NumPy 最详细教程(1):NumPy 数组


Numpy 数组:ndarrayNumPy 数组属性1、ndarray.shape2、ndarray.ndim3、ndarray.flags4、ndarray.realNumPy 中的常数NumPy 创建数组1、numpy.empty2、numpy.zeros3、numpy.ones4、numpy.fullNumPy 从数值范围创建数组1、numpy.arange2、numpy.linspace3、numpy.logspace4、numpy.geomspaceNumPy 从已有的数组创建数组1、numpy.asarray2、numpy.frombuffer3、numpy.fromiter4、empty_like5、zeros_like6、ones_like7、numpy.full_like

NumpyPython 中科学计算的核心库,NumPy 这个词来源于 NumericalPython 两个单词。它提供了一个高性能的多维数组对象,以及大量的库函数和操作,可以帮助程序员轻松地进行数值计算,广泛应用于机器学习模型、图像处理和计算机图形学、数学任务等领域。

Numpy 数组:ndarray

NumPy 中定义的最重要的对象是称为 ndarrayN 维数组类型,它是描述相同类型的元素集合。ndarray 中的每个元素都是数据类型对象(dtype)的对象。ndarray 中的每个元素在内存中使用相同大小的块。

numpy.array(object, dtype=None, copy=True, order='K', subok=False, ndmin=0)
参数描述
object 任何暴露数组接口方法的对象
dtype 数据类型
copy 如果为 True,则 object 对象被复制,否则,只有当__array__返回副本,object 是嵌套序列,或者需要副本来满足任何其他要求(dtype,order等)时,才会生成副本。
order 指定阵列的内存布局。 如果 object 不是数组,则新创建的数组将按行排列(C),如果指定了(F),则按列排列。 如果 object 是一个数组,则以下成立。C(按行)、F(按列)、A(原顺序)、K(元素在内存中的出现顺序)
subok 默认情况下,返回的数组被强制为基类数组。 如果为 True,则返回子类。
ndmin 返回数组的最小维数

例一:最简单的示例

import numpy as np

a = [123]
b = np.array(a)

print(b)
print(type(b))

输出:

[1 2 3]
<class 'numpy.ndarray'>

注意:list 打印显示是 [1, 2, 3],而 ndarray 打印显示是 [1 2 3],当中没有逗号。

例二:dtype 参数用法示例
NumPy 支持比 Python 更多种类的数值类型

import numpy as np

a = [123]
b = np.array(a, dtype=np.float_)
# 或者
b = np.array(a, dtype=float)

print(b)
print(b.dtype)
print(type(b[0]))

输出:

[1. 2. 3.]
float64
<class 'numpy.float64'>

例三:copy 参数的用法

import numpy as np

a = np.array([123])
b = np.array(a, copy=True)
a[0] = 0

print(a)
print(b)

输出:

[0 2 3]
[1 2 3]

可以看到 ab 的值不同,说明 ba 的副本,两个是不同的对象。

import numpy as np

a = np.array([123])
b = np.array(a, copy=False)
a[0] = 0

print(a)
print(b)

输出:

[0 2 3]
[0 2 3]

a 改变同时引起了 b 的改变,说明 ab 指向的是同一个对象。

例四:ndmin 参数用法示例

import numpy as np

a = [123]
b = np.array(a, ndmin=2)

print(b)

输出:

[[1 2 3]]

可以看到结果已经变成了二维数组。

例五:subok 参数用法示例
看解释不是很清楚,看下面这个例子就会明白许多。其中 matrix 是矩阵,将在之后的内容中介绍。

import numpy as np

a = np.matrix('1 2 7; 3 4 8; 5 6 9')
print(type(a))
print(a)
at = np.array(a, subok=True)
af = np.array(a, subok=False)
print(type(at))
print(type(af))

输出:

<class 'numpy.matrix'>
[[1 2 7]
 [3 4 8]
 [5 6 9]]

<class 'numpy.matrix'>
<class 'numpy.ndarray'>

NumPy 数组属性

NumPy 数组的维度(又称维数)称为秩(rank),一维数组的秩为 1,二维数组的秩为 2,以此类推。
NumPy 中,每一个线性的数组称为是一个轴(axis),也就是维度(dimensions)。

属性说明
ndarray.ndim 秩,即轴的数量或维度的数量
ndarray.shape 数组的维度,对于矩阵,n 行 m 列
ndarray.size 数组元素的总个数,相当于 .shape 中 n*m 的值
ndarray.dtype ndarray 对象的元素类型
ndarray.itemsize ndarray 对象中每个元素的大小,以字节为单位
ndarray.flags ndarray 对象的内存信息
ndarray.real ndarray 元素的实部(复数的实部)
ndarray.imag ndarray 元素的虚部(复数的虚部)
ndarray.data 包含实际数组元素的缓冲区,由于一般通过数组的索引获取元素,所以通常不需要使用这个属性。

