超实用基础详细教程:Python之Numpy,掌握数据科学与数值计算的利器
csdn 2023-12-05

Numpy在python中属于非常常用的包,无论是机器学习搭配pandas,还是数据可视化搭配pylab都是很正常的搭配。


Numpy

numpy的官方中文文档:NumPy 中文

NumPy是使用Python进行科学计算的基础软件包。除其他外,它包括:

  • 功能强大的N维数组对象;
  • 精密广播功能函数;
  • 集成C/C+和Fortran代码的工具;
  • 强大的线性代数、傅立叶变换和随机数功能。

更简单的说,Numpy是Python的Matlab数学计算包。使用它,python可以更简单便捷地对矩阵向量进行计算。

一般来说,我们引用该包并将其简称为np:

import numpy as np

Numpy的ndarry对象

ndarray的创建

Numpy中最重要的数据类型就是:N维数组对象ndarray。它是一系列同类型数据的集合,以0下标为开始进行集合中元素的索引。

它具有以下两个特点:

  • ndarray对象是用于存放同类型元素的多维数组;
  • ndarray中的每个元素在内存中都有相同存储大小的区域。

创建一个ndarray对象:

np.array(object, dtype = None, copy = True, order = None, subok = False, ndmin = 0) 

参数说明:

名称 描述
object 数组或嵌套的数列
dtype 数组元素的数据类型,可选
copy 对象是否需要复制,可选
order 创建数组的样式,C为行方向,F为列方向,A为任意方向(默认)
subok 默认返回一个与基类类型一致的数组
ndmin 指定生成数组的最小维度

一般而言,并不需要记住这么多可选参数:

import numpy as np if __name__ == "__main__": x = np.array([1, 2, 3]) print(x) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [1 2 3] 

当然,除了之前的array方法创建ndarray对象之外,还提供了另外的几种创建方式:

np.empty(shape, dtype = float, order = 'C') # 指定形状的未初始化数组 np.zeros(shape, dtype = float, order = 'C') # 指定形状的全0数组 np.ones(shape, dtype = None, order = 'C') # 指定形状的全1数组 np.arange(start = 0, stop, step = 1, dtype) # 从起始值到终止值(不包含)时,按步长从范围内创建数组 np.linspace(start, stop, num = 50, endpoint = True, retstep = False, dtype = None) # 从起始值到终止值(默认包含)创建一个等差数组的一维数组 np.logspace(start, stop, num = 50, endpoint = True, base = 10.0, dtype = None) # 从起始值到终止值(默认包含)创建一个等比数组的一维数组 

Numpy也提供了从python其他类型直接转换成ndarray的方式:

np.asarray(a, dtype = None, order = None) # 列表形式 np.frombuffer(buffer, dtype = float, count = -1, offset = 0) # 以流的形式读入 np.fromiter(iterable, dtype, count=-1) # 从可迭代对象中,以迭代器的形式读入 

例如:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = [[1, 2 ,3], [4, 5]] b = 'Hello World' c = iter(range(5)) x = np.asarray(a) y = np.frombuffer(b, dtype = 'S1') z = np.fromiter(c, dtype = float) print(x) print(y) print(z) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [list([1, 2, 3]) list([4, 5])] ['H' 'e' 'l' 'l' 'o' ' ' 'W' 'o' 'r' 'l' 'd'] [0. 1. 2. 3. 4.] 

ndarray的数据结构

Numpy支持很多的数据类型,下面就简单地列举一下:

名称 描述
bool_ 布尔型数据类型(True或者False)
int_/int8/int16/int32/int64 有符号整数
uint8/uint16/uint32/uint64 无符号整数
float_/float16/float32/float64 浮点数
complex_/complex64/complex128 复数

但如果是自定义的数据类型,就需要通过dtype来确定了:

numpy.dtype(object, align, copy) 

参数说明:

名称 描述
object 要转换为的数据类型对象
align 如果为true,填充字段使其类似C的结构体
copy 复制dtype对象 ,如果为false,则是对内置数据类型对象的引用

例如,可以创建一个student的对象:

import numpy as np if __name__ == "__main__": student = np.dtype([('name', 'S20'), ('age', 'i8'), ('score', 'f4')]) a = np.array([('zhangsan', 18, 80), ('lisi', 19, 85)], dtype=student) print(a) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [('zhangsan', 18, 80.) ('lisi', 19, 85.)] 

ndarray的属性

ndarray有两个非常常用的属性,shape和size。shape表示数组的维度,对于二维数组而言,就是其行数和列数;size表示数组元素的总个数,对于二维数组而言,就是行数与列数的相乘

例如:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]]) print(a.shape) print(a.size) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py (2, 3) 6

当然,ndarray对象提供了两种方式在不改变数据内容的情况下,改变一个数组的格式。但两种方式有所区别:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]]) a.shape = (3, 2) # 直接改变本体 print(a) b = a.reshape(2, 3) # 本体不改变,将改变后的对象返回 print(b) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [[1 2] [3 4] [5 6]] [[1 2 3] [4 5 6]] 

ndarray的内容访问

ndarray对象的内容可以通过索引或切片来访问和修改,与python中list的切片操作一样。

ndarray既可以基于下标进行切片,也可以通过内置的slice函数,并设置start,stop及step参数进行,从原数组中切割出一个新数组

例如:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.arange(10) b = a[1:7:1] s = slice(1,7,1) c = a[s] print(a) print(b) print(c) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] [1 2 3 4 5 6] [1 2 3 4 5 6] 

