14.md

# 第 14 章 数据分析案例

本书正文的最后一章，我们来看一些真实世界的数据集。对于每个数据集，我们会用之前介绍的方法，从原始数据中提取有意义的内容。展示的方法适用于其它数据集，也包括你的。本章包含了一些各种各样的案例数据集，可以用来练习。

案例数据集可以在 Github 仓库找到，见第一章。

# 14.1 来自 Bitly 的 USA.gov 数据

2011 年，URL 缩短服务 Bitly 跟美国政府网站 USA.gov 合作，提供了一份从生成.gov 或.mil 短链接的用户那里收集来的匿名数据。在 2011 年，除实时数据之外，还可以下载文本文件形式的每小时快照。写作此书时（2017 年），这项服务已经关闭，但我们保存一份数据用于本书的案例。

以每小时快照为例，文件中各行的格式为 JSON（即 JavaScript Object Notation，这是一种常用的 Web 数据格式）。例如，如果我们只读取某个文件中的第一行，那么所看到的结果应该是下面这样：
```python
In [5]: path = 'datasets/bitly_usagov/example.txt'

In [6]: open(path).readline()
Out[6]: '{ "a": "Mozilla\\/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit\\/535.11
(KHTML, like Gecko) Chrome\\/17.0.963.78 Safari\\/535.11", "c": "US", "nk": 1,
"tz": "America\\/New_York", "gr": "MA", "g": "A6qOVH", "h": "wfLQtf", "l":
"orofrog", "al": "en-US,en;q=0.8", "hh": "1.usa.gov", "r":
"http:\\/\\/www.facebook.com\\/l\\/7AQEFzjSi\\/1.usa.gov\\/wfLQtf", "u":
"http:\\/\\/www.ncbi.nlm.nih.gov\\/pubmed\\/22415991", "t": 1331923247, "hc":
1331822918, "cy": "Danvers", "ll": [ 42.576698, -70.954903 ] }\n'
```

Python 有内置或第三方模块可以将 JSON 字符串转换成 Python 字典对象。这里，我将使用 json 模块及其 loads 函数逐行加载已经下载好的数据文件：
```python
import json
path = 'datasets/bitly_usagov/example.txt'
records = [json.loads(line) for line in open(path)]
```

现在，records 对象就成为一组 Python 字典了：
```python
In [18]: records[0]
Out[18]:
{'a': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/535.11 (KHTML, like Gecko)
Chrome/17.0.963.78 Safari/535.11',
 'al': 'en-US,en;q=0.8',
 'c': 'US',
 'cy': 'Danvers',
 'g': 'A6qOVH',
 'gr': 'MA',
 'h': 'wfLQtf',
 'hc': 1331822918,
 'hh': '1.usa.gov',
 'l': 'orofrog',
 'll': [42.576698, -70.954903],
 'nk': 1,
 'r': 'http://www.facebook.com/l/7AQEFzjSi/1.usa.gov/wfLQtf',
 't': 1331923247,
 'tz': 'America/New_York',
 'u': 'http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22415991'}
```

## 用纯 Python 代码对时区进行计数

假设我们想要知道该数据集中最常出现的是哪个时区（即 tz 字段），得到答案的办法有很多。首先，我们用列表推导式取出一组时区：
```python
In [12]: time_zones = [rec['tz'] for rec in records]
---------------------------------------------------------------------------
KeyError                                  Traceback (most recent call last)
<ipython-input-12-db4fbd348da9> in <module>()
----> 1 time_zones = [rec['tz'] for rec in records]
<ipython-input-12-db4fbd348da9> in <listcomp>(.0)
----> 1 time_zones = [rec['tz'] for rec in records]
KeyError: 'tz'
```

晕！原来并不是所有记录都有时区字段。这个好办，只需在列表推导式末尾加上一个 if 'tz'in rec 判断即可：
```python
In [13]: time_zones = [rec['tz'] for rec in records if 'tz' in rec]

In [14]: time_zones[:10]
Out[14]: 
['America/New_York',
 'America/Denver',
 'America/New_York',
 'America/Sao_Paulo',
 'America/New_York',
 'America/New_York',
 'Europe/Warsaw',
 '',
 '',
 '']
```

只看前 10 个时区，我们发现有些是未知的（即空的）。虽然可以将它们过滤掉，但现在暂时先留着。接下来，为了对时区进行计数，这里介绍两个办法：一个较难（只使用标准 Python 库），另一个较简单（使用 pandas）。计数的办法之一是在遍历时区的过程中将计数值保存在字典中：
```python
def get_counts(sequence):
    counts = {}
    for x in sequence:
        if x in counts:
            counts[x] += 1
        else:
            counts[x] = 1
    return counts
```

如果使用 Python 标准库的更高级工具，那么你可能会将代码写得更简洁一些：
```python
from collections import defaultdict

def get_counts2(sequence):
    counts = defaultdict(int) # values will initialize to 0
    for x in sequence:
        counts[x] += 1
    return counts
```

我将逻辑写到函数中是为了获得更高的复用性。要用它对时区进行处理，只需将 time_zones 传入即可：
```python
In [17]: counts = get_counts(time_zones)

In [18]: counts['America/New_York']
Out[18]: 1251

In [19]: len(time_zones)
Out[19]: 3440
```

如果想要得到前 10 位的时区及其计数值，我们需要用到一些有关字典的处理技巧：
```python
def top_counts(count_dict, n=10):
    value_key_pairs = [(count, tz) for tz, count in count_dict.items()]
    value_key_pairs.sort()
    return value_key_pairs[-n:]
```

然后有：
```python
In [21]: top_counts(counts)
Out[21]: 
[(33, 'America/Sao_Paulo'),
 (35, 'Europe/Madrid'),
(36, 'Pacific/Honolulu'),
 (37, 'Asia/Tokyo'),
 (74, 'Europe/London'),
 (191, 'America/Denver'),
 (382, 'America/Los_Angeles'),
 (400, 'America/Chicago'),
 (521, ''),
 (1251, 'America/New_York')]
```

如果你搜索 Python 的标准库，你能找到 collections.Counter 类，它可以使这项工作更简单：
```python
In [22]: from collections import Counter

In [23]: counts = Counter(time_zones)

In [24]: counts.most_common(10)
Out[24]: 
[('America/New_York', 1251),
 ('', 521),
 ('America/Chicago', 400),
 ('America/Los_Angeles', 382),
 ('America/Denver', 191),
 ('Europe/London', 74),
 ('Asia/Tokyo', 37),
 ('Pacific/Honolulu', 36),
 ('Europe/Madrid', 35),
 ('America/Sao_Paulo', 33)]
```

## 用 pandas 对时区进行计数

从原始记录的集合创建 DateFrame，与将记录列表传递到 pandas.`DataFrame`一样简单：
```python
In [25]: import pandas as pd

In [26]: frame = pd.DataFrame(records)

In [27]: frame.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3560 entries, 0 to 3559
Data columns (total 18 columns):
_heartbeat_    120 non-null float64
a              3440 non-null object
al             3094 non-null object
c              2919 non-null object
cy             2919 non-null object
g              3440 non-null object
gr             2919 non-null object
h              3440 non-null object
hc             3440 non-null float64
hh             3440 non-null object
kw             93 non-null object
l              3440 non-null object
ll             2919 non-null object
nk             3440 non-null float64
r              3440 non-null object
t              3440 non-null float64
tz             3440 non-null object
u              3440 non-null object
dtypes: float64(4), object(14)
memory usage: 500.7+ KB

In [28]: frame['tz'][:10]
Out[28]: 
0     America/New_York
1       America/Denver
2     America/New_York
3    America/Sao_Paulo
4     America/New_York
5     America/New_York
6        Europe/Warsaw
7                     
8                     
9                     
Name: tz, dtype: object
```

这里 frame 的输出形式是摘要视图（summary view），主要用于较大的`DataFrame`对象。我们然后可以对`Series`使用 value_counts 方法：
```python
In [29]: tz_counts = frame['tz'].value_counts()

In [30]: tz_counts[:10]
Out[30]: 
America/New_York       1251
                        521
America/Chicago         400
America/Los_Angeles     382
America/Denver          191
Europe/London            74
Asia/Tokyo               37
Pacific/Honolulu         36
Europe/Madrid            35
America/Sao_Paulo        33
Name: tz, dtype: int64
```

我们可以用 matplotlib 可视化这个数据。为此，我们先给记录中未知或缺失的时区填上一个替代值。fillna 函数可以替换缺失值（NA），而未知值（空字符串）则可以通过布尔型数组索引加以替换：
```python
In [31]: clean_tz = frame['tz'].fillna('Missing')

In [32]: clean_tz[clean_tz == ''] = 'Unknown'

In [33]: tz_counts = clean_tz.value_counts()

In [34]: tz_counts[:10]
Out[34]: 
America/New_York       1251
Unknown                 521
America/Chicago         400
America/Los_Angeles     382
America/Denver          191
Missing                 120
Europe/London            74
Asia/Tokyo               37
Pacific/Honolulu         36
Europe/Madrid            35
Name: tz, dtype: int64
```

此时，我们可以用 seaborn 包创建水平柱状图（结果见图 14-1）：
```python
In [36]: import seaborn as sns

In [37]: subset = tz_counts[:10]

In [38]: sns.barplot(y=subset.index, x=subset.values)
```

