Numpy基础数据结构
NumPy数组是一个多维数组对象，称为ndarray。其由两部分组成：
- 实际的数据
- 描述这些数据的元数据
Numpy Python开源的科学计算工具包
高级的数据编程工具
- ndarray 是强大的N维数组对象。
- 对数据结构进行运算（不适用遍历循环）
- 随机数、线性代数、玻璃叶变化等功能
多维数组ndarray基本属性
ar = np.array([1,2,3,4,5,6,7])
print(ar) # 输出数组，注意数组的格式：中括号，元素之间没有逗号（和列表区分）
print(ar.ndim) # 输出数组维度的个数（轴数），或者说“秩”，维度的数量也称rank
print(ar.shape) # 数组的维度，对于n行m列的数组，shape为（n，m）
print(ar.size) # 数组的元素总数，对于n行m列的数组，元素总数为n*m
print(ar.dtype) # 数组中元素的类型，类似type()（注意了，type()是函数，.dtype是方法）
print(ar.itemsize) # 数组中每个元素的字节大小，int32l类型字节为4，float64的字节为8
print(ar.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。
ar # 交互方式下输出，会有array(数组)
# 数组的基本属性
# ① 数组的维数称为秩（rank），一维数组的秩为1，二维数组的秩为2，以此类推
# ② 在NumPy中，每一个线性的数组称为是一个轴（axes），秩其实是描述轴的数量：
# 比如说，二维数组相当于是两个一维数组，其中第一个一维数组中每个元素又是一个一维数组
# 所以一维数组就是NumPy中的轴（axes），第一个轴相当于是底层数组，第二个轴是底层数组里的数组。
# 而轴的数量——秩，就是数组的维数。
==========================
[1 2 3 4 5 6 7]
1
(7,)
7
int32
4
<memory at 0x0000000005927108>
array([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7])
创建数组
array() 创建数组
array()函数，括号内可以是列表、元祖、数组、生成器等
ar1 = np.array(range(10)) # 整型
ar2 = np.array([1,2,3.14,4,5]) # 浮点型
ar3 = np.array([[1,2,3],('a','b','c')]) # 二维数组：嵌套序列（列表，元祖均可）
ar4 = np.array([[1,2,3],('a','b','c','d')]) # 注意嵌套序列数量不一会怎么样
print(ar1,type(ar1),ar1.dtype)
print(ar2,type(ar2),ar2.dtype)
print(ar3,ar3.shape,ar3.ndim,ar3.size) # 二维数组，共6个元素
print(ar4,ar4.shape,ar4.ndim,ar4.size) # 一维数组，共2个元素
==============================
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] <class 'numpy.ndarray'> int32
[ 1. 2. 3.14 4. 5. ] <class 'numpy.ndarray'> float64
[['1' '2' '3']
['a' 'b' 'c']] (2, 3) 2 6
[[1, 2, 3] ('a', 'b', 'c', 'd')] (2,) 1 2
arange() 创建数组
创建数组：arange()，类似range()，在给定间隔内返回均匀间隔的值。
print(np.arange(10)) # 返回0-9，整型
print(np.arange(10.0)) # 返回0.0-9.0，浮点型
print(np.arange(5,12)) # 返回5-11
print(np.arange(5.0,12,2)) # 返回5.0-12.0，步长为2
print(np.arange(10000)) # 如果数组太大而无法打印，NumPy会自动跳过数组的中心部分，并只打印边角：
=====================
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[ 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.]
[ 5 6 7 8 9 10 11]
[ 5. 7. 9. 11.]
