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Python Numpy中ndarray的常见操作实例分析

前言NumPy(NumericalPython)是Python的一种开源的数值计算扩展。这种工具可用来存储和处理大型矩阵,比Python自身的嵌套列表(nestedliststructure)结构要高效的多(该结构也可以用来表示矩阵(matrix)),支持大量的维度数组与矩阵运算,此外也针对数组运算提供大量的数学函数库。Numpy中主要使用ndarray来处理N维数组,Numpy中的大部分属性和方法都是为ndarray服务的,所以掌握Numpy中ndarray的常见操作非常有必要!0Numpy基础知识Nu

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    前言

    NumPy(Numerical Python)是Python的一种开源的数值计算扩展。这种工具可用来存储和处理大型矩阵,比Python自身的嵌套列表(nested list structure)结构要高效的多(该结构也可以用来表示矩阵(matrix)),支持大量的维度数组与矩阵运算,此外也针对数组运算提供大量的数学函数库。
    Numpy中主要使用ndarray来处理N维数组,Numpy中的大部分属性和方法都是为ndarray服务的,所以掌握Numpy中ndarray的常见操作非常有必要!

    0 Numpy基础知识

    NumPy的主要对象是同构多维数组。它是一个元素表(通常是数字),所有类型都相同,由非负整数元组索引。在NumPy维度中称为轴 。
    下面所示的例子中,数组有2个轴。第一轴的长度为2,第二轴的长度为3。

    [[ 1., 0., 0.],
     [ 0., 1., 2.]]

    1 ndarray的属性

    1.1 输出ndarray的常见属性

    • ndarray.ndim : 数组的轴(维度)的个数。在Python世界中,维度的数量被称为rank。

    • ndarray.shape :数组的维度。这是一个整数的元组,表示每个维度中数组的大小。对于有 n 行和 m 列的矩阵,shape 将是 (n,m)。因此,shape 元组的长度就是rank或维度的个数 ndim。

    • ndarray.size :数组元素的总数。这等于 shape 的元素的乘积。

    • ndarray.dtype :一个描述数组中元素类型的对象。可以使用标准的Python类型创建或指定dtype。另外NumPy提供它自己的类型。例如numpy.int32、numpy.int16和numpy.float64。

    • ndarray.itemsize :数组中每个元素的字节大小。例如,元素为 float64 类型的数组的 itemsize 为8(=64/8),而 complex32 类型的数组的 itemsize 为4(=32/8)。它等于 ndarray.dtype.itemsize 。

    >>> import numpy as np
    >>> a = np.arange(15).reshape(3, 5)
    >>> a
    array([[ 0,  1,  2,  3,  4],
           [ 5,  6,  7,  8,  9],
           [10, 11, 12, 13, 14]])
    >>> a.shape
    (3, 5)
    >>> a.ndim
    2
    >>> a.dtype.name
    'int64'
    >>> a.itemsize
    8
    >>> a.size
    15
    >>> type(a)
    
    >>> b = np.array([6, 7, 8])
    >>> b
    array([6, 7, 8])
    >>> type(b)
    

    2 ndarray的数据类型

    在同一个ndarray中,存储的是同一类型的数据,ndarray常见的数据类型包括:

    Python Numpy中ndarray的常见操作实例分析

    3 修改ndarray的形状和数据类型

    3.1 查看和修改ndarray的形状

    ## ndarray reshape操作
    array_a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
    print(array_a, array_a.shape)
    array_a_1 = array_a.reshape((3, 2))
    print(array_a_1, array_a_1.shape)
    # note: reshape不能改变ndarray中元素的个数,例如reshape之前为(2,3),reshape之后为(3,2)/(1,6)...
    ## ndarray转置
    array_a_2 = array_a.T
    print(array_a_2, array_a_2.shape)
    ## ndarray ravel操作:将ndarray展平
    a.ravel()  # returns the array, flattened
    array([ 1,  2,  3,  4,  5,  6 ])
    