![图 14-1 usa.gov 示例数据中最常出现的时区](img/7178691-aa267c1d399a78f0.png)

a 字段含有执行 URL 短缩操作的浏览器、设备、应用程序的相关信息：
```python
In [39]: frame['a'][1]
Out[39]: 'GoogleMaps/RochesterNY'

In [40]: frame['a'][50]
Out[40]: 'Mozilla/5.0 (Windows NT 5.1; rv:10.0.2)
Gecko/20100101 Firefox/10.0.2'

In [41]: frame['a'][51][:50]  # long line
Out[41]: 'Mozilla/5.0 (Linux; U; Android 2.2.2; en-us; LG-P9'
```

将这些"agent"字符串中的所有信息都解析出来是一件挺郁闷的工作。一种策略是将这种字符串的第一节（与浏览器大致对应）分离出来并得到另外一份用户行为摘要：
```python
In [42]: results = pd.Series([x.split()[0] for x in frame.a.dropna()])

In [43]: results[:5]
Out[43]: 
0               Mozilla/5.0
1    GoogleMaps/RochesterNY
2               Mozilla/4.0
3               Mozilla/5.0
4               Mozilla/5.0
dtype: object

In [44]: results.value_counts()[:8]
Out[44]: 
Mozilla/5.0                 2594
Mozilla/4.0                  601
GoogleMaps/RochesterNY       121
Opera/9.80                    34
TEST_INTERNET_AGENT           24
GoogleProducer                21
Mozilla/6.0                    5
BlackBerry8520/5.0.0.681       4
dtype: int64
```

现在，假设你想按 Windows 和非 Windows 用户对时区统计信息进行分解。为了简单起见，我们假定只要 agent 字符串中含有"Windows"就认为该用户为 Windows 用户。由于有的 agent 缺失，所以首先将它们从数据中移除：
```python
In [45]: cframe = frame[frame.a.notnull()]
```

然后计算出各行是否含有 Windows 的值：
```python
In [47]: cframe['os'] = np.where(cframe['a'].str.contains('Windows'),
   ....:                         'Windows', 'Not Windows')

In [48]: cframe['os'][:5]
Out[48]: 
0        Windows
1    Not Windows
2        Windows
3    Not Windows
4        Windows
Name: os, dtype: object
```

接下来就可以根据时区和新得到的操作系统列表对数据进行分组了：
```python
In [49]: by_tz_os = cframe.groupby(['tz', 'os'])
```

分组计数，类似于 value_counts 函数，可以用 size 来计算。并利用 unstack 对计数结果进行重塑：
```python
In [50]: agg_counts = by_tz_os.size().unstack().fillna(0)

In [51]: agg_counts[:10]
Out[51]: 
os                              Not Windows  Windows
tz                                                  
                                      245.0    276.0
Africa/Cairo                            0.0      3.0
Africa/Casablanca                       0.0      1.0
Africa/Ceuta                            0.0      2.0
Africa/Johannesburg                     0.0      1.0
Africa/Lusaka                           0.0      1.0
America/Anchorage                       4.0      1.0
America/Argentina/Buenos_Aires          1.0      0.0
America/Argentina/Cordoba               0.0      1.0
America/Argentina/Mendoza               0.0      1.0
```

最后，我们来选取最常出现的时区。为了达到这个目的，我根据 agg_counts 中的行数构造了一个间接索引数组：
```python
# Use to sort in ascending order
In [52]: indexer = agg_counts.sum(1).argsort()

In [53]: indexer[:10]
Out[53]: 
tz
                                  24
Africa/Cairo                      20
Africa/Casablanca                 21
Africa/Ceuta                      92
Africa/Johannesburg               87
Africa/Lusaka                     53
America/Anchorage                 54
America/Argentina/Buenos_Aires    57
America/Argentina/Cordoba         26
America/Argentina/Mendoza         55
dtype: int64
```

然后我通过 take 按照这个顺序截取了最后 10 行最大值：
```python
In [54]: count_subset = agg_counts.take(indexer[-10:])

In [55]: count_subset
Out[55]: 
os                   Not Windows  Windows
tz                                       
America/Sao_Paulo           13.0     20.0
Europe/Madrid               16.0     19.0
Pacific/Honolulu             0.0     36.0
Asia/Tokyo                   2.0     35.0
Europe/London               43.0     31.0
America/Denver             132.0     59.0
America/Los_Angeles        130.0    252.0
America/Chicago            115.0    285.0
                           245.0    276.0
America/New_York           339.0    912.0
```

pandas 有一个简便方法 nlargest，可以做同样的工作：
```python
In [56]: agg_counts.sum(1).nlargest(10)
Out[56]: 
tz
America/New_York       1251.0
                        521.0
America/Chicago         400.0
America/Los_Angeles     382.0
America/Denver          191.0
Europe/London            74.0
Asia/Tokyo               37.0
Pacific/Honolulu         36.0
Europe/Madrid            35.0
America/Sao_Paulo        33.0
dtype: float64
```

然后，如这段代码所示，可以用柱状图表示。我传递一个额外参数到 seaborn 的 barpolt 函数，来画一个堆积条形图（见图 14-2）：
```python
# Rearrange the data for plotting
In [58]: count_subset = count_subset.stack()

In [59]: count_subset.name = 'total'

In [60]: count_subset = count_subset.reset_index()

In [61]: count_subset[:10]
Out[61]: 
                  tz           os  total
0  America/Sao_Paulo  Not Windows   13.0
1  America/Sao_Paulo      Windows   20.0
2      Europe/Madrid  Not Windows   16.0
3      Europe/Madrid      Windows   19.0
4   Pacific/Honolulu  Not Windows    0.0
5   Pacific/Honolulu      Windows   36.0
6         Asia/Tokyo  Not Windows    2.0
7         Asia/Tokyo      Windows   35.0
8      Europe/London  Not Windows   43.0
9      Europe/London      Windows   31.0

In [62]: sns.barplot(x='total', y='tz', hue='os',  data=count_subset)
```

![图 14-2 最常出现时区的 Windows 和非 Windows 用户](img/7178691-053612a5655b68d9.png)

这张图不容易看出 Windows 用户在小分组中的相对比例，因此标准化分组百分比之和为 1：
```python
def norm_total(group):
    group['normed_total'] = group.total / group.total.sum()
    return group

results = count_subset.groupby('tz').apply(norm_total)
```

再次画图，见图 14-3：
```python
In [65]: sns.barplot(x='normed_total', y='tz', hue='os',  data=results)
```

![图 14-3 最常出现时区的 Windows 和非 Windows 用户的百分比](img/7178691-60ee355801daf412.png)

我们还可以用 groupby 的 transform 方法，更高效的计算标准化的和：
```python
In [66]: g = count_subset.groupby('tz')

In [67]: results2 = count_subset.total / g.total.transform('sum')
```

# 14.2 MovieLens 1M 数据集

GroupLens Research（http://www.grouplens.org/node/73）采集了一组从 20 世纪 90 年末到 21 世纪初由 MovieLens 用户提供的电影评分数据。这些数据中包括电影评分、电影元数据（风格类型和年代）以及关于用户的人口统计学数据（年龄、邮编、性别和职业等）。基于机器学习算法的推荐系统一般都会对此类数据感兴趣。虽然我不会在本书中详细介绍机器学习技术，但我会告诉你如何对这种数据进行切片切块以满足实际需求。

MovieLens 1M 数据集含有来自 6000 名用户对 4000 部电影的 100 万条评分数据。它分为三个表：评分、用户信息和电影信息。将该数据从 zip 文件中解压出来之后，可以通过`pandas.read_table`将各个表分别读到一个 pandas `DataFrame`对象中：
```python
import pandas as pd

# Make display smaller
pd.options.display.max_rows = 10

unames = ['user_id', 'gender', 'age', 'occupation', 'zip']
users = pd.read_table('datasets/movielens/users.dat', sep='::',
                      header=None, names=unames)

rnames = ['user_id', 'movie_id', 'rating', 'timestamp']
ratings = pd.read_table('datasets/movielens/ratings.dat', sep='::',
                        header=None, names=rnames)
mnames = ['movie_id', 'title', 'genres']
movies = pd.read_table('datasets/movielens/movies.dat', sep='::',
                       header=None, names=mnames)
```

利用 Python 的切片语法，通过查看每个`DataFrame`的前几行即可验证数据加载工作是否一切顺利：
```python
In [69]: users[:5]
Out[69]: 
   user_id gender  age  occupation    zip
0        1      F    1          10  48067
1        2      M   56          16  70072
2        3      M   25          15  55117
3        4      M   45           7  02460
4        5      M   25          20  55455

In [70]: ratings[:5]
Out[70]: 
   user_id  movie_id  rating  timestamp
0        1      1193       5  978300760
1        1       661       3  978302109
2        1       914       3  978301968
3        1      3408       4  978300275
4        1      2355       5  978824291

In [71]: movies[:5]
Out[71]: 
   movie_id                               title                        genres
0         1                    Toy Story (1995)   Animation|Children's|Comedy
1         2                      Jumanji (1995)  Adventure|Children's|Fantasy
2         3             Grumpier Old Men (1995)                Comedy|Romance
3         4            Waiting to Exhale (1995)                  Comedy|Drama
4         5  Father of the Bride Part II (1995)                        Comedy

In [72]: ratings
Out[72]: 
         user_id  movie_id  rating  timestamp
0              1      1193       5  978300760
1              1       661       3  978302109
2              1       914       3  978301968
3              1      3408       4  978300275
4              1      2355       5  978824291
...          ...       ...     ...        ...
1000204     6040      1091       1  956716541
1000205     6040      1094       5  956704887
1000206     6040       562       5  956704746
1000207     6040      1096       4  956715648
1000208     6040      1097       4  956715569
[1000209 rows x 4 columns]
```

