Pandas lentos DataFrame MultiIndex reindex

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Eu tenho um DataFrame de pandas do formulário:

                       id                start_time  sequence_no    value
0                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114428        3
1                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114429        3
2                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114431       79
3                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216009      100
4                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216011      150
5                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216013      180
6                      92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114430       19
7                      92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114433       79
8                      92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114434      100

O que estou tentando fazer é preencher o sequence_no per id / start_timecombo ausente . Por exemplo, o id/ start_timeemparelhamento de 71e 2018-10-17 20:12:43+00:00, está faltando sequence_no 114430. Para cada sequência faltando adicionada_no, eu também preciso média / interpolar o valuevalor da coluna ausente . Portanto, o processamento final dos dados acima acabaria parecido com:

                       id                start_time  sequence_no    value
0                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114428        3
1                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114429        3
2                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114430       41  **
3                      71 2018-10-17 20:12:43+00:00       114431       79
4                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216009      100  
5                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216010      125  **
6                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216011      150
7                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216012      165  **
8                      71 2019-11-06 00:51:14+00:00       216013      180
9                      92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114430       19
10                     92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114431       39  **
11                     92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114432       59  **
12                     92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114433       79
13                     92 2019-12-01 00:51:14+00:00       114434      100

( **adicionado à direita das linhas recém-inseridas para facilitar a legibilidade)

Minha solução original para fazer isso dependia muito dos loops Python sobre uma grande tabela de dados, por isso parecia o local ideal para brilhar entorpecido e pandas. Apoiando-me em respostas SO, como o Pandas: crie linhas para preencher lacunas numéricas , eu vim com:

import pandas as pd
import numpy as np

# Generate dummy data
df = pd.DataFrame([
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114428, 3),
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114429, 3),
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114431, 79),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216009, 100),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216011, 150),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216013, 180),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114430, 19),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114433, 79),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114434, 100),   
], columns=['id', 'start_time', 'sequence_no', 'value'])

# create a new DataFrame with the min/max `sequence_no` values for each `id`/`start_time` pairing
by_start = df.groupby(['start_time', 'id'])
ranges = by_start.agg(
    sequence_min=('sequence_no', np.min), sequence_max=('sequence_no', np.max)
)
reset = ranges.reset_index()

mins = reset['sequence_min']
maxes = reset['sequence_max']

# Use those min/max values to generate a sequence with ALL values in that range
expanded = pd.DataFrame(dict(
    start_time=reset['start_time'].repeat(maxes - mins + 1),
    id=reset['id'].repeat(maxes - mins + 1),
    sequence_no=np.concatenate([np.arange(mins, maxes + 1) for mins, maxes in zip(mins, maxes)])
))

# Use the above generated DataFrame as an index to generate the missing rows, then interpolate
expanded_index = pd.MultiIndex.from_frame(expanded)
df.set_index(
    ['start_time', 'id', 'sequence_no']
).reindex(expanded_index).interpolate()

A saída está correta, mas é executada quase exatamente na mesma velocidade da minha solução de lotes de python-loops. Tenho certeza de que há lugares em que eu poderia dar alguns passos, mas a parte mais lenta dos meus testes parece ser a reindex. Dado que os dados do mundo real consistem em quase um milhão de linhas (operadas com freqüência), existem maneiras óbvias de obter alguma vantagem de desempenho em relação ao que eu já escrevi? Alguma maneira de acelerar essa transformação?

Atualização 12/09/2019

A combinação da solução de mesclagem desta resposta com a construção original do quadro de dados expandido produz os resultados mais rápidos até agora, quando testados em um conjunto de dados suficientemente grande:

import pandas as pd
import numpy as np

# Generate dummy data
df = pd.DataFrame([
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114428, 3),
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114429, 3),
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114431, 79),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216009, 100),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216011, 150),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216013, 180),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114430, 19),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114433, 79),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114434, 100),   
], columns=['id', 'start_time', 'sequence_no', 'value'])

# create a ranges df with groupby and agg
ranges = df.groupby(['start_time', 'id'])['sequence_no'].agg([
    ('sequence_min', np.min), ('sequence_max', np.max)
])
reset = ranges.reset_index()

mins = reset['sequence_min']
maxes = reset['sequence_max']

# Use those min/max values to generate a sequence with ALL values in that range
expanded = pd.DataFrame(dict(
    start_time=reset['start_time'].repeat(maxes - mins + 1),
    id=reset['id'].repeat(maxes - mins + 1),
    sequence_no=np.concatenate([np.arange(mins, maxes + 1) for mins, maxes in zip(mins, maxes)])
))

# merge expanded and df
merge = expanded.merge(df, on=['start_time', 'id', 'sequence_no'], how='left')
# interpolate and assign values 
merge['value'] = merge['value'].interpolate()
python  pandas  numpy  dataframe 
— MBrizzle
fonte

Respostas:

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usar em mergevez de reindexpode acelerar as coisas. Além disso, o uso do mapa em vez da compreensão da lista também pode.

