R语言数据分析从入门到高级：（八）数据清洗技巧之数据格式转换（包含宽数据与长数据之间的转换）

R语言数据分析从入门到高级

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本系列主要介绍R语言在数据分析领域的应用包括：
R语言编程基础、R语言可视化、R语言进行数据操作、R语言建模、R语言机器学习算法实现、R语言统计理论方法实现。本系列会完成下去，请大家多多关注点赞支持，一起学习~
参考资料:
Data Analysis and Prediction Algorithms with R

R语言数据分析从入门到高级：（八）数据清洗技巧之数据格式转换

正如我们之前介绍的，我们希望在R语言中希望数据是tidy形式的（具体大家可以看该专栏的第三篇文章）。在数据分析流程中，第一步是将数据导入，第二步往往就是对数据格式进行转换成tidy数据以便于后续分析。R语言tidyverse可以帮助我们实现这个目的。

首先导入我们相关库和数据,运用了我们在该专栏第四章介绍的数据导入、复制等技巧，不理解的小伙伴可以先看之前的文章，如果报错显示没有相关库，先使用
install.packages(‘tidyverse’)
install.packages(‘dslabs’)

library(tidyverse)
library(dslabs)
path <- system.file('extdata', package='dslabs')
filename <- file.path(path, 'fertility-two-countries-example.csv')
wide_data <- read_csv(filename)

head(wide_data)

A tibble: 2 × 57

country	1960	1961	1962	1963	1964	1965	1966	1967	1968	...	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015
										...
Germany	2.41	2.44	2.47	2.49	2.49	2.48	2.44	2.37	2.28	...	1.36	1.36	1.37	1.38	1.39	1.40	1.41	1.42	1.43	1.44
South Korea	6.16	5.99	5.79	5.57	5.36	5.16	4.99	4.85	4.73	...	1.20	1.21	1.23	1.25	1.27	1.29	1.30	1.32	1.34	1.36

该数据包含德国和韩国不同年份的生育率，可以看出这个数据不服从tidy数据格式，我们希望将这些不同年份作为一个变量来表示，下面我们来看看具体是怎么操作的

8.1 pivot_longer函数

tidyverse中用的最多的函数之一就是pivot_longer,可以将宽数据转换为tidy格式的数据

与tidyverse其他大多数函数一样，pivot_longer第一个参数也是要转换的数据框，这里我们将
wide_data数据框输入，我们希望将其转换为一行代表一个国家某一年份的一个数据。
而在当前形式中，不同年份的数据位于不同的列中，列名称中有年份。
通过names_to和values_to参数，我们将分别指定给包含当前列名和观察值的列的列名。
如果不指定参数，默认的名字是name和value，在这里我们使用year和fertility。
通过第二个参数col指定我们想要转换的列.

new_tidy_data <- wide_data %>% 
  pivot_longer(cols = `1960`:`2015`,names_to = "year", values_to = "fertility")

head(new_tidy_data)

A tibble: 6 × 3

country	year	fertility
Germany	1960	2.41
Germany	1961	2.44
Germany	1962	2.47
Germany	1963	2.49
Germany	1964	2.49
Germany	1965	2.48

我们可以看到，数据已转换为整齐的tidy格式，包含年份和生育率,并且每一年都有两行数据，因为我们有两个国家，因此在这里我们没有将country列进行转换，所有我们也可以使用简化使用下面的代码得到同样的结果

new_tidy_data <- wide_data %>%
  pivot_longer(-country, names_to = "year", values_to = "fertility")

head(new_tidy_data)

A tibble: 6 × 3

country	year	fertility
Germany	1960	2.41
Germany	1961	2.44
Germany	1962	2.47
Germany	1963	2.49
Germany	1964	2.49
Germany	1965	2.48

指的注意的一点是，pivot_longer函数假定列名是字符串的形式,我们来检查一下

class(new_tidy_data$year)

‘character’

因此，如果我们想要进行绘图，首先需要将年份这个变量值转换为数值型变量，可以使用as.interger

new_tidy_data <- wide_data %>%
  pivot_longer(-country, names_to = "year", values_to = "fertility") %>%
  mutate(year = as.integer(year))

注意我们使用了mutate()函数，这也是我们在第三章所介绍的。现在我们可以使用该数据进行简单的绘图，例如我们要绘制年份和生育率的散点图，并以颜色进行分组

new_tidy_data %>% ggplot(aes(year, fertility, color = country)) + 
  geom_line()

​

​

️8.2 poivot_wider

有时将tidy数据转换为宽数据对于数据清洗非常有用。我们通常将此作为整理数据的中间步骤。pivot_Wider函数基本上与pivot_longer函数相反。第一个参数是关于数据框，参数names_from告诉哪个变量将用作列名。values_from指定使用哪些变量值填充单元格的值。默认参数值为name和value，如下图所示，我们想要展示1960-1967年两个国家的生育率数据

new_wide_data <- new_tidy_data %>% 
  pivot_wider(names_from = year, values_from = fertility)
select(new_wide_data, country, `1960`:`1967`)

A tibble: 2 × 9

country	1960	1961	1962	1963	1964	1965	1966	1967
Germany	2.41	2.44	2.47	2.49	2.49	2.48	2.44	2.37
South Korea	6.16	5.99	5.79	5.57	5.36	5.16	4.99	4.85

用法基本与poivot_longer相似，大家可以进行相互转换练习。

8.3 seperate函数

上面的数据清洗和实际中相比可能相对简单。接下来我们将介绍一些更复杂的情况。该数据集包含两个变量：预期寿命和生育率。如下所示，该数据不是tidy格式

path <- system.file("extdata", package = "dslabs")
filename <- "life-expectancy-and-fertility-two-countries-example.csv"
filename <-  file.path(path, filename)
raw_dat <- read_csv(filename)
select(raw_dat, 1:5)

