Звездные войны или подробный гайд по dplyr

Сегодня, 4 мая, в день Звездных войн мы подготовили для Вас подробный гайд по основным функциям библиотеки dplyr. Почему именно в день Звездных войн? А потому что разбирать мы все будем на примере датасета starwars.

Ну что, начнем!

Если Вы хотите получать еще больше интересных материалов по программированию, Data Science и математике, то подписывайтесь на нашу группу ВК, канал в Телеграме и Инстаграм. Каждый день мы публикуем полезный контент и вопросы с реальных собеседований.

Кстати говоря, а Вы знаете, почему день Звездных войн отмечается именно 4 мая? Все очень просто - знаменитая фраза «May the fource be with you» крайне созвучна с «May, the 4th», т.е. 4 мая :)

Знакомство с датасетом

Для начала, давайте подключим библиотеку dplyr. Делается это с помощью функции library. 

Вместе с этой библиотекой нам становится доступен и датасет starwars. Давайте выведем первые несколько строк на экран и посмотрим, какую информацию он в себе хранит.

1. name - имя или прозвище героя вселенной Звездных войн. Например, Оби-Ван Кеноби. 

2. height - высота персонажа

3. mass - масса персонажа

4. hair_color - цвет волос 

5. skin_color - цвет кожи

6. eye_color - цвет глаз 

7. birth_year - год рождения (до битвы на Явине)

8. sex - биологический пол (есть существа без пола и гермафродиты)

9. gender - поведенческий пол персонажа (например, на какой пол запрограммированы дроиды)

10. homeworld - из какой вселенной существо 

11. species - биологический вид 

12. films - список фильмов, в которых появилось существо 

13. vehicles - список транспорта, которым существо управляло

14. starships - список космических кораблей, которыми существо управляло

В принципе, все предельно понятно, поэтому можем переходить к знакомству с dplyr и обработке нашего датасета. Дадим полет нашей фантазии и немного покрутим-повертим наши данные :)

Знакомство с dplyr

dplyr - это один из основных пакетов семейства tidyverse. Его ближайший аналог в Python - библиотека Pandas. Библиотека dplyr служит для манипуляции с данными: фильтрация, сортировка, создание вычислимых столбцов и так далее. 

По своему функционалу библиотека dplyr очень похожа на стандартный синтаксис SQL. Немного ранее мы вместе с Алексеем Селезневым из Netpeak делали карточки: сравнение глаголов dplyr и операторов SQL. Вы можете посмотреть их здесь.

Перед тем, как переходить к рассмотрению глаголов библиотеки dplyr, нужно упомянуть, что все пакеты tidyverse основаны на концепции tidy data. Если коротко, то «аккуратные данные» - это способ организации датафреймов по трем основным постулатам: 

1. Каждая переменная находится в отдельном столбце

2. Каждое измерение находится в отдельной строке

3. Каждое значение находится в отдельной ячейке

Кстати говоря, наш датасет starwars не совсем соответствует этим правилам. Нам это не помешает, но сможете ли Вы найти, в чем именно несоответствие? ;)

Если Вы хотите поподробней познакомиться с tidy data, рекомендуем нашу статью.

Итак, вернемся к глаголам dplyr. Пакет dplyr позволяет делать несколько основных операций: 

• Отбор столбцов

• Фильтрация строк

• Сортировка строк

• Группировка

• Агрегирование

• Создание вычислимых столбцов

• Объединение таблиц

Давайте переходить к практике - хватит теории!

Отбор столбцов

Давайте начнем с самого простого - как выбрать только определенные столбцы из таблицы? Очень просто - с помощью функции select.

А что если нам проще указать, какие столбцы не надо отбирать? Например, в таблице 20 столбцов, а нам нужно исключить только первый столбец. Или столбец с определенными названиями. Не проблема - просто добавьте знак минус:

Но и это не все возможности функции select. Мы можем воспользоваться вспомогательными функциями, чтобы кастомизировать отбор столбцов. Вот список этих функций:

• contains: название столбца содержит 

• ends_with: название столбца заканчивается на

• matches: название столбца соответствует регулярному выражению

• num_range: поиск занумерованных столбцов, например, «V1, V2, V3...»

• one_of: название столбца соответствует одному из вариантов

• starts_with: название столбца начинается с

Давайте рассмотрим несколько примеров. Для начала отберем столбцы, название которых содержит букву «а».

Теперь отберем столбцы, название которых является одним из указанных.

И в заключение - поиск по регулярному выражению: отбираем столбцы, в названии которых буква «t» стоит на любом месте, но после нее обязательно идет хотя бы 1 символ.

