Python Pandas窗口函数

为了能更好地处理数值型数据，Pandas 提供了几种窗口函数，比如移动函数（rolling）、扩展函数（expanding）和指数加权函数（ewm）。

窗口函数应用场景非常多。举一个简单的例子：现在有 10 天的销售额，而您想每 3 天求一次销售总和，也就说第五天的销售额等于（第三天 + 第四天 + 第五天）的销售额之和，此时窗口函数就派上用场了。

窗口是一种形象化的叫法，这些函数在执行操作时，就如同窗口一样在数据区间上移动。

本节学习主要讲解如何在 DataFrame 和 Series 对象上应用窗口函数。

rolling()

rolling() 又称移动窗口函数，它可以与 mean、count、sum、median、std 等聚合函数一起使用。为了使用方便，Pandas 为移动函数定义了专门的方法聚合方法，比如 rolling_mean()、rolling_count()、rolling_sum() 等。其的语法格式如下：

常用参数说明如下：

下面看一组示例：

import pandas as pd
import numpy as np
#生成时间序列
df = pd.DataFrame(np.random.randn(8, 4),index = pd.date_range('12/1/2020', periods=8),columns = ['A', 'B', 'C', 'D'])
print(df)
#每3个数求求一次均值
print(df.rolling(window=3).mean())

输出结果：

window=3表示是每一列中依次紧邻的每 3 个数求一次均值。当不满足 3 个数时，所求值均为 NaN 值，因此前两列的值为 NaN，直到第三行值才满足要求 window =3。求均值的公式如下所示：

expanding()

expanding() 又叫扩展窗口函数，扩展是指由序列的第一个元素开始，逐个向后计算元素的聚合值。

下面示例，min_periods = n表示向后移动 n 个值计求一次平均值：

import pandas as pd
import numpy as np
df = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 4),
      index = pd.date_range('1/1/2018', periods=10),
      columns = ['A', 'B', 'C', 'D'])
print (df.expanding(min_periods=3).mean())

输出结果：

设置 min_periods=3，表示至少 3 个数求一次均值，计算方式为 (index0+index1+index2)/3，而 index3 的计算方式是 (index0+index1+index2+index3)/3，依次类推。

ewm()

ewm（全称 Exponentially Weighted Moving）表示指数加权移动。ewn() 函数先会对序列元素做指数加权运算，其次计算加权后的均值。该函数通过指定 com、span 或者 halflife 参数来实现指数加权移动。示例如下：

import pandas as pd
import numpy as np
df = pd.DataFrame(np.random.randn(10, 4),
   index = pd.date_range('12/1/2020', periods=10),
   columns = ['A', 'B', 'C', 'D'])
#设置com=0.5，先加权再求均值
print(df.ewm(com=0.5).mean())

输出结果：

在数据分析的过程中，使用窗口函数能够提升数据的准确性，并且使数据曲线的变化趋势更加平滑，从而让数据分析变得更加准确、可靠。