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NumPy之:ndarray多维数组操作

NumPy之:ndarray多维数组操作

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简介

NumPy一个非常重要的作用就是可以进行多维数组的操作,多维数组对象也叫做ndarray。我们可以在ndarray的基础上进行一系列复杂的数学运算。

本文将会介绍一些基本常见的ndarray操作,大家可以在数据分析中使用。

创建ndarray

创建ndarray有很多种方法,我们可以使用np.random来随机生成数据:

import numpy as np# Generate some random datadata = np.random.randn(2, 3)data
array([[ 0.0929,  0.2817,  0.769 ],[ 1.2464,  1.0072, -1.2962]])

除了随机创建之外,还可以从list中创建:

data1 = [6, 7.5, 8, 0, 1]arr1 = np.array(data1)
array([6. , 7.5, 8. , 0. , 1. ])

从list中创建多维数组:

data2 = [[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8]]arr2 = np.array(data2)
array([[1, 2, 3, 4],[5, 6, 7, 8]])

使用np.zeros创建初始值为0的数组:

np.zeros(10)array([0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.])

创建2维数组:

np.zeros((3, 6))
array([[0., 0., 0., 0., 0., 0.],[0., 0., 0., 0., 0., 0.],[0., 0., 0., 0., 0., 0.]])

使用empty创建3维数组:

np.empty((2, 3, 2))
array([[[0., 0.],[0., 0.],[0., 0.]],[[0., 0.],[0., 0.],[0., 0.]]])

注意,这里我们看到empty创建的数组值为0,其实并不是一定的,empty会从内存中随机挑选空间来返回,并不能保证这些空间中没有值。所以我们在使用empty创建数组之后,在使用之前,还要记得初始化他们。

使用arange创建范围类的数组:

np.arange(15)
array([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12, 13, 14])

指定数组中元素的dtype:

arr1 = np.array([1, 2, 3], dtype=np.float64)arr2 = np.array([1, 2, 3], dtype=np.int32)

ndarray的属性

可以通过data.shape获得数组的形状。

data.shape(2, 3)

通过ndim获取维数信息:

arr2.ndim2

可以通过data.dtype获得具体的数据类型。

data.dtypedtype(\'float64\')

ndarray中元素的类型转换

在创建好一个类型的ndarray之后,还可以对其进行转换:

arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])arr.dtypedtype(\'int64\')float_arr = arr.astype(np.float64)float_arr.dtypedtype(\'float64\')

上面我们使用astype将int64类型的ndarray转换成了float64类型的。

如果转换类型的范围不匹配,则会自动进行截断操作:

arr = np.array([3.7, -1.2, -2.6, 0.5, 12.9, 10.1])arr.astype(np.int32)array([ 3, -1, -2,  0, 12, 10], dtype=int32)

注意,这里是把小数截断,并没有向上或者向下取整。

ndarray的数学运算

数组可以和常量进行运算,也可以和数组进行运算:

arr = np.array([[1., 2., 3.], [4., 5., 6.]])arr * arrarray([[ 1.,  4.,  9.],[16., 25., 36.]])arr + 10array([[11., 12., 13.],[14., 15., 16.]])arr - arrarray([[0., 0., 0.],[0., 0., 0.]])1 / arrarray([[1.    , 0.5   , 0.3333],[0.25  , 0.2   , 0.1667]])arr ** 0.5array([[1.    , 1.4142, 1.7321],[2.    , 2.2361, 2.4495]])

