R 数据处理（十一）—

1. 关系型数据

很多数据分析都会涉及到多个表的操作，通常需要将这些表组合起来才能得到你想要的信息。

多个数据表统称为关系型数据，重要的是它们之间的关系，而不是仅仅单个数据表

dplyr 提供了三类函数用于关系数据：

可变连接：将与另一个数据中匹配的列添加到该数据中

inner_join(): 内连接
left_join(): 左连接
right_join(): 右连接
full_join(): 全连接

过滤连接：根据一个数据中的值是否与另一个数据中的值匹配来过滤这些值

semi_join()
anti_join()

集合运算：将数据作为集合元素

这些操作类似于数据框操作，像 SQL 查询数据的语句。如果你之前接触过数据库，那么本节的知识应该是得心应手。

1.1 导入模块

library(tidyverse)
library(nycflights13)

2. nycflights13

我们还是使用 nycflights13 包的数据，包含 4 个与 flights 表相关的数据

airlines：可以从其缩写代码查询到航空公司的全名

> airlines %>% head(5)
# A tibble: 5 x 2
  carrier name                  
                      
1 9E      Endeavor Air Inc.     
2 AA      American Airlines Inc.
3 AS      Alaska Airlines Inc.  
4 B6      JetBlue Airways       
5 DL      Delta Air Lines Inc.

airports：提供由 faa 机场代码标识的每个机场的信息

> airports %>% head(5)
# A tibble: 5 x 8
  faa   name                            lat   lon   alt    tz dst   tzone           
                                            
1 04G   Lansdowne Airport              41.1 -80.6  1044    -5 A     America/New_York
2 06A   Moton Field Municipal Airport  32.5 -85.7   264    -6 A     America/Chicago 
3 06C   Schaumburg Regional            42.0 -88.1   801    -6 A     America/Chicago 
4 06N   Randall Airport                41.4 -74.4   523    -5 A     America/New_York
5 09J   Jekyll Island Airport          31.1 -81.4    11    -5 A     America/New_York

planes：提供有关每架飞机的信息，由其 tailnum 标识

> planes %>% head(5)
# A tibble: 5 x 9
  tailnum  year type                    manufacturer     model     engines seats speed engine   
                                                   
1 N10156   2004 Fixed wing multi engine EMBRAER          EMB-145XR       2    55    NA Turbo-fan
2 N102UW   1998 Fixed wing multi engine AIRBUS INDUSTRIE A320-214        2   182    NA Turbo-fan
3 N103US   1999 Fixed wing multi engine AIRBUS INDUSTRIE A320-214        2   182    NA Turbo-fan
4 N104UW   1999 Fixed wing multi engine AIRBUS INDUSTRIE A320-214        2   182    NA Turbo-fan
5 N10575   2002 Fixed wing multi engine EMBRAER          EMB-145LR       2    55    NA Turbo-fan

weather：给出纽约市每个机场每小时的天气

> weather %>% head(5)
# A tibble: 5 x 15
  origin  year month   day  hour  temp  dewp humid wind_dir wind_speed wind_gust precip pressure visib
                                
1 EWR     2013     1     1     1  39.0  26.1  59.4      270      10.4         NA      0    1012     10
2 EWR     2013     1     1     2  39.0  27.0  61.6      250       8.06        NA      0    1012.    10
3 EWR     2013     1     1     3  39.0  28.0  64.4      240      11.5         NA      0    1012.    10
4 EWR     2013     1     1     4  39.9  28.0  62.2      250      12.7         NA      0    1012.    10
5 EWR     2013     1     1     5  39.0  28.0  64.4      260      12.7         NA      0    1012.    10
# … with 1 more variable: time_hour

我们以图像的形式显示不同表之间的关系

image

从图上可以看出，不同表之间通过一些相同的列关联起来，你只需关注感兴趣的表之间的关联。

对于 nycflights13：

flights 通过单个变量 tailnum 连接到 planes
flights 通过 carrier 变量与 airlines 相连
flights 通过 origin 和 dest 变量连接到 airports：
flights 通过 origin（位置）和 year, month, day 和 hour（时间）连接到 weather

