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Python 循环已经过时,向量化是超级强大的替代方案。

我们在几乎所有的编程语言中都学习过循环。所以,默认情况下,只要有重复性的操作,我们就会开始实施循环。但是当我们处理大量的迭代(数百万/数十亿行)时,使用循环真是遭罪啊~,你可能会被卡住几个小时,后来才意识到这是行不通的。这就是在Python中实现向量化变得超级关键的地方。什么是向量化?向量化是在数据集上实现(NumPy)数组操作的技术。在后台,它对数组或系列的所有元素一次性进行操作(不像'for'循环那样一次操作一行)。在这篇博客中,我们将看看一些用例,在这些用例中,我们可以很容易地用向量化代替Pytho

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    我们在几乎所有的编程语言中都学习过循环。所以,默认情况下,只要有重复性的操作,我们就会开始实施循环。但是当我们处理大量的迭代(数百万/数十亿行)时,使用循环真是遭罪啊~,你可能会被卡住几个小时,后来才意识到这是行不通的。这就是在Python中实现向量化变得超级关键的地方。

    什么是向量化?

    向量化是在数据集上实现(NumPy)数组操作的技术。在后台,它对数组或系列的所有元素一次性进行操作(不像'for'循环那样一次操作一行)。

    在这篇博客中,我们将看看一些用例,在这些用例中,我们可以很容易地用向量化代替Python循环。这将帮助你节省时间,并在编码方面变得更加熟练。

    使用案例1:寻找数字的总和

    首先,我们来看看一个基本的例子,即在Python中使用循环和向量来寻找数字的总和。

    使用循环

    import time 
    start = time.time()
    
    # 遍历之和
    total = 0
    # 遍历150万个数字
    for item in range(0, 1500000):
    total = total + item
    
    print('sum is:' + str(total))
    end = time.time()
    
    print(end - start)
    
    #1124999250000
    #0.14 Seconds

    使用向量化

    import numpy as np
    
    start = time.time()
    
    # 向量化和--使用numpy进行向量化
    # np.range创建从0到1499999的数字序列
    print(np.sum(np.arange(1500000)))
    
    end = time.time()
    print(end - start)
    
    ##1124999250000
    ##0.008 Seconds

    与使用范围函数的迭代相比,向量化的执行时间约18倍。在使用Pandas DataFrame时,这种差异将变得更加明显。

    使用案例2:DataFrame数学运算

    在数据科学中,当使用Pandas DataFrame时,开发者会使用循环来创建新的数学运算的派生列。

    在下面的例子中,我们可以看到,在这样的用例中,循环可以很容易地被向量化所取代。

    创建DataFrame

    DataFrame是以行和列的形式存在的表格数据。

    我们正在创建一个有500万行和4列的pandas DataFrame,其中充满了0到50之间的随机值。

    import numpy as np
    import pandas as pd
    df = pd.DataFrame(np.random.randint(0, 50, 
    size=(5000000, 4)),
    columns=('a','b','c','d'))
    df.shape
    # (5000000, 5)
    df.head()

    Python 循环已经过时,向量化是超级强大的替代方案。

    我们将创建一个新的列'ratio',以找到列'd'和'c'的比率。

    使用循环

    import time 
    start = time.time()
    
    # Iterating through DataFrame using iterrows
    for idx, row in df.iterrows():
    # creating a new column 
    df.at[idx,'ratio'] = 100 * (row["d"] / row["c"])
    end = time.time()
    print(end - start)
    ### 109 Seconds

    使用向量化

    start = time.time()
    df["ratio"] = 100 * (df["d"] / df["c"])
    
    end = time.time()
    print(end - start)
    ### 0.12 seconds

    我们可以看到DataFrame有了明显的改进,与python中的循环相比,向量化几乎快了1000倍。

    使用案例3:DataFrame上If-else语句

    我们实现了很多需要我们使用 "if-else" 类型逻辑的操作。我们可以很容易地用python中的向量化操作代替这些逻辑。

    看一下下面的例子来更好地理解它(我们将使用在用例2中创建的DataFrame)。

    想象一下,如何根据退出的列'a'的一些条件来创建一个新的列'e'。

    使用循环

    import time 
    start = time.time()
    
    # Iterating through DataFrame using iterrows
    for idx, row in df.iterrows():
    if row.a == 0:
    df.at[idx,'e'] = row.d
    elif (row.a <= 25) & (row.a > 0):
    df.at[idx,'e'] = (row.b)-(row.c)
    else:
    df.at[idx,'e'] = row.b + row.c
    
    end = time.time()
    
    print(end - start)
    ### Time taken: 177 seconds

    使用向量化

    start = time.time()
    df['e'] = df['b'] + df['c']
    df.loc[df['a'] <= 25, 'e'] = df['b'] -df['c']
    df.loc[df['a']==0, 'e'] = df['d']end = time.time()
    print(end - start)
    ## 0.28007707595825195 sec

    与带有if-else语句的python循环相比,向量化操作要比循环快600倍。

    使用案例4:解决机器学习/深度学习网络

    深度学习要求我们解决多个复杂的方程,而且是针对数百万和数十亿行的方程。在Python中运行循环来解决这些方程是非常慢的,此时,向量化是最佳的解决方案。

    例如,要计算以下多线性回归方程中数百万行的y值。

    Python 循环已经过时,向量化是超级强大的替代方案。

    我们可以用向量化代替循环。

    m1,m2,m3...的值是通过使用对应于x1,x2,x3...的数百万个值来解决上述方程而确定的(为了简单起见,只看一个简单的乘法步骤)

    创建数据

    >>> import numpy as np
    >>> # 设置 m 的初始值 
    >>> m = np.random.rand(1,5)
    array([[0.49976103, 0.33991827, 0.60596021, 0.78518515, 0.5540753]])
    >>> # 500万行的输入值
    >>> x = np.random.rand(5000000,5)

    Python 循环已经过时,向量化是超级强大的替代方案。

    使用循环

    import numpy as np
    m = np.random.rand(1,5)
    x = np.random.rand(5000000,5)
    
    total = 0
    tic = time.process_time()
    
    for i in range(0,5000000):
    total = 0
    for j in range(0,5):
    total = total + x[i][j]*m[0][j] 
    
    zer[i] = total 
    
    toc = time.process_time()
    print ("Computation time = " + str((toc - tic)) + "seconds")
    
    ####Computation time = 28.228 seconds

    使用向量化

    Python 循环已经过时,向量化是超级强大的替代方案。

    tic = time.process_time()
    
    #dot product 
    np.dot(x,m.T) 
    
    toc = time.process_time()
    print ("Computation time = " + str((toc - tic)) + "seconds")
    
    ####Computation time = 0.107 seconds

    np.dot在后端实现了向量的矩阵乘法。与python中的循环相比,它的速度提高了165倍。

    写在最后

    Python中的向量化是非常快的,当在处理非常大的数据集时,建议你应该优先考虑向量化而不是循环。这样,随着时间的推移,你会逐渐习惯于按照向量化的思路来编写代码。

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