时间序列--时间序列基础

pandas最基本的时间序列类型就是以时间戳（通常以python字符串或datetime对象表示）为索引的Series。

1 >>> from datetime import datetime
2 >>> dates = [datetime(2020, 1, 23), datetime(2020, 1, 24), datetime(2020, 1, 25)] 
3 >>> ts = pd.Series(np.random.randn(3), index=dates) 
4 >>> ts
5 2020-01-23   -0.225688
6 2020-01-24   -0.520823
7 2020-01-25   -0.819271
8 dtype: float64

这些datetime对象实际被放在一个DatetimeIndex中，变量ts就变成了一个TimeSeries。跟其它Series一样，不同索引的时间序列之间的算术运算会自动按日期对齐。

 1 >>> type(ts)    
 2 <class 'pandas.core.series.Series'>
 3 >>> ts.index
 4 DatetimeIndex(['2020-01-23', '2020-01-24', '2020-01-25'], dtype='datetime64[ns]', freq=None)
 5 >>> ts + ts[::2] 
 6 2020-01-23   -2.573547
 7 2020-01-24         NaN
 8 2020-01-25   -0.967854
 9 dtype: float64
10 >>> ts.index.dtype 
11 dtype('')

DatetimeIndex中的各个标量值是pandas的Timestamp对象。

 1 >>> ts.index.dtype
 2 dtype('')
 3 >>> stamp = ts.index[0] 
 4 >>> stamp
 5 Timestamp('2020-01-23 00:00:00')
 6 >>> ts
 7 2020-01-23   -1.286773
 8 2020-01-24    0.347610
 9 2020-01-25   -0.483927
10 dtype: float64

1.1  索引、选取、子集构造

由于TimeSeries是Series的一个之类，所以在索引以及数据选取方面它们的行为是一样的。

也可以通过传入一个可以被解释为日期的字符串进行索引。

 1 >>> ts
 2 2020-01-23   -1.286773
 3 2020-01-24    0.347610
 4 2020-01-25   -0.483927
 5 dtype: float64
 6 >>> stamp= ts.index[2]
 7 >>> ts[stamp] 
 8 -0.48392707723832107
 9 >>> ts['1/23/2020'] 
10 -1.2867733405401018
11 >>> ts['20200123']  
12 -1.2867733405401018

对于较长的时间序列，只需传入“年”或“年月”即可轻松获取数据的切片。

 1 >>> long_ts = pd.Series(np.random.randn(1000), index=pd.date_range('1/1/2020', periods=1000))
 2 >>> long_ts
 3 2020-01-01    0.483528
 4 2020-01-02    0.083113
 5 2020-01-03   -0.355438
 6 2020-01-04   -0.163374
 7 2020-01-05   -0.629642
 8                 ...
 9 2022-09-22    1.761658
10 2022-09-23    0.594090
11 2022-09-24    0.876740
12 2022-09-25   -0.607211
13 2022-09-26    1.333760
14 Freq: D, Length: 1000, dtype: float64
15 >>> long_ts['2020'] 
16 2020-01-01    0.483528
17 2020-01-02    0.083113
18 2020-01-03   -0.355438
19 2020-01-04   -0.163374
20 2020-01-05   -0.629642
21                 ...
22 2020-12-27   -1.722599
23 2020-12-28   -0.605329
24 2020-12-29    2.414726
25 2020-12-30   -2.142943
26 2020-12-31   -0.263092
27 Freq: D, Length: 366, dtype: float64
28 >>> ts[datetime(2020, 1, 7):] 
29 2020-01-23   -1.286773
30 2020-01-24    0.347610
31 2020-01-25   -0.483927
32 dtype: float64
33 >>> ts  #影响了源时间序列
34 2020-01-23   -1.286773
35 2020-01-24    0.347610
36 2020-01-25   -0.483927
37 dtype: float64

切片操作可以传入字符串日期、datetime或timestamp。这样切片所产生的是源时间序列的视图。

另外，还有一个等价的实例方法truncate也可以截取两个日期之间的TimeSeries。

1 >>> ts.truncate(after='1/24/2020') 
2 2020-01-23   -1.286773
3 2020-01-24    0.347610
4 dtype: float64
5 >>> ts
6 2020-01-23   -1.286773
7 2020-01-24    0.347610
8 2020-01-25   -0.483927
9 dtype: float64

上述操作对DataFrame也有效。

 1 >>> dates = pd.date_range('1/1/2000', periods=100, freq='W-WED')
 2 >>> long_df = pd.DataFrame(np.random.randn(100, 4), index=dates, columns=['Co', 'Te', 'New', 'Oh'])
 3 >>> long_df.loc['5-2001'] 
 4                   Co        Te       New        Oh
 5 2001-05-02 -1.096373 -0.628539  0.055700 -1.806065
 6 2001-05-09 -2.037862  0.116222  0.572079 -0.122774
 7 2001-05-16 -0.934510  1.650582  0.084567  1.361691
 8 2001-05-23 -1.289954  0.647815 -0.855843 -1.201742
 9 2001-05-30  0.958377 -0.122075  0.637788 -1.001172
10 >>>

1.2  带有重复索引的时间序列

在某些场景中，可能存在多个观测数据落在同一个时间点上的情况。通过is_unique属性，就知道它是否是唯一的。

 1 >>> dates = pd.DatetimeIndex(['1/1/2020', '1/2/2020', '1/2/2020', '1/3/2020', '1/4/2020'])
 2 >>> dup_ts = pd.Series(np.arange(5), index=dates) 
 3 >>> dup_ts.index.is_unique
 4 False
 5 >>> dup_ts
 6 2020-01-01    0
 7 2020-01-02    1
 8 2020-01-02    2
 9 2020-01-03    3
10 2020-01-04    4
11 dtype: int32

对这个时间序列进行索引，要么产生标量值，要么产生切片。具体要看所选的时间点是否重复。

1 >>> dup_ts['1/1/2020'] 
2 0
3 >>> dup_ts['1/2/2020'] 
4 2020-01-02    1
5 2020-01-02    2
6 dtype: int32
7 >>>

如果想要对具有非唯一时间戳的数据进行聚合，一个方法是使用groupby，并传入level=0（索引的唯一一层）。

 1 >>> grouped = dup_ts.groupby(level=0) 
 2 >>> grouped.mean()
 3 2020-01-01    0.0
 4 2020-01-02    1.5
 5 2020-01-03    3.0
 6 2020-01-04    4.0
 7 dtype: float64
 8 >>> grouped.count() 
 9 2020-01-01    1
10 2020-01-02    2
11 2020-01-03    1
12 2020-01-04    1
13 dtype: int64
14 >>>