Python Pandas - 插值處理缺失值

插值是 Pandas 中一種強大的技術，用於處理資料集中的缺失值。此技術根據資料集的其他資料點估算缺失值。Pandas 為 DataFrame 和 Series 物件都提供了 **interpolate()** 方法，可以使用各種插值方法填充缺失值。

在本教程中，我們將學習 Pandas 中的 **interpolate()** 方法，使用不同的插值方法填充時間序列資料、數值資料等中的缺失值。

基本插值

DataFrame 和 Series 物件的 Pandas **interpolate()** 方法用於使用不同的插值策略填充缺失值。預設情況下，Pandas 自動使用線性插值作為預設方法。

示例

這是一個呼叫 **interpolate()** 方法填充缺失值的簡單示例。

import numpy as np
import pandas as pd

df = pd.DataFrame({"A": [1.1, np.nan, 3.5, np.nan, np.nan, np.nan, 6.2, 7.9],
"B": [0.25, np.nan, np.nan, 4.7, 10, 14.7, 1.3, 9.2],
})

print("Original DataFrame:")
print(df)

# Using the  interpolate() method
result = df.interpolate()
print("\nResultant DataFrame after applying the interpolation:")
print(result)

以下是上述程式碼的輸出 -

Original DataFrame:

A
B
0
1.1
0.25
1
NaN
NaN
2
3.5
NaN
3
NaN
4.70
4
NaN
10.00
5
NaN
14.70
6
6.2
1.30
7
7.9
9.20


Resultant DataFrame after applying the interpolation:

A
B
0
1.100
0.250000
1
2.300
1.733333
2
3.500
3.216667
3
4.175
4.700000
4
4.850
10.000000
5
5.525
14.700000
6
6.200
1.300000
7
7.900
9.200000

不同的插值方法

Pandas 支援多種插值方法，包括線性、多項式、pchip、akima、spline 等。這些方法為根據資料的性質填充缺失值提供了靈活性。

示例

以下示例演示了使用 **interpolate()** 方法和 **barycentric** 插值技術。

import numpy as np
import pandas as pd

df = pd.DataFrame({"A": [1.1, np.nan, 3.5, np.nan, np.nan, np.nan, 6.2, 7.9],
"B": [0.25, np.nan, np.nan, 4.7, 10, 14.7, 1.3, 9.2],
})

print("Original DataFrame:")
print(df)

# Applying the interpolate() with Barycentric method
result = df.interpolate(method='barycentric')

print("\nResultant DataFrame after applying the interpolation:")
print(result)

以下是上述程式碼的輸出 -

Original DataFrame:

i
A
B
0
1.1
0.25
1
NaN
NaN
2
3.5
NaN
3
NaN
4.70
4
NaN
10.00
5
NaN
14.70
6
6.2
1.30
7
7.9
9.20

Resultant DataFrame after applying the interpolation:

A
B
0
1.100000
0.250000
1
2.596429
57.242857
2
3.500000
24.940476
3
4.061429
4.700000
4
4.531429
10.000000
5
5.160714
14.700000
6
6.200000
1.300000
7
7.900000
9.200000

處理插值中的限制

預設情況下，Pandas 插值填充所有缺失值，但是您可以使用 **interpolate()** 方法的 **limit** 引數限制填充多少個連續的 NaN 值。

示例

以下示例演示了透過使用 **interpolate()** 方法的 **limit** 引數限制連續填充來填充 Pandas DataFrame 的缺失值。

import numpy as np
import pandas as pd

df = pd.DataFrame({"A": [1.1, np.nan, 3.5, np.nan, np.nan, np.nan, 6.2, 7.9],
"B": [0.25, np.nan, np.nan, 4.7, 10, 14.7, 1.3, 9.2],
})

print("Original DataFrame:")
print(df)

# Applying the interpolate() with limit
result = df.interpolate(method='spline', order=2, limit=1)

print("\nResultant DataFrame after applying the interpolation:")
print(result)

以下是上述程式碼的輸出 -

Original DataFrame:

i
A
B
0
1.1
0.25
1
NaN
NaN
2
3.5
NaN
3
NaN
4.70
4
NaN
10.00
5
NaN
14.70
6
6.2
1.30
7
7.9
9.20


Resultant DataFrame after applying the interpolation:

i
A
B
0
1.100000
0.250000
1
2.231383
-1.202052
2
3.500000
NaN
3
4.111529
4.700000
4
NaN
10.000000
5
NaN
14.700000
6
6.200000
1.300000
7
7.900000
9.200000

時間序列資料的插值

插值也可以應用於 Pandas 時間序列資料。在填充隨時間推移缺失資料點的間隙時，這很有用。

示例

示例語句 -

import numpy as np
import pandas as pd

indx = pd.date_range("2024-01-01", periods=10, freq="D")
data = np.random.default_rng(2).integers(0, 10, 10).astype(np.float64)
s = pd.Series(data, index=indx)
s.iloc[[1, 2, 5, 6, 9]] = np.nan

print("Original Series:")
print(s)

result = s.interpolate(method="time")

print("\nResultant Time Series after applying the interpolation:")
print(result)

以下是上述程式碼的輸出 -

Original Series:

Date
Value
2024-01-01
8.0
2024-01-02
NaN
2024-01-03
NaN
2024-01-04
2.0
2024-01-05
4.0
2024-01-06
NaN
2024-01-07
NaN
2024-01-08
0.0
2024-01-09
3.0
2024-01-10
NaN


Resultant Time Series after applying the interpolation:

Date
Value
2024-01-01
8.000000
2024-01-02
6.000000
2024-01-03
4.000000
2024-01-04
2.000000
2024-01-05
4.000000
2024-01-06
2.666667
2024-01-07
1.333333
2024-01-08
0.000000
2024-01-09
3.000000
2024-01-10
3.000000