内容简介：本文对Numpy相关的基本概念和常用方法做了一个总结，希望可以帮到需要的人。NumPy(Numerical Python) 是 Python 语言的一个扩展程序库，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。
本文对Numpy相关的基本概念和常用方法做了一个总结，希望可以帮到需要的人。
Python科学计算 工具 之——Numpy
NumPy(Numerical Python) 是 Python 语言的一个扩展程序库，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 是一个运行速度非常快的数学库，主要用于数组计算，包含：
- 一个强大的N维数组对象 ndarray
- 广播功能函数
- 整合 C/C++/Fortran 代码的工具
- 线性代数、傅里叶变换、随机数生成等功能
应用
- 数据分析
- 机器学习
- 深度学习
为什么使用Numpy
-
运算速度快
-
Python慢
简单来说，因为 Python 执行你代码的时候会执行很多复杂的 “check” 功能，比如当你赋值：
b=1; a=b/0.5
这个运算看似简单，但是在计算机内部，b 首先要从一个整数
integer转换成浮点数float，才能进行后面的b/0.5， 因为得到的要是一个小数。 -
Numpy快
-
采用 C语言 编写
-
向量化运算
a) 使用python的list进行循环遍历运算，
标量化运算：
def pySum(): a = list(range(10000)) b = list(range(10000)) c = [] for i in range(len(a)): c.append(a[i]**2 + b[i]**2) return c %timeit pySum() 10 loops, best of 3: 49.4 ms per loop b) 使用numpy进行
向量化运算：import numpy as np def npSum(): a = np.arange(10000) b = np.arange(10000) c = a**2 + b**2 return c %timeit npSum() The slowest run took 262.56 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached. 1000 loops, best of 3: 128 µs per loop从上面的运行结果可以看出， numpy的
向量化运算的效率要远远高于python的循环遍历运算（效率相差好几百倍） 。 （1ms=1000µs） -
-
-
资源消耗少
其实 Numpy 就是 C 的逻辑， 创建存储容器 “Array” 的时候是寻找内存上的一连串区域来存放， 而 Python 存放的时候则是不连续的区域， 这使得 Python 在索引这个容器里的数据时不是那么有效率。
Numpy 快速的矩阵相乘运算， 能将乘法运算分配到计算机中的多个核， 让运算并行。
在 Numpy 中, 创建 2D Array 的默认方式是 “C-type” 以 row 为主在内存中排列, 而如果是 “Fortran” 的方式创建的, 就是以 column 为主在内存中排列.
col_major = np.zeros((10,10), order='C') # C-type row_major = np.zeros((10,10), order='F') # Fortran
安装
pip3 install numpy pip3 install pandas
Numpy 属性
基本属性：
- ndim：维度
- shape：尺寸(行数、列数、深度)
- size：个数
- Itemsize：元素占用大小
- nbytes：总共占用大小
- dtype：数据类型
import numpy as np #为了方便使用numpy 采用np简写
array = np.array([[1,2,3],[2,3,4]]) #列表转化为矩阵
print(array)
"""
array([[1, 2, 3],
[2, 3, 4]])
"""
属性结果：
print('number of dim:',array.ndim) # 维度
# number of dim: 2
print('shape :',array.shape) # 行数和列数
# shape : (2, 3)
print('size:',array.size) # 元素个数
# size: 6
print('itemsize:',array.itemsize) # 元素大小
# itemsize: 8
print('nbytes:',array.nbytes) # 总大小
# nbytes: 48
print('dtype:',array.dtype) # 元素类型
# dtype: int(64)
创建array
关键字
-
array：创建数组
a = np.array([2,23,4]) # list 1d，param is list print(a) # [2 23 4] a = np.array((1,2,3)) # list 1d, param is tupple # [1 2 3]
请注意：
- 一维数组用print输出的时候为 [1 2 3 4]，跟python的列表是有些差异的，没有“ , ”
- 在创建二维数组时，在每个子list外面还有一个”[]”，形式为“ [ [list1], [list2] ] ”
-
dtype：指定数据类型
a = np.array([2,23,4],dtype=np.int) print(a.dtype) # int 64 a = np.array([2,23,4],dtype=np.int32) print(a.dtype) # int32 a = np.array([2,23,4],dtype=np.float) print(a.dtype) # float64 a = np.array([2,23,4],dtype=np.float32) print(a.dtype) # float32
