如何使用一组时间序列值的导数创建新列

Question

我正在寻求 R 方面的帮助。我想将三列添加到包含时间序列数据并具有大量 NA 值的现有数据框中。数据是关于考试成绩的。我要添加的第一列是可用的第一个测试分数。在第二列中，我想要最后的测试分数。在第三列中，我想通过将第一个和最后一个分数之间的差异除以已通过的测试数来计算每一行的导数。重要的是这些过去的一些测试有 NA 值，但我仍然想在划分时包括这些值。但是，我不想计算最后一个可用测试分数之后的 NA 值。

我的数据的一些解释： A 有几个数据框，它们都有不同人的测试分数。不同的人是行，每列代表一个测试分数。对于数据框中的同一测试，每个人有多个测试分数。 T1 列显示他们的第一个分数，T2 列显示一周后收集的第二个分数，依此类推。有些人比其他人开始得早，因此可以获得更多的考试成绩。此外，由于各种原因，开头和中间的一些分数缺失。请参阅下面的两个示例表，其中索引列是数据框的实际索引，而不是单独的列。索引中缺少一些数字（如 3），因为此人的行中只有 NA 值，我将其删除。索引保持这种状态对我来说很重要。

示例 1（测试 A）：

INDEX	T1	T2	T3	T4	T5	T6
1	NA	NA	NA	3	4	5
2	57	57	57	57	NA	NA
4	44	NA	NA	NA	NA	NA
5	9	11	11	17	12	NA

示例 2（测试 B）：

INDEX	T1	T2	T3	T4
1	NA	NA	NA	17
2	11	16	20	20
4	1	20	NA	NA
5	20	20	20	20

我现在的目标是将前面提到的三列添加到这些数据框中。例如 1 这看起来像：

INDEX	T1	T2	T3	T4	T5	T6	FirstScore	LastScore	Derivative
1	NA	NA	NA	3	4	5	3	5	0.33
2	57	57	57	57	NA	NA	57	57	0
4	44	NA	NA	NA	NA	NA	44	44	0
5	9	11	11	17	12	NA	9	12	0.6

例如2：

INDEX	T1	T2	T3	T4	FirstScore	LastScore	Derivative
1	NA	NA	NA	17	17	17	0
2	11	16	20	20	11	20	2.25
4	1	20	NA	NA	1	20	9.5
5	20	20	20	20	20	20	0

我希望我已经说清楚了，有人可以帮助我，在此先感谢！

Answer 1

你也可以这样做：

df1 %>%
   rowwise()%>%
   mutate(firstScore = first(na.omit(c_across(T1:T6))),
          lastScore = last(na.omit(c_across(T1:T6))),
          Derivative = (lastScore-firstScore)/max(which(!is.na(c_across(T1:T6)))))

# A tibble: 4 x 10
# Rowwise: 
  INDEX    T1    T2    T3    T4    T5    T6 firstScore lastScore Derivative
  <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int>      <int>     <int>      <dbl>
1     1    NA    NA    NA     3     4     5          3         5      0.333
2     2    57    57    57    57    NA    NA         57        57      0    
3     4    44    NA    NA    NA    NA    NA         44        44      0    
4     5     9    11    11    17    12    NA          9        12      0.6  

Answer 2

使用一个 pmap_*

pmap_dfr(df1, ~{c(...) %>% t %>% as.data.frame() %>% 
    mutate(first_score = first(na.omit(c(...)[-1])),
           last_score = last(na.omit(c(...)[-1])),
           deriv = (last_score - first_score)/max(which(!is.na(c(...)[-1]))))})

  INDEX T1 T2 T3 T4 T5 T6 first_score last_score     deriv
1     1 NA NA NA  3  4  5           3          5 0.3333333
2     2 57 57 57 57 NA NA          57         57 0.0000000
3     4 44 NA NA NA NA NA          44         44 0.0000000
4     5  9 11 11 17 12 NA           9         12 0.6000000

在dplyr 中仅使用cur_data 而不使用rowwise()，这会减慢操作速度

df1 %>% group_by(INDEX) %>%
  mutate(first_score = c_across(starts_with('T'))[min(which(!is.na(cur_data())))],
         last_score = c_across(starts_with('T'))[max(which(!is.na(cur_data()[1:6])))],
         deriv = (last_score - first_score)/max(which(!is.na(cur_data()[1:6]))))

