利用 pandas.assign 和矢量化操作高效处理含移位列的行级最大值计算

本文探讨了在pandas dataframe中高效计算包含移位（shift）列的行最大值的方法。针对传统 `apply` 函数在处理移位数据时的局限性和性能瓶颈，文章详细介绍了如何利用 `df.assign()` 结合矢量化 `.max(axis=1)` 操作，在不创建永久性临时列的情况下，优雅且高性能地实现这一目标，并提供了单列和多列移位的代码示例及最佳实践。

在数据分析中，我们经常需要在Pandas DataFrame中进行行级别的计算，例如找出某几列中的最大值。当这些列中包含需要经过 shift 操作（如获取前一行或后一行的数据）的列时，问题会变得复杂。本教程将深入探讨如何高效且正确地处理这类需求。

初始数据准备

首先，我们定义一个示例DataFrame，以便进行后续操作：

import pandas as pd
import numpy as np

df = pd.DataFrame({'A': [2.001, 4.001, 8.001, 0.001],
                   'B': [2.001, 0.001, 0.001, 0.001],
                   'C': [11.001, 12.001, 11.001, 8.001],
                   'D': [12.001, 23.001, 12.001, 8.021],
                   'E': [11.001, 24.001, 18.001, 8.0031]})
print("原始DataFrame:")
print(df)

apply 方法的局限性与常见误区

一种直观的尝试是使用 df.apply(axis=1) 结合 shift 操作来计算行最大值。例如，我们可能想计算列 A, B, E 以及 E 列向下移位一位（E.shift(-1)）后的最大值。

误区一：在 apply 内部直接对 Series 元素调用 shift

尝试如下代码会引发错误：

# 错误示例：尝试在 apply 内部对标量调用 shift
try:
    df.apply(lambda x: max(x['A'], x['B'], x['E'], x['E'].shift(-1)), axis=1)
except AttributeError as e:
    print(f"\n发生错误：{e}")
    print("原因：在 `apply(axis=1)` 中，`x` 代表一行数据（Series），`x['E']` 是一个标量（如 `numpy.float64`），标量对象没有 `shift` 方法。")

错误原因：当 apply(axis=1) 遍历DataFrame的每一行时，传递给 lambda 函数的 x 是一个Pandas Series，代表当前行。因此，x['E'] 取出的是当前行 E 列的单个数值，它是一个标量（如 float64），而不是一个Pandas Series对象。标量对象没有 shift 方法，所以会导致 AttributeError。

误区二：创建永久性临时列并使用 apply

为了解决上述问题，一种常见做法是先创建一个临时的移位列，然后再进行计算。

# 方法一：创建永久性临时列（不推荐）
df_temp = df.copy()
df_temp["e_shifted"] = df_temp["E"].shift(-1)
result_apply_temp_col = df_temp.apply(lambda x: max(x['A'], x['B'], x['E'], x['e_shifted']), axis=1)
print("\n使用临时列和 apply 的结果:")
print(result_apply_temp_col)
print("\n原始DataFrame是否被修改？")
print("df_temp 中增加了 'e_shifted' 列:", 'e_shifted' in df_temp.columns)
print("df 中未增加 'e_shifted' 列:", 'e_shifted' not in df.columns)

虽然这种方法能够得到正确结果，但存在两个主要缺点：

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1. 性能低下：apply(axis=1) 本质上是迭代Python循环，对于大型DataFrame来说效率非常低。
2. 污染DataFrame：它会在DataFrame中创建一个新的永久性列 (e_shifted)，这可能不是我们期望的，尤其是在只需要一次性计算的场景下。

高效解决方案：结合 assign 与矢量化 max

Pandas提供了更高效、更优雅的方式来处理这类问题，即结合使用 df.assign() 和矢量化的 .max(axis=1) 方法。

df.assign() 方法允许我们在链式操作中创建新的列，这些新列仅在当前操作链中存在，不会修改原始DataFrame。它返回一个新的DataFrame，其中包含新创建的列。结合矢量化的 .max(axis=1) 操作，可以显著提升性能。

1. 处理单个移位列

# 解决方案：使用 assign 创建临时移位列并结合矢量化 max
out_single_shift = df.assign(E_shift=df['E'].shift(-1))[
    ['A', 'B', 'E', 'E_shift']
].max(axis=1)

print("\n使用 assign 和矢量化 max 处理单个移位列的结果:")
print(out_single_shift)
print("\n原始DataFrame是否被修改？")
print("df 中未增加 'E_shift' 列:", 'E_shift' not in df.columns)

解释：

• df.assign(E_shift=df['E'].shift(-1))：这会在 df 的副本上创建一个名为 E_shift 的新列，其值为 E 列向下移位一位后的结果。这个操作返回一个新的DataFrame，原始 df 不受影响。
• [['A', 'B', 'E', 'E_shift']]：从包含新列的DataFrame中选择我们感兴趣的列。
• .max(axis=1)：对选定的列进行行级别的最大值计算。这是一个高度优化的矢量化操作，性能远超 apply(axis=1)。

2. 处理多个移位列

assign 方法可以同时创建多个临时列，只需传入多个关键字参数即可。

# 扩展应用：处理多个移位列
out_multiple_shifts = df.assign(
    E_shift=df['E'].shift(-1),
    A_shift=df['A'].shift(-1)
)[
    ['A', 'B', 'E', 'E_shift', 'A_shift']
].max(axis=1)

print("\n使用 assign 和矢量化 max 处理多个移位列的结果:")
print(out_multiple_shifts)
print("\n原始DataFrame是否被修改？")
print("df 中未增加任何临时列:", 'E_shift' not in df.columns and 'A_shift' not in df.columns)

注意事项：

• 在 assign 中创建的列名（如 E_shift）必须与后续选择列时使用的名称完全一致，包括大小写。
• shift 操作会在数据边界引入 NaN 值（例如 shift(-1) 会在最后一行引入 NaN）。Pandas的 max 函数默认会忽略 NaN 值，这通常是我们期望的行为。如果需要将 NaN 视为某个特定值（如0），则需要在使用 max 之前进行 fillna() 处理。

性能考量与最佳实践

• 避免 apply(axis=1)：尽管 apply(axis=1) 功能强大，但它通常是Pandas中最慢的操作之一。在可能的情况下，应优先考虑使用矢量化操作（如 max(), sum(), mean() 等）或 groupby() 等内置函数。
• 利用 assign 保持代码整洁：assign 允许你在不修改原始DataFrame的情况下，在操作链中创建和使用临时列。这使得代码更具可读性，并且避免了不必要的副作用。
• 链式操作：将 assign、列选择和聚合操作链式连接起来，可以写出更简洁、更高效的代码。

总结

在Pandas中计算包含移位列的行最大值时，最推荐的方法是结合使用 df.assign() 和矢量化 .max(axis=1)。这种方法不仅能够避免 apply(axis=1) 带来的性能瓶颈，还能在不修改原始DataFrame的情况下，优雅地处理临时移位列。通过掌握这种模式，您可以编写出更高效、更健壮的Pandas数据处理代码。

以上就是利用 pandas.assign 和矢量化操作高效处理含移位列的行级最大值计算的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！