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一、numpy简介
numpy官方文档:https://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/?v=20190307135750
numpy是Python的一种开源的数值计算扩展库。这种库可用来存储和处理大型numpy数组,比Python自身的嵌套列表结构要高效的多(该结构也可以用来表示numpy数组)。
numpy库有两个作用:
- 区别于list列表,提供了数组操作、数组运算、以及统计分布和简单的数学模型
- 计算速度快,甚至要由于python内置的简单运算,使得其成为pandas、sklearn等模块的依赖包。高级的框架如TensorFlow、PyTorch等,其数组操作也和numpy非常相似。
二、为什么用numpy
- lis1 = [1, 2, 3]
- lis2 = [4, 5, 6]
- lis1
- [1, 2, 3]
- lis2
- [4, 5, 6]
复制代码 如果我们想让lis1 * lis2得到一个结果为lis_res = [4, 10, 18],非常复杂。
三、创建numpy数组
numpy数组即numpy的ndarray对象,创建numpy数组就是把一个列表传入np.array()方法。- import numpy as np
- # np.array? 相当于pycharm的ctrl+鼠标左键
- #1. 创建一维的ndarray对象
- arr = np.array([1, 2, 3])
- print(arr, type(arr))
- [1 2 3] <class 'numpy.ndarray'>
- #2. 创建二维的ndarray对象
- print(np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]]))
- [[1 2 3]
- [4 5 6]]
- #3. 创建三维的ndarray对象
- print(np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]))
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
复制代码 四、numpy数组的常用属性
属性解释T数组的转置(对高维数组而言)dtype数组元素的数据类型size数组元素的个数ndim数组的维数shape数组的维度大小(以元组形式)astype类型转换dtype种类:bool_, int(8,16,32,64), float(16,32,64)- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]], dtype=np.float32)
- print(arr)
- [[1. 2. 3.]
- [4. 5. 6.]]
- print(arr.T)
- [[1. 4.]
- [2. 5.]
- [3. 6.]]
- print(arr.dtype)
- float32
- arr = arr.astype(np.int32)
- print(arr.dtype)
- print(arr)
- int32
- [[1 2 3]
- [4 5 6]]
- print(arr.size)
- 6
- print(arr.ndim)
- 2
- print(arr.shape)
- (2, 3)
复制代码 五、获取numpy数组的行列数
由于numpy数组是多维的,对于二维的数组而言,numpy数组就是既有行又有列。
注意:对于numpy我们一般多讨论二维的数组。- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]]
- #1. 获取numpy数组的行和列构成的数组
- print(arr.shape)
- (2, 3)
- #2. 获取numpy数组的行
- print(arr.shape[0])
- 2
- #3. 获取numpy数组的列
- print(arr.shape[1])
- 3
复制代码 六、切割numpy数组
切分numpy数组类似于列表的切割,但是与列表的切割不同的是,numpy数组的切割涉及到行和列的切割,但是两者切割的方式都是从索引0开始,并且取头不取尾。- arr = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]])
- print(arr)
- [[ 1 2 3 4]
- [ 5 6 7 8]
- [ 9 10 11 12]]
- #1. 取所有元素
- print(arr[:, :])
- [[ 1 2 3 4]
- [ 5 6 7 8]
- [ 9 10 11 12]]
- #2. 取第一行的所有元素
- print(arr[:1, :])
- [[1 2 3 4]]
- #3. 取第一行的所有元素
- print(arr[0, [0, 1, 2, 3]])
- [1 2 3 4]
- #4. 取第一列的所有元素
- print(arr[:, :1])
- [[1]
- [5]
- [9]]
- #5. 取第一列的所有元素
- print(arr[(0, 1, 2), 0])
- [1 5 9]
- #6. 取第一行第一列的元素
- print(arr[(0, 1, 2), 0])
- [1 5 9]
- #7. 取第一行第一列的元素
- print(arr[0, 0])
- 1
- #8. 取大于5的元素,返回一个数组
- print(arr[arr > 5])
- [ 6 7 8 9 10 11 12]
- #9. numpy数组按运算符取元素的原理,即通过arr > 5生成一个布尔numpy数组
- print(arr > 5)
- [[False False False False]