1、ndarray.shape

返回一个包含数组维度的元组,对于矩阵,n 行 m 列,它也可以用于调整数组维度。
例一:

import numpy as np

a = np.array([[123], [456]])
print(a.shape)

输出:

(2, 3)

例二:

import numpy as np

a = np.array([[123], [456]])
a.shape = (32)
print(a)

输出:

[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]]

例三:
NumPy 也提供了reshape() 函数来调整数组维度。只是 reshape() 返回调整维度后的副本,而不改变原 ndarray

import numpy as np

a = np.array([[123], [456]])
b = a.reshape(32)
print(b)  # a 没变

输出:

[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]]

2、ndarray.ndim

返回数组的维度(秩)。
例一:

import numpy as np

a = np.arange(24)
print(a.ndim)

# 现在调整其大小
b = a.reshape(243)
print(b.ndim)

输出:

1
3

3、ndarray.flags

ndarray.flags 返回 ndarray 对象的内存信息,包含以下属性:

属性描述
C_CONTIGUOUS 数据是在一个单一的C风格的连续段中
F_CONTIGUOUS 数据是在一个单一的Fortran风格的连续段中
OWNDATA 数组拥有它所使用的内存或从另一个对象中借用它
WRITEABLE 数据区域可以被写入,将该值设置为 False,则数据为只读
ALIGNED 数据和所有元素都适当地对齐到硬件上
WRITEBACKIFCOPY UPDATEIFCOPY 已弃用,由 WRITEBACKIFCOPY 取代;
UPDATEIFCOPY 这个数组是其它数组的一个副本,当这个数组被释放时,原数组的内容将被更新
import numpy as np

a = np.array([[123], [456]])
print(a.flags)

输出:

C_CONTIGUOUS : True
F_CONTIGUOUS : False
OWNDATA : True
WRITEABLE : True
ALIGNED : True
WRITEBACKIFCOPY : False
UPDATEIFCOPY : False

4、ndarray.real

import numpy as np

x = np.sqrt([1+0j0+1j])
print(x)
print(x.real)
print(x.real.dtype)

输出:

[1.        +0.j         0.70710678+0.70710678j]
[1.         0.70710678]
float64

NumPy 中的常数

  • 正无穷:Inf = inf = infty = Infinity = PINF
  • 负无穷:NINF
  • 正零:PZERO
  • 负零:NZERO
  • 非数值:nan = NaN = NAN
  • 自然数e:e
  • π:pi
  • 伽马:euler_gamma
  • None 的别名:newaxis

示例:

print(np.inf)
print(np.NINF)
print(np.PZERO)
print(np.NZERO)
print(np.nan)
print(np.e)
print(np.pi)
print(np.euler_gamma)
print(np.newaxis)

输出:

inf
-inf
0.0
-0.0
nan
2.718281828459045
3.141592653589793
0.5772156649015329
None

NumPy 创建数组

1、numpy.empty

此方法用来创建一个指定维度(shape)、数据类型(dtype)的未初始化的数组。

numpy.empty(shape, dtype=float, order='C')
参数描述
shape 一个表示数组维度的元组
dtype 数据类型
order 有 "C" 和 "F" 两个选项

示例:

import numpy as np

x = np.empty([32], dtype=int)
print(x)

输出:

[[         0 1072693248]
 [         0 1072693248]
 [         0 1072693248]]

empty() 方法和 zeros() 方法不同,不会将数组值设置为零,因此可能会略微加快。另一方面,它要求用户手动设置数组中的所有值,并应谨慎使用。

2、numpy.zeros

创建指定维度,以 0 填充的新数组。

numpy.zeros(shape, dtype=float, order='C')

示例:

import numpy as np

x = np.zeros(5)
print(x)

输出:

[0. 0. 0. 0. 0.]

注意:默认是 float 类型的

3、numpy.ones

创建指定维度,以 1 填充的新数组。

numpy.ones(shape, dtype=float, order='C')

示例:

import numpy as np

x = np.ones(5)
print(x)

输出:

[1. 1. 1. 1. 1.]