对于冒号:的解释:

  • 如果是一维数组,如果只放置一个参数,如[2],将返回与该索引相对应的单个元素。如果为[2:],表示从该索引开始以后的所有项都将被提取。如果使用了两个参数,如[2:7],那么则提取两个索引(不包括停止索引)之间的项;
  • 如果是多维数组,使用,区分维数。

例如:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.arange(25) a.shape = (5, 5) b = a[1:4, 2:4] print(a) print(b) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [[ 0  1  2  3  4] [ 5  6  7  8  9] [10 11 12 13 14] [15 16 17 18 19] [20 21 22 23 24]] [[ 7  8] [12 13] [17 18]] 

ndarray除了基于下标进行切片,还有一些高级索引方式,比如布尔索引、花式索引。

例如:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.arange(25) a.shape = (5, 5) b = a[a > 6] c = a[[3, 2, 4]] print(a) print(b) print(c) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [[ 0  1  2  3  4] [ 5  6  7  8  9] [10 11 12 13 14] [15 16 17 18 19] [20 21 22 23 24]] [ 7  8  9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24] [[15 16 17 18 19] [10 11 12 13 14] [20 21 22 23 24]] 

其他

判断元素对象是都为NaN:

np.isnan(...) 

将ndarray的对象转为list:

obj.tolist() 

Numpy的广播

如果两个ndarray:a和b形状相同,即满足a.shape==b.shape,那么a与b的算数结果就是a与b数组对应位做算术运算。这要求维数相同,且各维度的长度相同

例如:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.array([1, 2, 3]) b = np.array([1, 2, 3]) c = a + b
  d = a * b print(c) print(d) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [2 4 6] [1 4 9] 

而,广播是Numpy对不同形状(shape)的ndarray进行数值计算的方式,对ndarray的算术运算通常在相应的元素上进行

怎么才算是相应的元素呢?

虽然,广播是对不同形状(shape)而言,但其实还是要满足两个条件:列数相同,有一个行数为1。在这个前提下,每行的相同列的元素就是相对应的元素。

直接看文字可能还是有点不太能理解,可以看一下例子:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]) b = np.array([1, 2, 3]) c = a + b
  d = a * b print(c) print(d) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [[ 2  4  6] [ 5  7  9] [ 8 10 12]] [[ 1  4  9] [ 4 10 18] [ 7 16 27]] 

所谓广播就是:当列数相同的时候,行数为1的ndarray会进行扩行的操作,增加的行数内容与原行的内容相同

扩行的实现可以通过tile函数实现:

np.tile(obj, (,)) # 在行上和列上分别重复一定的次数 

所以,上文的广播也可以通过下面的方式来代替:

import numpy as np if __name__ == "__main__": a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]) b = np.array([1, 2, 3]) bb = np.tile(b, (3, 1)) c = a + bb
  d = a * bb print(bb) print(c) print(d) 

运行该脚本:

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ python numpy_test.py [[1 2 3] [1 2 3] [1 2 3]] [[ 2  4  6] [ 5  7  9] [ 8 10 12]] [[ 1  4  9] [ 4 10 18] [ 7 16 27]] 

ndarray的函数

ndarray提供了很多的数学函数、算术函数、排序函数,以便进行运算。

ndarray的数学函数,例如:

np.pi # 圆周率 np.sin(obj) # 三角运算 np.cos(obj) np.tan(obj) np.arcsin(obj) # 反三角运算 np.arccos(obj) np.arctan(obj) np.degrees(obj) # 将弧度值转换为角度值 np.around(obj, decimals) # 返回ndarray每个元素的四舍五入值,decimals为舍入的小数位数,默认为0 np.floor(obj) # 向下取整 np.ceil(obj) # 向上取整 

ndarray的算术函数,例如:

np.add(obj1, obj2) # 加减乘除运算,与+-*/效果一致,需要符合广播原则 np.subtract(obj1, obj2) np.multiply(obj1, obj2) np.divide(obj1, obj2) np.mod(obj1, obj2) # 求余数运算 np.reciprocal(obj) # 元素取倒数 np.power(obj1, obj2) # 计算前参数为底,后参数为幂的值 

ndarray的排序函数,例如:

np.sort(obj, axis=1, kind='quicksort', order) 

参数说明:

名称 描述
obj 数组或嵌套的数列
axis axis=0按列排序,axis=1按行排序
kind ‘quicksort’、‘mergesort’、‘heapsort’
order 如果数组包含字段,则是要排序的字段


声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
  • 对话周祖成教授 - 清华大学与西门子EDA的合作之旅


  • 相关技术文库
  • C语言
  • 编程
  • 软件开发
  • 程序
下载排行榜
更多
评测报告
更多
广告