- [False True True True]
- [ True True True True]]
复制代码 七、numpy数组元素替换
numpy数组元素的替换,类似于列表元素的替换,并且numpy数组也是一个可变类型的数据,即如果对numpy数组进行替换操作,会修改原numpy数组的元素,所以下面我们用.copy()方法举例numpy数组元素的替换。- arr = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]])
- print(arr)
- [[ 1 2 3 4]
- [ 5 6 7 8]
- [ 9 10 11 12]]
- #1. 取第一行的所有元素,并且让第一行的元素都为0
- arr1 = arr.copy()
- arr1[:1, :] = 0
- print(arr1)
- [[ 0 0 0 0]
- [ 5 6 7 8]
- [ 9 10 11 12]]
- #2. 取所有大于5的元素,并且让大于5的元素为0
- arr2 = arr.copy()
- arr2[arr > 5] = 0
- print(arr2)
- [[1 2 3 4]
- [5 0 0 0]
- [0 0 0 0]]
- #3. 对numpy数组清零
- arr3 = arr.copy()
- arr3[:, :] = 0
- print(arr3)
- [[0 0 0 0]
- [0 0 0 0]
- [0 0 0 0]]
复制代码 八、numpy数组的合并
- arr1 = np.array([[1, 2], [3, 4], [5, 6]])
- print(arr1)
- [[1 2]
- [3 4]
- [5 6]]
- arr2 = np.array([[7, 8], [9, 10], [11, 12]])
- print(arr2)
- [[ 7 8]
- [ 9 10]
- [11 12]]
- #1. 合并两个numpy数组的行,注意使用hstack()方法合并numpy数组,numpy数组应该有相同的行,其中hstack的h表示horizontal水平的
- print(np.hstack((arr1, arr2)))
- [[ 1 2 7 8]
- [ 3 4 9 10]
- [ 5 6 11 12]]
- #2. 合并两个numpy数组,其中axis=1表示合并两个numpy数组的行
- print(np.concatenate((arr1, arr2), axis=1))
- [[ 1 2 7 8]
- [ 3 4 9 10]
- [ 5 6 11 12]]
- #3. 合并两个numpy数组的列,注意使用vstack()方法合并numpy数组,numpy数组应该有相同的列,其中vstack的v表示vertical垂直的
- print(np.vstack((arr1, arr2)))
- [[ 1 2]
- [ 3 4]
- [ 5 6]
- [ 7 8]
- [ 9 10]
- [11 12]]
- # Python学习交流群:711312441
- #4. 合并两个numpy数组,其中axis=0表示合并两个numpy数组的列
- print(np.concatenate((arr1, arr2), axis=0))
- [[ 1 2]
- [ 3 4]
- [ 5 6]
- [ 7 8]
- [ 9 10]
- [11 12]]
复制代码 九、通过函数创建numpy数组
方法详解array()将列表转换为数组,可选择显式指定dtypearange()range的numpy版,支持浮点数linspace()类似arange(),第三个参数为数组长度zeros()根据指定形状和dtype创建全0数组ones()根据指定形状和dtype创建全1数组eye()创建单位矩阵empty()创建一个元素全随机的数组reshape()重塑形状1 array
- arr = np.array([1, 2, 3])
- print(arr)
- [1 2 3]
复制代码 2 arange
- #1. 构造0-9的ndarray数组
- print(np.arange(10))
- [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
- #2. 构造1-4的ndarray数组
- print(np.arange(1, 5))
- [1 2 3 4]
- #3. 构造1-19且步长为2的ndarray数组
- print(np.arange(1, 20, 2))
- [ 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19]
复制代码 3 linspace/logspace
- #1. 构造一个等差数列,取头也取尾,从0取到20,取5个数
- print(np.linspace(0, 20, 5))
- [ 0. 5. 10. 15. 20.]
- #2. 构造一个等比数列,从10**0取到10**20,取5个数
- print(np.logspace(0, 20, 5))
- [1.e+00 1.e+05 1.e+10 1.e+15 1.e+20]
复制代码 4 zeros/ones/eye/empty
- #1. 构造3*4的全0numpy数组
- print(np.zeros((3, 4)))
- [[0. 0. 0. 0.]
- [0. 0. 0. 0.]
- [0. 0. 0. 0.]]
- #2. 构造3*4的全1numpy数组
- print(np.ones((3, 4)))
- [[1. 1. 1. 1.]
- [1. 1. 1. 1.]
- [1. 1. 1. 1.]]
- #3. 构造3个主元的单位numpy数组
- print(np.eye(3))
- [[1. 0. 0.]
- [0. 1. 0.]
- [0. 0. 1.]]