Answer 3

我认为您可以使用以下解决方案。令人惊讶的是，它有点冗长和令人费解，但我认为它非常有效。我假设如果Last 可用分数实际上不是最后一个T，那么我需要检测它的索引并将差异除以它，这意味着最后一个之后的NA 值不计算在内。否则除以可用的所有Ts 的数量。

library(dplyr)
library(purrr)

df %>%
  select(T1:T6) %>%
  pmap(., ~ {x <- c(...)[!is.na(c(...))]; c(x[1], x[length(x)])}) %>%
  exec(rbind, !!!.) %>%
  as_tibble() %>%
  set_names(c("First", "Last")) %>%
  bind_cols(df) %>%
  relocate(First, Last, .after = last_col()) %>%
  rowwise() %>%
  mutate(Derivative = ifelse(!is.na(T6) & T6 == Last, (Last - First)/(length(df)-1), 
                             (Last - First)/last(which(c_across(T1:T6) == Last))))


# First Sample Data
# A tibble: 4 x 10
# Rowwise: 
  INDEX    T1    T2    T3    T4    T5    T6 First  Last Derivative
  <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int>      <dbl>
1     1    NA    NA    NA     3     4     5     3     5      0.333
2     2    57    57    57    57    NA    NA    57    57      0    
3     4    44    NA    NA    NA    NA    NA    44    44      0    
4     5     9    11    11    17    12    NA     9    12      0.6  

第二个样本数据

df2 %>%
  select(T1:T4) %>%
  pmap(., ~ {x <- c(...)[!is.na(c(...))]; c(x[1], x[length(x)])}) %>%
  exec(rbind, !!!.) %>%
  as_tibble() %>%
  set_names(c("First", "Last")) %>%
  bind_cols(df2) %>%
  relocate(First, Last, .after = last_col()) %>%
  rowwise() %>%
  mutate(Derivative = ifelse(!is.na(T4) & T4 == Last, (Last - First)/(length(df2)-1), 
                             (Last - First)/last(which(c_across(T1:T4) == Last))))

# A tibble: 4 x 8
# Rowwise: 
  INDEX    T1    T2    T3    T4 First  Last Derivative
  <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int>      <dbl>
1     1    NA    NA    NA    17    17    17       0   
2     2    11    16    20    20    11    20       2.25
3     4     1    20    NA    NA     1    20       9.5 
4     5    20    20    20    20    20    20       0  

Answer 4

这是一个没有硬编码的 tidyverse 解决方案。首先，我旋转更长的时间，然后提取每个 INDEX 的统计数据。

library(tidyverse)
df1 %>%
  pivot_longer(-INDEX, names_to = "time", names_prefix = "T", names_transform = list(time = as.integer)) %>%
  filter(!is.na(value)) %>%
  group_by(INDEX) %>%
  summarize(FirstScore = first(value), LastScore = last(value), divisor = max(time)) %>%
  mutate(Derivative = (LastScore - FirstScore) / divisor) %>%
  right_join(df1) %>%
  select(INDEX, T1:T6, FirstScore, LastScore, Derivative)

对于这个输出：

# A tibble: 4 x 10
  INDEX    T1    T2    T3    T4    T5    T6 FirstScore LastScore Derivative
  <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int>      <int>     <int>      <dbl>
1     1    NA    NA    NA     3     4     5          3         5      0.333
2     2    57    57    57    57    NA    NA         57        57      0    
3     4    44    NA    NA    NA    NA    NA         44        44      0    
4     5     9    11    11    17    12    NA          9        12      0.6  

第二个数据的输出，代码没有变化：

# A tibble: 4 x 10
  INDEX    T1    T2    T3    T4    T5    T6 FirstScore LastScore Derivative
  <int> <int> <int> <int> <int> <int> <int>      <int>     <int>      <dbl>
1     1    NA    NA    NA     3     4     5         17        17       0   
2     2    57    57    57    57    NA    NA         11        20       2.25
3     4    44    NA    NA    NA    NA    NA          1        20       9.5 
4     5     9    11    11    17    12    NA         20        20       0   

---

样本数据

df1 <- data.frame(
       INDEX = c(1L, 2L, 4L, 5L),
          T1 = c(NA, 57L, 44L, 9L),
          T2 = c(NA, 57L, NA, 11L),
          T3 = c(NA, 57L, NA, 11L),
          T4 = c(3L, 57L, NA, 17L),
          T5 = c(4L, NA, NA, 12L),
          T6 = c(5L, NA, NA, NA)
)

df2 <- data.frame(
       INDEX = c(1L, 2L, 4L, 5L),
          T1 = c(NA, 11L, 1L, 20L),
          T2 = c(NA, 16L, 20L, 20L),
          T3 = c(NA, 20L, NA, 20L),
          T4 = c(17L, 20L, NA, 20L)
       )