注意，其中的年龄和职业是以编码形式给出的，它们的具体含义请参考该数据集的 README 文件。分析散布在三个表中的数据可不是一件轻松的事情。假设我们想要根据性别和年龄计算某部电影的平均得分，如果将所有数据都合并到一个表中的话问题就简单多了。我们先用 pandas 的 merge 函数将 ratings 跟 users 合并到一起，然后再将 movies 也合并进去。pandas 会根据列名的重叠情况推断出哪些列是合并（或连接）键：
```python
In [73]: data = pd.merge(pd.merge(ratings, users), movies)

In [74]: data
Out[74]: 
         user_id  movie_id  rating  timestamp gender  age  occupation    zip  \
0              1      1193       5  978300760      F    1          10  48067   
1              2      1193       5  978298413      M   56          16  70072   
2             12      1193       4  978220179      M   25          12  32793   
3             15      1193       4  978199279      M   25           7  22903   
4             17      1193       5  978158471      M   50           1  95350   
...          ...       ...     ...        ...    ...  ...         ...    ...   
1000204     5949      2198       5  958846401      M   18          17  47901
1000205     5675      2703       3  976029116      M   35          14  30030   
1000206     5780      2845       1  958153068      M   18          17  92886   
1000207     5851      3607       5  957756608      F   18          20  55410   
1000208     5938      2909       4  957273353      M   25           1  35401   
                                               title                genres  
0             One Flew Over the Cuckoo's Nest (1975)                 Drama  
1             One Flew Over the Cuckoo's Nest (1975)                 Drama  
2             One Flew Over the Cuckoo's Nest (1975)                 Drama  
3             One Flew Over the Cuckoo's Nest (1975)                 Drama  
4             One Flew Over the Cuckoo's Nest (1975)                 Drama  
...                                              ...                   ...  
1000204                           Modulations (1998)           Documentary  
1000205                        Broken Vessels (1998)                 Drama  
1000206                            White Boys (1999)                 Drama  
1000207                     One Little Indian (1973)  Comedy|Drama|Western  
1000208  Five Wives, Three Secretaries and Me (1998)           Documentary  
[1000209 rows x 10 columns]

In [75]: data.iloc[0]
Out[75]: 
user_id                                            1
movie_id                                        1193
rating                                             5
timestamp                                  978300760
gender                                             F
age                                                1
occupation                                        10
zip                                            48067
title         One Flew Over the Cuckoo's Nest (1975)
genres                                         Drama
Name: 0, dtype: object
```

为了按性别计算每部电影的平均得分，我们可以使用 pivot_table 方法：
```python
In [76]: mean_ratings = data.pivot_table('rating', index='title',
   ....:                                 columns='gender', aggfunc='mean')

In [77]: mean_ratings[:5]
Out[77]: 
gender                                F         M
title                                            
$1,000,000 Duck (1971)         3.375000  2.761905
'Night Mother (1986)           3.388889  3.352941
'Til There Was You (1997)      2.675676  2.733333
'burbs, The (1989)             2.793478  2.962085
...And Justice for All (1979)  3.828571  3.689024
```

该操作产生了另一个`DataFrame`，其内容为电影平均得分，行标为电影名称（索引），列标为性别。现在，我打算过滤掉评分数据不够 250 条的电影（随便选的一个数字）。为了达到这个目的，我先对 title 进行分组，然后利用 size()得到一个含有各电影分组大小的`Series`对象：
```python
In [78]: ratings_by_title = data.groupby('title').size()

In [79]: ratings_by_title[:10]
Out[79]: 
title
$1,000,000 Duck (1971)                37
'Night Mother (1986)                  70
'Til There Was You (1997)             52
'burbs, The (1989)                   303
...And Justice for All (1979)        199
1-900 (1994)                           2
10 Things I Hate About You (1999)    700
101 Dalmatians (1961)                565
101 Dalmatians (1996)                364
12 Angry Men (1957)                  616
dtype: int64

In [80]: active_titles = ratings_by_title.index[ratings_by_title >= 250]

In [81]: active_titles
Out[81]: 
Index([''burbs, The (1989)', '10 Things I Hate About You (1999)',
       '101 Dalmatians (1961)', '101 Dalmatians (1996)', '12 Angry Men (1957)',
       '13th Warrior, The (1999)', '2 Days in the Valley (1996)',
       '20,000 Leagues Under the Sea (1954)', '2001: A Space Odyssey (1968)',
       '2010 (1984)',
       ...
'X-Men (2000)', 'Year of Living Dangerously (1982)',
       'Yellow Submarine (1968)', 'You've Got Mail (1998)',
       'Young Frankenstein (1974)', 'Young Guns (1988)',
       'Young Guns II (1990)', 'Young Sherlock Holmes (1985)',
       'Zero Effect (1998)', 'eXistenZ (1999)'],
      dtype='object', name='title', length=1216)
```

标题索引中含有评分数据大于 250 条的电影名称，然后我们就可以据此从前面的 mean_ratings 中选取所需的行了：
```python
# Select rows on the index
In [82]: mean_ratings = mean_ratings.loc[active_titles]

In [83]: mean_ratings
Out[83]: 
gender                                    F         M
title                                                
'burbs, The (1989)                 2.793478  2.962085
10 Things I Hate About You (1999)  3.646552  3.311966
101 Dalmatians (1961)              3.791444  3.500000
101 Dalmatians (1996)              3.240000  2.911215
12 Angry Men (1957)                4.184397  4.328421
...                                     ...       ...
Young Guns (1988)                  3.371795  3.425620
Young Guns II (1990)               2.934783  2.904025
Young Sherlock Holmes (1985)       3.514706  3.363344
Zero Effect (1998)                 3.864407  3.723140
eXistenZ (1999)                    3.098592  3.289086
[1216 rows x 2 columns]
```

为了了解女性观众最喜欢的电影，我们可以对 F 列降序排列：
```python
In [85]: top_female_ratings = mean_ratings.sort_values(by='F', ascending=False)

In [86]: top_female_ratings[:10]
Out[86]: 
gender                                                     F         M
title                                                                 
Close Shave, A (1995)                               4.644444  4.473795
Wrong Trousers, The (1993)                          4.588235  4.478261
Sunset Blvd. (a.k.a. Sunset Boulevard) (1950)       4.572650  4.464589
Wallace & Gromit: The Best of Aardman Animation...  4.563107  4.385075
Schindler's List (1993)                             4.562602  4.491415
Shawshank Redemption, The (1994)                    4.539075  4.560625
Grand Day Out, A (1992)                             4.537879  4.293255
To Kill a Mockingbird (1962)                        4.536667  4.372611
Creature Comforts (1990)                            4.513889  4.272277
Usual Suspects, The (1995)                          4.513317  4.518248
```

## 计算评分分歧

假设我们想要找出男性和女性观众分歧最大的电影。一个办法是给 mean_ratings 加上一个用于存放平均得分之差的列，并对其进行排序：
```python
In [87]: mean_ratings['diff'] = mean_ratings['M'] - mean_ratings['F']
```

按"diff"排序即可得到分歧最大且女性观众更喜欢的电影：
```python
In [88]: sorted_by_diff = mean_ratings.sort_values(by='diff')

In [89]: sorted_by_diff[:10]
Out[89]: 
gender                                        F         M      diff
title                                                              
Dirty Dancing (1987)                   3.790378  2.959596 -0.830782
Jumpin' Jack Flash (1986)              3.254717  2.578358 -0.676359
Grease (1978)                          3.975265  3.367041 -0.608224
Little Women (1994)                    3.870588  3.321739 -0.548849
Steel Magnolias (1989)                 3.901734  3.365957 -0.535777
Anastasia (1997)                       3.800000  3.281609 -0.518391
Rocky Horror Picture Show, The (1975)  3.673016  3.160131 -0.512885
Color Purple, The (1985)               4.158192  3.659341 -0.498851
Age of Innocence, The (1993)           3.827068  3.339506 -0.487561
Free Willy (1993)                      2.921348  2.438776 -0.482573
```

对排序结果反序并取出前 10 行，得到的则是男性观众更喜欢的电影：
```python
# Reverse order of rows, take first 10 rows
In [90]: sorted_by_diff[::-1][:10]
Out[90]: 
gender                                         F         M      diff
title                                                               
Good, The Bad and The Ugly, The (1966)  3.494949  4.221300  0.726351
Kentucky Fried Movie, The (1977)        2.878788  3.555147  0.676359
Dumb & Dumber (1994)                    2.697987  3.336595  0.638608
Longest Day, The (1962)                 3.411765  4.031447  0.619682
Cable Guy, The (1996)                   2.250000  2.863787  0.613787
Evil Dead II (Dead By Dawn) (1987)      3.297297  3.909283  0.611985
Hidden, The (1987)                      3.137931  3.745098  0.607167
Rocky III (1982)                        2.361702  2.943503  0.581801
Caddyshack (1980)                       3.396135  3.969737  0.573602
For a Few Dollars More (1965)           3.409091  3.953795  0.544704
```

