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第30期 R语言-基于tidyverse的整洁数据处理

wang2024年11月2日大约 7 分钟

第30期 本期主要介绍在使用R语言进行数据整洁化的常用函数及说明

目录

[TOC]

整洁数据基础说明

整洁和不整洁数据的特点

  • 不整洁数据
    • 首行不是变量名而是数值
    • 多个变量在一列
    • 变量既在行也在列
    • 多种类型的观测单元在同一个单元格
    • 一个观测单元格放在多个表
  • 整洁数据的特点
    • 每个变量构成一列
    • 每个观测构成一行
    • 每个观测的每个变量值构成一个单元格
  • 整洁数据的图示

为什么要变成整洁数据

  • 数据处理需要
    • 大多数函数的对象是针对变量进行。数据框可以看作多个向量（每个向量是一个变量）
    • 整洁数据才能保证数据的清洗准确而不波及其它
  • 可视化需要
    • 可视化图的ggplot包需要整洁数据才能进行可视化
    • 比如研究国别与经济水平的差异。国别作为横轴（柱状图），就需要国别单独作为一个分类变量。而不能是把不同国家放在不同列里

整洁数据需要哪些操作

  • 长宽表转化
  • 拆分/合并列
  • 方形化

典型概念之长表和宽表

  • 长表之所以长是因为将变量名作为变量值，实现了长度加长
  • 宽表之所以宽是由于将变量值作为变量名，变量增多，实现宽度增宽
  • 典型的整洁数据应该是要减少变量名，增加变量行。即宽变长，在各个分析里更为实用

实例说明

加载包

#install.packages(tidyverse)  第一次使用要安装
library(tidyverse)

新建不整洁数据

新建数据框记录同学及成绩情况

score_data <- data.frame(
  observation=c("王(康)","李(卫)","张(强)"),
  公卫_预防医学导论=c(50,60,70),
  临床_临床概论=c(30,50,60)
)
  • 数据为不整洁数据
    • 姓和名作为不同变量可以进行列拆分
    • 需要研究人和各学科成绩之间的关系，需要把成绩作为变量放在一列。把学科情况放另一列
    • 使用tidyr包进行重塑（tidyverse导入的时候就会自动加载）

进行数据重塑

数据框的宽表变长表

score_data %>% pivot_longer(
  -observation,
  names_to = c("学院","学科"),
  names_sep="_"
)
  • 函数说明
    • score_data %>%: 这里使用了管道操作符%>%，它是dplyr包的特色之一。%>%允许你将左边的结果传递给右边的函数，使代码更易于阅读和编写。在这里，score_data这个数据框被传递给了pivot_longer()函数。
    • pivot_longer(-observation, ...): pivot_longer()函数用于将数据从宽格式转换为长格式。在这个函数中，-observation表示所有除了observation列之外的列都将被转换。这里的负号-是排除的意思，意味着不对observation列进行操作。
    • names_to = c("学院","学科"): 这个参数指定了新数据框中变量名的名称。在转换成长格式时，原始数据中的列名（那些除了observation以外的列）将被放入这两个新列中。这里，原始列名将被分割为两部分，分别存入学院和学科两个新列
    • names_sep="_": 这个参数指定了在原始列名中用于分割的分隔符。在这里，_被用作分隔符。这意味着函数将查找原始列名中的下划线，并在那里将列名分割成两部分。

数据框转换前后比较

  • 总结要点
    • 宽表的特点是：表比较宽，本来该是” 值” 的，却出现在” 变量（名） “中。这就需要给它变到” 值” 中，新起个列名存为一列，即宽表变长表
    • 数据框由宽变长，将变量名转换为变量值，行数增多。
    • 转换出的列数由names_to的值决定，names即产生新变量名个数

整洁化函数实例

长宽表转换

宽表变长表

pivot_longer(
		data, 
		cols, 
		names_to, 
		values_to, 
		values_drop_na, 
...)
  • 参数说明
    • data: 要重塑的数据框
    • cols: 用选择列语法选择要变形的列
    • names_to: 为存放变形列的列名中的”值”，指定新列名（变量）
    • values_to: 为存放变形列中的”值”，指定新列名
    • values_drop_na: 是否忽略变形列中的NA
  • 注
    • 若变形列的列名除了”值” 外，还包含前缀、变量名 + 分隔符、正则表达式分组捕获模式，则可以借助参数 names_prefix, names_sep, names_pattern来提取出”值”（实现长变宽及分列的作用）

