Data-Science-For-Beginners/translations/sw/2-Working-With-Data/07-python

Kufanya Kazi na Data: Python na Maktaba ya Pandas

Kufanya Kazi na Python - Sketchnote na @nitya

Ingawa hifadhidata zinatoa njia bora za kuhifadhi data na kuziuliza kwa kutumia lugha za maswali, njia inayobadilika zaidi ya kuchakata data ni kuandika programu yako mwenyewe ili kuibadilisha. Katika hali nyingi, kufanya maswali ya hifadhidata kungekuwa njia bora zaidi. Hata hivyo, katika baadhi ya hali ambapo uchakataji wa data changamani unahitajika, haiwezi kufanyika kwa urahisi kwa kutumia SQL. Uchakataji wa data unaweza kupangwa kwa lugha yoyote ya programu, lakini kuna lugha fulani ambazo ni za kiwango cha juu zaidi linapokuja suala la kufanya kazi na data. Wanasayansi wa data mara nyingi hupendelea mojawapo ya lugha zifuatazo:

• Python, lugha ya programu ya matumizi ya jumla, ambayo mara nyingi huchukuliwa kuwa mojawapo ya chaguo bora kwa wanaoanza kutokana na urahisi wake. Python ina maktaba nyingi za ziada ambazo zinaweza kukusaidia kutatua matatizo mengi ya vitendo, kama vile kutoa data yako kutoka kwenye jalada la ZIP, au kubadilisha picha kuwa rangi ya kijivu. Mbali na sayansi ya data, Python pia hutumika mara nyingi kwa maendeleo ya wavuti.
• R ni zana ya kitamaduni iliyotengenezwa kwa lengo la uchakataji wa data za takwimu. Pia ina hifadhi kubwa ya maktaba (CRAN), na kuifanya kuwa chaguo nzuri kwa uchakataji wa data. Hata hivyo, R si lugha ya matumizi ya jumla, na mara chache hutumika nje ya uwanja wa sayansi ya data.
• Julia ni lugha nyingine iliyotengenezwa mahsusi kwa sayansi ya data. Imeundwa kutoa utendaji bora zaidi kuliko Python, na kuifanya kuwa zana nzuri kwa majaribio ya kisayansi.

Katika somo hili, tutazingatia kutumia Python kwa uchakataji rahisi wa data. Tutadhania kuwa una ufahamu wa msingi wa lugha hii. Ikiwa unataka ziara ya kina ya Python, unaweza kurejelea mojawapo ya rasilimali zifuatazo:

• Jifunze Python kwa Njia ya Kufurahisha na Michoro ya Turtle na Fractals - Kozi ya utangulizi ya haraka ya Python inayotegemea GitHub
• Chukua Hatua Zako za Kwanza na Python Njia ya Kujifunza kwenye Microsoft Learn

Data inaweza kuja katika aina nyingi. Katika somo hili, tutazingatia aina tatu za data - data ya tabular, maandishi, na picha.

Tutazingatia mifano michache ya uchakataji wa data, badala ya kukupa muhtasari kamili wa maktaba zote zinazohusiana. Hii itakuruhusu kupata wazo kuu la kile kinachowezekana, na kukupa uelewa wa wapi pa kupata suluhisho kwa matatizo yako unapoyahitaji.

Ushauri muhimu zaidi. Unapohitaji kufanya operesheni fulani kwenye data ambayo hujui jinsi ya kufanya, jaribu kuitafuta kwenye mtandao. Stackoverflow mara nyingi ina sampuli nyingi za msimbo wa Python kwa kazi nyingi za kawaida.

Jaribio la Kabla ya Somo

Data ya Tabular na Dataframes

Tayari umekutana na data ya tabular tulipokuwa tukizungumza kuhusu hifadhidata za uhusiano. Unapokuwa na data nyingi, na imehifadhiwa katika meza nyingi zilizounganishwa, ina maana kutumia SQL kufanya kazi nayo. Hata hivyo, kuna hali nyingi ambapo tuna meza ya data, na tunahitaji kupata ufahamu au mawazo kuhusu data hii, kama vile usambazaji, uhusiano kati ya thamani, n.k. Katika sayansi ya data, kuna hali nyingi ambapo tunahitaji kufanya mabadiliko fulani ya data ya awali, ikifuatiwa na uwasilishaji wa picha. Hatua zote hizi zinaweza kufanywa kwa urahisi kwa kutumia Python.