如果只是想要找出分歧最大的电影（不考虑性别因素），则可以计算得分数据的方差或标准差：
```python
# Standard deviation of rating grouped by title
In [91]: rating_std_by_title = data.groupby('title')['rating'].std()

# Filter down to active_titles
In [92]: rating_std_by_title = rating_std_by_title.loc[active_titles]

# Order Series by value in descending order
In [93]: rating_std_by_title.sort_values(ascending=False)[:10]
Out[93]: 
title
Dumb & Dumber (1994)                     1.321333
Blair Witch Project, The (1999)          1.316368
Natural Born Killers (1994)              1.307198
Tank Girl (1995)                         1.277695
Rocky Horror Picture Show, The (1975)    1.260177
Eyes Wide Shut (1999)                    1.259624
Evita (1996)                             1.253631
Billy Madison (1995)                     1.249970
Fear and Loathing in Las Vegas (1998)    1.246408
Bicentennial Man (1999)                  1.245533
Name: rating, dtype: float64
```

可能你已经注意到了，电影分类是以竖线（|）分隔的字符串形式给出的。如果想对电影分类进行分析的话，就需要先将其转换成更有用的形式才行。

# 14.3 1880-2010 年间全美婴儿姓名

美国社会保障总署（SSA）提供了一份从 1880 年到现在的婴儿名字频率数据。Hadley Wickham（许多流行 R 包的作者）经常用这份数据来演示 R 的数据处理功能。

我们要做一些数据规整才能加载这个数据集，这么做就会产生一个如下的`DataFrame`：
```python
In [4]: names.head(10)
Out[4]:
        name sex  births  year
0       Mary   F    7065  1880
1       Anna   F    2604  1880
2       Emma   F    2003  1880
3  Elizabeth   F    1939  1880
4     Minnie   F    1746  1880
5   Margaret   F    1578  1880
6        Ida   F    1472  1880
7      Alice   F    1414  1880
8     Bertha   F    1320  1880
9      Sarah   F    1288  1880
```

你可以用这个数据集做很多事，例如：

- 计算指定名字（可以是你自己的，也可以是别人的）的年度比例。
- 计算某个名字的相对排名。
- 计算各年度最流行的名字，以及增长或减少最快的名字。
- 分析名字趋势：元音、辅音、长度、总体多样性、拼写变化、首尾字母等。
- 分析外源性趋势：圣经中的名字、名人、人口结构变化等。

利用前面介绍过的那些工具，这些分析工作都能很轻松地完成，我会讲解其中的一些。

到编写本书时为止，美国社会保障总署将该数据库按年度制成了多个数据文件，其中给出了每个性别/名字组合的出生总数。[这些文件的原始档案可以在这里获取](http://www.ssa.gov/oact/babynames/limits.html)。

如果你在阅读本书的时候这个页面已经不见了，也可以用搜索引擎找找。

下载"National data"文件 names.zip，解压后的目录中含有一组文件（如 yob1880.txt）。我用 UNIX 的 head 命令查看了其中一个文件的前 10 行（在 Windows 上，你可以用 more 命令，或直接在文本编辑器中打开）：
```
In [94]: !head -n 10 datasets/babynames/yob1880.txt
Mary,F,7065
Anna,F,2604
Emma,F,2003
Elizabeth,F,1939
Minnie,F,1746
Margaret,F,1578
Ida,F,1472
Alice,F,1414
Bertha,F,1320
Sarah,F,1288
```

由于这是一个非常标准的以逗号隔开的格式，所以可以用`pandas.read_csv`将其加载到`DataFrame`中：
```python
In [95]: import pandas as pd

In [96]: names1880 =
pd.read_csv('datasets/babynames/yob1880.txt',
   ....:                         names=['name', 'sex', 'births'])

In [97]: names1880
Out[97]: 
           name sex  births
0          Mary   F    7065
1          Anna   F    2604
2          Emma   F    2003
3     Elizabeth   F    1939
4        Minnie   F    1746
...         ...  ..     ...
1995     Woodie   M       5
1996     Worthy   M       5
1997     Wright   M       5
1998       York   M       5
1999  Zachariah   M       5
[2000 rows x 3 columns]
```

这些文件中仅含有当年出现超过 5 次的名字。为了简单起见，我们可以用 births 列的 sex 分组小计表示该年度的 births 总计：
```python
In [98]: names1880.groupby('sex').births.sum()
Out[98]: 
sex
F     90993
M    110493
Name: births, dtype: int64
```

由于该数据集按年度被分隔成了多个文件，所以第一件事情就是要将所有数据都组装到一个`DataFrame`里面，并加上一个 year 字段。使用`pandas.concat`即可达到这个目的：
```python
years = range(1880, 2011)

pieces = []
columns = ['name', 'sex', 'births']

for year in years:
    path = 'datasets/babynames/yob%d.txt' % year
    frame = pd.read_csv(path, names=columns)

    frame['year'] = year
    pieces.append(frame)

# Concatenate everything into a single DataFrame
names = pd.concat(pieces, ignore_index=True)
```

这里需要注意几件事情。第一，concat 默认是按行将多个`DataFrame`组合到一起的；第二，必须指定 ignore_index=True，因为我们不希望保留 read_csv 所返回的原始行号。现在我们得到了一个非常大的`DataFrame`，它含有全部的名字数据：
```python
In [100]: names
Out[100]: 
              name sex  births  year
0             Mary   F    7065  1880
1             Anna   F    2604  1880
2             Emma   F    2003  1880
3        Elizabeth   F    1939  1880
4           Minnie   F    1746  1880
...            ...  ..     ...   ...
1690779    Zymaire   M       5  2010
1690780     Zyonne   M       5  2010
1690781  Zyquarius   M       5  2010
1690782      Zyran   M       5  2010
1690783      Zzyzx   M       5  2010
[1690784 rows x 4 columns]
```

有了这些数据之后，我们就可以利用 groupby 或 pivot_table 在 year 和 sex 级别上对其进行聚合了，如图 14-4 所示：
```python
In [101]: total_births = names.pivot_table('births', index='year',
   .....:                                  columns='sex', aggfunc=sum)

In [102]: total_births.tail()
Out[102]: 
sex         F        M
year                  
2006  1896468  2050234
2007  1916888  2069242
2008  1883645  2032310
2009  1827643  1973359
2010  1759010  1898382

In [103]: total_births.plot(title='Total births by sex and year')
```

![图 14-4 按性别和年度统计的总出生数](img/7178691-7643b150d88aae11.png)

下面我们来插入一个 prop 列，用于存放指定名字的婴儿数相对于总出生数的比例。prop 值为 0.02 表示每 100 名婴儿中有 2 名取了当前这个名字。因此，我们先按 year 和 sex 分组，然后再将新列加到各个分组上：
```python
def add_prop(group):
    group['prop'] = group.births / group.births.sum()
    return group
names = names.groupby(['year', 'sex']).apply(add_prop)
```

现在，完整的数据集就有了下面这些列：
```python
In [105]: names
Out[105]: 
              name sex  births  year      prop
0             Mary   F    7065  1880  0.077643
1             Anna   F    2604  1880  0.028618
2             Emma   F    2003  1880  0.022013
3        Elizabeth   F    1939  1880  0.021309
4           Minnie   F    1746  1880  0.019188
...            ...  ..     ...   ...       ...
1690779    Zymaire   M       5  2010  0.000003
1690780     Zyonne   M       5  2010  0.000003
1690781  Zyquarius   M       5  2010  0.000003
1690782      Zyran   M       5  2010  0.000003
1690783      Zzyzx   M       5  2010  0.000003
[1690784 rows x 5 columns]
```

在执行这样的分组处理时，一般都应该做一些有效性检查，比如验证所有分组的 prop 的总和是否为 1：
```python
In [106]: names.groupby(['year', 'sex']).prop.sum()
Out[106]: 
year  sex
1880  F      1.0
      M      1.0
1881  F      1.0
      M      1.0
1882  F      1.0
            ... 
2008  M      1.0
2009  F      1.0
      M      1.0
2010  F      1.0
      M      1.0
Name: prop, Length: 262, dtype: float64
```

工作完成。为了便于实现更进一步的分析，我需要取出该数据的一个子集：每对 sex/year 组合的前 1000 个名字。这又是一个分组操作：
```python
def get_top1000(group):
    return group.sort_values(by='births', ascending=False)[:1000]
grouped = names.groupby(['year', 'sex'])
top1000 = grouped.apply(get_top1000)
# Drop the group index, not needed
top1000.reset_index(inplace=True, drop=True)
```

如果你喜欢 DIY 的话，也可以这样：
```python
pieces = []
for year, group in names.groupby(['year', 'sex']):
    pieces.append(group.sort_values(by='births', ascending=False)[:1000])
top1000 = pd.concat(pieces, ignore_index=True)
```