2.1 思考练习

如果你想绘制每架飞机从出发地到目的地的飞行路线，需要什么变量？需要合并哪些表？

3. 键

用于连接每对表的变量称为键，键是唯一标识观察值的变量（或变量集）。

一般情况下，一个变量就足够标识观察结果。例如，每个 planes 由其 tailnum 唯一标识。

在其他情况下，可能需要多个变量。例如，要识别 weather，需要五个变量：year, month, day, hour 和 origin。

主要包括两种键：

主键：在自己的表中唯一标识每一个观察值。例如，planes$tailnum 就是主键，因为它唯一地标识了 planes 表中的每架飞机
外键：另一个表的主键。例如，flights$tailnum 是一个外键，因为它出现在 flights 表中，且它使每个航班与唯一的飞机匹配

一个变量既可以是主键，也可以是外键。例如，origin 是 weather 表主键的一部分，也是 airports 表的外键。

主键的值必须是唯一的，所以，为了确保其唯一性，我们可以使用 count() 函数，然后查找 n > 1 的数目

> planes %>% 
+     count(tailnum) %>% 
+     filter(n > 1)
# A tibble: 0 x 2
# … with 2 variables: tailnum , n 
> weather %>% 
+     count(year, month, day, hour, origin) %>% 
+     filter(n > 1)
# A tibble: 3 x 6
   year month   day  hour origin     n
        
1  2013    11     3     1 EWR        2
2  2013    11     3     1 JFK        2
3  2013    11     3     1 LGA        2

有些表并不会显示的指明哪个是主键，例如，flights 表中的主键是什么？您可能会认为日期加上航班号或机尾编号，但这两个都不是唯一的

> flights %>% 
+     count(year, month, day, flight) %>% 
+     filter(n > 1)
# A tibble: 29,768 x 5
    year month   day flight     n
        
 1  2013     1     1      1     2
 2  2013     1     1      3     2
 3  2013     1     1      4     2
 4  2013     1     1     11     3
 5  2013     1     1     15     2
 6  2013     1     1     21     2
 7  2013     1     1     27     4
 8  2013     1     1     31     2
 9  2013     1     1     32     2
10  2013     1     1     35     2
# … with 29,758 more rows

> flights %>% 
+     count(year, month, day, tailnum) %>% 
+     filter(n > 1)
# A tibble: 64,928 x 5
    year month   day tailnum     n
         
 1  2013     1     1 N0EGMQ      2
 2  2013     1     1 N11189      2
 3  2013     1     1 N11536      2
 4  2013     1     1 N11544      3
 5  2013     1     1 N11551      2
 6  2013     1     1 N12540      2
 7  2013     1     1 N12567      2
 8  2013     1     1 N13123      2
 9  2013     1     1 N13538      3
10  2013     1     1 N13566      3
# … with 64,918 more rows

在刚开始处理这些数据时，我天真地以为每个航班号每天只使用一次。不幸的是，事实并非如此！

如果一个表缺少主键，那么添加一个带有 mutate() 和 row_number() 的主键有时会很有用，称为代理键。

一个主键和另一个表中的相应外键形成一个关系。关系通常是一对多的，例如，每个航班都只有一架飞机，但每架飞机可以安排许多航班。

在其他一些数据中，您也会看到一对一的关系。你可以把它看作一对多的特例。

您可以使用多对一关系和一对多关系来构建多对多的关系。例如，在这个数据中，航空公司和机场之间有一个多对多的关系：每个航空公司都会在许多机场安排有飞机；每个机场都有许多航空公司。

3.1 思考练习

为 flights 添加代理键
识别以下数据集中的键：

Lahman::Batting
babynames::babynames
nasaweather::atmos
fueleconomy::vehicles
ggplot2::diamonds