Kuna maktaba mbili muhimu zaidi katika Python ambazo zinaweza kukusaidia kushughulikia data ya tabular:

• Pandas inakuwezesha kubadilisha kinachoitwa Dataframes, ambacho ni sawa na meza za uhusiano. Unaweza kuwa na safu zilizotajwa, na kufanya operesheni tofauti kwenye safu, safu wima, na dataframes kwa ujumla.
• Numpy ni maktaba ya kufanya kazi na tensors, yaani arrays za vipimo vingi. Array ina thamani za aina moja ya msingi, na ni rahisi kuliko dataframe, lakini inatoa operesheni zaidi za hisabati, na inaunda mzigo mdogo.

Pia kuna maktaba nyingine chache unazopaswa kujua:

• Matplotlib ni maktaba inayotumika kwa uwasilishaji wa data na kuchora grafu
• SciPy ni maktaba yenye baadhi ya kazi za kisayansi za ziada. Tayari tumekutana na maktaba hii tulipokuwa tukizungumza kuhusu uwezekano na takwimu

Hapa kuna kipande cha msimbo ambacho ungeweza kutumia kuingiza maktaba hizi mwanzoni mwa programu yako ya Python:

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import ... # you need to specify exact sub-packages that you need

Pandas inajikita kwenye dhana chache za msingi.

Series

Series ni mlolongo wa thamani, sawa na orodha au numpy array. Tofauti kuu ni kwamba series pia ina index, na tunapofanya operesheni kwenye series (mfano, kuziongeza), index inazingatiwa. Index inaweza kuwa rahisi kama namba ya safu ya integer (ni index inayotumika kwa chaguo-msingi wakati wa kuunda series kutoka orodha au array), au inaweza kuwa na muundo changamani, kama vile muda wa tarehe.

Kumbuka: Kuna msimbo wa utangulizi wa Pandas katika daftari linaloambatana notebook.ipynb. Tunatoa muhtasari wa baadhi ya mifano hapa, na unakaribishwa kuangalia daftari kamili.

Fikiria mfano: tunataka kuchambua mauzo ya duka letu la ice-cream. Hebu tuunde series ya namba za mauzo (idadi ya bidhaa zilizouzwa kila siku) kwa kipindi fulani cha muda:

start_date = "Jan 1, 2020"
end_date = "Mar 31, 2020"
idx = pd.date_range(start_date,end_date)
print(f"Length of index is {len(idx)}")
items_sold = pd.Series(np.random.randint(25,50,size=len(idx)),index=idx)
items_sold.plot()

Sasa fikiria kwamba kila wiki tunaandaa sherehe kwa marafiki, na tunachukua pakiti 10 za ziada za ice-cream kwa ajili ya sherehe. Tunaweza kuunda series nyingine, iliyoorodheshwa kwa wiki, kuonyesha hilo:

additional_items = pd.Series(10,index=pd.date_range(start_date,end_date,freq="W"))

Tunapoongeza series mbili pamoja, tunapata jumla ya idadi:

total_items = items_sold.add(additional_items,fill_value=0)
total_items.plot()

Kumbuka kwamba hatutumii sintaksia rahisi total_items+additional_items. Ikiwa tungefanya hivyo, tungepata thamani nyingi za NaN (Not a Number) katika series inayotokana. Hii ni kwa sababu kuna thamani zinazokosekana kwa baadhi ya pointi za index katika series ya additional_items, na kuongeza NaN kwa chochote husababisha NaN. Kwa hivyo tunahitaji kubainisha parameter ya fill_value wakati wa kuongeza.

Kwa mfululizo wa muda, tunaweza pia kurekebisha upya series kwa vipindi tofauti vya muda. Kwa mfano, fikiria tunataka kuhesabu wastani wa mauzo ya kila mwezi. Tunaweza kutumia msimbo huu:

monthly = total_items.resample("1M").mean()
ax = monthly.plot(kind='bar')

DataFrame

DataFrame kimsingi ni mkusanyiko wa series zilizo na index sawa. Tunaweza kuchanganya series kadhaa pamoja kuwa DataFrame:

a = pd.Series(range(1,10))
b = pd.Series(["I","like","to","play","games","and","will","not","change"],index=range(0,9))
df = pd.DataFrame([a,b])

Hii itaunda meza ya mlalo kama hii:

	0	1	2	3	4	5	6	7	8
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	I	like	to	use	Python	and	Pandas	very	much

Tunaweza pia kutumia Series kama safu wima, na kubainisha majina ya safu wima kwa kutumia kamusi:

df = pd.DataFrame({ 'A' : a, 'B' : b })

Hii itatupa meza kama hii:

	A	B
0	1	I
1	2	like
2	3	to
3	4	use
4	5	Python
5	6	and
6	7	Pandas
7	8	very
8	9	much

Kumbuka kwamba tunaweza pia kupata mpangilio huu wa meza kwa kubadilisha meza ya awali, mfano kwa kuandika

df = pd.DataFrame([a,b]).T..rename(columns={ 0 : 'A', 1 : 'B' })

Hapa .T inamaanisha operesheni ya kubadilisha DataFrame, yaani kubadilisha safu na safu wima, na operesheni ya rename inatuwezesha kubadilisha majina ya safu wima ili yaendane na mfano wa awali.