现在的结果数据集就小多了：
```python
In [108]: top1000
Out[108]: 
             name sex  births  year      prop
0            Mary   F    7065  1880  0.077643
1            Anna   F    2604  1880  0.028618
2            Emma   F    2003  1880  0.022013
3       Elizabeth   F    1939  1880  0.021309
4          Minnie   F    1746  1880  0.019188
...           ...  ..     ...   ...       ...
261872     Camilo   M     194  2010  0.000102
261873     Destin   M     194  2010  0.000102
261874     Jaquan   M     194  2010  0.000102
261875     Jaydan   M     194  2010  0.000102
261876     Maxton   M     193  2010  0.000102
[261877 rows x 5 columns]
```

接下来的数据分析工作就针对这个 top1000 数据集了。

## 分析命名趋势

有了完整的数据集和刚才生成的 top1000 数据集，我们就可以开始分析各种命名趋势了。首先将前 1000 个名字分为男女两个部分：
```python
In [109]: boys = top1000[top1000.sex == 'M']

In [110]: girls = top1000[top1000.sex == 'F']
```

这是两个简单的时间序列，只需稍作整理即可绘制出相应的图表（比如每年叫做 John 和 Mary 的婴儿数）。我们先生成一张按 year 和 name 统计的总出生数透视表：
```python
In [111]: total_births = top1000.pivot_table('births', index='year',
   .....:                                    columns='name',
   .....:                                    aggfunc=sum)
```

现在，我们用`DataFrame`的 plot 方法绘制几个名字的曲线图（见图 14-5）：
```python
In [112]: total_births.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
Int64Index: 131 entries, 1880 to 2010
Columns: 6868 entries, Aaden to Zuri
dtypes: float64(6868)
memory usage: 6.9 MB

In [113]: subset = total_births[['John', 'Harry', 'Mary', 'Marilyn']]

In [114]: subset.plot(subplots=True, figsize=(12, 10), grid=False,
   .....:             title="Number of births per year")
```

![图 14-5 几个男孩和女孩名字随时间变化的使用数量](img/7178691-33f0f97656367a53.png)

从图中可以看出，这几个名字在美国人民的心目中已经风光不再了。但事实并非如此简单，我们在下一节中就能知道是怎么一回事了。

## 评估命名多样性的增长

一种解释是父母愿意给小孩起常见的名字越来越少。这个假设可以从数据中得到验证。一个办法是计算最流行的 1000 个名字所占的比例，我按 year 和 sex 进行聚合并绘图（见图 14-6）：
```python
In [116]: table = top1000.pivot_table('prop', index='year',
   .....:                             columns='sex', aggfunc=sum)

In [117]: table.plot(title='Sum of table1000.prop by year and sex',
   .....:            yticks=np.linspace(0, 1.2, 13), xticks=range(1880, 2020, 10)
)
```

![图 14-6 分性别统计的前 1000 个名字在总出生人数中的比例](img/7178691-63e1ddc326a033b9.png)

从图中可以看出，名字的多样性确实出现了增长（前 1000 项的比例降低）。另一个办法是计算占总出生人数前 50%的不同名字的数量，这个数字不太好计算。我们只考虑 2010 年男孩的名字：
```python
In [118]: df = boys[boys.year == 2010]

In [119]: df
Out[119]: 
           name sex  births  year      prop
260877    Jacob   M   21875  2010  0.011523
260878    Ethan   M   17866  2010  0.009411
260879  Michael   M   17133  2010  0.009025
260880   Jayden   M   17030  2010  0.008971
260881  William   M   16870  2010  0.008887
...         ...  ..     ...   ...       ...
261872   Camilo   M     194  2010  0.000102
261873   Destin   M     194  2010  0.000102
261874   Jaquan   M     194  2010  0.000102
261875   Jaydan   M     194  2010  0.000102
261876   Maxton   M     193  2010  0.000102
[1000 rows x 5 columns]
```

在对 prop 降序排列之后，我们想知道前面多少个名字的人数加起来才够 50%。虽然编写一个`for`循环确实也能达到目的，但 NumPy 有一种更聪明的向量方式。先计算 prop 的累计和 cumsum，然后再通过 searchsorted 方法找出 0.5 应该被插入在哪个位置才能保证不破坏顺序：
```python
In [120]: prop_cumsum = df.sort_values(by='prop', ascending=False).prop.cumsum()

In [121]: prop_cumsum[:10]
Out[121]: 
260877    0.011523
260878    0.020934
260879    0.029959
260880    0.038930
260881    0.047817
260882    0.056579
260883    0.065155
260884    0.073414
260885    0.081528
260886    0.089621
Name: prop, dtype: float64

In [122]: prop_cumsum.values.searchsorted(0.5)
Out[122]: 116
```

由于数组索引是从 0 开始的，因此我们要给这个结果加 1，即最终结果为 117。拿 1900 年的数据来做个比较，这个数字要小得多：
```python
In [123]: df = boys[boys.year == 1900]

In [124]: in1900 = df.sort_values(by='prop', ascending=False).prop.cumsum()

In [125]: in1900.values.searchsorted(0.5) + 1
Out[125]: 25
```

现在就可以对所有 year/sex 组合执行这个计算了。按这两个字段进行 groupby 处理，然后用一个函数计算各分组的这个值：
```python
def get_quantile_count(group, q=0.5):
    group = group.sort_values(by='prop', ascending=False)
    return group.prop.cumsum().values.searchsorted(q) + 1

diversity = top1000.groupby(['year', 'sex']).apply(get_quantile_count)
diversity = diversity.unstack('sex')
```

现在，diversity 这个`DataFrame`拥有两个时间序列（每个性别各一个，按年度索引）。通过 IPython，你可以查看其内容，还可以像之前那样绘制图表（如图 14-7 所示）：
```python
In [128]: diversity.head()
Out[128]: 
sex    F   M
year        
1880  38  14
1881  38  14
1882  38  15
1883  39  15
1884  39  16

In [129]: diversity.plot(title="Number of popular names in top 50%")
```

![图 14-7 按年度统计的密度表](img/7178691-574b53a383cad681.png)

从图中可以看出，女孩名字的多样性总是比男孩的高，而且还在变得越来越高。读者们可以自己分析一下具体是什么在驱动这个多样性（比如拼写形式的变化）。

##  “最后一个字母”的变革

2007 年，一名婴儿姓名研究人员 Laura Wattenberg 在她自己的网站上指出（http://www.babynamewizard.com）：近百年来，男孩名字在最后一个字母上的分布发生了显著的变化。为了了解具体的情况，我首先将全部出生数据在年度、性别以及末字母上进行了聚合：
```python
# extract last letter from name column
get_last_letter = lambda x: x[-1]
last_letters = names.name.map(get_last_letter)
last_letters.name = 'last_letter'

table = names.pivot_table('births', index=last_letters,
                          columns=['sex', 'year'], aggfunc=sum)
```

然后，我选出具有一定代表性的三年，并输出前面几行：
```python
In [131]: subtable = table.reindex(columns=[1910, 1960, 2010], level='year')

In [132]: subtable.head()
Out[132]: 
sex                 F                            M                    
year             1910      1960      2010     1910      1960      2010
last_letter                                                           
a            108376.0  691247.0  670605.0    977.0    5204.0   28438.0
b                 NaN     694.0     450.0    411.0    3912.0   38859.0
c                 5.0      49.0     946.0    482.0   15476.0   23125.0
d              6750.0    3729.0    2607.0  22111.0  262112.0   44398.0
e            133569.0  435013.0  313833.0  28655.0  178823.0  129012.0
```

接下来我们需要按总出生数对该表进行规范化处理，以便计算出各性别各末字母占总出生人数的比例：
```python
In [133]: subtable.sum()
Out[133]: 
sex  year
F    1910     396416.0
     1960    2022062.0
     2010    1759010.0
M    1910     194198.0
     1960    2132588.0
2010    1898382.0
dtype: float64

In [134]: letter_prop = subtable / subtable.sum()

In [135]: letter_prop
Out[135]: 
sex                 F                             M                    
year             1910      1960      2010      1910      1960      2010
last_letter                                                            
a            0.273390  0.341853  0.381240  0.005031  0.002440  0.014980
b                 NaN  0.000343  0.000256  0.002116  0.001834  0.020470
c            0.000013  0.000024  0.000538  0.002482  0.007257  0.012181
d            0.017028  0.001844  0.001482  0.113858  0.122908  0.023387
e            0.336941  0.215133  0.178415  0.147556  0.083853  0.067959
...               ...       ...       ...       ...       ...       ...
v                 NaN  0.000060  0.000117  0.000113
0.000037  0.001434
w            0.000020  0.000031  0.001182  0.006329  0.007711  0.016148
x            0.000015  0.000037  0.000727  0.003965  0.001851  0.008614
y            0.110972  0.152569  0.116828  0.077349  0.160987  0.058168
z            0.002439  0.000659  0.000704  0.000170  0.000184  0.001831
[26 rows x 6 columns]
```

有了这个字母比例数据之后，就可以生成一张各年度各性别的条形图了，如图 14-8 所示：
```python
import matplotlib.pyplot as plt

fig, axes = plt.subplots(2, 1, figsize=(10, 8))
letter_prop['M'].plot(kind='bar', rot=0, ax=axes[0], title='Male')
letter_prop['F'].plot(kind='bar', rot=0, ax=axes[1], title='Female',
                      legend=False)
```

