Pandas高效实现DataFrame笛卡尔积（交叉连接）

本教程详细介绍了如何使用Pandas库高效地在两个DataFrame之间执行笛卡尔积（交叉连接）操作，以生成所有可能的行组合。通过引入一个虚拟键并利用Pandas的`merge`函数，可以避免低效的循环，显著提高处理大型数据集时的性能，从而快速得到所需的行排列结果。

在数据分析和处理中，我们经常需要将两个或多个数据集中的所有可能元素进行组合，形成一个“全排列”或“笛卡尔积”（Cartesian Product）。例如，将一个日期列表与一个产品列表进行组合，以生成每个产品在每个日期的记录。当数据集较小时，使用循环结构或许可行，但对于大型Pandas DataFrame而言，基于循环的方法效率低下且资源消耗巨大。本教程将介绍一种在Pandas中实现笛卡尔积的高效、向量化方法，即通过引入一个虚拟键（dummy key）进行合并（merge）操作。

核心方法：利用虚拟键进行合并

Pandas的merge函数是处理DataFrame之间关系的核心工具。虽然它主要用于基于共同列进行内连接、左连接、右连接或外连接，但通过巧妙地引入一个共享的虚拟键，我们可以强制merge函数执行笛卡尔积。

基本原理：

1. 为两个源DataFrame分别添加一个新列，该列包含相同的常量值（例如，整数1）。这个新列就是我们的“虚拟键”。
2. 对这两个DataFrame执行内连接（inner merge），并指定以这个虚拟键作为连接依据。由于两个DataFrame的虚拟键列中的所有值都相同，merge函数会匹配所有可能的行对。
3. 连接完成后，删除这个不再需要的虚拟键列，即可得到包含所有行组合的新DataFrame。

这种方法利用了Pandas底层的优化C/Cython实现，相比Python循环具有显著的性能优势。

示例代码

让我们使用提供的示例数据来演示这一过程。

原始DataFrame：

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import pandas as pd

# DataFrame 1
data_1 = {'A1': ['2023-12-30', '2023-12-31']}
df_1 = pd.DataFrame(data_1)
print("df_1:")
print(df_1)

# DataFrame 2
data_2 = {'B1': ['Sam', 'Tam'],
          'B2': ['159cm', '175cm'],
          'B3': ['300gm', '400gm']}
df_2 = pd.DataFrame(data_2, index=[501, 502]) # 保持原始索引，虽然最终会被重置
print("\ndf_2:")
print(df_2)

输出：

df_1:
           A1
0  2023-12-30
1  2023-12-31

df_2:
     B1     B2     B3
501  Sam  159cm  300gm
502  Tam  175cm  400gm

执行笛卡尔积：

现在，我们将按照上述原理，为两个DataFrame添加虚拟键并进行合并。

# 1. 为两个DataFrame添加一个虚拟键列
df_1_temp = df_1.assign(key=1)
df_2_temp = df_2.assign(key=1)

print("\ndf_1_temp (带虚拟键):")
print(df_1_temp)
print("\ndf_2_temp (带虚拟键):")
print(df_2_temp)

# 2. 基于虚拟键进行内连接
df_result = pd.merge(df_1_temp, df_2_temp, on='key', how='inner')

# 3. 删除虚拟键列
df_result = df_result.drop('key', axis=1)

print("\ndf_result (笛卡尔积结果):")
print(df_result)

结果输出：

df_1_temp (带虚拟键):
           A1  key
0  2023-12-30    1
1  2023-12-31    1

df_2_temp (带虚拟键):
     B1     B2     B3  key
501  Sam  159cm  300gm    1
502  Tam  175cm  400gm    1

df_result (笛卡尔积结果):
           A1   B1     B2     B3
0  2023-12-30  Sam  159cm  300gm
1  2023-12-31  Sam  159cm  300gm
2  2023-12-30  Tam  175cm  300gm
3  2023-12-31  Tam  175cm  400gm

可以看到，df_result成功地生成了df_1的每一行与df_2的每一行的所有组合。

注意事项

• 性能与内存： 这种方法对于中等大小的DataFrame非常高效。然而，笛卡尔积的结果DataFrame大小是两个原始DataFrame行数的乘积。如果原始DataFrame非常大（例如，都有数十万行），结果DataFrame可能会非常庞大，可能导致内存溢出（MemoryError）。在处理超大型数据集时，务必评估内存需求。
• 列名冲突： 如果两个原始DataFrame中除了虚拟键之外还有同名的列，pd.merge会默认在冲突列名后添加_x和_y后缀。在实际应用中，您可能需要提前重命名列以避免歧义或在合并后进行处理。
• 索引： 合并操作会重置DataFrame的索引。如果原始索引具有重要意义，您可能需要在合并前将其保存为普通列，或在合并后重新设置索引。
• 代码简洁性： assign方法可以链式调用，使得代码更加简洁。例如：

  df_result_concise = (df_1.assign(key=1)
                       .merge(df_2.assign(key=1), on='key', how='inner')
                       .drop('key', axis=1))

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总结

通过为两个DataFrame引入一个临时的虚拟键并利用Pandas的merge函数进行内连接，我们可以高效、简洁地实现笛卡尔积（交叉连接）操作。这种向量化的方法避免了低效的Python循环，是处理Pandas DataFrame全排列需求的推荐方式。尽管如此，在面对超大型数据集时，仍需警惕笛卡尔积可能带来的内存消耗问题。

以上就是Pandas高效实现DataFrame笛卡尔积（交叉连接）的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！