Hapa kuna operesheni chache muhimu zaidi tunazoweza kufanya kwenye DataFrames:

Uchaguzi wa safu wima. Tunaweza kuchagua safu wima moja kwa kuandika df['A'] - operesheni hii inarudisha Series. Tunaweza pia kuchagua subset ya safu wima kuwa DataFrame nyingine kwa kuandika df[['B','A']] - hii inarudisha DataFrame nyingine.

Kuchuja safu fulani kwa vigezo. Kwa mfano, kuacha tu safu zilizo na safu wima A kubwa kuliko 5, tunaweza kuandika df[df['A']>5].

Kumbuka: Njia ambayo kuchuja hufanya kazi ni kama ifuatavyo. Usemi df['A']<5 unarudisha series ya boolean, ambayo inaonyesha ikiwa usemi ni True au False kwa kila kipengele cha series ya awali df['A']. Wakati series ya boolean inatumika kama index, inarudisha subset ya safu katika DataFrame. Kwa hivyo haiwezekani kutumia usemi wa boolean wa Python kiholela, kwa mfano, kuandika df[df['A']>5 and df['A']<7] itakuwa si sahihi. Badala yake, unapaswa kutumia operesheni maalum ya & kwenye series ya boolean, kwa kuandika df[(df['A']>5) & (df['A']<7)] (mabano ni muhimu hapa).

Kuunda safu wima mpya zinazoweza kuhesabiwa. Tunaweza kuunda kwa urahisi safu wima mpya zinazoweza kuhesabiwa kwa DataFrame yetu kwa kutumia usemi wa angavu kama huu:

df['DivA'] = df['A']-df['A'].mean() 

Mfano huu unahesabu tofauti ya A kutoka thamani yake ya wastani. Kinachotokea hapa ni kwamba tunahesabu series, kisha tunaiweka kwenye upande wa kushoto, na kuunda safu wima nyingine. Kwa hivyo, hatuwezi kutumia operesheni zozote ambazo hazipatani na series, kwa mfano, msimbo hapa chini ni si sahihi:

# Wrong code -> df['ADescr'] = "Low" if df['A'] < 5 else "Hi"
df['LenB'] = len(df['B']) # <- Wrong result

Mfano wa mwisho, ingawa ni sahihi kisintaksia, unatupa matokeo yasiyo sahihi, kwa sababu inaweka urefu wa series B kwa thamani zote katika safu wima, na si urefu wa vipengele vya mtu binafsi kama tulivyokusudia.

Ikiwa tunahitaji kuhesabu usemi changamani kama huu, tunaweza kutumia kazi ya apply. Mfano wa mwisho unaweza kuandikwa kama ifuatavyo:

df['LenB'] = df['B'].apply(lambda x : len(x))
# or 
df['LenB'] = df['B'].apply(len)

Baada ya operesheni zilizo hapo juu, tutakuwa na DataFrame ifuatayo:

	A	B	DivA	LenB
0	1	I	-4.0	1
1	2	like	-3.0	4
2	3	to	-2.0	2
3	4	use	-1.0	3
4	5	Python	0.0	6
5	6	and	1.0	3
6	7	Pandas	2.0	6
7	8	very	3.0	4
8	9	much	4.0	4

Kuchagua safu kulingana na namba kunaweza kufanywa kwa kutumia muundo wa iloc. Kwa mfano, kuchagua safu 5 za kwanza kutoka DataFrame:

df.iloc[:5]

Kugawanya mara nyingi hutumika kupata matokeo yanayofanana na pivot tables katika Excel. Fikiria kwamba tunataka kuhesabu thamani ya wastani ya safu wima A kwa kila namba fulani ya LenB. Kisha tunaweza kugawanya DataFrame yetu kwa LenB, na kuita mean:

df.groupby(by='LenB')[['A','DivA']].mean()

Ikiwa tunahitaji kuhesabu wastani na idadi ya vipengele katika kikundi, basi tunaweza kutumia kazi changamani ya aggregate:

df.groupby(by='LenB') \
 .aggregate({ 'DivA' : len, 'A' : lambda x: x.mean() }) \
 .rename(columns={ 'DivA' : 'Count', 'A' : 'Mean'})