-
zeros：创建数据全为0
a = np.zeros((3,4)) # 数据全为0，3行4列 """ array([[ 0., 0., 0., 0.], [ 0., 0., 0., 0.], [ 0., 0., 0., 0.]]) """ -
ones：创建数据全为1
a = np.ones((3,4),dtype = np.int) # 数据为1，3行4列 """ array([[1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1]]) """ -
empty：创建数据接近0
a = np.empty((3,4)) # 数据为empty，3行4列 """ array([[ 0.00000000e+000, 4.94065646e-324, 9.88131292e-324, 1.48219694e-323], [ 1.97626258e-323, 2.47032823e-323, 2.96439388e-323, 3.45845952e-323], [ 3.95252517e-323, 4.44659081e-323, 4.94065646e-323, 5.43472210e-323]]) """ -
arrange：按指定范围创建数据
a = np.arange(10,20,2) # 10-19 的数据，2步长 """ array([10, 12, 14, 16, 18]) """ # 使用 reshape 改变数据的形状 a = np.arange(12).reshape((3,4)) # 3行4列，0到11 """ array([[ 0, 1, 2, 3], [ 4, 5, 6, 7], [ 8, 9, 10, 11]]) """ -
linespace：创建线段
a = np.linspace(1,10,20) # 开始端1，结束端10，且分割成20个数据，生成线段 """ array([ 1. , 1.47368421, 1.94736842, 2.42105263, 2.89473684, 3.36842105, 3.84210526, 4.31578947, 4.78947368, 5.26315789, 5.73684211, 6.21052632, 6.68421053, 7.15789474, 7.63157895, 8.10526316, 8.57894737, 9.05263158, 9.52631579, 10. ]) """
Numpy 基础运算1
测试数据准备
import numpy as np a=np.array([10,20,30,40]) # array([10, 20, 30, 40]) b=np.arange(4) # array([0, 1, 2, 3])
几种基本运算
# 各位相减 c=a-b # array([10, 19, 28, 37]) # 各位相加 c=a+b # array([10, 21, 32, 43]) # 各位相乘 c=a*b # array([ 0, 20, 60, 120]) # 求幂次方 c=b**2 # array([0, 1, 4, 9]) # sin函数 c=10*np.sin(a) # array([-5.44021111, 9.12945251, -9.88031624, 7.4511316 ]) # 逻辑判断 print(b<3) # array([ True, True, True, False], dtype=bool) # shape mismatch >>> a = np.arange(4) >>> a + np.array([1, 2]) Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module> ValueError: operands could not be broadcast together with shapes (4) (2)
注：都是元素级别，a*b并不是矩阵乘法
多维计算
a=np.array([[1,1],[0,1]]) b=np.arange(4).reshape((2,2)) print(a) # array([[1, 1], # [0, 1]]) print(b) # array([[0, 1], # [2, 3]])
Numpy中的矩阵乘法分为两种， 其一是前文中的对应元素相乘，其二是标准的矩阵乘法运算，即对应行乘对应列得到相应元素：
c_dot = np.dot(a,b) # array([[2, 4], # [2, 3]]) # or c_dot_2 = a.dot(b) # array([[2, 4], # [2, 3]])
高纬度
>>> x = np.random.rand(2, 2, 2)
array([[[0.7361712 , 0.66032237],
[0.12326569, 0.00919288]],
[[0.96581673, 0.81417324],
[0.99740315, 0.6730559 ]]])
>>> x.sum(axis=2)[0, 1]
0.13245857180806897
>>> x[0, 1, :].sum()
0.13245857180806897
比较计算
>>> a = np.array([1, 2, 3, 4]) >>> b = np.array([4, 2, 2, 4]) >>> c = np.array([1, 2, 3, 4]) >>> np.array_equal(a, b) False >>> np.array_equal(a, c) True
Logical计算
>>> a = np.array([1, 1, 0, 0], dtype=bool) >>> b = np.array([1, 0, 1, 0], dtype=bool) >>> np.logical_or(a, b) array([ True, True, True, False], dtype=bool) >>> np.logical_and(a, b) array([ True, False, False, False], dtype=bool)