    输出:
    [[1 2 3]
     [4 5 6]] (2, 3)
    [[1 2]
     [3 4]
     [5 6]] (3, 2)
    [[1 4]
     [2 5]
     [3 6]] (3, 2)

    3.2 查看和修改ndarray的数据类型

    astype(dtype[, order, casting, subok, copy]):修改ndarray中的数据类型。传入需要修改的数据类型,其他关键字参数可以不关注。

    array_a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
    print(array_a, array_a.dtype)
    array_a_1 = array_a.astype(np.int64)
    print(array_a_1, array_a_1.dtype)
    输出:
    [[1 2 3]
     [4 5 6]] int32
    [[1 2 3]
     [4 5 6]] int64

    4 ndarray数组创建

    NumPy主要通过np.array()函数来创建ndarray数组。

    >>> import numpy as np
    >>> a = np.array([2,3,4])
    >>> a
    array([2, 3, 4])
    >>> a.dtype
    dtype('int64')
    >>> b = np.array([1.2, 3.5, 5.1])
    >>> b.dtype
    dtype('float64')

    也可以在创建时显式指定数组的类型:

    >>> c = np.array( [ [1,2], [3,4] ], dtype=complex )
    >>> c
    array([[ 1.+0.j,  2.+0.j],
           [ 3.+0.j,  4.+0.j]])

    也可以通过使用np.random.random函数来创建随机的ndarray数组。

    >>> a = np.random.random((2,3))
    >>> a
    array([[ 0.18626021,  0.34556073,  0.39676747],
           [ 0.53881673,  0.41919451,  0.6852195 ]])

    通常,数组的元素最初是未知的,但它的大小是已知的。因此,NumPy提供了几个函数来创建具有初始占位符内容的数组。这就减少了数组增长的必要,因为数组增长的操作花费很大。
    函数zeros创建一个由0组成的数组,函数 ones创建一个完整的数组,函数empty 创建一个数组,其初始内容是随机的,取决于内存的状态。默认情况下,创建的数组的dtype是 float64 类型的。

    >>> np.zeros( (3,4) )
    array([[ 0.,  0.,  0.,  0.],
           [ 0.,  0.,  0.,  0.],
           [ 0.,  0.,  0.,  0.]])
    >>> np.ones( (2,3,4), dtype=np.int16 )                # dtype can also be specified
    array([[[ 1, 1, 1, 1],
            [ 1, 1, 1, 1],
            [ 1, 1, 1, 1]],
           [[ 1, 1, 1, 1],
            [ 1, 1, 1, 1],
            [ 1, 1, 1, 1]]], dtype=int16)
    >>> np.empty( (2,3) )                                 # uninitialized, output may vary
    array([[  3.73603959e-262,   6.02658058e-154,   6.55490914e-260],
           [  5.30498948e-313,   3.14673309e-307,   1.00000000e+000]])

    为了创建数字组成的数组,NumPy提供了一个类似于range的函数,该函数返回数组而不是列表。

    >>> np.arange( 10, 30, 5 )
    array([10, 15, 20, 25])
    >>> np.arange( 0, 2, 0.3 )                 # it accepts float arguments
    array([ 0. ,  0.3,  0.6,  0.9,  1.2,  1.5,  1.8])

    5 ndarray数组的常见运算

    与许多矩阵语言不同,乘积运算符*在NumPy数组中按元素进行运算。矩阵乘积可以使用@运算符(在python> = 3.5中)或dot函数或方法执行:

    >>> A = np.array( [[1,1],
    ...             [0,1]] )
    >>> B = np.array( [[2,0],
    ...             [3,4]] )
    >>> A * B                       # elementwise product
    array([[2, 0],
           [0, 4]])
    >>> A @ B                       # matrix product
    array([[5, 4],
           [3, 4]])
    >>> A.dot(B)                    # another matrix product
    array([[5, 4],
           [3, 4]])

