Python 之 Pandas 生成时间戳范围、Pandas 的时期函数 Period() 和时间序列 - 重采样 resample

• 在开始之前，我们先导入 numpy 和 pandas 库，同时导入 python 内置的模块。

import pandas as pd​
import numpy as np
​import time​
import datetime

一、生成时间戳范围

• 有时候，我们可能想要生成某个范围内的时间戳。例如，我想要生成 “2018-6-26” 这一天之后的 8 天时间戳，我们可以使用 date_range 和 bdate_range 来完成时间戳范围的生成。
• 我们可以通过 date_range() 返回固定频率的 DatetimeIndex。
• 其语法模板如下：

date_range(start=None, end=None, periods=None, freq=None, tz=None, normalize=False, name=None, closed=None, **kwargs)

• 他返回等距时间点的范围（其中任意两个相邻点之间的差值由给定频率指定），以便它们都满足 start <[= ]x <[=] end，其中第一个和最后一个分别为。该范围内的第一个和最后一个时间点位于 freq 的边界（如果以频率字符串的形式给出）或对 freq 有效。
• 其参数含义如下：
• start 表示生成日期的左边界。
• end 表示生成日期的左边界。
• periods 表示要生成的周期数。
• freq 表示频率, default ‘D’ ，频率字符串可以有倍数，例如 ‘5H’。
• tz 表示时区用于返回本地化日期时间索引的时区名称，例如 “Asia/Hong_Kong”。默认情况下，生成的 DatetimeIndex 是时区初始索引。
• normalize: 默认 False, 在生成日期范围之前，将开始/结束日期标准化。
• name：默认 None 设置返回 DatetimeIndex name。

1. 指定值

• 默认是包含开始和结束时间，默认频率使用的 D（天）。
• 示例 1：我们生成从 20210101 到 20210108 之间以天为单位长度的时间戳。

pd.date_range(start='1/1/2021', end='1/08/2021')
#3DatetimeIndex(['2021-01-01', '2021-01-02', '2021-01-03', '2021-01-04',
#               '2021-01-05', '2021-01-06', '2021-01-07', '2021-01-08'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='D')

• 示例 2：我们生成 2010 年到 2011 年之间以天为单位长度的时间戳。

pd.date_range(start='2010', end='2011')
#DatetimeIndex(['2010-01-01', '2010-01-02', '2010-01-03', '2010-01-04',
#               '2010-01-05', '2010-01-06', '2010-01-07', '2010-01-08',
#               '2010-01-09', '2010-01-10',
#               ...
#               '2010-12-23', '2010-12-24', '2010-12-25', '2010-12-26',
#               '2010-12-27', '2010-12-28', '2010-12-29', '2010-12-30',
#               '2010-12-31', '2011-01-01'],
#              dtype='datetime64[ns]', length=366, freq='D')

2. 指定开始日期并设置期间数

• 我们也可以指定开始时间和中间经过几天。

pd.date_range(start='1/1/2018', periods=8)
#DatetimeIndex(['2018-01-01', '2018-01-02', '2018-01-03', '2018-01-04',
#               '2018-01-05', '2018-01-06', '2018-01-07', '2018-01-08'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='D')

• 我们也可以指定开始、结束和期间，频率就会自动生成（线性间隔）。
• 例如，我们将开始定为 20180424，结束定为 20180427，期间定为 3，那么他就会自动以一天半为间隔进行时间戳的生成。

pd.date_range(start='2018-04-24', end='2018-04-27', periods=3)
#DatetimeIndex(['2018-04-24 00:00:00', '2018-04-25 12:00:00',
#               '2018-04-27 00:00:00'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq=None)

• 如果我们不定义开始值，只定义结束值和期间，那么他会向前推导时间戳。

pd.date_range(end='2018-04-24', periods=4)
#DatetimeIndex(['2018-04-21', '2018-04-22', '2018-04-23', '2018-04-24'], #dtype='datetime64[ns]', freq='D')