Transcendental计算
>>> a = np.arange(5) >>> np.sin(a) array([ 0. , 0.84147098, 0.90929743, 0.14112001, -0.7568025 ]) >>> np.log(a) array([ -inf, 0. , 0.69314718, 1.09861229, 1.38629436]) >>> np.exp(a) array([ 1. , 2.71828183, 7.3890561 , 20.08553692, 54.59815003])
统计相关
import numpy as np a=np.random.random((2,4)) print(a) # array([[ 0.94692159, 0.20821798, 0.35339414, 0.2805278 ], # [ 0.04836775, 0.04023552, 0.44091941, 0.21665268]]) np.sum(a) # 4.4043622002745959 np.min(a) # 0.23651223533671784 np.max(a) # 0.90438450240606416
如果你需要对行或者列进行查找运算，就需要在上述代码中为 axis 进行赋值。 当axis的值为0的时候，将会以列作为查找单元， 当 axis 的值为1的时候，将会以行作为查找单元。
print("a =",a)
# a = [[ 0.23651224 0.41900661 0.84869417 0.46456022]
# [ 0.60771087 0.9043845 0.36603285 0.55746074]]
print("sum =",np.sum(a,axis=1)) # equals a.sum(axis=1)
# sum = [ 1.96877324 2.43558896]
print("min =",np.min(a,axis=0))
# min = [ 0.23651224 0.41900661 0.36603285 0.46456022]
print("max =",np.max(a,axis=1))
# max = [ 0.84869417 0.9043845 ]
Broadcasting
>>> a = np.ones((4, 5))
>>> a[0] = 2 # we assign an array of dimension 0 to an array of dimension 1
>>> a
array([[ 2., 2., 2., 2., 2.],
[ 1., 1., 1., 1., 1.],
[ 1., 1., 1., 1., 1.],
[ 1., 1., 1., 1., 1.]])
>>> a = np.tile(np.arange(0, 40, 10), (3, 1)).T
>>> a
array([[ 0, 0, 0],
[10, 10, 10],
[20, 20, 20],
[30, 30, 30]])
>>> b = np.array([0, 1, 2])
>>> a + b
array([[ 0, 1, 2],
[10, 11, 12],
[20, 21, 22],
[30, 31, 32]])
Numpy 基础运算2
索引
import numpy as np
A = np.arange(2,14).reshape((3,4))
# array([[ 2, 3, 4, 5]
# [ 6, 7, 8, 9]
# [10,11,12,13]])
print(np.argmin(A)) # 0
print(np.argmax(A)) # 11
统计相关
print(np.mean(A)) # 7.5 print(np.average(A)) # 7.5 print(A.mean()) # 7.5 print(A.median()) # 7.5 print(np.cumsum(A)) # [2 5 9 14 20 27 35 44 54 65 77 90] print(np.diff(A)) # [[1 1 1] # [1 1 1] # [1 1 1]]
矩阵转置
import numpy as np A = np.arange(14,2, -1).reshape((3,4)) print(np.transpose(A)) print(A.T) # array([[14,10, 6] # [13, 9, 5] # [12, 8, 4] # [11, 7, 3]]) # array([[14,10, 6] # [13, 9, 5] # [12, 8, 4] # [11, 7, 3]])
Numpy 索引
一维索引
- 一维数组
import numpy as np
A = np.arange(3,15)
# array([3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14])
print(A[3]) # 6
- 二维数组
A = np.arange(3,15).reshape((3,4))
"""
array([[ 3, 4, 5, 6]
[ 7, 8, 9, 10]
[11, 12, 13, 14]])
"""
print(A[2])
# [11 12 13 14]
二维索引
print(A[1][1]) # 8 print(A[1, 1]) # 8 print(A[1, 1:3]) # [8 9]
花式索引
逐行打印
for row in A:
print(row)
"""
[ 3, 4, 5, 6]
[ 7, 8, 9, 10]
[11, 12, 13, 14]
"""
for column in A.T:
print(column)
"""
[ 3, 7, 11]
[ 4, 8, 12]
[ 5, 9, 13]
[ 6, 10, 14]
"""
迭代输出