注：您可能需要安装一些软件包并阅读对应的文档

4. 可变连接

可变连接允许您组合两个表中的变量。它首先通过键匹配观察值，然后将变量从一个表复制到另一个表。

与 mutate() 一样，连接函数会在右边添加变量，因此如果已经有很多变量，则不会打印出新添加的变量

所以，我们会挑选出一些列来进行连接

> flights2 <- flights %>% 
+     select(year:day, hour, origin, dest, tailnum, carrier)
> flights2
# A tibble: 336,776 x 8
    year month   day  hour origin dest  tailnum carrier
               
 1  2013     1     1     5 EWR    IAH   N14228  UA     
 2  2013     1     1     5 LGA    IAH   N24211  UA     
 3  2013     1     1     5 JFK    MIA   N619AA  AA     
 4  2013     1     1     5 JFK    BQN   N804JB  B6     
 5  2013     1     1     6 LGA    ATL   N668DN  DL     
 6  2013     1     1     5 EWR    ORD   N39463  UA     
 7  2013     1     1     6 EWR    FLL   N516JB  B6     
 8  2013     1     1     6 LGA    IAD   N829AS  EV     
 9  2013     1     1     6 JFK    MCO   N593JB  B6     
10  2013     1     1     6 LGA    ORD   N3ALAA  AA     
# … with 336,766 more rows

假设您要将完整的航空公司名称添加到 flights2 数据中。

您可以使用 left_join() 来组合 airlines 和 flights2 两个数据表

> flights2 %>%
+     select(-origin, -dest) %>% 
+     left_join(airlines, by = "carrier")
# A tibble: 336,776 x 7
    year month   day  hour tailnum carrier name                    
                                
 1  2013     1     1     5 N14228  UA      United Air Lines Inc.   
 2  2013     1     1     5 N24211  UA      United Air Lines Inc.   
 3  2013     1     1     5 N619AA  AA      American Airlines Inc.  
 4  2013     1     1     5 N804JB  B6      JetBlue Airways         
 5  2013     1     1     6 N668DN  DL      Delta Air Lines Inc.    
 6  2013     1     1     5 N39463  UA      United Air Lines Inc.   
 7  2013     1     1     6 N516JB  B6      JetBlue Airways         
 8  2013     1     1     6 N829AS  EV      ExpressJet Airlines Inc.
 9  2013     1     1     6 N593JB  B6      JetBlue Airways         
10  2013     1     1     6 N3ALAA  AA      American Airlines Inc.  
# … with 336,766 more rows

这个结果将 airlines 表中的 name 添加到了 flights2 后面，这就是为什么我们称这种连接为可变连接的原因。

当然你也可以使用 mutate() 和 R 取子集操作实现同样的功能

> flights2 %>%
+     select(-origin, -dest) %>% 
+     mutate(name = airlines$name[match(carrier, airlines$carrier)])
# A tibble: 336,776 x 7
    year month   day  hour tailnum carrier name                    
                                
 1  2013     1     1     5 N14228  UA      United Air Lines Inc.   
 2  2013     1     1     5 N24211  UA      United Air Lines Inc.   
 3  2013     1     1     5 N619AA  AA      American Airlines Inc.  
 4  2013     1     1     5 N804JB  B6      JetBlue Airways         
 5  2013     1     1     6 N668DN  DL      Delta Air Lines Inc.    
 6  2013     1     1     5 N39463  UA      United Air Lines Inc.   
 7  2013     1     1     6 N516JB  B6      JetBlue Airways         
 8  2013     1     1     6 N829AS  EV      ExpressJet Airlines Inc.
 9  2013     1     1     6 N593JB  B6      JetBlue Airways         
10  2013     1     1     6 N3ALAA  AA      American Airlines Inc.  
# … with 336,766 more rows