参考实例

data_score <-data.frame(
  name="王康",
  score_2018=90,
  score_2019=30,
  score_2020=40
  )

data_score

tidy_data_score <- data_score %>% 
  pivot_longer(
    cols=2:4,
    names_to = c("其它","时间"),
    values_to = "分数",
    names_sep = "_"
  )
tidy_data_score

长表变宽表

长表的特点是：表比较长。有时候需要将分类变量的若干水平值，变成变量（列名）。这就是长表变宽表：

使用pivot_wider函数

pivot_wider(data, 
            id_cols, 
            names_from, 
            values_from, 
            values_fill, ...)
  • 参数说明
    • data: 要重塑的数据框
    • id_cols: 唯一识别观测的列，默认是除了 names_from 和 values_from 指定列之外的列
    • names_from: 指定列名来自哪个变量列 （也就是哪列要作为变量，一般是分类变量）
    • values_from: 指定列”值” 来自哪个变量列
    • values_fill: 若变宽后单元格值缺失，设置用何值填充

实例说明

tidy_data_score %>% 
  pivot_wider(
    names_from = "时间",
    values_from = "分数"
  )

列的拆分与合并

列的拆分

一列根据分隔符变成多列，但行数不变

使用seperate函数

separate(data, 
		 col, 
		 into, 
		 sep, ...):
  • 参数说明
    • data，数据框，在管道符传递中可忽略
    • col，需要拆分的行
    • sep，拆分的依据（分割符）
    • into，为拆分后的行起名

实例说明

score_data <- data.frame(
  observation=c("王(康)","李(卫)","张(强)"),
  公卫_预防医学导论=c(50,60,70),
  临床_临床概论=c(30,50,60)
)
# 使用到了正则表达式，之后会更
score_data %>% 
  separate(col=observation,
           sep = "\\(",
           into = c("姓","名"))

列的合并

使用unite函数

unite(data, 
	  col, 
	  sep, ...)
  • 参数说明
    • seperate的逆操作
    • 用分隔符sep将多列合并为一列

实例

score_data %>% 
  separate(col=observation,
           sep = "\\(",
           into = c("姓","名")) %>% 
			  unite(
			    new,
			    姓,
			    名,
			    sep="(")
  • 说明
    • unite(new, century, year, sep = ""): unite()函数用于将多列合并成一列。在这个例子中，new是合并后新列的名称，century和year是要被合并的两列的名称。
    • new: 合并后的新列名。
    • century: 第一个要合并的列。
    • year: 第二个要合并的列。
    • sep = "": 这个参数指定合并时列之间的分隔符。在这里，sep = ""表示在合并century和year这两列时，不在它们之间添加任何分隔符。

行的拆分

使用separate_rows函数对不定长的行进行分行，堆叠放置

使用与separate接近，但是是堆叠放置，可等同于拆分行

实例

data=data.frame(
  name=c("王康"),
  score=c("这学期还行，下学期努力，吗？")
)
data

data_sep_rows <- data %>% 
  separate_rows(
    score,
    sep="，"
  )
data_sep_rows

方形化

方形化（Rectangling）是将一个深度嵌套的列表（通常来自 JSON 或 XML）驯服成一个整齐的行和列的数据集。主要通过组合使用以下函数实现

  • unnest_longer()：提取列表列的每个元，再按行存放（横向展开）
  • unnest_wider()：提取列表列的每个元，再按列存放（纵向展开）
  • unnest_auto()：提取列表列的每个元，猜测按行或按列存放
  • hoist()：类似 unnest_wider()，但只取出选择的组件，且可以 深入多个层

方形化的展开嵌套的概念较为难以理解，以下通过实例来具体说明一下

  • 建立不整洁数据，观察数据特征
    • data列是不同的因变量对应的数据框(不同的人检测项目不一样，数据框也不一样。但测过中性粒细胞比率的又一定测过中性粒细胞数)
    • var_y列是数据框中的因变量
    • 由于var_y列属于不整洁数据，要分析在各个数据框下不同检测指标的情况，需要将var_y列由嵌套的向量转换为方形的块（没有嵌套结构）
  • 进行方形化
    • 使用unnest_longer的效果与直接unnest一样
#方形化代码，打开嵌套结构
data <- tibble(
  var_y=dependent2,
  data=list_2_all,
  group=names(dependent2)
) %>% 
  unnest_longer(var_y)

注意事项

  • 做好数据整洁化需要补充的知识说明
    • tidyverse入门知识
    • 管道符的使用
    • 正则化知识（在不整齐的数据值中格外实用）
  • 后续会缓慢更进
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