    某些操作(例如+=和 *=)会更直接更改被操作的矩阵数组而不会创建新矩阵数组。

    >>> a = np.ones((2,3), dtype=int)
    >>> b = np.random.random((2,3))
    >>> a *= 3
    >>> a
    array([[3, 3, 3],
           [3, 3, 3]])
    >>> b += a
    >>> b
    array([[ 3.417022  ,  3.72032449,  3.00011437],
           [ 3.30233257,  3.14675589,  3.09233859]])
    >>> a += b                  # b is not automatically converted to integer type
    Traceback (most recent call last):
      ...
    TypeError: Cannot cast ufunc add output from dtype('float64') to dtype('int64') with casting rule 'same_kind'

    当使用不同类型的数组进行操作时,结果数组的类型对应于更一般或更精确的数组(称为向上转换的行为)。

    >>> a = np.ones(3, dtype=np.int32)
    >>> b = np.linspace(0,pi,3)
    >>> b.dtype.name
    'float64'
    >>> c = a+b
    >>> c
    array([ 1.        ,  2.57079633,  4.14159265])
    >>> c.dtype.name
    'float64'
    >>> d = np.exp(c*1j)
    >>> d
    array([ 0.54030231+0.84147098j, -0.84147098+0.54030231j,
           -0.54030231-0.84147098j])
    >>> d.dtype.name
    'complex128'

    许多一元操作,例如计算数组中所有元素的总和,都是作为ndarray类的方法实现的。

    >>> a = np.random.random((2,3))
    >>> a
    array([[ 0.18626021,  0.34556073,  0.39676747],
           [ 0.53881673,  0.41919451,  0.6852195 ]])
    >>> a.sum()
    2.5718191614547998
    >>> a.min()
    0.1862602113776709
    >>> a.max()
    0.6852195003967595

    默认情况下,这些操作适用于数组,就像它是一个数字列表一样,无论其形状如何。但是,通过指定axis 参数,您可以沿数组的指定轴应用操作:

    >>> b = np.arange(12).reshape(3,4)
    >>> b
    array([[ 0,  1,  2,  3],
           [ 4,  5,  6,  7],
           [ 8,  9, 10, 11]])
    >>>
    >>> b.sum(axis=0)                            # 计算每一列的和
    array([12, 15, 18, 21])
    >>>
    >>> b.min(axis=1)                            # 计算每一行的和
    array([0, 4, 8])
    >>>
    >>> b.cumsum(axis=1)                         # cumulative sum along each row
    array([[ 0,  1,  3,  6],
           [ 4,  9, 15, 22],
           [ 8, 17, 27, 38]])
    解释:以第一行为例,0=0,1=1+0,3=2+1+0,6=3+2+1+0

    6 ndarray数组的索引、切片和迭代

    一维的数组可以进行索引、切片和迭代操作的,就像列表和其他Python序列类型一样。

    >>> a = np.arange(10)**3
    >>> a
    array([  0,   1,   8,  27,  64, 125, 216, 343, 512, 729])
    >>> a[2]
    8
    >>> a[2:5]
    array([ 8, 27, 64])
    >>> a[:6:2] = -1000    # 等价于 a[0:6:2] = -1000; 从0到6的位置, 每隔一个设置为-1000
    >>> a
    array([-1000,     1, -1000,    27, -1000,   125,  fan 216,   343,   512,   729])
    >>> a[ : :-1]                                 # 将a反转
    array([  729,   512,   343,   216,   125, -1000,    27, -1000,     1, -1000])

    多维的数组每个轴可以有一个索引。这些索引以逗号分隔的元组给出:

    >>> b
    array([[ 0,  1,  2,  3],
           [10, 11, 12, 13],
           [20, 21, 22, 23],
           [30, 31, 32, 33],
           [40, 41, 42, 43]])
    >>> b[2,3]
    23
    >>> b[0:5, 1]                       # each row in the second column of b
    array([ 1, 11, 21, 31, 41])
    >>> b[ : ,1]                        # equivalent to the previous example
    array([ 1, 11, 21, 31, 41])
    >>> b[1:3, : ]                      # each column in the second and third row of b
    array([[10, 11, 12, 13],
           [20, 21, 22, 23]])
    >>> b[-1]                                  # the last row. Equivalent to b[-1,:]
    array([40, 41, 42, 43])

    7 ndarray数组的堆叠、拆分

    几个数组可以沿不同的轴堆叠在一起,例如:np.vstack()函数和np.hstack()函数

    >>> a = np.floor(10*np.random.random((2,2)))
    >>> a
    array([[ 8.,  8.],
           [ 0.,  0.]])
    >>> b = np.floor(10*np.random.random((2,2)))
    >>> b
    array([[ 1.,  8.],
           [ 0.,  4.]])
    >>> np.vstack((a,b))
    array([[ 8.,  8.],
           [ 0.,  0.],
           [ 1.,  8.],
           [ 0.,  4.]])
    >>> np.hstack((a,b))
    array([[ 8.,  8.,  1.,  8.],
           [ 0.,  0.,  0.,  4.]])

    column_stack()函数将1D数组作为列堆叠到2D数组中。

    >>> from numpy import newaxis
    >>> a = np.array([4.,2.])
    >>> b = np.array([3.,8.])
    >>> np.column_stack((a,b))     # returns a 2D array
    array([[ 4., 3.],
           [ 2., 8.]])
    >>> np.hstack((a,b))           # the result is different
    array([ 4., 2., 3., 8.])
    >>> a[:,newaxis]               # this allows to have a 2D columns vector
    array([[ 4.],
           [ 2.]])
    >>> np.column_stack((a[:,newaxis],b[:,newaxis]))
    array([[ 4.,  3.],
           [ 2.,  8.]])
    >>> np.hstack((a[:,newaxis],b[:,newaxis]))   # the result is the same
    array([[ 4.,  3.],
           [ 2.,  8.]])

    使用hsplit(),可以沿数组的水平轴拆分数组,方法是指定要返回的形状相等的数组的数量,或者指定应该在其之后进行分割的列:
    同理,使用vsplit(),可以沿数组的垂直轴拆分数组,方法同上。

    ################### np.hsplit ###################
    >>> a = np.floor(10*np.random.random((2,12)))
    >>> a
    array([[ 9.,  5.,  6.,  3.,  6.,  8.,  0.,  7.,  9.,  7.,  2.,  7.],
           [ 1.,  4.,  9.,  2.,  2.,  1.,  0.,  6.,  2.,  2.,  4.,  0.]])
    >>> np.hsplit(a,3)   # Split a into 3
    [array([[ 9.,  5.,  6.,  3.],
           [ 1.,  4.,  9.,  2.]]), array([[ 6.,  8.,  0.,  7.],
           [ 2.,  1.,  0.,  6.]]), array([[ 9.,  7.,  2.,  7.],
           [ 2.,  2.,  4.,  0.]])]
    >>> np.hsplit(a,(3,4))   # Split a after the third and the fourth column
    [array([[ 9.,  5.,  6.],
           [ 1.,  4.,  9.]]), array([[ 3.],
           [ 2.]]), array([[ 6.,  8.,  0.,  7.,  9.,  7.,  2.,  7.],
           [ 2.,  1.,  0.,  6.,  2.,  2.,  4.,  0.]])]
    >>> x = np.arange(8.0).reshape(2, 2, 2)
    >>> x
    array([[[0.,  1.],
            [2.,  3.]],
           [[4.,  5.],
            [6.,  7.]]])
    ################### np.vsplit ###################
    >>> np.vsplit(x, 2)
    [array([[[0., 1.],
            [2., 3.]]]), array([[[4., 5.],
            [6., 7.]]])]
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