3. 频率 freq

freq	描述
Y	年
M	月
D	日(默认)
T(MIN)	分钟
S	秒
L	毫秒
U	微妙
A-DEC	每年指定月份的最后一个日历日
W-MON	指定每月的哪个星期开始
WOM_2MON	指定每个月的第几个星期的星期几开始(这里是第二个星期的星期一)
Q-DEC(Q-月)	指定月为季度末，每个季度末最后一月的最后一个日历日
B,(M,Q,A),S	分别代表了工作日(以月为频率，以季度为频率，以年为频率)，最接近月
B	工作日

• 其中，月和星期的缩写基本是英语的前三个字母大写为准。
• 其中，Q-月只有三种情况：1-4-7-10，2-5-8-11，3-6-9-12。
• 例如，我们可以通过 W-MON，从指定星期一开始算起。

pd.date_range('2022/1/1','2022/2/1', freq = 'W-MON')
#DatetimeIndex(['2022-01-03', '2022-01-10', '2022-01-17', '2022-01-24',
#               '2022-01-31'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='W-MON')

• 例如，我们可以通过 WOM-2MON，从每月的第二个星期一开始。

pd.date_range('2022/1/1','2022/5/1', freq = 'WOM-2MON')
#DatetimeIndex(['2022-01-10', '2022-02-14', '2022-03-14', '2022-04-11'], #dtype='datetime64[ns]', freq='WOM-2MON')

• 我们可以只返回时间范围内的工作日。

pd.date_range('2022/1/1','2022/1/5', freq = 'B') 
#DatetimeIndex(['2022-01-03', '2022-01-04', '2022-01-05'], dtype='datetime64[ns]', freq='B')

• 我们可以以小时为单位长度返回时间戳。

pd.date_range('2022/1/1','2022/1/2', freq = 'H') 

• 我们可以以分钟为单位长度返回时间戳。

pd.date_range('2022/1/1 12:00','2022/1/1 12:10', freq = 'T')  

• 我们可以以秒、毫秒和微秒为单位长度返回时间戳。

pd.date_range('2022/1/1 12:00:00','2022/1/1 12:00:10', freq = 'S')  
pd.date_range('2022/1/1 12:00:00','2022/1/1 12:00:10', freq = 'L') 
pd.date_range('2022/1/1 12:00:00','2022/1/1 12:00:10', freq = 'U') 

• 我们可以通过 M 返回每月的最后一个日历日。

pd.date_range('2017','2018', freq = 'M')
#DatetimeIndex(['2017-01-31', '2017-02-28', '2017-03-31', '2017-04-30',
#               '2017-05-31', '2017-06-30', '2017-07-31', '2017-08-31',
#               '2017-09-30', '2017-10-31', '2017-11-30', '2017-12-31'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='M')

• 我们可以通过 Q-月，返回每个季度末最后一月的最后一个日历日。

print(pd.date_range('2017','2020', freq = 'Q-DEC')) 
#DatetimeIndex(['2017-03-31', '2017-06-30', '2017-09-30', '2017-12-31',
#               '2018-03-31', '2018-06-30', '2018-09-30', '2018-12-31',
#               '2019-03-31', '2019-06-30', '2019-09-30', '2019-12-31'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='Q-DEC')

• 我们可以通过 A-月，返回每年指定月份的最后一个日历日。

print(pd.date_range('2017','2020', freq = 'A-DEC')) 
#DatetimeIndex(['2017-12-31', '2018-12-31', '2019-12-31'], dtype='datetime64[ns]', freq='A-#DEC')

• 我们可以通过 BM 返回每的最后一个工作日，BQ-月返回每个季度末最后一月的最后一个工作日，BA-月返回每年指定月份的最后一个工作日。

pd.date_range('2017','2018', freq = 'BM')
pd.date_range('2017','2020', freq = 'BQ-DEC')
pd.date_range('2017','2020', freq = 'BA-DEC')

• 我们可以通过 pd.date_range() 指定时间频率（下面以 7 天，2 小时 30 分钟，2 月为例）。

print(pd.date_range('2017/1/1','2017/2/1', freq = '7D')) 
print(pd.date_range('2017/1/1','2017/1/2', freq = '2h30min')) 
print(pd.date_range('2017','2018', freq = '2M')) 

