3つ以上のデータフレームを結合！pandas mergeの応用テクニック｜自作で機械学習モデル・AIの使い方を学ぶ

はじめに

PandasはPythonのデータ解析ライブラリであり、データフレームを扱うための機能が充実しています。Pandasのデータフレームを結合する際、2つのデータフレームを結合する方法はよく知られていますが、3つ以上のデータフレームを結合する方法についてはあまり知られていません。この記事では、Pandasのmerge機能を使って3つ以上のデータフレームを結合する方法を紹介します。

Pandasのmergeとは

Pandasのmergeは、2つのデータフレームを結合するための関数です。merge関数は、2つのデータフレームを共通の列を基準にして結合することができます。たとえば、以下のような2つのデータフレームがあるとします。

import pandas as pd
df1 = pd.DataFrame({'key': ['A', 'B', 'C', 'D'],
                    'value': [1, 2, 3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'key': ['B', 'D', 'E', 'F'],
                    'value': [5, 6, 7, 8]})
merged_df = pd.merge(df1, df2, on='key')

print(merged_df)

この場合、key列を基準にして2つのデータフレームが結合されます。結果は以下のようになります。

  key  value_x  value_y
0   B        2        5
1   D        4        6

ここでは、’value_x’は元のデータフレーム(df1)の’value’列、’value_y’は引数で渡したデータフレーム(df2)の’value’列を示しています。

3つ以上のデータフレーム結合の必要性

データフレームの数が2つの場合、merge関数で簡単に結合することができます。しかし、3つ以上のデータフレームを結合する場合、2つのデータフレームを順番に結合する方法を繰り返す必要があります。

df1 = pd.DataFrame({'key': ['A', 'B', 'C', 'D'],
                    'value': [1, 2, 3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'key': ['A', 'B', 'C', 'D'],
                    'value': [5, 6, 7, 8]})
df3 = pd.DataFrame({'key': ['A', 'B', 'C', 'D'],
                    'value': [9, 10, 11, 12]})

以下に順に結合する例について紹介します。

基本的なmergeの使い方

まず、merge関数の基本的な使い方を紹介します。2つのデータフレームを結合する場合、以下のようにmerge関数を呼び出します。

merged_df = pd.merge(df1, df2, on='key')

ここで、df1とdf2は結合するデータフレームであり、’key’は共通の列を表します。この場合、’key’列を基準にして2つのデータフレームが結合されます。

また、merge関数は、複数の列を基準にしてデータフレームを結合することもできます。以下の例では、’key’列と’value’列を基準にして2つのデータフレームを結合しています。

merged_df = pd.merge(df1, df2, on=['key', 'value'])

3つ以上のデータフレームを結合する方法

3つ以上のデータフレームを結合する場合、まずは2つのデータフレームを結合する方法を応用します。次に、3つ以上のデータフレームを結合する場合、以下のようにmerge関数を順番に呼び出して、データフレームを結合していきます。

merged_df = pd.merge(df1, df2, on='key')
merged_df = pd.merge(merged_df, df3, on='key')

ここでは、df1とdf2を’key’列を基準にして結合し、その結果を新たなデータフレームmerged_dfに代入しています。次に、merged_dfとdf3を’key’列を基準にして結合し、その結果を再度merged_dfに代入しています。

このように、データフレームを順番に結合することで、3つ以上のデータフレームを一度に結合することができます。

実践例：複数データフレームを結合する応用テクニック

以下では、実際に複数のデータフレームを結合する際

ここでは、pd.concat関数を使って、複数のデータフレームを縦方向に結合しています。また、axis=1を指定することで、横方向に結合することもできます。

merge関数とgroupby関数を組み合わせる

次に、merge関数とgroupby関数を組み合わせて、複数のデータフレームを結合する方法を紹介します。ここでは、’key’列を基準にして、複数のデータフレームを結合しています。

import pandas as pd
df1 = pd.DataFrame({'key': ['A', 'B', 'C', 'D'],
                    'value1': [1, 2, 3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'key': ['B', 'D', 'E', 'F'],
                    'value2': [5, 6, 7, 8]})
df3 = pd.DataFrame({'key': ['C', 'D', 'F', 'G'],
                    'value3': [9, 10, 11, 12]})

merged_df = pd.merge(df1, df2, on='key')
merged_df = pd.merge(merged_df, df3, on='key')
grouped_df = merged_df.groupby('key').sum()

print(grouped_df)

この場合、3つのデータフレームを’key’列を基準にして結合し、結果を新たなデータフレームmerged_dfに代入しています。次に、merged_dfを’key’列を基準にしてグループ化し、sum関数を使って各グループ内の合計値を計算しています。

このように、merge関数とgroupby関数を組み合わせることで、複数のデータフレームを結合した上で、集計処理を行うことができます。

注意点とトラブルシューティング

複数のデータフレームを結合する際に注意する点やトラブルシューティングについて紹介します。

重複する列名がある場合

複数のデータフレームを結合する際、結合するデータフレーム間で重複する列名がある場合、merge関数は自動的に列名を変更して結合を行います。たとえば、以下のような2つのデータフレームがあるとします。

df1 = pd.DataFrame({'key': ['A', 'B', 'C', 'D'],
                    'value': [1, 2, 3, 4]})
df2 = pd.DataFrame({'key': ['B', 'D', 'E', 'F'],
                    'value': [5, 6, 7, 8]})

この場合、df1とdf2の’value’列が重複しています。merge関数は、このような場合に自動的に列名を変更して結合を行います。具体的には、以下のようになります。

merged_df = pd.merge(df1, df2, on='key')
print(merged_df)

  key  value_x  value_y
0   B        2        5
1   D        4        6

ここでは、’value_x’は元のデータフレーム(df1)の’value’列、’value_y’は引数で渡したデータフレーム(df2)の’value’列を示しています。

結合するデータフレームのサイズが大きい場合

結合するデータフレームのサイズが大きい場合、結合に時間がかかることがあります。そのため、処理速度を改善するためには、以下のような方法を試してみることができます。

結合するデータフレームを事前にソートする。
データフレームの列を適切にインデックス化する。
merge関数のオプションを調整する。
結合ではなく、join関数やconcat関数を使う。

まとめ

今回は、3つ以上のデータフレームを結合する方法について紹介しました。まず、2つのデータフレームを結合する方法を紹介し、その後、複数のデータフレームを結合する方法について紹介しました。さらに、merge関数とgroupby関数を組み合わせることで、複数のデータフレームを結合した上で、集計処理を行う方法を紹介しました。
また、複数のデータフレームを結合する際の注意点やトラブルシューティングについても紹介しました。重複する列名がある場合や、結合するデータフレームのサイズが大きい場合など、結合処理において発生する問題に対処するためのアプローチを紹介しました。
複数のデータフレームを結合することは、データ分析において非常に重要な処理の一つです。今回紹介した方法を参考にして、複雑なデータフレームを効率的に結合することができるようになりましょう。