A tibble: 2 × 5

country	1960_fertility	1960_life_expectancy	1961_fertility	1961_life_expectancy
Germany	2.41	69.26	2.44	69.85
South Korea	6.16	53.02	5.99	53.75

首先，注意这个数据也是宽数据格式，但是这个数据框包含两个变量的值，生育率和预期寿命。使用列名来表示哪个列代表哪个变量。即便我们强烈不建议在列名中对信息进行编码，但实际上这很常见。
接下来我们运用数据清洗技术来提取这些信息，并以tidy的形式保存数据。

第一步，我们照样可以先试用pivot_longer函数，将数据转换为长格式。但是这里我们的名字不能命名为year，这里我们使用默认的参数

dat <- raw_dat %>% pivot_longer(-country)
head(dat)

A tibble: 6 × 3

country	name	value
Germany	1960_fertility	2.41
Germany	1960_life_expectancy	69.26
Germany	1961_fertility	2.44
Germany	1961_life_expectancy	69.85
Germany	1962_fertility	2.47
Germany	1962_life_expectancy	70.01

结果并不完全是我们所说的tidy格式，因为每个观测数据都与两行相关，而不是一行。我们希望将生育率和预期寿命这两个变量的值分为两列。实现这一点的第一步是将名称列分为年份和变量类型。请注意，在本例中是使用下划线将年份与变量名隔开。
在一个列名中编码多个变量是一个常见的问题，readr包包含一个将这些列分隔为两个或更多列的函数。除了数据之外，separate函数还有三个参数：要分隔的列的名称、用于新列的名称以及分隔变量的字符。因此，第一步代码如下：

dat %>% separate(name, c("year", "name"), "_") %>% head()

A tibble: 6 × 4

country	year	name	value
Germany	1960	fertility	2.41
Germany	1960	life	69.26
Germany	1961	fertility	2.44
Germany	1961	life	69.85
Germany	1962	fertility	2.47
Germany	1962	life	70.01

由于因为_是separate假定的默认分隔符，所以我们不必在代码中包含它

dat %>% separate(name, c('year','name')) %>% head()

A tibble: 6 × 4

country	year	name	value
Germany	1960	fertility	2.41
Germany	1960	life	69.26
Germany	1961	fertility	2.44
Germany	1961	life	69.85
Germany	1962	fertility	2.47
Germany	1962	life	70.01

该函数确实会分离这些值，但我们遇到了一个新问题。预期寿命变量被截断为寿命。这是因为_用于区分寿命和预期寿命，而不仅仅是年份和变量名称。我们可以添加第三列来解决这一点，并让单独的函数知道在没有第三个值的情况下，用NA填充那一列。

var_names <- c("year", "first_variable", "second_variable")
dat %>% separate(name, var_names, fill = "right")%>%head()

A tibble: 6 × 5

country	year	first_variable	second_variable	value
Germany	1960	fertility	NA	2.41
Germany	1960	life	expectancy	69.26
Germany	1961	fertility	NA	2.44
Germany	1961	life	expectancy	69.85
Germany	1962	fertility	NA	2.47
Germany	1962	life	expectancy	70.01

我们还有一种更好的方式是使用extra参数，在有额外间隔时合并最后两个变量,如下所示

dat %>% separate(name, c("year", "name"), extra = "merge")%>%head()

A tibble: 6 × 4

country	year	name	value
Germany	1960	fertility	2.41
Germany	1960	life_expectancy	69.26
Germany	1961	fertility	2.44
Germany	1961	life_expectancy	69.85
Germany	1962	fertility	2.47
Germany	1962	life_expectancy	70.01

接下来我们可以再使用之前介绍的pivot_wider()函数，为每个变量创建一列

dat %>% 
  separate(name, c("year", "name"), extra = "merge")%>%
  pivot_wider(names_from = name, values_from = value)%>%head()

A tibble: 6 × 4

country	year	fertility	life_expectancy
Germany	1960	2.41	69.26
Germany	1961	2.44	69.85
Germany	1962	2.47	70.01
Germany	1963	2.49	70.10
Germany	1964	2.49	70.66
Germany	1965	2.48	70.65

现在数据是tidy格式，每个观测值有一行，包含四个列变量：国家、年份、生育率和预期寿命。

8.4 unite函数

有时，将两列分开并合并为一列是很有用的。为了演示如何使用unite，假设我们不适用extra参数，我们可以使用以下代码进行合并，这些代码可能不是最佳方法，但可以作为一个示例。

依然用刚刚的dat数据

var_names <- c("year", "first_variable_name", "second_variable_name")
dat %>% 
  separate(name, var_names, fill = "right")%>%head()

A tibble: 6 × 5

country	year	first_variable_name	second_variable_name	value
Germany	1960	fertility	NA	2.41
Germany	1960	life	expectancy	69.26
Germany	1961	fertility	NA	2.44
Germany	1961	life	expectancy	69.85
Germany	1962	fertility	NA	2.47
Germany	1962	life	expectancy	70.01

我们可以通过合并第二列和第三列，然后旋转这些列并将fertility_NA重命名为fertility，来获得相同的最终结果：

dat %>% 
  separate(name, var_names, fill = "right") %>%
  unite(name, first_variable_name, second_variable_name) %>%
  pivot_wider() %>%head()
  rename(fertility = fertility_NA)%>%head()

A tibble: 6 × 4

country	year	fertility_NA	life_expectancy
Germany	1960	2.41	69.26
Germany	1961	2.44	69.85
Germany	1962	2.47	70.01
Germany	1963	2.49	70.10
Germany	1964	2.49	70.66
Germany	1965	2.48	70.65

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