4. closed

• closed 是觉得我们是否包含 start 值和 end 值，默认情况下是两个值都包含。
• 如果 closed 设置为 left，则表示不包含 end 值。
• 如果 closed 设置为 right，则表示不包含 start 值。
• 我们先生成初始数据，便于后续的观察。

pd.date_range(start='1/1/2021', end='1/08/2021')
#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'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='D')

• 我们将 closed 设置为 left。

pd.date_range(start='1/1/2021', end='1/08/2021',closed='left')
#DatetimeIndex(['2021-01-01', '2021-01-02', '2021-01-03', '2021-01-04',
#               '2021-01-05', '2021-01-06', '2021-01-07'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='D')

• 我们将 closed 设置为 right。

pd.date_range(start='1/1/2021', end='1/08/2021',closed='right')
#DatetimeIndex(['2021-01-02', '2021-01-03', '2021-01-04', '2021-01-05',
#               '2021-01-06', '2021-01-07', '2021-01-08'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='D')

• 我们可以通过 bdate_range(start=None, end=None, periods=None, freq='B') 语法返回固定频率的 DatetimeIndex，默认频率为 B（工作日）。

pd.bdate_range(start='2022-01-01', end='2022-02-01')
#DatetimeIndex(['2022-01-03', '2022-01-04', '2022-01-05', '2022-01-06',
#               '2022-01-07', '2022-01-10', '2022-01-11', '2022-01-12',
#               '2022-01-13', '2022-01-14', '2022-01-17', '2022-01-18',
#               '2022-01-19', '2022-01-20', '2022-01-21', '2022-01-24',
#               '2022-01-25', '2022-01-26', '2022-01-27', '2022-01-28',
#               '2022-01-31', '2022-02-01'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='B')

二、Pandas 的时期函数 Period()

• 我们可以直接使用 period() 输出时期，他默认是 A-DEC（每年指定月份的最后一个日历日）。

p = pd.Period('2017')
p
Period('2017', 'A-DEC')

• 也可以对他的频率进行设置。

p = pd.Period('2017-1', freq = 'M')
print(p, type(p))
#2017-01 

• （1） 可以通过加减整数可以实现对 Period 的移动（默认是以月为单位进行加减）。

print(p + 1)
print(p - 2)
#2017-02
#2016-11

• （2） 如果两个 Period 对象拥有相同频率，则它们的差就是它们之间的单位数量。

p = pd.Period('2017-1', freq = 'M')
print(p, type(p))
pd.Period('2018', freq='M') - p
#2017-01 
#<12 * MonthEnds>

• （3） period_range 函数可用于创建规则的时期范围。

rng = pd.period_range('2021-1-1', '2021-6-1')
rng
#PeriodIndex(['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',
#             ...
#             '2021-05-23', '2021-05-24', '2021-05-25', '2021-05-26',
#             '2021-05-27', '2021-05-28', '2021-05-29', '2021-05-30',
#             '2021-05-31', '2021-06-01'],
#            dtype='period[D]', length=152, freq='D')

• （4） PeriodIndex 类的构造函数允许直接使用一组字符串表示一段时期。
• 这里需要注意的是，我们必须指定 freq。

values = ['200103', '200104', '200105']
index = pd.PeriodIndex(values, freq='M')
index
#PeriodIndex(['2001-03', '2001-04', '2001-05'], dtype='period[M]', freq='M')

• （5） 时期的频率转换 asfreq。
• freq 当中的 A-月表示每年指定月份的最后一个日历日。

p = pd.Period('2021', freq='A-DEC')
p
#Period('2021', 'A-DEC')

• 我们可以使用 asfreq 将时期的频率进行转换 M（月），通过设置 how 的参数为 start 或者 end 决定是起始还是结束。

p.asfreq('M')
#Period('2021-12', 'M')

• 我们将 how 设置为 start，也可写 how = ‘s’。

p.asfreq('M', how="start")
#Period('2021-01', 'M')

• 我们将 how 设置为 end，也可写 how = ‘e’。

p.asfreq('M', how="end") 
#Period('2021-12', 'M')