[ 0 1 2 ..., 9997 9998 9999]
linspace() 创建数组
创建数组：linspace():返回在间隔[开始，停止]上计算的num个均匀间隔的样本。
ar1 = np.linspace(2.0, 3.0, num=5)
ar2 = np.linspace(2.0, 3.0, num=5, endpoint=False)
ar3 = np.linspace(2.0, 3.0, num=5, retstep=True)
print(ar1,type(ar1))
print(ar2)
print(ar3,type(ar3))
# numpy.linspace(start, stop, num=50, endpoint=True, retstep=False, dtype=None)
# start：起始值，stop：结束值
# num：生成样本数，默认为50
# endpoint：如果为真，则停止是最后一个样本。否则，不包括在内。默认值为True。
# retstep：如果为真，返回（样本，步骤），其中步长是样本之间的间距 → 输出为一个包含2个元素的元祖，第一个元素为array，第二个为步长实际值
===============================================
[ 2. 2.25 2.5 2.75 3. ] <class 'numpy.ndarray'>
[ 2. 2.2 2.4 2.6 2.8]
(array([ 2. , 2.25, 2.5 , 2.75, 3. ]), 0.25) <class 'tuple'>
创建数组：zeros()/zeros_like()/ones()/ones_like()
ar1 = np.zeros(5)
ar2 = np.zeros((2,2), dtype = np.int)
print(ar1,ar1.dtype)
print(ar2,ar2.dtype)
print('------')
# numpy.zeros(shape, dtype=float, order='C'):返回给定形状和类型的新数组，用零填充。
# shape：数组纬度，二维以上需要用()，且输入参数为整数
# dtype：数据类型，默认numpy.float64
# order：是否在存储器中以C或Fortran连续（按行或列方式）存储多维数据。
ar3 = np.array([list(range(5)),list(range(5,10))])
ar4 = np.zeros_like(ar3)
print(ar3)
print(ar4)
print('------')
# 返回具有与给定数组相同的形状和类型的零数组，这里ar4根据ar3的形状和dtype创建一个全0的数组
ar5 = np.ones(9)
ar6 = np.ones((2,3,4))
ar7 = np.ones_like(ar3)
print(ar5)
print(ar6)
print(ar7)
# ones()/ones_like()和zeros()/zeros_like()一样，只是填充为1
===========================
[ 0. 0. 0. 0. 0.] float64
[[0 0]
[0 0]] int32
------
[[0 1 2 3 4]
[5 6 7 8 9]]
[[0 0 0 0 0]
[0 0 0 0 0]]
------
[ 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.]
[[[ 1. 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1. 1.]]
[[ 1. 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1. 1.]]]
[[1 1 1 1 1]
[1 1 1 1 1]]
eye() 创建数组
# 创建数组：eye()
print(np.eye(5))
# 创建一个正方的N*N的单位矩阵，对角线值为1，其余为0
======================================
[[ 1. 0. 0. 0. 0.]
[ 0. 1. 0. 0. 0.]
[ 0. 0. 1. 0. 0.]
[ 0. 0. 0. 1. 0.]
[ 0. 0. 0. 0. 1.]]
Numpy通用函数基本操作
数组形状：.T/.reshape()/.resize()
ar1 = np.arange(10)
ar2 = np.ones((5,2))
print(ar1,'\n',ar1.T)
print(ar2,'\n',ar2.T)
print('------')
# .T方法：转置，例如原shape为(3,4)/(2,3,4)，转置结果为(4,3)/(4,3,2) → 所以一维数组转置后结果不变
ar3 = ar1.reshape(2,5) # 用法1：直接将已有数组改变形状
ar4 = np.zeros((4,6)).reshape(3,8) # 用法2：生成数组后直接改变形状
ar5 = np.reshape(np.arange(12),(3,4)) # 用法3：参数内添加数组，目标形状
print(ar1,'\n',ar3)
print(ar4)
print(ar5)
print('------')
# numpy.reshape(a, newshape, order='C')：为数组提供新形状，而不更改其数据，所以元素数量需要一致！！
ar6 = np.resize(np.arange(5),(3,4))
print(ar6)
# numpy.resize(a, new_shape)：返回具有指定形状的新数组，如有必要可重复填充所需数量的元素。
# 注意了：.T/.reshape()/.resize()都是生成新的数组！！！
=======================================
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[[ 1. 1.]
[ 1. 1.]
[ 1. 1.]
[ 1. 1.]
[ 1. 1.]]
