Python時間序列資料操作的常用方法總結

時間序列資料是一種在一段時間內收集的資料類型，它通常用於金融、經濟學和氣象學等領域，經常透過分析來了解隨著時間的推移的趨勢和模式

Pandas是Python中一個強大且受歡迎的資料操作庫，特別適合處理時間序列資料。它提供了一系列工具和函數可以輕鬆載入、操作和分析時間序列資料。

在本文中，我們介紹時間序列資料的索引和切片、重新採樣和滾動視窗計算以及其他有用的常見操作，這些都是使用Pandas操作時間序列資料的關鍵技術。

資料型別

Python

在Python中，沒有專門用來表示日期的內建資料型別。一般情況下都會使用datetime模組提供的datetime物件進行日期時間的操作。

import datetime

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

一般情況下我們都會使用字串的形式儲存日期和時間。所以在使用時我們需要將這些字串進行轉換成datetime物件。

一般情況下時間的字串有以下格式：

• 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 函數以字串和格式字串作為參數，傳回一個datetime物件。

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

格式字串如下：

也可以使用strftime函數將datetime物件轉換回特定格式的字串表示。

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

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

Unix時間(POSIX時間或epoch時間)是一種將時間表示為單一數值的系統。它表示自1970年1月1日星期四00:00:00協調世界時(UTC)以來經過的秒數。

Unix時間和時間戳通常可以互換使用。 Unix時間是建立時間戳記的標準版本。一般情況下使用整數或浮點數資料型別用於儲存時間戳記和Unix時間。

我們可以使用time模組的mktime方法將datetime物件轉換為Unix時間整數。也可以使用datetime模組的fromtimestamp方法。

#convert datetime to unix time
import time
from datetime import datetime

t = datetime.now()
unix_t = int(time.mktime(t.timetuple()))
#1672055277

#convert unix time to datetime
unix_t = 1672055277
t = datetime.fromtimestamp(unix_t)
#2022-12-26 14:47:57

使用dateutil模組來解析日期字串來取得datetime物件。

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

Pandas

Pandas提供了三種日期資料類型:

#1、Timestamp或DatetimeIndex:它的功能類似於其他索引類型，但也具有用於時間序列操作的專門函數。

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:一個有開始和結束的時間間隔。它由固定的間隔組成。

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:兩個日期之間的時間間隔。

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方法將物件轉換為datetime資料類型或進行任何其他轉換。

import pandas as pd
df = pd.read_csv("dataset.txt")
df.head()

"""

date value
0 1991-07-01 3.526591
1 1991-08-01 3.180891
2 1991-09-01 3.252221
3 1991-10-01 3.611003
4 1991-11-01 3.565869
"""

df.info()

"""
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 204 entries, 0 to 203
Data columns (total 2 columns):
# Column Non-Null Count Dtype
--- ------ -------------- -----
0 date 204 non-null object
1 value 204 non-null float64
dtypes: float64(1), object(1)
memory usage: 3.3+ KB
"""

# Convert to datetime
df["date"] = pd.to_datetime(df["date"], format = "%Y-%m-%d")

df.info()

"""
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 204 entries, 0 to 203
Data 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 Unix
df['unix_time'] = df['date'].apply(lambda x: x.timestamp())
df.head()
"""
date value unix_time
0 1991-07-01 3.526591 678326400.0
1 1991-08-01 3.180891 681004800.0
2 1991-09-01 3.252221 683683200.0
3 1991-10-01 3.611003 686275200.0
4 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_unix
0 1991-07-01 3.526591 678326400.0 1991-07-01
1 1991-08-01 3.180891 681004800.0 1991-08-01
2 1991-09-01 3.252221 683683200.0 1991-09-01
3 1991-10-01 3.611003 686275200.0 1991-10-01
4 1991-11-01 3.565869 688953600.0 1991-11-01
"""

我們也可以使用parse_dates參數在任何檔案載入時直接宣告日期列。

df = pd.read_csv("dataset.txt", parse_dates=["date"])
df.info()

"""
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 204 entries, 0 to 203
Data 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
"""

如果是單一時間序列的數據，最好將日期列作為資料集的索引。

df.set_index("date",inplace=True)

"""
Value
date
1991-07-01 3.526591
1991-08-01 3.180891
1991-09-01 3.252221
1991-10-01 3.611003
1991-11-01 3.565869
... ...
2008-02-01 21.654285
2008-03-01 18.264945
2008-04-01 23.107677
2008-05-01 22.912510
2008-06-01 19.431740
"""

Numpy也有自己的datetime型別np.Datetime64。特別是在大型資料集時，向量化是非常有用的，應該優先使用。

import numpy as np
arr_date = np.array('2000-01-01', dtype=np.datetime64)
arr_date
#array('2000-01-01', dtype='datetime64[D]')

#broadcasting
arr_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]')
"""

有用的函數

下面列出的是一些可能對時間序列有用的函數。

df = pd.read_csv("dataset.txt", parse_dates=["date"])
df["date"].dt.day_name()