下面我们将详细介绍可变连接的原理

4.1 了解连接

为了帮助理解，我们以图形的方式讲解

image

x <- tribble(
  ~key, ~val_x,
     1, "x1",
     2, "x2",
     3, "x3"
)
y <- tribble(
  ~key, ~val_y,
     1, "y1",
     2, "y2",
     4, "y3"
)

彩色的列表示键：用于匹配表之间的行。灰色列表示为行携带的值列。

连接是将 x 中的每一行连接到 y 中的零行、一行或多行的一种方式。下图将每个能够匹配的位置显示为一对线的交点

image

在实际连接中，匹配项将用点表示。点数=匹配数=输出中的行数

image

4.2 内连接

最简单连接类型是内连接，内连接在键相等时匹配连接对应的值

image

确切地说，这是内部等值连接，因为使用相等运算符来匹配键。由于大多数连接都是等值连接，因此我们通常会删除该规范

内连接的输出是一个新的数据框，其中包含键、x 值和 y 值。我们使用 by 来告诉 dplyr 哪个变量是键

> x %>% 
+     inner_join(y, by = "key")
# A tibble: 2 x 3
    key val_x val_y
    
1     1 x1    y1   
2     2 x2    y2

内连接的最重要属性是不匹配的行不包含在结果中。

4.3 外连接

内连接使观察结果同时出现在两个表中。外连接保留观察结果，这些观察结果至少出现在一个表中。外部联接有三种类型：

left_join: 保留 x 的所有值
right_join: 保留 y 的所有值
full_join: 保留 x 和 y 的所有值

这些连接会将未匹配的赋值为 NA

image.png

其中左连接比较常用，无论何时从另一个表中查找匹配的其他数据，都可以使用此选项，因为即使不存在匹配项，它也会保留原始观测值。

以韦恩图来描述的话，就是

image.png

4.4 重复的键

在上面的例子中，所有图都假定键是唯一的。如果键不唯一会发生什么？有以下两种情况

只有一个表中存在重复的键。

image.png

> x <- tribble(
+     ~key, ~val_x,
+     1, "x1",
+     2, "x2",
+     2, "x3",
+     1, "x4"
+ )
> y <- tribble(
+     ~key, ~val_y,
+     1, "y1",
+     2, "y2"
+ )
> left_join(x, y, by = "key")
# A tibble: 4 x 3
    key val_x val_y
    
1     1 x1    y1   
2     2 x2    y2   
3     2 x3    y2   
4     1 x4    y1

两个表都有重复的键。

这通常是一个错误，因为在两个表中，键都不能唯一地标识观察值。因此连接之后，会得到所有可能的组合，即笛卡尔乘积

image

> x <- tribble(
+     ~key, ~val_x,
+     1, "x1",
+     2, "x2",
+     2, "x3",
+     3, "x4"
+ )
> y <- tribble(
+     ~key, ~val_y,
+     1, "y1",
+     2, "y2",
+     2, "y3",
+     3, "y4"
+ )
> left_join(x, y, by = "key")
# A tibble: 6 x 3
    key val_x val_y
    
1     1 x1    y1   
2     2 x2    y2   
3     2 x2    y3   
4     2 x3    y2   
5     2 x3    y3   
6     3 x4    y4

4.5 定义连接的键

到目前为止，两个表始终由单个变量相连，并且该变量在两个表中具有相同的名称，可以通过 by='key' 参数为 by 指定需要连接的列 'key'

默认情况下 by=NULL，使用出现在两个表中所有相同的变量，即所谓的自然联接。例如 flights 和 weather 两个表具有相同的变量 year, month, day, hour 和 origin

> flights2 %>% 
+     left_join(weather) %>%
+         head(3)
Joining, by = c("year", "month", "day", "hour", "origin")
# A tibble: 3 x 18
   year month   day  hour origin dest  tailnum carrier  temp  dewp humid wind_dir wind_speed wind_gust
                                