[[ 1. 1. 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1. 1. 1.]]
------
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[[0 1 2 3 4]
[5 6 7 8 9]]
[[ 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
[ 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
[ 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]]
[[ 0 1 2 3]
[ 4 5 6 7]
[ 8 9 10 11]]
------
[[0 1 2 3]
[4 0 1 2]
[3 4 0 1]]
数组的复制
ar1 = np.arange(10)
ar2 = ar1
print(ar2 is ar1)
ar1[2] = 9
print(ar1,ar2)
# 回忆python的赋值逻辑：指向内存中生成的一个值 → 这里ar1和ar2指向同一个值，所以ar1改变，ar2一起改变
ar3 = ar1.copy()
print(ar3 is ar1)
ar1[0] = 9
print(ar1,ar3)
# copy方法生成数组及其数据的完整拷贝
# 再次提醒：.T/.reshape()/.resize()都是生成新的数组！！！
=========================================
True
[0 1 9 3 4 5 6 7 8 9] [0 1 9 3 4 5 6 7 8 9]
False
[9 1 9 3 4 5 6 7 8 9] [0 1 9 3 4 5 6 7 8 9]
数组类型转换：.astype()
ar1 = np.arange(10,dtype=float)
print(ar1,ar1.dtype)
print('-----')
# 可以在参数位置设置数组类型
ar2 = ar1.astype(np.int32)
print(ar2,ar2.dtype)
print(ar1,ar1.dtype)
# a.astype()：转换数组类型
# 注意：养成好习惯，数组类型用np.int32，而不是直接int32
==============================
[ 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.] float64
-----
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9] int32
[ 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.] float64
数组堆叠
a = np.arange(5) # a为一维数组，5个元素
b = np.arange(5,9) # b为一维数组,4个元素
ar1 = np.hstack((a,b)) # 注意:((a,b))，这里形状可以不一样
print(a,a.shape)
print(b,b.shape)
print(ar1,ar1.shape)
========================================================
[0 1 2 3 4] (5,)
[5 6 7 8] (4,)
[0 1 2 3 4 5 6 7 8] (9,)
a = np.array([[1],[2],[3]]) # a为二维数组，3行1列
b = np.array([['a'],['b'],['c']]) # b为二维数组，3行1列
ar2 = np.hstack((a,b)) # 注意:((a,b))，这里形状必须一样
print(a,a.shape)
print(b,b.shape)
print(ar2,ar2.shape)
print('-----')
# numpy.hstack(tup)：水平（按列顺序）堆叠数组
=========================================================
[[1]
[2]
[3]] (3, 1)
[['a']
['b']
['c']] (3, 1)
[['1' 'a']
['2' 'b']
['3' 'c']] (3, 2)
# numpy.vstack(tup)：垂直（按列顺序）堆叠数组
a = np.arange(5)
b = np.arange(5,10)
ar1 = np.vstack((a,b))
print(a,a.shape)
print(b,b.shape)
print(ar1,ar1.shape)
==========================================================
[0 1 2 3 4] (5,)
[5 6 7 8 9] (5,)
[[0 1 2 3 4]
[5 6 7 8 9]] (2, 5)
a = np.array([[1],[2],[3]])
b = np.array([['a'],['b'],['c'],['d']])
ar2 = np.vstack((a,b)) # 这里形状可以不一样
print(a,a.shape)
print(b,b.shape)
print(ar2,ar2.shape)
print('-----')
# numpy.vstack(tup)：垂直（按列顺序）堆叠数组
==============================================================
[[1]
[2]
[3]] (3, 1)
[['a']
['b']
['c']
['d']] (4, 1)
[['1']
['2']
['3']
['a']
['b']
['c']
['d']] (7, 1)
