pandas diffを使ったデータの差分分析入門｜自作で機械学習モデル・AIの使い方を学ぶ

データ分析において、2つのデータの差分を求めることはよくあります。そのために、pandasライブラリにはdiffという関数が用意されています。この記事では、pandas diffの基本的な使い方から、具体的なデータ分析の例、オプションの活用法、他の差分を求める方法との比較、実践的なデータ分析手法、注意点とトラブルシューティングについて解説します。

pandas diffの基本的な使い方

pandas diffは、pandasのSeriesやDataFrameに対して使うことができます。Seriesに対して使うと、その要素間の差分を求めます。DataFrameに対して使う場合には、列ごとに差分を求めることができます。以下に、SeriesとDataFrameに対するdiffの使い方を示します。

Seriesに対するdiff

まずは、Seriesに対するdiffの使い方を見ていきましょう。以下の例では、Seriesの要素間の差分を求めています。

import pandas as pd
# Seriesの作成
data = pd.Series([1, 3, 5, 7, 9])
# diffの実行
diff_data = data.diff()
print(diff_data)

このプログラムを実行すると、以下のように、要素間の差分が求められます。

0    NaN
1    2.0
2    2.0
3    2.0
4    2.0
dtype: float64

この結果を見ると、最初の要素はNaNになっています。これは、最初の要素には前の要素がないため、差分を求めることができないためです。2番目以降の要素については、前の要素との差分が求められています。

DataFrameに対するdiff

次に、DataFrameに対するdiffの使い方を見ていきましょう。以下の例では、DataFrameの列ごとに差分を求めています。

# DataFrameの作成
data = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [4, 5, 6], 'C': [7, 8, 9]})
# diffの実行
diff_data = data.diff()
print(diff_data)

このプログラムを実行すると、以下のように、列ごとに要素間の差分が求められます。

     A    B    C
0  NaN  NaN  NaN
1  1.0  1.0  1.0
2  1.0  1.0  1.0

この結果を見ると、最初の行はNaNになっています。これは、最初の行には前の行がないため、差分を求めることができないためです。2行目以降の行については、前の行との差分が求められています。

pandas diffのオプションとその活用法

pandas diffには、いくつかのオプションがあります。ここでは、よく使われるオプションとその活用法について解説します。

periodsオプション

periodsオプションを指定することで、差分を求める期間を指定することができます。以下の例では、3日前との差分を求めています。

import pandas as pd
# Seriesの作成
data = pd.Series([1, 3, 5, 7, 9])
# 3日前との差分を求める
diff_data = data.diff(periods=3)
print(diff_data)

このプログラムを実行すると、以下のように、3日前との差分が求められます。

0    NaN
1    NaN
2    NaN
3    6.0
4    6.0
dtype: float64

この結果を見ると、最初の3つの要素はNaNになっています。これは、最初の3つの要素には3日前の要素がないため、差分を求めることができないためです。4番目以降の要素については、3日前との差分が求められています。

axisオプション

axisオプションを指定することで、差分を求める軸を指定することができます。以下の例では、列ごとに差分を求めています。

# DataFrameの作成
data = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [4, 5, 6], 'C': [7, 8, 9]})
# 列ごとに差分を求める
diff_data = data.diff(axis=0)
print(diff_data)

このプログラムを実行すると、以下のように、列ごとに要素間の差分が求められます。

     A    B    C
0  NaN  NaN  NaN
1  1.0  1.0  1.0
2  1.0  1.0  1.0

pandas diffと他の差分を求める方法との比較

ここでは、pandas diffと他の差分を求める方法との比較を行います。

numpyのdiff関数

numpyには、diffという関数があります。pandas diffとnumpy diffの違いは、pandas diffはSeriesやDataFrameに対して使うことができる点です。numpy diffは、ndarrayに対して使うことができます。以下の例では、numpyのdiff関数を使って、Seriesの要素間の差分を求めています。

import numpy as np
import pandas as pd
# Seriesの作成
data = pd.Series([1, 3, 5, 7, 9])
# numpyのdiff関数を使って差分を求める
diff_data = np.diff(data)
print(diff_data)

このプログラムを実行すると、以下のように、要素間の差分が求められます。

[2 2 2 2]

この結果を見ると、pandas diffと同じように、要素間の差分が求められています。

Pythonのforループを使った差分の求め方

Pythonのforループを使って、Seriesの要素間の差分を求めることもできます。以下の例では、forループを使って、要素間の差分を求めています。

import pandas as pd
# Seriesの作成
data = pd.Series([1, 3, 5, 7, 9])
# forループを使って差分を求める
diff_data = []
for i in range(1, len(data)):
    diff_data.append(data[i] - data[i-1])
print(diff_data)

このプログラムを実行すると、以下のように、要素間の差分が求められます。