数组之间还可以进行比较,比较的是数组中每个元素的大小:

arr2 = np.array([[0., 4., 1.], [7., 2., 12.]])arr2 > arrarray([[False,  True, False],[ True, False,  True]])

index和切片

基本使用

先看下index和切片的基本使用,index基本上和普通数组的使用方式是一样的,用来访问数组中某一个元素。

切片要注意的是切片后返回的数组中的元素是原数组中元素的引用,修改切片的数组会影响到原数组。

# 构建一维数组arr = np.arange(10)array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])# index访问arr[5]5# 切片访问arr[5:8]array([5, 6, 7])# 切片修改arr[5:8] = 12array([ 0,  1,  2,  3,  4, 12, 12, 12,  8,  9])# 切片可以修改原数组的值arr_slice = arr[5:8]arr_slice[1] = 12345arrarray([    0,     1,     2,     3,     4,    12, 12345,    12,     8,9])# 构建二维数组arr2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])arr2d[2]array([7, 8, 9])# index 二维数组arr2d[0][2]3# index二维数组arr2d[0, 2]3# 构建三维数组arr3d = np.array([[[1, 2, 3], [4, 5, 6]], [[7, 8, 9], [10, 11, 12]]])arr3darray([[[ 1,  2,  3],[ 4,  5,  6]],[[ 7,  8,  9],[10, 11, 12]]])# index三维数组arr3d[0]array([[1, 2, 3],[4, 5, 6]])# copy是硬拷贝,和原数组的值相互不影响old_values = arr3d[0].copy()arr3d[0] = 42arr3darray([[[42, 42, 42],[42, 42, 42]],[[ 7,  8,  9],[10, 11, 12]]])arr3d[0] = old_valuesarr3darray([[[ 1,  2,  3],[ 4,  5,  6]],[[ 7,  8,  9],[10, 11, 12]]])# index 三维数组arr3d[1, 0]array([7, 8, 9])x = arr3d[1]xarray([[ 7,  8,  9],[10, 11, 12]])x[0]array([7, 8, 9])

index with slice

slice还可以作为index使用,作为index使用表示的就是一个index范围值。

作为index表示的slice可以有多种形式。

有头有尾的,表示index从1开始到6-1结束:

arr[1:6]
array([ 1,  2,  3,  4, 64])

无头有尾的,表示index从0开始,到尾-1结束:

arr2d[:2]
array([[1, 2, 3],[4, 5, 6]])

有头无尾的,表示从头开始,到所有的数据结束:

arr2d[:2, 1:]
array([[2, 3],[5, 6]])
arr2d[1, :2]
array([4, 5])

boolean index

index还可以使用boolean值,表示是否选择这一个index的数据。

我们先看下怎么构建一个boolean类型的数组:

names = np.array([\'Bob\', \'Joe\', \'Will\', \'Bob\', \'Will\', \'Joe\', \'Joe\'])names == \'Bob\'array([ True, False, False,  True, False, False, False])

上面我们通过比较的方式返回了一个只包含True和False的数组。

这个数组可以作为index值来访问数组:

#  构建一个7 * 4 的数组data = np.random.randn(7, 4)array([[ 0.275 ,  0.2289,  1.3529,  0.8864],[-2.0016, -0.3718,  1.669 , -0.4386],[-0.5397,  0.477 ,  3.2489, -1.0212],[-0.5771,  0.1241,  0.3026,  0.5238],[ 0.0009,  1.3438, -0.7135, -0.8312],[-2.3702, -1.8608, -0.8608,  0.5601],[-1.2659,  0.1198, -1.0635,  0.3329]])# 通过boolean数组来访问:data[names == \'Bob\']array([[ 0.275 ,  0.2289,  1.3529,  0.8864],[-0.5771,  0.1241,  0.3026,  0.5238]])

在索引行的时候,还可以索引列:

data[names == \'Bob\', 3]array([0.8864, 0.5238])

可以用

~

符号来取反:

data[~(names == \'Bob\')]array([[-2.0016, -0.3718,  1.669 , -0.4386],[-0.5397,  0.477 ,  3.2489, -1.0212],[ 0.0009,  1.3438, -0.7135, -0.8312],[-2.3702, -1.8608, -0.8608,  0.5601],[-1.2659,  0.1198, -1.0635,  0.3329]])