import numpy as np
A = np.arange(3,15).reshape((3,4))
print(A.flatten())
# array([3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14])
for item in A.flat:
print(item)
# 3
# 4
……
# 14
flatten flat
多级索引
In [73]: pd.Series(np.random.randn(6), index=[['a','a','a','b','b','b'],[1,2,3,1,2,3]]) Out[73]: a 1 1.144378 2 -0.481547 3 0.532004 b 1 -0.599840 2 1.095235 3 1.260771 dtype: float64
Numpy array合并
np.vstack(tup)
import numpy as np
A = np.array([1,1,1])
B = np.array([2,2,2])
print(np.vstack((A,B))) # vertical stack
"""
[[1,1,1]
[2,2,2]]
"""
C = np.vstack((A,B))
print(A.shape,C.shape)
# (3,) (2,3)
# equals np.concatenate(tup, axis=0）
A 仅仅是一个拥有3项元素的数组（数列），而合并后得到的 C 是一个2行3列的矩阵。
>>> a = np.array([[1], [2], [3]])
>>> b = np.array([[2], [3], [4]])
>>> np.vstack((a,b))
array([[1],
[2],
[3],
[2],
[3],
[4]])
np.hstack(tup)
D = np.hstack((A,B)) # horizontal stack print(D) # [1,1,1,2,2,2] print(A.shape,D.shape) # (3,) (6,) # equals np.concatenate(tup, axis=1)
D 本身来源于 A ， B 两个数列的左右合并，而且新生成的 D 本身也是一个含有6项元素的序列。
>>> a = np.array((1,2,3))
>>> b = np.array((2,3,4))
>>> np.hstack((a,b))
array([1, 2, 3, 2, 3, 4])
>>> a = np.array([[1],[2],[3]])
>>> b = np.array([[2],[3],[4]])
>>> np.hstack((a,b))
array([[1, 2],
[2, 3],
[3, 4]])
多维数组
>>> ar1 = np.array([[1,2,3], [4,5,6]])
>>> ar2 = np.array([[7,8,9], [11,12,13]])
>>> ar1
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6]])
>>> ar2
array([[ 7, 8, 9],
[11, 12, 13]])
>>> np.concatenate((ar1, ar2)) # 这里的第一轴(axis 0)是行方向
array([[ 1, 2, 3],
[ 4, 5, 6],
[ 7, 8, 9],
[11, 12, 13]])
>>> np.concatenate((ar1, ar2),axis=1) # 这里沿第二个轴，即列方向进行拼接
array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
[ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])
>>> ar3 = np.array([[14,15,16]]) # shape为（1，3）的2维数组
>>> np.concatenate((ar1, ar3)) # 一般进行concatenate操作的array的shape需要一致，当然如果array在拼接axis方向的size不一样，也可以完成
>>> np.concatenate((ar1, ar3)) # ar3虽然在axis0方向的长度不一致，但axis1方向上一致，所以沿axis0可以拼接
array([[ 1, 2, 3],
[ 4, 5, 6],
[14, 15, 16]])
>>> np.concatenate((ar1, ar3), axis=1) # ar3和ar1在axis0方向的长度不一致，所以报错
np.dstack(tup)
>>> a = np.array((1,2,3))
>>> b = np.array((2,3,4))
>>> np.dstack((a,b)) # shape=(1,3,2)
array([[[1, 2],
[2, 3],
[3, 4]]])
>>>
>>> a = np.array([[1],[2],[3]])
>>> b = np.array([[2],[3],[4]])
>>> np.dstack((a,b)) # shape=(3,1,2)
array([[[1, 2]],
[[2, 3]],
[[3, 4]]])
# equals np.concatenate(tup, axis=2)
关于维度增加的一种理解方式
>>> np.hstack((ar1,ar2)) # 水平拼接，沿着行的方向，对列进行拼接, np.column_stack(tup)
array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
[ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])
>>> np.vstack((ar1,ar2)) # 垂直拼接，沿着列的方向，对行进行拼接，np.row_stack(tup)