Hii inatupa meza ifuatayo:

LenB	Count	Mean
1	1	1.000000
2	1	3.000000
3	2	5.000000
4	3	6.333333
6	2	6.000000

Kupata Data

Tumeona jinsi ilivyo rahisi kuunda Series na DataFrames kutoka kwa vitu vya Python. Hata hivyo, data mara nyingi huja katika mfumo wa faili ya maandishi, au jedwali la Excel. Kwa bahati nzuri, Pandas inatupatia njia rahisi ya kupakia data kutoka diski. Kwa mfano, kusoma faili ya CSV ni rahisi kama hivi:

df = pd.read_csv('file.csv')

Tutaona mifano zaidi ya kupakia data, ikiwa ni pamoja na kuipata kutoka tovuti za nje, katika sehemu ya "Changamoto".

Kuchapisha na Kuchora

Mwanasayansi wa Data mara nyingi anahitaji kuchunguza data, hivyo ni muhimu kuwa na uwezo wa kuiona kwa picha. Wakati DataFrame ni kubwa, mara nyingi tunataka tu kuhakikisha tunafanya kila kitu kwa usahihi kwa kuchapisha mistari michache ya kwanza. Hii inaweza kufanyika kwa kupiga df.head(). Ikiwa unaiendesha kutoka Jupyter Notebook, itachapisha DataFrame katika mfumo mzuri wa tabular.

Pia tumeona matumizi ya kazi ya plot kuonyesha baadhi ya safu. Ingawa plot ni muhimu sana kwa kazi nyingi, na inasaidia aina nyingi za grafu kupitia parameter ya kind=, unaweza daima kutumia maktaba ya msingi ya matplotlib kuchora kitu kigumu zaidi. Tutashughulikia uonyeshaji wa data kwa undani katika masomo tofauti ya kozi.

Muhtasari huu unashughulikia dhana muhimu zaidi za Pandas, hata hivyo, maktaba hii ni tajiri sana, na hakuna kikomo cha kile unachoweza kufanya nayo! Sasa hebu tutumie maarifa haya kutatua tatizo maalum.

🚀 Changamoto 1: Kuchambua Kuenea kwa COVID

Tatizo la kwanza ambalo tutalenga ni uundaji wa kuenea kwa janga la COVID-19. Ili kufanya hivyo, tutatumia data ya idadi ya watu walioambukizwa katika nchi tofauti, iliyotolewa na Center for Systems Science and Engineering (CSSE) katika Chuo Kikuu cha Johns Hopkins. Dataset inapatikana katika Hifadhi hii ya GitHub.

Kwa kuwa tunataka kuonyesha jinsi ya kushughulikia data, tunakualika kufungua notebook-covidspread.ipynb na kuisoma kutoka juu hadi chini. Unaweza pia kutekeleza seli, na kufanya changamoto ambazo tumeacha kwa ajili yako mwishoni.

Ikiwa hujui jinsi ya kuendesha msimbo katika Jupyter Notebook, angalia makala hii.

Kufanya Kazi na Data Isiyo na Muundo

Ingawa data mara nyingi huja katika mfumo wa tabular, katika baadhi ya matukio tunahitaji kushughulikia data isiyo na muundo, kwa mfano, maandishi au picha. Katika hali hii, ili kutumia mbinu za usindikaji wa data tulizoona hapo juu, tunahitaji kwa namna fulani kuchimba data yenye muundo. Hapa kuna mifano michache:

• Kuchimba maneno muhimu kutoka kwa maandishi, na kuona mara ngapi maneno hayo yanatokea
• Kutumia mitandao ya neva kuchimba taarifa kuhusu vitu vilivyopo kwenye picha
• Kupata taarifa kuhusu hisia za watu kwenye video ya kamera

🚀 Changamoto 2: Kuchambua Makala za COVID

Katika changamoto hii, tutaendelea na mada ya janga la COVID, na kuzingatia usindikaji wa makala za kisayansi kuhusu mada hiyo. Kuna Dataset ya CORD-19 yenye zaidi ya makala 7000 (wakati wa kuandika) kuhusu COVID, inapatikana na metadata na muhtasari (na kwa karibu nusu ya makala kuna maandishi kamili pia).

Mfano kamili wa kuchambua dataset hii kwa kutumia huduma ya kiakili ya Text Analytics for Health umeelezwa katika blogu hii. Tutajadili toleo rahisi la uchambuzi huu.