我们可以通过布尔型数组设置值,在实际的项目中非常有用:

data[data < 0] = 0array([[0.275 , 0.2289, 1.3529, 0.8864],[0.    , 0.    , 1.669 , 0.    ],[0.    , 0.477 , 3.2489, 0.    ],[0.    , 0.1241, 0.3026, 0.5238],[0.0009, 1.3438, 0.    , 0.    ],[0.    , 0.    , 0.    , 0.5601],[0.    , 0.1198, 0.    , 0.3329]])
data[names != \'Joe\'] = 7array([[7.    , 7.    , 7.    , 7.    ],[0.    , 0.    , 1.669 , 0.    ],[7.    , 7.    , 7.    , 7.    ],[7.    , 7.    , 7.    , 7.    ],[7.    , 7.    , 7.    , 7.    ],[0.    , 0.    , 0.    , 0.5601],[0.    , 0.1198, 0.    , 0.3329]])

Fancy indexing

Fancy indexing也叫做花式索引,它是指使用一个整数数组来进行索引。

举个例子,我们先创建一个 8 * 4的数组:

arr = np.empty((8, 4))for i in range(8):arr[i] = iarr
array([[0., 0., 0., 0.],[1., 1., 1., 1.],[2., 2., 2., 2.],[3., 3., 3., 3.],[4., 4., 4., 4.],[5., 5., 5., 5.],[6., 6., 6., 6.],[7., 7., 7., 7.]])

然后使用一个整数数组来索引,那么将会以指定的顺序来选择行:

arr[[4, 3, 0, 6]]array([[4., 4., 4., 4.],[3., 3., 3., 3.],[0., 0., 0., 0.],[6., 6., 6., 6.]])

还可以使用负值来索引:

arr[[-3, -5, -7]]
array([[5., 5., 5., 5.],[3., 3., 3., 3.],[1., 1., 1., 1.]])

花式索引还可以组合来使用:

arr = np.arange(32).reshape((8, 4))arr
array([[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11],[12, 13, 14, 15],[16, 17, 18, 19],[20, 21, 22, 23],[24, 25, 26, 27],[28, 29, 30, 31]])

上面我们构建了一个8 * 4的数组。

arr[[1, 5, 7, 2], [0, 3, 1, 2]]
array([ 4, 23, 29, 10])

然后取他们的第2列的第一个值,第6列的第三个值等等。最后得到一个1维的数组。

数组变换

我们可以在不同维度的数组之间进行变换,还可以转换数组的轴。

reshape方法可以将数组转换成为任意的形状:

arr = np.arange(15).reshape((3, 5))arr
array([[ 0,  1,  2,  3,  4],[ 5,  6,  7,  8,  9],[10, 11, 12, 13, 14]])

数组还提供了一个T命令,可以将数组的轴进行对调:

arr.T
array([[ 0,  5, 10],[ 1,  6, 11],[ 2,  7, 12],[ 3,  8, 13],[ 4,  9, 14]])

对于高维数组,可以使用transpose来进行轴的转置:

arr = np.arange(16).reshape((2, 2, 4))arrarray([[[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7]],[[ 8,  9, 10, 11],[12, 13, 14, 15]]])arr.transpose((1, 0, 2))
array([[[ 0,  1,  2,  3],[ 8,  9, 10, 11]],[[ 4,  5,  6,  7],[12, 13, 14, 15]]])

上面的transpose((1, 0, 2)) 怎么理解呢?

其含义是将x,y轴对调,z轴保持不变。

上面我们通过使用reshape((2, 2, 4))方法创建了一个3维,也就是3个轴的数组。 其shape是 2 * 2 * 4 。

先看下对应关系:

(0,0)-》 [ 0, 1, 2, 3]

(0,1)-》 [ 4, 5, 6, 7]

(1,0)-》 [ 8, 9, 10, 11]

(1,1)-》 [12, 13, 14, 15]

转换之后:

(0,0)-》 [ 0, 1, 2, 3]

(0,1)-》 [ 8, 9, 10, 11]

(1,0)-》[ 4, 5, 6, 7]

(1,1)-》 [12, 13, 14, 15]

于是得到了我们上面的的结果。

多维数组的轴转换可能比较复杂,大家多多理解。

还可以使用 swapaxes 来交换两个轴,上面的例子可以重写为:

arr.swapaxes(0,1)

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