array([[ 1, 2, 3],
[ 4, 5, 6],
[ 7, 8, 9],
[11, 12, 13]])
>>> np.dstack((ar1,ar2)) # 对于2维数组来说，沿着第三轴（深度方向）进行拼接, 效果相当于stack(axis=-1)
array([[[ 1, 7],
[ 2, 8],
[ 3, 9]],
[[ 4, 11],
[ 5, 12],
[ 6, 13]]])
对于两个shape一样的二维array来说:
- 增加行（对行进行拼接）的方法有：
np.concatenate((ar1, ar2),axis=0) np.append(ar1, ar2, axis=0) np.vstack((ar1,ar2)) np.row_stack((ar1,ar2)) np.r_[ar1,ar2]
- 增加列（对列进行拼接）的方法有：
np.concatenate((ar1, ar2),axis=1) np.append(ar1, ar2, axis=1) np.hstack((ar1,ar2)) np.column_stack((ar1,ar2)) np.c_[ar1,ar2]
Numpy array分割
纵向分割
print(np.split(A, 2, axis=1))
"""
[array([[0, 1],
[4, 5],
[8, 9]]), array([[ 2, 3],
[ 6, 7],
[10, 11]])]
"""
axis 为1时会按照行的方向进行分割
横向分割
print(np.split(A, 3, axis=0)) # [array([[0, 1, 2, 3]]), array([[4, 5, 6, 7]]), array([[ 8, 9, 10, 11]])]
axis 为0时会按照列的方向进行分割
错误的分割
范例的Array只有4列，只能等量对分，因此输入以上程序代码后Python就会报错。
print(np.split(A, 3, axis=1)) # ValueError: array split does not result in an equal division
不等量的分割
print(np.array_split(A, 3, axis=1))
"""
[array([[0, 1],
[4, 5],
[8, 9]]), array([[ 2],
[ 6],
[10]]), array([[ 3],
[ 7],
[11]])]
"""
其他分割方式
在Numpy里还有 np.vsplit() 与横 np.hsplit() 方式可用。
print(np.vsplit(A, 3)) #等于 print(np.split(A, 3, axis=0))
# [array([[0, 1, 2, 3]]), array([[4, 5, 6, 7]]), array([[ 8, 9, 10, 11]])]
print(np.hsplit(A, 2)) #等于 print(np.split(A, 2, axis=1))
"""
[array([[0, 1],
[4, 5],
[8, 9]]), array([[ 2, 3],
[ 6, 7],
[10, 11]])]
"""
- vsplit可以理解为在垂直方向进行切分，并不是垂直去切水平方向的数据
- hsplit可以理解为在水平方向进行切分，并不是水平去切垂直方向的数据
Numpy copy & deep copy
注意 = 号具有关联性，需要使用 np.copy() 来进行深度拷贝
>>> a = np.arange(10) >>> a array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]) >>> b = a[::2] >>> b array([0, 2, 4, 6, 8]) >>> np.may_share_memory(a, b) True >>> b[0] = 12 >>> b array([12, 2, 4, 6, 8]) >>> a # (!) array([12, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]) >>> a = np.arange(10) >>> c = a[::2].copy() # force a copy >>> c[0] = 12 >>> a array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]) >>> np.may_share_memory(a, c) False
copy慢view快
a = np.zeros((1000, 1000))
b = np.zeros((1000, 1000))
N = 9999
def f1(a):
for _ in range(N):
a *= 2 # same as a[:] *= 2
def f2(b):
for _ in range(N):
b = 2*b
print('%f' % ((t1-t0)/N)) # f1: 0.000837
print('%f' % ((t2-t1)/N)) # f2: 0.001346
Resources
-
https://jakevdp.github.io/blog/2014/05/09/why-python-is-slow/
-
https://morvanzhou.github.io/tutorials/data-manipulation/np-pd/4-1-speed-up-numpy/
-
http://gouthamanbalaraman.com/blog/numpy-vs-pandas-comparison.html
本文首次发布于ElseF’s Blog, 作者 @stuartlau , 转载请保留原文链接.
以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，也希望大家多多支持 码农网
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