"""
0 Monday
1 Thursday
2 Sunday
3 Tuesday
4 Friday
...
199 Friday
200 Saturday
201 Tuesday
202 Thursday
203 Sunday
Name: date, Length: 204, dtype: object
"""

DataReader

Pandas_datareader是pandas函式庫的一個輔助函式庫。它提供了許多常見的金融時間序列資料。

#pip install pandas-datareader
from pandas_datareader import wb
#GDP per Capita From World Bank
df = wb.download(indicator='NY.GDP.PCAP.KD',
 country=['US', 'FR', 'GB', 'DK', 'NO'], start=1960, end=2019)

"""
NY.GDP.PCAP.KD
country year
Denmark 2019 57203.027794
2018 56563.488473
2017 55735.764901
2016 54556.068955
2015 53254.856370
... ...
United States 1964 21599.818705
1963 20701.269947
1962 20116.235124
1961 19253.547329
1960 19135.268182

[300 rows x 1 columns]
"""

日期範圍

我們可以使用pandas的date_range方法定義一個日期範圍。

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')
"""

我們可以使用timedelta_range方法來建立一個時間序列。

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

我們dt.strftime方法改變日期列的格式。

df["new_date"] = df["date"].dt.strftime("%b %d, %Y")
df.head()
"""
date value new_date
0 1991-07-01 3.526591 Jul 01, 1991
1 1991-08-01 3.180891 Aug 01, 1991
2 1991-09-01 3.252221 Sep 01, 1991
3 1991-10-01 3.611003 Oct 01, 1991
4 1991-11-01 3.565869 Nov 01, 1991
"""

解析

解析datetime物件並取得日期的子物件。

df["year"] = df["date"].dt.year
df["month"] = df["date"].dt.month
df["day"] = df["date"].dt.day
df["calendar"] = df["date"].dt.date
df["hour"] = df["date"].dt.time
df.head()
"""
date value year month day calendar hour
0 1991-07-01 3.526591 1991 7 1 1991-07-01 00:00:00
1 1991-08-01 3.180891 1991 8 1 1991-08-01 00:00:00
2 1991-09-01 3.252221 1991 9 1 1991-09-01 00:00:00
3 1991-10-01 3.611003 1991 10 1 1991-10-01 00:00:00
4 1991-11-01 3.565869 1991 11 1 1991-11-01 00:00:00
"""

也可以重新組合它們。

df["date_joined"] = pd.to_datetime(df[["year","month","day"]])
print(df["date_joined"])
"""
0 1991-07-01
1 1991-08-01
2 1991-09-01
3 1991-10-01
4 1991-11-01
...
199 2008-02-01
200 2008-03-01
201 2008-04-01
202 2008-05-01
203 2008-06-01
Name: date_joined, Length: 204, dtype: datetime64[ns]

過濾查詢

使用loc方法來過濾DataFrame。

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

truncate 可以查詢兩個時間間隔中的資料

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

常見資料運算

下面就是對時間序列資料集中的值執行操作。我們使用yfinance庫建立一個用於範例的股票資料集。

#get google stock price data
import yfinance as yf
start_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 27278000
2020-01-03 67.400002 68.687500 67.365997 68.075996 68.075996 23408000
2020-01-06 67.581497 69.916000 67.550003 69.890503 69.890503 46768000
2020-01-07 70.023003 70.175003 69.578003 69.755501 69.755501 34330000
2020-01-08 69.740997 70.592499 69.631500 70.251999 70.251999 35314000
"""

計算差值

diff函數可以計算一個元素與另一個元素之間的內插。

#subtract that day's value from the previous day
df["Diff_Close"] = df["Close"].diff()
#Subtract that day's value from the day's value 2 days ago
df["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 observation
rolling_mean = s.rolling(window=3, center=True).mean()
"""
0 NaN
1 2.0
2 3.0
3 4.0
4 NaN
dtype: float64
Explanation:
first window: [na 1 2] = na
second window: [1 2 3] = 2
"""

# the rolling window will not be centered,
#and will instead be anchored to the left side of the window
rolling_mean = s.rolling(window=3, center=False).mean()
"""
0 NaN
1 NaN
2 2.0
3 3.0
4 4.0
dtype: float64
Explanation:
first window: [na na 1] = na
second window: [na 1 2] = na
third 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 data
df_shifted = df.shift(5,axis=0)
df_shifted.head(10)

#shift the indexes
df_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 sample
monthly_data = df.resample('M').mean()

#up sample
minute_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"])
"""
Date
2020-01-02 NaN
2020-01-03 NaN
2020-01-06 0.021283
2020-01-07 0.024671
2020-01-08 0.005172
...
2022-12-19 -0.026634
2022-12-20 -0.013738
2022-12-21 0.012890
2022-12-22 -0.014154
2022-12-23 -0.003907
Name: 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。

以上是Python時間序列資料操作的常用方法總結的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！