- #4. 构造一个4*4的随机numpy数组,里面的元素是随机生成的
- print(np.empty((4, 4)))
- [[ 2.31584178e+077 -1.49457545e-154 3.95252517e-323 0.00000000e+000]
- [ 0.00000000e+000 0.00000000e+000 0.00000000e+000 0.00000000e+000]
- [ 0.00000000e+000 0.00000000e+000 0.00000000e+000 0.00000000e+000]
- [ 0.00000000e+000 0.00000000e+000 1.29074055e-231 1.11687366e-308]]
复制代码 5 reshape
- arr = np.ones([2, 2], dtype=int)
- print(arr.reshape(4, 1))
- [[1]
- [1]
- [1]
- [1]]
复制代码 6 fromstring/fromfunction(了解)
- # fromstring通过对字符串的字符编码所对应ASCII编码的位置,生成一个ndarray对象
- s = 'abcdef'
- # np.int8表示一个字符的字节数为8
- print(np.fromstring(s, dtype=np.int8))
- # [ 97 98 99 100 101 102]
- /Applications/anaconda3/lib/python3.6/site-packages/ipykernel_launcher.py:4: DeprecationWarning: The binary mode of fromstring is deprecated, as it behaves surprisingly on unicode inputs. Use frombuffer instead
- after removing the cwd from sys.path.
- def func(i, j):
- """其中i为numpy数组的行,j为numpy数组的列"""
- return i * j
- # 使用函数对numpy数组元素的行和列的索引做处理,得到当前元素的值,索引从0开始,并构造一个3*4的numpy数组
- print(np.fromfunction(func, (3, 4)))
- [[0. 0. 0. 0.]
- [0. 1. 2. 3.]
- [0. 2. 4. 6.]]
复制代码 十、numpy数组运算
运算符说明+两个numpy数组对应元素相加- 两个numpy数组对应元素相减* 两个numpy数组对应元素相乘/ 两个numpy数组对应元素相除,如果都是整数则取商%两个numpy数组对应元素相除后取余数**n单个numpy数组每个元素都取n次方,如**2:每个元素都取平方- arrarr1 = np.array([[1, 2], [3, 4], [5, 6]])
- print(arr1)
- [[1 2]
- [3 4]
- [5 6]]
- arr2 = np.array([[7, 8], [9, 10], [11, 12]])
- print(arr2)
- [[ 7 8]
- [ 9 10]
- [11 12]]
- print(arr1 + arr2)
- [[ 8 10]
- [12 14]
- [16 18]]
- print(arr1**2)
- [[ 1 4]
- [ 9 16]
- [25 36]]
复制代码 十一、numpy数组运算函数
numpy数组函数详解np.sin(arr)对numpy数组arr中每个元素取正弦,sin(x)sin(x)np.cos(arr)对numpy数组arr中每个元素取余弦,cos(x)cos(x)np.tan(arr)对numpy数组arr中每个元素取正切,tan(x)tan(x)np.arcsin(arr)对numpy数组arr中每个元素取反正弦,arcsin(x)arcsin(x)np.arccos(arr)对numpy数组arr中每个元素取反余弦,arccos(x)arccos(x)np.arctan(arr)对numpy数组arr中每个元素取反正切,arctan(x)arctan(x)np.exp(arr)对numpy数组arr中每个元素取指数函数,exexnp.sqrt(arr)对numpy数组arr中每个元素开根号x−−√x一元函数:abs, sqrt, exp, log, ceil, floor, rint, trunc, modf, isnan, isinf, cos, sin, tan
二元函数:add, substract, multiply, divide, power, mod, maximum, mininum- arr = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]])
- print(arr)
- [[ 1 2 3 4]
- [ 5 6 7 8]
- [ 9 10 11 12]]
- #1. 对numpy数组的所有元素取正弦
- print(np.sin(arr))
- [[ 0.84147098 0.90929743 0.14112001 -0.7568025 ]
- [-0.95892427 -0.2794155 0.6569866 0.98935825]
- [ 0.41211849 -0.54402111 -0.99999021 -0.53657292]]
- #2. 对numpy数组的所有元素开根号
- print(np.sqrt(arr))
- [[1. 1.41421356 1.73205081 2. ]
- [2.23606798 2.44948974 2.64575131 2.82842712]
- [3. 3.16227766 3.31662479 3.46410162]]
- #3. 对numpy数组的所有元素取反正弦,如果元素不在定义域内,则会取nan值
- print(np.arcsin(arr * 0.1))
- [[0.10016742 0.20135792 0.30469265 0.41151685]
- [0.52359878 0.64350111 0.7753975 0.92729522]
- [1.11976951 1.57079633 nan nan]]
- ** /Applications/anaconda3/lib/python3.6/site-packages/ipykernel_launcher.py:2: RuntimeWarning: invalid value encountered in arcsin
-
- #4. 判断矩阵元素中是否含有np.nan值
- print(np.isnan(arr))
- # [[False False False]
- # [False False False]]
复制代码 十二、numpy数组矩阵化
1 numpy数组的转置
numpy数组的转置,相当于numpy数组的行和列互换。- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]]
- print(arr.transpose())
- [[1 4]
- [2 5]
- [3 6]]
- print(arr.T)
- [[1 4]
- [2 5]
- [3 6]]
复制代码 2 numpy数组的逆
numpy数组行和列相同时,numpy数组才可逆。- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [9, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [9 8 9]]
- print(np.linalg.inv(arr))
- [[ 0.5 -1. 0.5 ]
- [-3. 3. -1. ]
- [ 2.16666667 -1.66666667 0.5 ]]
- # 单位numpy数组的逆是单位numpy数组本身
- arr = np.eye(3)
- print(arr)
- [[1. 0. 0.]