1  2013     1     1     5 EWR    IAH   N14228  UA       39.0  28.0  64.4      260       12.7      NA  
2  2013     1     1     5 LGA    IAH   N24211  UA       39.9  25.0  54.8      250       15.0      21.9
3  2013     1     1     5 JFK    MIA   N619AA  AA       39.0  27.0  61.6      260       15.0      NA  
# … with 4 more variables: precip , pressure , visib , time_hour

设置 by='x'，和自然连接类似，但只使用指定的一些公共变量。例如，flights 和 planes 有 year 变量，但它们的含义不同，因此我们只想通过 tailnum 连接

> flights2 %>% 
+     left_join(planes, by = "tailnum") %>%
+         head(3)
# A tibble: 3 x 16
  year.x month   day  hour origin dest  tailnum carrier year.y type  manufacturer model engines seats
                               
1   2013     1     1     5 EWR    IAH   N14228  UA        1999 Fixe… BOEING       737-…       2   149
2   2013     1     1     5 LGA    IAH   N24211  UA        1998 Fixe… BOEING       737-…       2   149
3   2013     1     1     5 JFK    MIA   N619AA  AA        1990 Fixe… BOEING       757-…       2   178
# … with 2 more variables: speed , engine

注意：两个年份变量在输出中用后缀消除歧义

设置命名变量 by=c('a'='b')，这将使表 x 中的变量 a 与表 y 中的变量 b 相匹配。并将 x 中的变量将用于输出

例如，如果我们想绘制一张地图，我们需要将航班数据与每个机场位置（纬度和经度）的数据相结合。每个航班都有一个出发地和目的地，因此我们需要指定要加入的机场

> flights2 %>% 
+     left_join(airports, c("dest" = "faa")) %>%
+         head(3)
# A tibble: 3 x 15
   year month   day  hour origin dest  tailnum carrier name         lat   lon   alt    tz dst   tzone  
                            
1  2013     1     1     5 EWR    IAH   N14228  UA      George Bu…  30.0 -95.3    97    -6 A     Americ…
2  2013     1     1     5 LGA    IAH   N24211  UA      George Bu…  30.0 -95.3    97    -6 A     Americ…
3  2013     1     1     5 JFK    MIA   N619AA  AA      Miami Intl  25.8 -80.3     8    -5 A     Americ…

> flights2 %>% 
+     left_join(airports, c("origin" = "faa")) %>%
+         head(3)
# A tibble: 3 x 15
   year month   day  hour origin dest  tailnum carrier name        lat   lon   alt    tz dst   tzone   
                            
1  2013     1     1     5 EWR    IAH   N14228  UA      Newark L…  40.7 -74.2    18    -5 A     America…
2  2013     1     1     5 LGA    IAH   N24211  UA      La Guard…  40.8 -73.9    22    -5 A     America…
3  2013     1     1     5 JFK    MIA   N619AA  AA      John F K…  40.6 -73.8    13    -5 A     America…
>

4.6 思考练习

将 origin 和 dest 的位置（即纬度: lat 和经度: lon）添加到 flights
飞机的年份与其延误之间是否有关系?
哪种天气条件更有可能出现延误?

4.7 其他

这些连接都可以通过 base::merge() 实现

dplyr	merge
inner_join(x, y)	merge(x, y)
left_join(x, y)	merge(x, y, all.x = TRUE)
right_join(x, y)	merge(x, y, all.y = TRUE)
full_join(x, y)	merge(x, y, all.x = TRUE, all.y = TRUE)

dplyr 动词的优点就是它们可以更清楚地传达您的代码意图。

dplyr 的连接要快得多，而且不会打乱行的顺序。

R 数据处理（十一）—— dplyr

1. 关系型数据

1.1 导入模块

2. nycflights13

2.1 思考练习

3. 键

3.1 思考练习

4. 可变连接

4.1 了解连接

4.2 内连接

4.3 外连接

4.4 重复的键

4.5 定义连接的键

4.6 思考练习

4.7 其他

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