4、numpy.full

返回给定维度和类型的新数组,填充 fill_value。

numpy.full(shape, fill_value, dtype=None, order='C')
参数描述
shape 返回数组的维度
fill_value 填充值
dtype 返回数组的数据类型,默认值 None 指:np.array(fill_value).dtype
order 在计算机内存中的存储元素的顺序,只支持 'C'(按行)、'F'(按列),默认 'C'

示例:

import numpy as np

a = np.full((23), 9)
print(a)

输出:

[[9 9 9]
 [9 9 9]]

NumPy 从数值范围创建数组

1、numpy.arange

该函数等效于 Python 内置 range 函数,但返回的是 ndarray 而不是列表。

arange([start,] stop[, step,], dtype=None)

[ ] 括起来的表示可选参数。

参数描述
start 起始值,默认为 0
stop 终止值(不包含)
step 步长,默认为1
dtype 创建的 ndarray 的数据类型,如果没有提供,则会使用输入数据的类型。

示例:

import numpy as np

a = np.arange(5)
b = np.arange(10202)
print(a)
print(b)

输出:

[0 1 2 3 4]
[10 12 14 16 18]

2、numpy.linspace

创建一个一维等差数列的数组,与 arange 函数不同,arange 是固定步长,而 linspace 则是固定元素数量。

linspace(start, stop, num=50, endpoint=True, retstep=False, dtype=None)
参数描述
start 序列的起始值
stop 序列的终止值,如果 endpoint 为 True,则该值包含于数列中
num 要生成的等步长的样本数量,默认为 50
endpoint 该值为 Ture 时,数列中中包含 stop 值,反之不包含,默认是 True。
retstep 如果为 True 时,生成的数组中会显示间距,反之不显示。
dtype ndarray 的数据类型

例一:endpoint 参数的用法
我特意挑了下面这个除不尽的例子来显示 endpoint 的效果。可以看到,endpoint=False 取值是 endpoint=True,并且 num = num + 1 的结果去掉终止值。这话有点拗口啊,对比一下下例中的 num 参数值及输出结果就明白了。

import numpy as np

a = np.linspace(053, endpoint=False)
b = np.linspace(054, endpoint=True)

print(a)
print(b)

输出:

[0.         1.66666667 3.33333333]
[0.         1.66666667 3.33333333 5.        ]

例二:retstep 参数的用法
返回一个元组,第一个元素是 numpy.ndarray,第二个元素是步长。

import numpy as np

a = np.linspace(0105, retstep=True)
print(a)

输出:

(array([ 0. ,  2.5,  5. ,  7.5, 10. ]), 2.5)

例三:dtype 参数
dtype 参数指定后会将结果强制转换成 dtype 指定的类型,如果是 float 转 int,最终值就可能不是等差的了。

import numpy as np

a = np.linspace(0105, dtype=int)
print(a)

输出:

0  2  5  7 10]

3、numpy.logspace

numpy.logspace 函数用于创建一个等比数列。

numpy.logspace(startstopnum=50, endpoint=True, base=10.0, dtype=None)
参数描述
start 序列的起始值为:base ** start (幂运算)
stop 序列的终止值为:base ** stop。如果 endpoint 为 True,该值包含于数列中
num 要生成的等步长的样本数量,默认为50
endpoint 该值为 Ture 时,数列中中包含 stop 值,反之不包含,默认是 True。
base 对数 log 的底数。
dtype ndarray 的数据类型

示例:
其实没啥好说的,主要是注意 start 参数的值并非是真正的起始值。

import numpy as np

a = np.logspace(14, num=4)
print(a)

输出:

[   10.   100.  1000. 10000.]

4、numpy.geomspace

创建一个一维等比数列。

numpy.geomspace(startstopnum=50, endpoint=True, dtype=None, axis=0)
参数描述
start 序列的起始值
stop 序列的终止值,如果 endpoint 为 True,该值包含于数列中
num 要生成的样本数量,默认为 50
endpoint 该值为 Ture 时,数列中中包含 stop 值,反之不包含,默认是 True。
dtype ndarray 的数据类型
axis 1.16.0 版本中的新功能 ,没看懂怎么用,官网上连个例子都没有,值为 0 和 -1 的时候结果相同,其他时候都报错。

示例:

import numpy as np

a = np.geomspace(18, num=4)
print(a)

输出:

[1. 2. 4. 8.]

NumPy 从已有的数组创建数组

1、numpy.asarray

numpy.asarray 类似 numpy.array,但 numpy.asarray 的参数只有三个。

numpy.asarray(a, dtype=None, order=None)
参数描述
a 输入数据,可以转换为数组的任何形式。 这包括列表,元组列表,元组,元组元组,列表元组和 ndarray。
dtype 数据类型
order 在计算机内存中的存储元素的顺序,只支持 'C'(按行)、'F'(按列),默认 'C'

示例:

import numpy as np

a = np.asarray([123])
print(a)

输出:

[1 2 3]

2、numpy.frombuffer

numpy.frombuffer 用于实现动态数组。numpy.frombuffer 接受 buffer 输入参数,以流的形式读入转化成 ndarray 对象。

numpy.frombuffer(buffer, dtype=float, count=-1, offset=0)
参数描述
buffer 实现了 __buffer__ 方法的对象,(绝对不是菜鸟教程上说的任意对象都可以)
dtype 返回数组的数据类型
count 读取的数据数量,默认为 -1,读取所有数据。
offset 读取的起始位置,默认为 0。