-----
a = np.arange(5)
b = np.arange(5,10)
ar1 = np.stack((a,b))
ar2 = np.stack((a,b),axis = 1)
print(a,a.shape)
print(b,b.shape)
print(ar1,ar1.shape)
print(ar2,ar2.shape)
# numpy.stack(arrays, axis=0)：沿着新轴连接数组的序列，形状必须一样！
# 重点解释axis参数的意思，假设两个数组[1 2 3]和[4 5 6]，shape均为(3,0)
# axis=0：[[1 2 3] [4 5 6]]，shape为(2,3)
# axis=1：[[1 4] [2 5] [3 6]]，shape为(3,2)
数组拆分
ar = np.arange(16).reshape(4,4)
ar1 = np.hsplit(ar,2)
print(ar)
print(ar1,type(ar1))
# numpy.hsplit(ary, indices_or_sections)：将数组水平（逐列）拆分为多个子数组 → 按列拆分
# 输出结果为列表，列表中元素为数组
ar2 = np.vsplit(ar,4)
print(ar2,type(ar2))
# numpy.vsplit(ary, indices_or_sections)：:将数组垂直（行方向）拆分为多个子数组 → 按行拆
=========================
[[ 0 1 2 3]
[ 4 5 6 7]
[ 8 9 10 11]
[12 13 14 15]]
[array([[ 0, 1],
[ 4, 5],
[ 8, 9],
[12, 13]]), array([[ 2, 3],
[ 6, 7],
[10, 11],
[14, 15]])] <class 'list'>
[array([[0, 1, 2, 3]]), array([[4, 5, 6, 7]]), array([[ 8, 9, 10, 11]]), array([[12, 13, 14, 15]])] <class 'list'>
数组简单运算
ar = np.arange(6).reshape(2,3)
print(ar + 10) # 加法
print(ar * 2) # 乘法
print(1 / (ar+1)) # 除法
print(ar ** 0.5) # 幂
# 与标量的运算
=========================
[[10 11 12]
[13 14 15]]
[[ 0 2 4]
[ 6 8 10]]
[[ 1. 0.5 0.33333333]
[ 0.25 0.2 0.16666667]]
[[ 0. 1. 1.41421356]
[ 1.73205081 2. 2.23606798]]
print(ar.mean()) # 求平均值
print(ar.max()) # 求最大值
print(ar.min()) # 求最小值
print(ar.std()) # 求标准差
print(ar.var()) # 求方差
print(ar.sum(), np.sum(ar,axis = 0)) # 求和，np.sum() → axis为0，按列求和；axis为1，按行求和
print(np.sort(np.array([1,4,3,2,5,6]))) # 排序
# 常用函数
=========================
2.5
5
0
1.70782512766
2.91666666667
15 [3 5 7]
[1 2 3 4 5 6]
Numpy索引及切片
核心：基本索引及切片 / 布尔型索引及切片
基本索引及切片
ar = np.arange(20)
print(ar)
print(ar[4])
print(ar[3:6])
print('-----')
# 一维数组索引及切片
===============================
[ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19]
4
[3 4 5]
ar = np.arange(16).reshape(4,4)
print(ar, '数组轴数为%i' %ar.ndim) # 4*4的数组
print(ar[2], '数组轴数为%i' %ar[2].ndim) # 切片为下一维度的一个元素，所以是一维数组
print(ar[2][1]) # 二次索引，得到一维数组中的一个值
print(ar[1:3], '数组轴数为%i' %ar[1:3].ndim) # 切片为两个一维数组组成的二维数组
print(ar[2,2]) # 切片数组中的第三行第三列 → 10
print(ar[:2,1:]) # 切片数组中的1,2行、2,3,4列 → 二维数组
print('-----')
# 二维数组索引及切片
===================================
[[ 0 1 2 3]
[ 4 5 6 7]
[ 8 9 10 11]
[12 13 14 15]] 数组轴数为2
[ 8 9 10 11] 数组轴数为1
9
[[ 4 5 6 7]
[ 8 9 10 11]] 数组轴数为2
10
[[1 2 3]
[5 6 7]]
ar = np.arange(8).reshape(2,2,2)
print(ar, '数组轴数为%i' %ar.ndim) # 2*2*2的数组
print(ar[0], '数组轴数为%i' %ar[0].ndim) # 三维数组的下一个维度的第一个元素 → 一个二维数组
print(ar[0][0], '数组轴数为%i' %ar[0][0].ndim) # 三维数组的下一个维度的第一个元素下的第一个元素 → 一个一维数组
print(ar[0][0][1], '数组轴数为%i' %ar[0][0][1].ndim)
# **三维数组索引及切片
=====================