# Generate dummy data
df = pd.DataFrame([
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114428, 3),
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114429, 3),
    (71, '2018-10-17 20:12:43+00:00', 114431, 79),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216009, 100),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216011, 150),
    (71, '2019-11-06 00:51:14+00:00', 216013, 180),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114430, 19),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114433, 79),
    (92, '2019-12-01 00:51:14+00:00', 114434, 100),   
], columns=['id', 'start_time', 'sequence_no', 'value'])

# create a ranges df with groupby and agg
ranges = df.groupby(['start_time', 'id'])['sequence_no'].agg([('sequence_min', np.min), ('sequence_max', np.max)])
# map with range to create the sequence number rnage
ranges['sequence_no'] = list(map(lambda x,y: range(x,y), ranges.pop('sequence_min'), ranges.pop('sequence_max')+1))
# explode you DataFrame
new_df = ranges.explode('sequence_no')
# merge new_df and df
merge = new_df.reset_index().merge(df, on=['start_time', 'id', 'sequence_no'], how='left')
# interpolate and assign values 
merge['value'] = merge['value'].interpolate()

                   start_time  id sequence_no  value
0   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114428    3.0
1   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114429    3.0
2   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114430   41.0
3   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114431   79.0
4   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216009  100.0
5   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216010  125.0
6   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216011  150.0
7   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216012  165.0
8   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216013  180.0
9   2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114430   19.0
10  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114431   39.0
11  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114432   59.0
12  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114433   79.0
13  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114434  100.0
— Yo_Chris
fonte
Este foi um caso interessante de "um passo à frente, um passo atrás". Você estava certo que o mergeé significativamente mais rápido que o reindex, mas acontece que explodeé muito lento em conjuntos de dados maiores. Ao combinar a sua fusão com a construção original do conjunto de dados expandido, temos a mais rápida implementação até agora (veja a atualização 2019/09/12 para a pergunta)
— MBrizzle
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@MBrizzle Além disso, devo observar que adicionar o parâmetro copy=Falseà mesclagem deve acelerar um pouco as coisas, assim como você evitará qualquer cópia desnecessária dos dados. merge = expanded.merge(df, on=['start_time', 'id', 'sequence_no'], how='left', copy=False)
— Yo_Chris 12/12/19
3

Uma versão mais curta da mergesolução:

df.groupby(['start_time', 'id'])['sequence_no']\
.apply(lambda x: np.arange(x.min(), x.max() + 1))\
.explode().reset_index()\
.merge(df, on=['start_time', 'id', 'sequence_no'], how='left')\
.interpolate()

Resultado:

                   start_time  id sequence_no  value
0   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114428    3.0
1   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114429    3.0
2   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114430   41.0
3   2018-10-17 20:12:43+00:00  71      114431   79.0
4   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216009  100.0
5   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216010  125.0
6   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216011  150.0
7   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216012  165.0
8   2019-11-06 00:51:14+00:00  71      216013  180.0
9   2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114430   19.0
10  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114431   39.0
11  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114432   59.0
12  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114433   79.0
13  2019-12-01 00:51:14+00:00  92      114434  100.0
— Mykola Zotko
fonte
1

Outra solução com reindexsem usar explode:

result = (df.groupby(["id","start_time"])
          .apply(lambda d: d.set_index("sequence_no")
          .reindex(range(min(d["sequence_no"]),max(d["sequence_no"])+1)))
          .drop(["id","start_time"],axis=1).reset_index()
          .interpolate())

print (result)

#
    id                 start_time  sequence_no  value
0   71  2018-10-17 20:12:43+00:00       114428    3.0
1   71  2018-10-17 20:12:43+00:00       114429    3.0
2   71  2018-10-17 20:12:43+00:00       114430   41.0
3   71  2018-10-17 20:12:43+00:00       114431   79.0
4   71  2019-11-06 00:51:14+00:00       216009  100.0
5   71  2019-11-06 00:51:14+00:00       216010  125.0
6   71  2019-11-06 00:51:14+00:00       216011  150.0
7   71  2019-11-06 00:51:14+00:00       216012  165.0
8   71  2019-11-06 00:51:14+00:00       216013  180.0
9   92  2019-12-01 00:51:14+00:00       114430   19.0
10  92  2019-12-01 00:51:14+00:00       114431   39.0
11  92  2019-12-01 00:51:14+00:00       114432   59.0
12  92  2019-12-01 00:51:14+00:00       114433   79.0
13  92  2019-12-01 00:51:14+00:00       114434  100.0
— Henry Yik
fonte
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