• 也可以将 asfreq 转换为 s（秒）。

p.asfreq('H',how="s")
#Period('2021-01-01 00:00', 'H')

• （6） 对于 PeriodIndex 或 TimeSeries 的频率转换方式相同。
• 示例 1：

rng = pd.period_range('2006', '2009', freq='A-DEC')
rng
#PeriodIndex(['2006', '2007', '2008', '2009'], dtype='period[A-DEC]', freq='A-DEC')

• 示例 2：

ts = pd.Series(np.random.rand(len(rng)), rng)
ts
#2006    0.253270
#2007    0.369844
#2008    0.432757
#2009    0.290279
#Freq: A-DEC, dtype: float64

• 示例 3：

ts.asfreq('M', how='s')
#2006-01    0.253270
#2007-01    0.369844
#2008-01    0.432757
#2009-01    0.290279
#Freq: M, dtype: float64

• 示例 5：对 asfreq 的 how 参数不设置就默认为 end。

ts.asfreq('M')
#2006-12    0.253270
#2007-12    0.369844
#2008-12    0.432757
#2009-12    0.290279
#Freq: M, dtype: float64

• 示例 6：

ts2 = pd.Series(np.random.rand(len(rng)), index = rng.asfreq('D', how = 'start'))
ts2
#2006-01-01    0.906302
#2007-01-01    0.592067
#2008-01-01    0.715987
#2009-01-01    0.382779
#Freq: D, dtype: float64

• （7） 时间戳与时期之间的转换：pd.to_period()、pd.to_timestamp()。
• 我们通过生成一个从 20170101 开始，以月为间隔生成 10 个数据和从 2017 到 2018 以月为间隔的两个初始数据，便于后续的操作观察。

rng = pd.date_range('2017/1/1', periods = 10, freq = 'M')
prng = pd.period_range('2017','2018', freq = 'M')
print(rng)
print(prng)
#DatetimeIndex(['2017-01-31', '2017-02-28', '2017-03-31', '2017-04-30',
#               '2017-05-31', '2017-06-30', '2017-07-31', '2017-08-31',
#               '2017-09-30', '2017-10-31'],
#              dtype='datetime64[ns]', freq='M')
#PeriodIndex(['2017-01', '2017-02', '2017-03', '2017-04', '2017-05', '2017-06',
#             '2017-07', '2017-08', '2017-09', '2017-10', '2017-11', '2017-12',
#             '2018-01'],
#            dtype='period[M]', freq='M')

• 通过随机函数生成与 rng 长度个数相同的数据，并将标签设置为 rng。

ts1 = pd.Series(np.random.rand(len(rng)), index = rng)
ts1
#2017-01-31    0.088059
#2017-02-28    0.894889
#2017-03-31    0.700513
#2017-04-30    0.485417
#2017-05-31    0.868871
#2017-06-30    0.723924
#2017-07-31    0.422115
#2017-08-31    0.225944
#2017-09-30    0.816514
#2017-10-31    0.269220
#Freq: M, dtype: float64

• 我们可以将每月最后一日，转化为每月。to_period()参数为空， 推断每日频率（head 表示读取前五个数据）。

ts1.to_period().head()
#2017-01    0.088059
#2017-02    0.894889
#2017-03    0.700513
#2017-04    0.485417
#2017-05    0.868871
#Freq: M, dtype: float64

• 以和 rng 相同的方式通过随机函数生成 prng，并通过 head 读取他的前五个数据。

ts2 = pd.Series(np.random.rand(len(prng)), index = prng)
print(ts2.head())​
#2017-01    0.766327
#2017-02    0.662090
#2017-03    0.653259
#2017-04    0.737125
#2017-05    0.530920
#Freq: M, dtype: float64

• 可以将其转换为时间戳。

print(ts2.to_timestamp().head())
#2017-01-01    0.766327
#2017-02-01    0.662090
#2017-03-01    0.653259
#2017-04-01    0.737125
#2017-05-01    0.530920
#Freq: MS, dtype: float64