例一:
buffer 是字符串的时候,Python3 默认 str 是 Unicode 类型,所以要转成 bytestring 在原 str 前加上 b。

import numpy as np

a = np.frombuffer(b'Hello World', dtype='S1')
print(a)

输出:

[b'H' b'e' b'l' b'l' b'o' b' ' b'W' b'o' b'r' b'l' b'd']

例二:
看了上面的例子,似乎对“实现动态数组”没啥感觉,那么我们来看这个例子。

import numpy as np
import array

a = array.array('i', [1234])
print(a)

na = np.frombuffer(a, dtype=np.int_)
print(na)

a[0] = 10
print(a)
print(na)

输出:

array('i', [1234])
[1 2 3 4]
array('i', [10234])
[10  2  3  4]

array.array 创建的数组对象内存是连续的(这里不能用 list,会报:AttributeError: 'list' object has no attribute 'buffer'),numpy.frombufferarray.array 的内存中创建数组,从上例中可以看出,改变 array.array 的值,numpy.frombuffer 的值也会跟着改变,由此可见。

例三:
array.array 数组中的值改变是可以的,但是如果是添加值,那就不行了。

import numpy as np
import array

a = array.array("i", [1234])
na = np.frombuffer(a, dtype=int)
print(na)

a.append(5)
print(na)

输出:

[1 2 3 4]
[140896288       381         3         4]

3、numpy.fromiter

numpy.fromiter 方法从可迭代对象中建立 ndarray 对象,返回一维数组。

numpy.fromiter(iterable, dtype, count=-1)
参数描述
iterable 可迭代对象
dtype 返回数组的数据类型
count 读取的数据数量,默认为 -1,读取所有数据

例一:

import numpy as np

iterable = (x * x for x in range(5))
a = np.fromiter(iterable, int)
print(a)

输出:

0  1  4  9 16]

看起来有点像 numpy.arrayarray 方法需要传入的是一个 list,而 fromiter 可以传入可迭代对象。

例二:
将上例换成 array 试试看。

import numpy as np

iterable = (x * x for x in range(5))
a = np.array(iterable)
print(a)

输出:

<generator object <genexpr> at 0x000000001442DD00>

4、empty_like

返回一个与给定数组具有相同维度和类型的未初始化的新数组。

numpy.empty_like(prototype, dtype=None, order='K', subok=True)
参数描述
prototype 给定的数组
dtype 覆盖结果的数据类型,版本1.6.0中的新功能。
order 指定阵列的内存布局。C(按行)、F(按列)、A(原顺序)、K(元素在内存中的出现顺序)
subok 默认情况下,返回的数组被强制为基类数组。 如果为 True,则返回子类。

示例:

import numpy as np
a = np.empty_like([[123], [456]])
print(a)

输出:*

[[870   0   0]
 [  0   0   0]]

5、zeros_like

numpy.zeros_like(a, dtype=None, order='K', subok=True)

参数同上。

示例:

import numpy as np
a = np.zeros_like([[1.02.03.0], [4.05.06.0]])
print(a)

输出:*

[[0. 0. 0.]
 [0. 0. 0.]]

6、ones_like

numpy.ones_like(a, dtype=None, order='K', subok=True)

参数同上。

示例:

import numpy as np
a = np.ones_like([[123], [456]])
print(a)

输出:*

[[1 1 1]
 [1 1 1]]

7、numpy.full_like

返回与给定数组具有相同维度和类型的并以 fill_value 填充的数组。

numpy.full_like(a, fill_value, dtype=None, order='K', subok=True)
参数描述
a 给定的数组
fill_value 填充值
dtype 返回数组的数据类型,默认值 None,则使用给定数组的类型
order 指定阵列的内存布局。C(按行)、F(按列)、A(原顺序)、K(元素在内存中的出现顺序)
subok 默认情况下,返回的数组被强制为基类数组。 如果为 True,则返回子类。

zeros_like、ones_like 其实都是此方法的特例。

示例:

import numpy as np

x = np.arange(6, dtype=int)
print(x)
print('-------------------')
a = np.full_like(x, 1)
b = np.full_like(x, 0.1)
c = np.full_like(x, 0.1, dtype=np.double)

print(a)
print(b)
print(c)

输出:

[0 1 2 3 4 5]
-------------------
[1 1 1 1 1 1]
[0 0 0 0 0 0]
[0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1]

作者:丹枫无迹,发布于:2019/03/15
原文:https://www.cnblogs.com/gl1573/p/10531421.html