Обратите внимание, все наши запросы возвращали таблицу tibble. А что, если мы хотим отобрать столбец и сразу начать работать с ним, как с вектором? Мало кто знает, но для этого в dplyr есть специальная функция pull. Она возвращает не таблицу, как остальные глаголы dplyr, а вектор.

В целом, это весь основной функционал для отбора столбцов. Едва ли Вы не сможете найти решение своей задачи с помощью этих функций, так что мы переходим дальше :)

Фильтрация строк

Фильтрация строк по значениям - это аналог привычного оператора WHERE в SQL. В синтаксисе dplyr же для этого используется глагол filter (как неожиданно, правда?).

Использовать filter очень просто - задаем некое логическое выражение и функция вернет только те строки, для которых это выражение True. Например:

Вы можете комбинировать несколько условий с помощью & и |:

Логические выражения Вы можете конструировать не только с помощью >/<, но и с помощью других логических операторов:

• >= 

• <=

• is.na

• !is.na

• %in%

• !

Например:

Помимо функции filter, отбирать строки можно и с помощью других глаголов. Например, функция distinct позволяет исключить дублирующиеся значения в определенном столбце.

Другая функция, sample_n, отбирает n случайных строк.

Функция slice же, например, позволяет отбирать строки по их индексу:

Функция sample_frac делает случайную подвыборку из таблицы. Нужно указать долю строк из общего числа, которые должны быть в итоговой таблице. Например, при параметре 0.5 вернется половина строк из таблицы, выбранные случайным образом. 

Итак, с фильтрацией строк мы тоже разобрались, переходим к следующему разделу.

Сортировка строк

За сортировку строк в SQL отвечает оператор ORDER BY. В dplyr для этого существует функция arrange.

Синтаксис максимально прост - достаточно указать столбец, по которому выполняется сортировка.

Чтобы отсортировать строки по убыванию, достаточно добавить функцию desc.

А если отсортировать нужно по нескольким столбцам? Легко, просто указываем их названия :)

Кстати говоря, с arrange Вы можете также использовать вспомогательные глаголы, которые мы обсуждали в блоке с select. Для этого нужно использовать функцию across. Например:

Про сортировку, пожалуй, сказать больше нечего - переходим к группировкам.

Группировка и агрегатные функции

Группировка - базовая операция, которая необходима для расчета различных характеристик - средних значений, медиан, сумм, количества строк в группе и так далее. В SQL для этого используется оператор GROUP BY и агрегатные функции sum, min, max и так далее. В dplyr же… все то же самое :) Ну, почти.

Давайте для начала сгруппируем наши строки по полю eye_color:

Мы получили сгруппированную таблицу из 15 групп, но внешне пока ничего не изменилось. В группировке как таковой смысла особо нет - нужно произвести какой-нибудь расчет. Для этого используется функция summarise и соответствующие агрегатные функции.

Давайте посчитаем для каждой группы среднюю массу, максимальную массу, минимальную массу, медианную массу, самую первую массу в группе и количество элементов в каждой группе.

Обратите внимание, здесь мы дополнительно воспользовались функцией drop_na из пакета tidyr, чтобы удалить строки, в которых есть пропуски. Сделали мы это, чтобы при расчете наших максимальных/минимальных/других агрегатных значений не вылезали значения NA. 

На выходе мы получили 4 группы (во всех остальных были пропуски, по всей видимости) и рассчитанные для них характеристики. Также каждому столбцу присвоено то имя, которое мы дали ему в функции summarise. 

Мы с Вами здесь использовали только несколько агрегатных функций, но вообще говоря, их больше: 

• n_distinct - считает количество уникальных элементов в группе

• last - возвращает последнее значение в группе

• nth - возвращает n-ое значение из группы

• quantile - возвращает заданную квантиль 

• IQR - межквартильный размах, inter-quartile range

• mad - медианное абсолютное отклонение, median absolute deviation

• sd - стандартное отклонение

• var - вариация

Хорошо, с базовой группировкой мы разобрались. А что если пойти дальше…

Продвинутая группировка

А как Вам такая задача - рассчитать все те же самые характеристики, что и в прошлый раз, но сразу для нескольких столбцов? Например, мы делали для mass, а теперь давайте сделаем для mass и height. 

Без проблем - достаточно применить уже известную функцию across.

Видно, что характеристики рассчитались по полю mass и height для каждой группы в отдельности. Если не устраивает название столбцов, которое система дала по умолчанию («столбец_характеристики»), то можно менять шаблон с помощью параметра .names.