- [0. 1. 0.]
- [0. 0. 1.]]
- print(np.linalg.inv(arr))
- [[1. 0. 0.]
- [0. 1. 0.]
- [0. 0. 1.]]
复制代码 十三、numpy数组数学和统计方法
方法详解sum求和cumsum累加求和mean求平均数std求标准差var求方差min求最小值max求最大值argmin求最小值索引argmax求最大值索引sort 排序1 最大最小值
- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
- #1. 获取numpy数组所有元素中的最大值
- print(arr.max())
- # 9
- # Python学习交流群:711312441
- #2. 获取numpy数组所有元素中的最小值
- print(arr.min())
- # 1
- #3. 获取举着每一行的最大值
- print(arr.max(axis=0))
- # [7 8 9]
- #4. 获取numpy数组每一列的最大值
- print(arr.max(axis=1))
- # [3 6 9]
- #5. 获取numpy数组最大元素的索引位置
- print(arr.argmax(axis=1))
- # [2 2 2]
复制代码 2 平均值
- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
- #1. 获取numpy数组所有元素的平均值
- print(arr.mean())
- # 5.0
- #2. 获取numpy数组每一列的平均值
- print(arr.mean(axis=0))
- # [4. 5. 6.]
- #3. 获取numpy数组每一行的平均值
- print(arr.mean(axis=1))
- # [2. 5. 8.]
复制代码 3 方差
方差公式为- mean(|x−x.mean()|2)mean(|x−x.mean()|2)
复制代码 其中x为numpy数组。- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
- #1. 获取numpy数组所有元素的方差
- print(arr.var())
- # 6.666666666666667
- #2. 获取numpy数组每一列的元素的方差
- print(arr.var(axis=0))
- # [6. 6. 6.]
- #3. 获取numpy数组每一行的元素的方差
- print(arr.var(axis=1))
- # [0.66666667 0.66666667 0.66666667]
复制代码 4 标准差
标准差公式为
mean|x−x.mean()|2−−−−−−−−−−−−−−−−−√=x.var()−−−−−−√mean|x−x.mean()|2=x.var()- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
- # Python学习交流群:711312441
- #1. 获取numpy数组所有元素的标准差
- print(arr.std())
- # 2.581988897471611
- #2. 获取numpy数组每一列的标准差
- print(arr.std(axis=0))
- # [2.44948974 2.44948974 2.44948974]
- #3. 获取numpy数组每一行的标准差
- print(arr.std(axis=1))
- [0.81649658 0.81649658 0.81649658]
复制代码 5 中位数
- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
- #1. 获取numpy数组所有元素的中位数
- print(np.median(arr))
- 5.0
- #2. 获取numpy数组每一列的中位数
- print(np.median(arr, axis=0))
- [4. 5. 6.]
- #3. 获取numpy数组每一行的中位数
- print(np.median(arr, axis=1))
- [2. 5. 8.]