[[[0 1]
[2 3]]
[[4 5]
[6 7]]] 数组轴数为3
[[0 1]
[2 3]] 数组轴数为2
[0 1] 数组轴数为1
1 数组轴数为0
布尔型索引及切片
ar = np.arange(12).reshape(3,4)
i = np.array([True,False,True])
j = np.array([True,True,False,False])
print(ar)
print(i)
print(j)
print(ar[i,:]) # 在第一维度做判断，只保留True，这里第一维度就是行，ar[i,:] = ar[i]（简单书写格式）
print(ar[:,j]) # 在第二维度做判断，这里如果ar[:,i]会有警告，因为i是3个元素，而ar在列上有4个
# 布尔型索引：以布尔型的矩阵去做筛选
=============================================
[[ 0 1 2 3]
[ 4 5 6 7]
[ 8 9 10 11]]
[ True False True]
[ True True False False]
[[ 0 1 2 3]
[ 8 9 10 11]]
[[0 1]
[4 5]
[8 9]]
m = ar > 5
print(m) # 这里m是一个判断矩阵
print(ar[m]) # 用m判断矩阵去筛选ar数组中>5的元素 → 重点！后面的pandas判断方式原理就来自此处
===========================
[[False False False False]
[False False True True]
[ True True True True]]
[ 6 7 8 9 10 11]
数组索引及切片的值更改、复制
ar = np.arange(10)
print(ar)
ar[5] = 100
ar[7:9] = 200
print(ar)
# 一个标量赋值给一个索引/切片时，会自动改变/传播原始数组
==============================================
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[ 0 1 2 3 4 100 6 200 200 9]
ar = np.arange(10)
b = ar.copy()
b[7:9] = 200
print(ar)
print(b)
# 复制
==========================
[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
[ 0 1 2 3 4 5 6 200 200 9]
Numpy随机数
numpy.random包含多种概率分布的随机样本，是数据分析辅助的重点工具之一
随机数生成
# 随机数生成
samples = np.random.normal(size=(4,4))
print(samples)
# 生成一个标准正太分布的4*4样本值
==============================
[[ 1.59154116 0.27577316 0.17440858 -0.15546209]
[-0.20789344 0.20915008 -0.05042009 0.75333856]
[-0.00567513 0.14602709 0.54414223 -2.31870035]
[ 0.90508822 0.77088211 0.03663735 2.54308409]]
均匀分布
# numpy.random.rand(d0, d1, ..., dn)：生成一个[0,1)之间的随机浮点数或N维浮点数组 —— 均匀分布
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt # 导入matplotlib模块，用于图表辅助分析
# % matplotlib inline
# 魔法函数，每次运行自动生成图表
a = np.random.rand()
print(a,type(a)) # 生成一个随机浮点数
================
0.7801449844000944 <class 'float'>
b = np.random.rand(4)
print(b,type(b)) # 生成形状为4的一维数组
=========================
[0.25852932 0.51041605 0.82193571 0.39116998] <class 'numpy.ndarray'>
c = np.random.rand(2,3)
print(c,type(c)) # 生成形状为2*3的二维数组，注意这里不是((2,3))
===============================
[[0.31877786 0.83326936 0.31918485]
[0.70671169 0.80857404 0.09816831]] <class 'numpy.ndarray'>
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt # 导入matplotlib模块，用于图表辅助分析
samples1 = np.random.rand(1000)
samples2 = np.random.rand(1000)
plt.scatter(samples1,samples2)
# 生成1000个均匀分布的样本值
plt.show()
==============================
————出现均匀分布图————
正态分布
# numpy.random.randn(d0, d1, ..., dn)：生成一个浮点数或N维浮点数组 —— 正态分布
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt # 导入matplotlib模块，用于图表辅助分析
