float64Explanation:first window: [na 1 2] = nasecond window: [1 2 3] = 2"""# the rolling window will not be centered, #and will instead be anchored to the left side of the windowrolling_mean = s.rolling(window=3, center=False).mean()"""0 NaN1 NaN2 2.03 3.04 4.0dtype: float64Explanation:first window: [na na 1] = nasecond window: [na 1 2] = nathird window: [1 2 3] = 2"""

平移

Pandas有两个方法，shift()和tshift()，它们可以指定倍数移动数据或时间序列的索引。Shift()移位数据，而tshift()移位索引。

#shift the datadf_shifted = df.shift(5,axis=0)df_shifted.head(10)#shift the indexesdf_tshifted = df.tshift(periods = 4, freq = 'D')df_tshifted.head(10)

df_shifted

df_tshifted

时间间隔转换

在 Pandas 中，操 to_period 函数允许将日期转换为特定的时间间隔。可以获取具有许多不同间隔或周期的日期

df["Period"] = df["Date"].dt.to_period('W')

频率

Asfreq方法用于将时间序列转换为指定的频率。

monthly_data = df.asfreq('M', method='ffill')

常用参数:

freq:数据应该转换到的频率。这可以使用字符串别名(例如，'M'表示月，'H'表示小时)或pandas偏移量对象来指定。

method:如何在转换频率时填充缺失值。这可以是'ffill'(向前填充)或'bfill'(向后填充)之类的字符串。

采样

resample可以改变时间序列频率并重新采样。我们可以进行上采样(到更高的频率)或下采样(到更低的频率)。因为我们正在改变频率，所以我们需要使用一个聚合函数(比如均值、最大值等)。

resample方法的参数:

rule:数据重新采样的频率。这可以使用字符串别名(例如，'M'表示月，'H'表示小时)或pandas偏移量对象来指定。

#down samplemonthly_data = df.resample('M').mean()

#up sampleminute_data = data.resample('T').ffill()

百分比变化

使用pct_change方法来计算日期之间的变化百分比。

df["PCT"] = df["Close"].pct_change(periods=2)print(df["PCT"])"""Date2020-01-02 NaN2020-01-03 NaN2020-01-06 0.0212832020-01-07 0.0246712020-01-08 0.005172... 2022-12-19 -0.0266342022-12-20 -0.0137382022-12-21 0.0128902022-12-22 -0.0141542022-12-23 -0.003907Name: PCT, Length: 752, dtype: float64"""

总结

在Pandas和NumPy等库的帮助下，可以对时间序列数据执行广泛的操作，包括过滤、聚合和转换。本文介绍的是一些在工作中经常遇到的常见操作，希望对你有所帮助。

作者：Okan Yenigün

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