NOTE: Hatutoi nakala ya dataset kama sehemu ya hifadhi hii. Huenda ukahitaji kwanza kupakua faili ya metadata.csv kutoka dataset hii kwenye Kaggle. Usajili na Kaggle unaweza kuhitajika. Unaweza pia kupakua dataset bila usajili kutoka hapa, lakini itajumuisha maandishi kamili yote pamoja na faili ya metadata.

Fungua notebook-papers.ipynb na isome kutoka juu hadi chini. Unaweza pia kutekeleza seli, na kufanya changamoto ambazo tumeacha kwa ajili yako mwishoni.

Usindikaji wa Data ya Picha

Hivi karibuni, mifano yenye nguvu sana ya AI imeendelezwa ambayo inaruhusu kuelewa picha. Kuna kazi nyingi ambazo zinaweza kutatuliwa kwa kutumia mitandao ya neva iliyofunzwa awali, au huduma za wingu. Mifano kadhaa ni pamoja na:

• Uainishaji wa Picha, ambayo inaweza kukusaidia kuainisha picha katika mojawapo ya madarasa yaliyofafanuliwa awali. Unaweza kwa urahisi kufundisha waainishaji wa picha zako mwenyewe kwa kutumia huduma kama Custom Vision
• Utambuzi wa Vitu ili kutambua vitu tofauti kwenye picha. Huduma kama computer vision zinaweza kutambua idadi ya vitu vya kawaida, na unaweza kufundisha Custom Vision kutambua vitu maalum vya maslahi.
• Utambuzi wa Nyuso, ikiwa ni pamoja na Umri, Jinsia na Utambuzi wa Hisia. Hii inaweza kufanyika kupitia Face API.

Huduma zote za wingu zinaweza kuitwa kwa kutumia Python SDKs, na hivyo zinaweza kuingizwa kwa urahisi katika mtiririko wako wa uchunguzi wa data.

Hapa kuna mifano ya kuchunguza data kutoka vyanzo vya data ya picha:

• Katika blogu ya Jinsi ya Kujifunza Sayansi ya Data bila Coding tunachunguza picha za Instagram, tukijaribu kuelewa ni nini kinachofanya watu kutoa likes zaidi kwa picha. Kwanza tunachimba taarifa nyingi kutoka kwa picha kwa kutumia computer vision, kisha tunatumia Azure Machine Learning AutoML kujenga mfano unaoweza kufasiriwa.
• Katika Warsha ya Utafiti wa Nyuso tunatumia Face API kuchimba hisia za watu kwenye picha kutoka matukio, ili kujaribu kuelewa ni nini kinachofanya watu kuwa na furaha.

Hitimisho

Ikiwa tayari una data yenye muundo au isiyo na muundo, kwa kutumia Python unaweza kufanya hatua zote zinazohusiana na usindikaji wa data na uelewa. Hii pengine ndiyo njia rahisi zaidi ya usindikaji wa data, na ndiyo sababu wataalamu wengi wa data hutumia Python kama chombo chao kikuu. Kujifunza Python kwa undani ni wazo zuri ikiwa unachukua safari yako ya sayansi ya data kwa uzito!

Jaribio la baada ya somo

Mapitio na Kujisomea

Vitabu

• Wes McKinney. Python for Data Analysis: Data Wrangling with Pandas, NumPy, and IPython

Rasilimali za Mtandaoni

• Mafunzo rasmi ya Dakika 10 za Pandas
• Nyaraka za Uonyeshaji wa Pandas

Kujifunza Python

• Jifunze Python kwa Njia ya Kufurahisha na Michoro ya Turtle na Fractals
• Chukua Hatua Zako za Kwanza na Python Njia ya Kujifunza kwenye Microsoft Learn

Kazi

Fanya uchunguzi wa kina wa data kwa changamoto zilizo hapo juu

Credits

Somo hili limeandikwa kwa ♥️ na Dmitry Soshnikov

---

Kanusho:
Hati hii imetafsiriwa kwa kutumia huduma ya tafsiri ya AI Co-op Translator. Ingawa tunajitahidi kuhakikisha usahihi, tafadhali fahamu kuwa tafsiri za kiotomatiki zinaweza kuwa na makosa au kutokuwa sahihi. Hati ya asili katika lugha yake ya awali inapaswa kuzingatiwa kama chanzo cha mamlaka. Kwa taarifa muhimu, inashauriwa kutumia huduma ya tafsiri ya kitaalamu ya binadamu. Hatutawajibika kwa maelewano mabaya au tafsiri zisizo sahihi zinazotokana na matumizi ya tafsiri hii.