samples1 = np.random.randn(1000)
samples2 = np.random.randn(1000)
plt.scatter(samples1,samples2)
plt.show()
# randn和rand的参数用法一样
# 生成1000个正太的样本值
==============================
————出现正态分布图————
生成一个整数或N维整数数组
# numpy.random.randint(low, high=None, size=None, dtype='l')：生成一个整数或N维整数数组
# 若high不为None时，取[low,high)之间随机整数，否则取值[0,low)之间随机整数，且high必须大于low
# dtype参数：只能是int类型
print(np.random.randint(2))
# low=2：生成1个[0,2)之间随机整数
print(np.random.randint(2,size=5))
# low=2,size=5 ：生成5个[0,2)之间随机整数
print(np.random.randint(2,6,size=5))
# low=2,high=6,size=5：生成5个[2,6)之间随机整数
print(np.random.randint(2,size=(2,3)))
# low=2,size=(2,3)：生成一个2x3整数数组,取数范围：[0,2)随机整数
print(np.random.randint(2,6,(2,3)))
# low=2,high=6,size=(2,3)：生成一个2*3整数数组,取值范围：[2,6)随机整数
=====================================
0
[0 1 1 0 1]
[2 5 2 3 5]
[[0 1 1]
[1 1 1]]
[[4 4 3]
[2 3 3]]
Numpy数据的输入输出
numpy读取/写入数组数据、文本数据
存储数组数据 .npy文件
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt # 导入matplotlib模块，用于图表辅助分析
# 导入并重命名模块
import os
os.chdir('D:/桌面文件/Python')
# 指定当前的工作路径
ar = np.random.rand(5,5)
print(ar)
np.save('arraydata.npy', ar) # 默认生成.npy 的文件
print("finished")
# 生成了“5*5”的随机数的数组数据，并将其存储为一个文件
===================================
[[ 0.57358458 0.71126411 0.22317828 0.69640773 0.97406015]
[ 0.83007851 0.63460575 0.37424462 0.49711017 0.42822812]
[ 0.51354459 0.96671598 0.21427951 0.91429226 0.00393325]
[ 0.680534 0.31516091 0.79848663 0.35308657 0.21576843]
[ 0.38634472 0.47153005 0.6457086 0.94983697 0.97670458]]
读取数组数据 .npy文件
# 读取数组数据 .npy文件
ar_load =np.load('arraydata.npy')
print(ar_load)
# 也可以直接 np.load('C:/Users/Hjx/Desktop/arraydata.npy')
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[[ 0.57358458 0.71126411 0.22317828 0.69640773 0.97406015]
[ 0.83007851 0.63460575 0.37424462 0.49711017 0.42822812]
[ 0.51354459 0.96671598 0.21427951 0.91429226 0.00393325]
[ 0.680534 0.31516091 0.79848663 0.35308657 0.21576843]
[ 0.38634472 0.47153005 0.6457086 0.94983697 0.97670458]]
存储/读取文本文件
ar = np.random.rand(5,5)
np.savetxt('array.txt',ar, delimiter=',') # 指定存储文件格式
# np.savetxt(fname, X, fmt='%.18e', delimiter=' ', newline='\n', header='', footer='', comments='# ')：存储为文本txt文件
ar_loadtxt = np.loadtxt('array.txt', delimiter=',')
print(ar_loadtxt)
# 也可以直接 np.loadtxt('C:/Users/Hjx/Desktop/array.txt')
===================================
[[ 0.28280684 0.66188985 0.00372083 0.54051044 0.68553963]
[ 0.9138449 0.37056825 0.62813711 0.83032184 0.70196173]
[ 0.63438739 0.86552157 0.68294764 0.2959724 0.62337767]
[ 0.67411154 0.87678919 0.53732168 0.90366896 0.70480366]
[ 0.00936579 0.32914898 0.30001813 0.66198967 0.04336824]]