![图 14-8 男孩女孩名字中各个末字母的比例](img/7178691-67686f38e66ef5f1.png)

可以看出，从 20 世纪 60 年代开始，以字母"n"结尾的男孩名字出现了显著的增长。回到之前创建的那个完整表，按年度和性别对其进行规范化处理，并在男孩名字中选取几个字母，最后进行转置以便将各个列做成一个时间序列：
```python
In [138]: letter_prop = table / table.sum()

In [139]: dny_ts = letter_prop.loc[['d', 'n', 'y'], 'M'].T

In [140]: dny_ts.head()
Out[140]: 
last_letter         d         n         y
year                                     
1880         0.083055  0.153213  0.075760
1881         0.083247  0.153214  0.077451
1882         0.085340  0.149560  0.077537
1883         0.084066  0.151646  0.079144
1884         0.086120  0.149915  0.080405
```

有了这个时间序列的`DataFrame`之后，就可以通过其 plot 方法绘制出一张趋势图了（如图 14-9 所示）：
```python
In [143]: dny_ts.plot()
```

![图 14-9 各年出生的男孩中名字以 d/n/y 结尾的人数比例](img/7178691-51c431b2490424c2.png)

## 变成女孩名字的男孩名字（以及相反的情况）

另一个有趣的趋势是，早年流行于男孩的名字近年来“变性了”，例如 Lesley 或 Leslie。回到 top1000 数据集，找出其中以"lesl"开头的一组名字：

```python
In [144]: all_names = pd.Series(top1000.name.unique())

In [145]: lesley_like = all_names[all_names.str.lower().str.contains('lesl')]

In [146]: lesley_like
Out[146]: 
632     Leslie
2294    Lesley
4262    Leslee
4728     Lesli
6103     Lesly
dtype: object
```

然后利用这个结果过滤其他的名字，并按名字分组计算出生数以查看相对频率：
```python
In [147]: filtered = top1000[top1000.name.isin(lesley_like)]

In [148]: filtered.groupby('name').births.sum()
Out[148]: 
name
Leslee      1082
Lesley     35022
Lesli        929
Leslie    370429
Lesly      10067
Name: births, dtype: int64
```

接下来，我们按性别和年度进行聚合，并按年度进行规范化处理：
```python
In [149]: table = filtered.pivot_table('births', index='year',
   .....:                              columns='sex', aggfunc='sum')

In [150]: table = table.div(table.sum(1), axis=0)

In [151]: table.tail()
Out[151]: 
sex     F   M
year         
2006  1.0 NaN
2007  1.0 NaN
2008  1.0 NaN
2009  1.0 NaN
2010  1.0 NaN
```

最后，就可以轻松绘制一张分性别的年度曲线图了（如图 2-10 所示）：
```python
In [153]: table.plot(style={'M': 'k-', 'F': 'k--'})
```

![图 14-10 各年度使用“Lesley 型”名字的男女比例](img/7178691-b99d98f8bb5fc695.png)

# 14.4 USDA 食品数据库

美国农业部（USDA）制作了一份有关食物营养信息的数据库。Ashley Williams 制作了该数据的 JSON 版（http://ashleyw.co.uk/project/food-nutrient-database）。其中的记录如下所示：
```python
{
  "id": 21441,
  "description": "KENTUCKY FRIED CHICKEN, Fried Chicken, EXTRA CRISPY,
Wing, meat and skin with breading",
  "tags": ["KFC"],
  "manufacturer": "Kentucky Fried Chicken",
"group": "Fast Foods",
  "portions": [
    {
      "amount": 1,
      "unit": "wing, with skin",
      "grams": 68.0
    },

    ...
  ],
  "nutrients": [
    {
      "value": 20.8,
      "units": "g",
      "description": "Protein",
      "group": "Composition"
    },

    ...
  ]
}
```

每种食物都带有若干标识性属性以及两个有关营养成分和分量的列表。这种形式的数据不是很适合分析工作，因此我们需要做一些规整化以使其具有更好用的形式。

从上面列举的那个网址下载并解压数据之后，你可以用任何喜欢的 JSON 库将其加载到 Python 中。我用的是 Python 内置的 json 模块：
```python
In [154]: import json

In [155]: db = json.load(open('datasets/usda_food/database.json'))

In [156]: len(db)
Out[156]: 6636
```

db 中的每个条目都是一个含有某种食物全部数据的字典。nutrients 字段是一个字典列表，其中的每个字典对应一种营养成分：
```python
In [157]: db[0].keys()
Out[157]: dict_keys(['id', 'description', 'tags', 'manufacturer', 'group', 'porti
ons', 'nutrients'])

In [158]: db[0]['nutrients'][0]
Out[158]: 
{'description': 'Protein',
 'group': 'Composition',
 'units': 'g',
 'value': 25.18}

In [159]: nutrients = pd.DataFrame(db[0]['nutrients'])

In [160]: nutrients[:7]
Out[160]: 
                   description        group units    value
0                      Protein  Composition     g    25.18
1            Total lipid (fat)  Composition     g    29.20
2  Carbohydrate, by difference  Composition     g     3.06
3                          Ash        Other     g     3.28
4                       Energy       Energy  kcal   376.00
5                        Water  Composition     g    39.28
6                       Energy       Energy    kJ  1573.00
```

在将字典列表转换为`DataFrame`时，可以只抽取其中的一部分字段。这里，我们将取出食物的名称、分类、编号以及制造商等信息：

```python
In [161]: info_keys = ['description', 'group', 'id', 'manufacturer']

In [162]: info = pd.DataFrame(db, columns=info_keys)

In [163]: info[:5]
Out[163]: 
                          description                   group    id  \
0                     Cheese, caraway  Dairy and Egg Products  1008   
1                     Cheese, cheddar  Dairy and Egg Products  1009
2                        Cheese, edam  Dairy and Egg Products  1018   
3                        Cheese, feta  Dairy and Egg Products  1019   
4  Cheese, mozzarella, part skim milk  Dairy and Egg Products  1028   
  manufacturer  
0               
1               
2               
3               
4               

In [164]: info.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 6636 entries, 0 to 6635
Data columns (total 4 columns):
description     6636 non-null object
group           6636 non-null object
id              6636 non-null int64
manufacturer    5195 non-null object
dtypes: int64(1), object(3)
memory usage: 207.5+ KB
```

通过 value_counts，你可以查看食物类别的分布情况：
```python
In [165]: pd.value_counts(info.group)[:10]
Out[165]: 
Vegetables and Vegetable Products    812
Beef Products                        618
Baked Products                       496
Breakfast Cereals                    403
Fast Foods                           365
Legumes and Legume Products          365
Lamb, Veal, and Game Products        345
Sweets                               341
Pork Products                        328
Fruits and Fruit Juices              328
Name: group, dtype: int64
```

现在，为了对全部营养数据做一些分析，最简单的办法是将所有食物的营养成分整合到一个大表中。我们分几个步骤来实现该目的。首先，将各食物的营养成分列表转换为一个`DataFrame`，并添加一个表示编号的列，然后将该`DataFrame`添加到一个列表中。最后通过 concat 将这些东西连接起来就可以了：

顺利的话，nutrients 的结果是：
```python
In [167]: nutrients
Out[167]: 
                               description        group units    value     id
0                                  Protein  Composition     g   25.180   1008
1                        Total lipid (fat)  Composition     g   29.200   1008
2              Carbohydrate, by difference  Composition     g    3.060   1008
3                                      Ash        Other     g    3.280   1008
4                                   Energy       Energy  kcal  376.000   1008
...                                    ...          ...
...      ...    ...
389350                 Vitamin B-12, added     Vitamins   mcg    0.000  43546
389351                         Cholesterol        Other    mg    0.000  43546
389352        Fatty acids, total saturated        Other     g    0.072  43546
389353  Fatty acids, total monounsaturated        Other     g    0.028  43546
389354  Fatty acids, total polyunsaturated        Other     g    0.041  43546
[389355 rows x 5 columns]
```

我发现这个`DataFrame`中无论如何都会有一些重复项，所以直接丢弃就可以了：
```python
In [168]: nutrients.duplicated().sum()  # number of duplicates
Out[168]: 14179

In [169]: nutrients = nutrients.drop_duplicates()
```

由于两个`DataFrame`对象中都有"group"和"description"，所以为了明确到底谁是谁，我们需要对它们进行重命名：
```python
In [170]: col_mapping = {'description' : 'food',
   .....:                'group'       : 'fgroup'}

In [171]: info = info.rename(columns=col_mapping, copy=False)

In [172]: info.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 6636 entries, 0 to 6635
Data columns (total 4 columns):
food            6636 non-null object
fgroup          6636 non-null object
id              6636 non-null int64
manufacturer    5195 non-null object
dtypes: int64(1), object(3)
memory usage: 207.5+ KB

In [173]: col_mapping = {'description' : 'nutrient',
   .....:                'group' : 'nutgroup'}
In [174]: nutrients = nutrients.rename(columns=col_mapping, copy=False)

In [175]: nutrients
Out[175]: 
                                  nutrient     nutgroup units    value     id
0                                  Protein  Composition     g   25.180   1008
1                        Total lipid (fat)  Composition     g   29.200   1008
2              Carbohydrate, by difference  Composition     g    3.060   1008
3                                      Ash        Other     g    3.280   1008
4                                   Energy       Energy  kcal  376.000   1008
...                                    ...          ...   ...      ...    ...
389350                 Vitamin B-12, added     Vitamins   mcg    0.000  43546
389351                         Cholesterol        Other    mg    0.000  43546
389352        Fatty acids, total saturated        Other     g    0.072  43546
389353  Fatty acids, total monounsaturated        Other     g    0.028  43546
389354  Fatty acids, total polyunsaturated        Other     g    0.041  43546
[375176 rows x 5 columns]
```