复制代码 6 numpy数组求和
- arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
- print(arr)
- [[1 2 3]
- [4 5 6]
- [7 8 9]]
- #1. 对numpy数组的每一个元素求和
- print(arr.sum())
- # 45
- #2. 对numpy数组的每一列求和
- print(arr.sum(axis=0))
- # [12 15 18]
- #3. 对numpy数组的每一行求和
- print(arr.sum(axis=1))
- # [ 6 15 24]
复制代码 7 累加和
- arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
- print(arr)
- # [1 2 3 4 5]
- # 第n个元素为前n-1个元素累加和
- print(arr.cumsum())
- # [ 1 3 6 10 15]
复制代码 十四、numpy.random生成随机数
函数名称函数功能参数说明rand(d0,d1,⋯,dnd0,d1,⋯,dn)产生均匀分布的随机数dndn为第n维数据的维度randn(d0,d1,⋯,dnd0,d1,⋯,dn)产生标准正态分布随机数dndn为第n维数据的维度randint(low[, high, size, dtype])产生随机整数 low:最小值;high:最大值;size:数据个数random_sample([size])在[0,1)[0,1)内产生随机数size为随机数的shape,可以为元祖或者列表choice(a[, size])从arr中随机选择指定数据arr为1维数组;size为数组形状uniform(low,high [,size])给定形状产生随机数组low为最小值;high为最大值,size为数组形状shuffle(a)与random.shuffle相同a为指定数组- #1. RandomState()方法会让数据值随机一次,之后都是相同的数据
- rs = np.random.RandomState(1)
- print(rs.rand(10))
- [4.17022005e-01 7.20324493e-01 1.14374817e-04 3.02332573e-01
- 1.46755891e-01 9.23385948e-02 1.86260211e-01 3.45560727e-01
- 3.96767474e-01 5.38816734e-01]
- #2. 构造3*4的均匀分布的numpy数组
- # seed()方法会让数据值随机一次,之后都是相同的数据
- np.random.seed(1)
- print(np.random.rand(3, 4))
- [[4.17022005e-01 7.20324493e-01 1.14374817e-04 3.02332573e-01]
- [1.46755891e-01 9.23385948e-02 1.86260211e-01 3.45560727e-01]
- [3.96767474e-01 5.38816734e-01 4.19194514e-01 6.85219500e-01]]
- #3. 构造3*4*5的均匀分布的numpy数组
- print(np.random.rand(3, 4, 5))
- [[[0.20445225 0.87811744 0.02738759 0.67046751 0.4173048 ]
- [0.55868983 0.14038694 0.19810149 0.80074457 0.96826158]
- [0.31342418 0.69232262 0.87638915 0.89460666 0.08504421]
- [0.03905478 0.16983042 0.8781425 0.09834683 0.42110763]]
- [[0.95788953 0.53316528 0.69187711 0.31551563 0.68650093]
- [0.83462567 0.01828828 0.75014431 0.98886109 0.74816565]
- [0.28044399 0.78927933 0.10322601 0.44789353 0.9085955 ]
- [0.29361415 0.28777534 0.13002857 0.01936696 0.67883553]]
- [[0.21162812 0.26554666 0.49157316 0.05336255 0.57411761]
- [0.14672857 0.58930554 0.69975836 0.10233443 0.41405599]
- [0.69440016 0.41417927 0.04995346 0.53589641 0.66379465]
- [0.51488911 0.94459476 0.58655504 0.90340192 0.1374747 ]]]
- #4. 构造3*4的正态分布的numpy数组
- print(np.random.randn(3, 4))
- [[ 0.30017032 -0.35224985 -1.1425182 -0.34934272]
- [-0.20889423 0.58662319 0.83898341 0.93110208]
- [ 0.28558733 0.88514116 -0.75439794 1.25286816]]
- #5. 构造取值为1-5内的10个元素的ndarray数组
- print(np.random.randint(1, 5, 10))
- [1 1 1 2 3 1 2 1 3 4]
- #6. 构造取值为0-1内的3*4的numpy数组
- print(np.random.random_sample((3, 4)))
- [[0.62169572 0.11474597 0.94948926 0.44991213]
- [0.57838961 0.4081368 0.23702698 0.90337952]
- [0.57367949 0.00287033 0.61714491 0.3266449 ]]
- #7. 随机选取arr中的两个元素
- arr = np.array([1, 2, 3])
- print(np.random.choice(arr, size=2))
- [1 3]
- arr = np.random.uniform(1, 5, (2, 3))
- print(arr)
- [[4.72405173 3.30633687 4.35858086]
- [3.49316845 2.29806999 3.91204657]]
- np.random.shuffle(arr)
- print(arr)
- [[3.49316845 2.29806999 3.91204657]
- [4.72405173 3.30633687 4.35858086]]
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