三、时间序列 - 重采样 resample

• Pandas 中的 resample 函数，被叫做重新采样，是对原样本重新处理的一个方法，是一个对常规时间序列数据重新采样和频率转换的便捷的方法。
• 他的作用是重新取样时间序列数据。
• 对象必须具有类似 datetime 的索引（DatetimeIndex、PeriodIndex 或 TimedeltaIndex），或将类似 datetime 的值传递给 on 或 level 关键字。
• 其语法模板如下：

DataFrame.resample(rule, closed=None, label=None, level=None)

• 其部分参数含义如下：
• rule 表示目标转换的偏移量字符串或对象。
• closed 表示在降采样时，各时间段的哪一段是闭合的，‘right’ 或 ‘left’，默认‘right’。
• label 表示在降采样时，如何设置聚合值的标签，例如，9：30-9：35会被标记成9：30还是9：35,默认是 9：35。
• 我们可以生成从 20170101 开始的 12 个数，并以他为标签，通过函数生成对应的数据，

rng = pd.date_range('20170101', periods = 12)
ts = pd.Series(np.arange(12), index = rng)
print(ts)
#2017-01-01     0
#2017-01-02     1
#2017-01-03     2
#2017-01-04     3
#2017-01-05     4
#2017-01-06     5
#2017-01-07     6
#2017-01-08     7
#2017-01-09     8
#2017-01-10     9
#2017-01-11    10
#2017-01-12    11
Freq: D, dtype: int32

• 我们将序列下采样到 5 天的数据箱中（以 5 天为时间单位），并将放入数据箱的时间戳的值相加。

ts.resample('5D').sum()
#2017-01-01    10
#2017-01-06    35
#2017-01-11    21
#Freq: 5D, dtype: int32

• 我们就会得到一个新的聚合后的 Series，聚合方式为求和，当然，我们也可以生成其他的聚合方式。

print(ts.resample('5D').mean(),'→ 求平均值\n')
print(ts.resample('5D').max(),'→ 求最大值\n')
print(ts.resample('5D').min(),'→ 求最小值\n')
print(ts.resample('5D').median(),'→ 求中值\n')
print(ts.resample('5D').first(),'→ 返回第一个值\n')
print(ts.resample('5D').last(),'→ 返回最后一个值\n')
print(ts.resample('5D').ohlc(),'→ OHLC重采样\n')

• 知识点补充：
• OHLC 是金融领域的时间序列聚合方式，包括 open开盘、high 最大值、low 最小值、close 收盘。
• closed 表示各时间段哪一端是闭合（即包含）的，默认是右端闭合。
• 详解：这里 values 为 0-11，按照 5D 重采样，可以分为以下三类 [1,2,3,4,5]，[6,7,8,9,10]，[11,12]。
• left 表示指定间隔左边为结束，就是 [1,2,3,4,5]，[6,7,8,9,10]，[11,12]。
• right 表示指定间隔右边为结束，就是 [1]，[2,3,4,5,6]，[7,8,9,10,11]，[12]。
• 我们将系列降采样到 5 天的箱中，但关闭箱间隔的左侧。

print(ts.resample('5D', closed = 'left').sum(), '→ left\n')
#2006-01-01    0.25327
#2006-01-06        NaN
#2006-01-11        NaN
#2006-01-16        NaN
#2006-01-21        NaN
#               ...   
#2009-12-11        NaN
#2009-12-16        NaN
#2009-12-21        NaN
#2009-12-26        NaN
#2009-12-31        NaN
#Freq: 5D, Length: 293, dtype: float64 → left

• 我们将系列降采样到 5 天的箱中，但关闭箱间隔的右侧。

print(ts.resample('5D', closed = 'right').sum(), '→ right\n')
#2005-12-27        NaN
#2006-01-01    0.25327
#2006-01-06        NaN
#2006-01-11        NaN
#2006-01-16        NaN
#               ...   
#2009-12-06        NaN
#2009-12-11        NaN
#2009-12-16        NaN
#2009-12-21        NaN
#2009-12-26        NaN
#Freq: 5D, Length: 293, dtype: float64 → right