做完这些，就可以将 info 跟 nutrients 合并起来：
```python
In [176]: ndata = pd.merge(nutrients, info, on='id', how='outer')

In [177]: ndata.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
Int64Index: 375176 entries, 0 to 375175
Data columns (total 8 columns):
nutrient        375176 non-null object
nutgroup        375176 non-null object
units           375176 non-null object
value           375176 non-null float64
id              375176 non-null int64
food            375176 non-null object
fgroup          375176 non-null object
manufacturer    293054 non-null object
dtypes: float64(1), int64(1), object(6)
memory usage: 25.8+ MB

In [178]: ndata.iloc[30000]
Out[178]: 
nutrient                                       Glycine
nutgroup                                   Amino Acids
units                                                g
value                                             0.04
id                                                6158
food            Soup, tomato bisque, canned, condensed
fgroup                      Soups, Sauces, and Gravies
manufacturer                                          
Name: 30000, dtype: object
```

我们现在可以根据食物分类和营养类型画出一张中位值图（如图 14-11 所示）：
```python
In [180]: result = ndata.groupby(['nutrient', 'fgroup'])['value'].quantile(0.5)

In [181]: result['Zinc, Zn'].sort_values().plot(kind='barh')
```

![图片 14-11 根据营养分类得出的锌中位值](img/7178691-99b176d022a444c0.png)

只要稍微动一动脑子，就可以发现各营养成分最为丰富的食物是什么了：
```python
by_nutrient = ndata.groupby(['nutgroup', 'nutrient'])

get_maximum = lambda x: x.loc[x.value.idxmax()]
get_minimum = lambda x: x.loc[x.value.idxmin()]

max_foods = by_nutrient.apply(get_maximum)[['value', 'food']]

# make the food a little smaller
max_foods.food = max_foods.food.str[:50]
```

由于得到的`DataFrame`很大，所以不方便在书里面全部打印出来。这里只给出"Amino Acids"营养分组：
```python
In [183]: max_foods.loc['Amino Acids']['food']
Out[183]: 
nutrient
Alanine                          Gelatins, dry powder, unsweetened
Arginine                              Seeds, sesame flour, low-fat
Aspartic acid                                  Soy protein isolate
Cystine               Seeds, cottonseed flour, low fat (glandless)
Glutamic acid                                  Soy protein isolate
                                       ...                        
Serine           Soy protein isolate, PROTEIN TECHNOLOGIES INTE...
Threonine        Soy protein isolate, PROTEIN TECHNOLOGIES INTE...
Tryptophan        Sea lion, Steller, meat with fat (Alaska Native)
Tyrosine         Soy protein isolate, PROTEIN TECHNOLOGIES INTE...
Valine           Soy protein isolate, PROTEIN TECHNOLOGIES INTE...
Name: food, Length: 19, dtype: object
```

# 14.5 2012 联邦选举委员会数据库

美国联邦选举委员会发布了有关政治竞选赞助方面的数据。其中包括赞助者的姓名、职业、雇主、地址以及出资额等信息。我们对 2012 年美国总统大选的数据集比较感兴趣（http://www.fec.gov/disclosurep/PDownload.do）。我在 2012 年 6 月下载的数据集是一个 150MB 的 CSV 文件（P00000001-ALL.csv），我们先用`pandas.read_csv`将其加载进来：

```python
In [184]: fec = pd.read_csv('datasets/fec/P00000001-ALL.csv')

In [185]: fec.info()
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 1001731 entries, 0 to 1001730
Data columns (total 16 columns):
cmte_id              1001731 non-null object
cand_id              1001731 non-null object
cand_nm              1001731 non-null object
contbr_nm            1001731 non-null object
contbr_city          1001712 non-null object
contbr_st            1001727 non-null object
contbr_zip           1001620 non-null object
contbr_employer      988002 non-null object
contbr_occupation    993301 non-null object
contb_receipt_amt    1001731 non-null float64
contb_receipt_dt     1001731 non-null object
receipt_desc         14166 non-null object
memo_cd              92482 non-null object
memo_text            97770 non-null object
form_tp              1001731 non-null object
file_num             1001731 non-null int64
dtypes: float64(1), int64(1), object(14)
memory usage: 122.3+ MB
```

该`DataFrame`中的记录如下所示：
```python
In [186]: fec.iloc[123456]
Out[186]: 
cmte_id             C00431445
cand_id             P80003338
cand_nm         Obama, Barack
contbr_nm         ELLMAN, IRA
contbr_city             TEMPE
                    ...      
receipt_desc              NaN
memo_cd                   NaN
memo_text                 NaN
form_tp                 SA17A
file_num               772372
Name: 123456, Length: 16, dtype: object
```

你可能已经想出了许多办法从这些竞选赞助数据中抽取有关赞助人和赞助模式的统计信息。我将在接下来的内容中介绍几种不同的分析工作（运用到目前为止已经学到的方法）。

不难看出，该数据中没有党派信息，因此最好把它加进去。通过 unique，你可以获取全部的候选人名单：
```python
In [187]: unique_cands = fec.cand_nm.unique()

In [188]: unique_cands
Out[188]: 
array(['Bachmann, Michelle', 'Romney, Mitt', 'Obama, Barack',
       "Roemer, Charles E. 'Buddy' III", 'Pawlenty, Timothy',
       'Johnson, Gary Earl', 'Paul, Ron', 'Santorum, Rick', 'Cain, Herman',
       'Gingrich, Newt', 'McCotter, Thaddeus G', 'Huntsman, Jon',
       'Perry, Rick'], dtype=object)

In [189]: unique_cands[2]
Out[189]: 'Obama, Barack'
```

指明党派信息的方法之一是使用字典：
```python
parties = {'Bachmann, Michelle': 'Republican',
           'Cain, Herman': 'Republican',
           'Gingrich, Newt': 'Republican',
           'Huntsman, Jon': 'Republican',
           'Johnson, Gary Earl': 'Republican',
           'McCotter, Thaddeus G': 'Republican',
           'Obama, Barack': 'Democrat',
           'Paul, Ron': 'Republican',
           'Pawlenty, Timothy': 'Republican',
           'Perry, Rick': 'Republican',
           "Roemer, Charles E. 'Buddy' III": 'Republican',
           'Romney, Mitt': 'Republican',
           'Santorum, Rick': 'Republican'}
```

现在，通过这个映射以及`Series`对象的 map 方法，你可以根据候选人姓名得到一组党派信息：
```python
In [191]: fec.cand_nm[123456:123461]
Out[191]: 
123456    Obama, Barack
123457    Obama, Barack
123458    Obama, Barack
123459    Obama, Barack
123460    Obama, Barack
Name: cand_nm, dtype: object

In [192]: fec.cand_nm[123456:123461].map(parties)
Out[192]: 
123456    Democrat
123457    Democrat
123458    Democrat
123459    Democrat
123460    Democrat
Name: cand_nm, dtype: object

# Add it as a column
In [193]: fec['party'] = fec.cand_nm.map(parties)

In [194]: fec['party'].value_counts()
Out[194]: 
Democrat      593746
Republican    407985
Name: party, dtype: int64
```

这里有两个需要注意的地方。第一，该数据既包括赞助也包括退款（负的出资额）：
```python
In [195]: (fec.contb_receipt_amt > 0).value_counts()
Out[195]: 
True     991475
False     10256
Name: contb_receipt_amt, dtype: int64
```

为了简化分析过程，我限定该数据集只能有正的出资额：
```python
In [196]: fec = fec[fec.contb_receipt_amt > 0]
```

由于 Barack Obama 和 Mitt Romney 是最主要的两名候选人，所以我还专门准备了一个子集，只包含针对他们两人的竞选活动的赞助信息：
```python
In [197]: fec_mrbo = fec[fec.cand_nm.isin(['Obama, Barack','Romney, Mitt'])]
```

## 根据职业和雇主统计赞助信息

基于职业的赞助信息统计是另一种经常被研究的统计任务。例如，律师们更倾向于资助民主党，而企业主则更倾向于资助共和党。你可以不相信我，自己看那些数据就知道了。首先，根据职业计算出资总额，这很简单：
```python
In [198]: fec.contbr_occupation.value_counts()[:10]
Out[198]: 
RETIRED                                   233990
INFORMATION REQUESTED                      35107
ATTORNEY                                   34286
HOMEMAKER                                  29931
PHYSICIAN                                  23432
INFORMATION REQUESTED PER BEST EFFORTS     21138
ENGINEER                                   14334
TEACHER                                    13990
CONSULTANT                                 13273
PROFESSOR                                  12555
Name: contbr_occupation, dtype: int64
```