Итак, на этом закончим раздел группировки и перейдем к вычислимым столбцам.

Вычислимые столбцы

Создание вычислимого столбца - стандартная задача. Например, есть столбец A, столбец B, а мы хотим вывести столбец A/B. Или другой вариант - мы хотим проранжировать строки нашей таблицы. Все это можно сделать с помощью функции mutate.

Для начала базовая вещь - создадим вычислимый столбец отношения веса к росту.

А если нам нужно применить одну и ту же функцию к нескольким столбцам? Без проблем - снова нас выручит across. Например, давайте умножим на 10 все столбцы с численным типом данных. При этом мы не будем создавать новые столбцы - мы модифицируем старые.

Видно, что в столбцах с весом, ростом и возрастом все значения умножились на 10.

Давайте и с текстом немного поработаем - ко всем строковым значениям добавим суффикс «_new». Для этого нам понадобится библиотека stringr все из того же семейства tidyverse.

Хорошо видно, что ко всем строковым значениям добавился суффикс _new. Таким же образом можно работать и с датой, со временем и с любым другим типом данных.

Помимо всего прочего, mutate позволяет реализовать аналог оконных функций в SQL. Например, давайте проранжируем строки без разрывов по полю mass с помощью функции dense_rank:

Видно, что в конец таблицы добавился новый столбец rnk с рангами для каждой строки.

Таких функций, на самом деле, масса. Вот некоторые из них: 

• lag

• lead

• cumsum

• dense_rank

• ntile

• row_number

• case_when

• coalesce

Это, пожалуй, самые популярные и все они на 100% перекликаются с SQL. Приведем несколько примеров.

Ну что, давайте переходить к последнему пункту - к объединению таблиц.

Объединение таблиц

Пожалуй, последняя необходимая для полноценной работы с датафреймами операция - объединение таблиц. Операция объединения в dplyr тесно связана с джоинами в SQL. Вот перечень основных функций:

• left_join

• right_join

• inner_join

• full_join

Аналогичные глаголы присутствуют и в стандартном SQL. Давайте создадим новую таблицу - возьмем датасет starwars и оставим только те строки, где вид существа - человек. А после попробуем различные виды джоинов.

Обратите внимание, мы воспользовались функцией rename и переименовали поле name. Сделали мы это намеренно, чтобы показать работу аргумента by (аналог ON в SQL) для связи столбцов при джоине.

Делаем inner_join, на выходе получаем только 35 строк, т.к. в таблице df строк именно 35. Аргумент by позволил нам указать, через какие столбцы таблицы связаны между собой.

Если сделать full_join аналогичным образом, то строк в итоговой таблице будет 87, т.к. в таблице starwars их 87.

Внимательный читатель может заметить, что при джоине одни и те же столбцы продублировались из двух таблиц. Т.е. столбец mass, например, в итоговой таблице фигурирует с суффиксом .x и .y. Как от этого избавиться?

1 вариант:

Если название столбцов позволяет, то Вы можете убрать аргумент by из джоина. Тогда соединяться таблицы будут по всем столбцам, у которых совпадает названием. В нашем случае этот вариант подходит - названия одинаковые и в результат добавится только один столбец - new_name.

2 вариант:

В реальной жизни, к сожалению, все не так сказочно, поэтому можно сделать небольшую предварительную обработку и джойнить не всю таблицу, а только нужные столбцы. Например, так:

Помимо различных джоинов, в dplyr есть еще другие функции для соединения таблиц:

• bind_rows - помещает одну таблицу «под» другой

• bind_cols - ставит одну таблицу «справа» от другой

• intersect - находит пересекающиеся строки

• setdiff - разность таблиц, т.е. строки из первой таблицы, которых нет во второй

• union - возвращает строки, которые есть в любой из таблиц (дубликаты исключаются)

• union_all - аналогично union, но оставляет дуликаты

Эпилог

Мы с Вами рассмотрели все основные операции библиотеки dplyr и почти все основные функции. Все остальное - практика, практика и еще раз практика. Если у Вас будут вопросы - рады будем помочь и ответить в комментариях :)

Если Вы хотите получать еще больше интересных материалов по программированию, Data Science и математике, то подписывайтесь на нашу группу ВК, канал в Телеграме и Инстаграм. Каждый день мы публикуем полезный контент и вопросы с реальных собеседований.

А, и совсем забыли. May the fource be with you!

P.S. Здесь Вы можете найти официальную шпаргалку по всем функциям dplyr. Все удобно и компактно собрано в одном месте :)