不难看出，许多职业都涉及相同的基本工作类型，或者同一样东西有多种变体。下面的代码片段可以清理一些这样的数据（将一个职业信息映射到另一个）。注意，这里巧妙地利用了 dict.get，它允许没有映射关系的职业也能“通过”：
```python
occ_mapping = {
   'INFORMATION REQUESTED PER BEST EFFORTS' : 'NOT PROVIDED',
   'INFORMATION REQUESTED' : 'NOT PROVIDED',
   'INFORMATION REQUESTED (BEST EFFORTS)' : 'NOT PROVIDED',
   'C.E.O.': 'CEO'
}

# If no mapping provided, return x
f = lambda x: occ_mapping.get(x, x)
fec.contbr_occupation = fec.contbr_occupation.map(f)
```

我对雇主信息也进行了同样的处理：
```python
emp_mapping = {
   'INFORMATION REQUESTED PER BEST EFFORTS' : 'NOT PROVIDED',
   'INFORMATION REQUESTED' : 'NOT PROVIDED',
   'SELF' : 'SELF-EMPLOYED',
   'SELF EMPLOYED' : 'SELF-EMPLOYED',
}

# If no mapping provided, return x
f = lambda x: emp_mapping.get(x, x)
fec.contbr_employer = fec.contbr_employer.map(f)
```

现在，你可以通过 pivot_table 根据党派和职业对数据进行聚合，然后过滤掉总出资额不足 200 万美元的数据：
```python
In [201]: by_occupation = fec.pivot_table('contb_receipt_amt',
   .....:                                 index='contbr_occupation',
   .....:                                 columns='party', aggfunc='sum')

In [202]: over_2mm = by_occupation[by_occupation.sum(1) > 2000000]

In [203]: over_2mm
Out[203]: 
party                 Democrat    Republican
contbr_occupation                           
ATTORNEY           11141982.97  7.477194e+06
CEO                 2074974.79  4.211041e+06
CONSULTANT          2459912.71  2.544725e+06
ENGINEER             951525.55  1.818374e+06
EXECUTIVE           1355161.05  4.138850e+06
...                        ...           ...
PRESIDENT           1878509.95  4.720924e+06
PROFESSOR           2165071.08  2.967027e+05
REAL ESTATE          528902.09  1.625902e+06
RETIRED            25305116.38  2.356124e+07
SELF-EMPLOYED        672393.40  1.640253e+06
[17 rows x 2 columns]
```

把这些数据做成柱状图看起来会更加清楚（'barh'表示水平柱状图，如图 14-12 所示）：
```python
In [205]: over_2mm.plot(kind='barh')
```

![图 14-12 对各党派总出资额最高的职业](img/7178691-d2254e547c6ce537.png)

你可能还想了解一下对 Obama 和 Romney 总出资额最高的职业和企业。为此，我们先对候选人进行分组，然后使用本章前面介绍的类似 top 的方法：
```python
def get_top_amounts(group, key, n=5):
    totals = group.groupby(key)['contb_receipt_amt'].sum()
    return totals.nlargest(n)
```

然后根据职业和雇主进行聚合：
```python
In [207]: grouped = fec_mrbo.groupby('cand_nm')

In [208]: grouped.apply(get_top_amounts, 'contbr_occupation', n=7)
Out[208]: 
cand_nm        contbr_occupation    
Obama, Barack  RETIRED                  25305116.38
               ATTORNEY                 11141982.97
               INFORMATION REQUESTED     4866973.96
               HOMEMAKER                 4248875.80
               PHYSICIAN                 3735124.94
                                           ...     
Romney, Mitt   HOMEMAKER                 8147446.22
               ATTORNEY                  5364718.82
               PRESIDENT                 2491244.89
               EXECUTIVE                 2300947.03
               C.E.O.                    1968386.11
Name: contb_receipt_amt, Length: 14, dtype: float64

In [209]: grouped.apply(get_top_amounts, 'contbr_employer', n=10)
Out[209]: 
cand_nm        contbr_employer      
Obama, Barack  RETIRED                  22694358.85
               SELF-EMPLOYED            17080985.96
               NOT EMPLOYED              8586308.70
               INFORMATION REQUESTED     5053480.37
               HOMEMAKER                 2605408.54
                                           ...     
Romney, Mitt   CREDIT SUISSE              281150.00
               MORGAN STANLEY             267266.00
               GOLDMAN SACH & CO.         238250.00
               BARCLAYS CAPITAL           162750.00
               H.I.G. CAPITAL             139500.00
Name: contb_receipt_amt, Length: 20, dtype: float64
```

## 对出资额分组

还可以对该数据做另一种非常实用的分析：利用 cut 函数根据出资额的大小将数据离散化到多个面元中：
```python
In [210]: bins = np.array([0, 1, 10, 100, 1000, 10000,
   .....:                  100000, 1000000, 10000000])

In [211]: labels = pd.cut(fec_mrbo.contb_receipt_amt, bins)

In [212]: labels
Out[212]: 
411         (10, 100]
412       (100, 1000]
413       (100, 1000]
414         (10, 100]
415         (10, 100]
             ...     
701381      (10, 100]
701382    (100, 1000]
701383        (1, 10]
701384      (10, 100]
701385    (100, 1000]
Name: contb_receipt_amt, Length: 694282, dtype: category
Categories (8, interval[int64]): [(0, 1] < (1, 10] < (10, 100] < (100, 1000] < (1
000, 10000] <
                                  (10000, 100000] < (100000, 1000000] < (1000000,
 10000000]]
```

现在可以根据候选人姓名以及面元标签对奥巴马和罗姆尼数据进行分组，以得到一个柱状图：
```python
In [213]: grouped = fec_mrbo.groupby(['cand_nm', labels])

In [214]: grouped.size().unstack(0)
Out[214]: 
cand_nm              Obama, Barack  Romney, Mitt
contb_receipt_amt                               
(0, 1]                       493.0          77.0
(1, 10]                    40070.0        3681.0
(10, 100]                 372280.0       31853.0
(100, 1000]               153991.0       43357.0
(1000, 10000]              22284.0       26186.0
(10000, 100000]                2.0           1.0
(100000, 1000000]              3.0           NaN
(1000000, 10000000]            4.0           NaN
```

从这个数据中可以看出，在小额赞助方面，Obama 获得的数量比 Romney 多得多。你还可以对出资额求和并在面元内规格化，以便图形化显示两位候选人各种赞助额度的比例（见图 14-13）：

```python
In [216]: bucket_sums = grouped.contb_receipt_amt.sum().unstack(0)

In [217]: normed_sums = bucket_sums.div(bucket_sums.sum(axis=1), axis=0)

In [218]: normed_sums
Out[218]: 
cand_nm              Obama, Barack  Romney, Mitt
contb_receipt_amt                               
(0, 1]                    0.805182      0.194818
(1, 10]                   0.918767      0.081233
(10, 100]                 0.910769      0.089231
(100, 1000]               0.710176      0.289824
(1000, 10000]             0.447326      0.552674
(10000, 100000]           0.823120      0.176880
(100000, 1000000]         1.000000           NaN
(1000000, 10000000]       1.000000           NaN

In [219]: normed_sums[:-2].plot(kind='barh')
```

![图 14-13 两位候选人收到的各种捐赠额度的总额比例](img/7178691-77e8c8d3c784692b.png)

我排除了两个最大的面元，因为这些不是由个人捐赠的。

还可以对该分析过程做许多的提炼和改进。比如说，可以根据赞助人的姓名和邮编对数据进行聚合，以便找出哪些人进行了多次小额捐款，哪些人又进行了一次或多次大额捐款。我强烈建议你下载这些数据并自己摸索一下。

## 根据州统计赞助信息

根据候选人和州对数据进行聚合是常规操作：
```python
In [220]: grouped = fec_mrbo.groupby(['cand_nm', 'contbr_st'])

In [221]: totals = grouped.contb_receipt_amt.sum().unstack(0).fillna(0)

In [222]: totals = totals[totals.sum(1) > 100000]

In [223]: totals[:10]
Out[223]: 
cand_nm    Obama, Barack  Romney, Mitt
contbr_st                             
AK             281840.15      86204.24
AL             543123.48     527303.51
AR             359247.28     105556.00
AZ            1506476.98    1888436.23
CA           23824984.24   11237636.60
CO            2132429.49    1506714.12
CT            2068291.26    3499475.45
DC            4373538.80    1025137.50
DE             336669.14      82712.00
FL            7318178.58    8338458.81
```

如果对各行除以总赞助额，就会得到各候选人在各州的总赞助额比例：
```python
In [224]: percent = totals.div(totals.sum(1), axis=0)

In [225]: percent[:10]
Out[225]: 
cand_nm    Obama, Barack  Romney, Mitt
contbr_st                             
AK              0.765778      0.234222
AL              0.507390      0.492610
AR              0.772902      0.227098
AZ              0.443745      0.556255
CA              0.679498      0.320502
CO              0.585970      0.414030
CT              0.371476      0.628524
DC              0.810113      0.189887
DE              0.802776      0.197224
FL              0.467417      0.532583
```

# 14.6 总结

我们已经完成了正文的最后一章。附录中有一些额外的内容，可能对你有用。

本书第一版出版已经有 5 年了，Python 已经成为了一个流行的、广泛使用的数据分析语言。你从本书中学到的方法，在相当长的一段时间都是可用的。我希望本书介绍的工具和库对你的工作有用。