数值计算工具—Numpy模块

虽然之前介绍了有关存储数据的列表对象,但是其无法直接参与数值计算(虽然可以使用加法和乘法,但分别表示列表元素的增加和重复)。在此介绍另一种数据结构--数组,通过数组可以实现各种常见的数学运算。

一、数组的创建与操作

1.数组的创建

Numpy模块的array函数可以实现数组的创建,在二维数组中,当输入元素有整数型也有浮点型时,输出统一被转换为浮点型(数组元素的同质性)


2.数组元素的获取

列表中的正向,负向,切片,无限无法完成不规律元素的获取,如果把列表换为数组即可



numpy.ix_ :构造数组索引的函数

3.数组的常用属性

通过genfromtxt函数读取外部文件,主要为csv和txt


4.数组的形状处理

区分reshape与resize的区别

5.数组降维(降为一维)的三种方法


但是,flatten返回的是复制,对降维后的元素做修改,并没有影响到原数组;相反,ravel与reshape返回的是视图,对降维后的元素做修改,影响到原数组arr4,即arr4被改变

6.数组堆叠的四种方法


如果是多个数组的纵向堆叠,必须保证每个数组的列数相同;如果将多个数组按横向合并的话,则必须保证每个数组的行数相同。

二、数组的基本运算符

1.数组的四则运算


关于减法(-)和乘法(*),对应的模块函数分别为np.subtract和np.multiply

函数只能接受两个对象的运算,如果需要多个,则需要使用嵌套

不管是符号方法还是函数方法,都必须保证操作的数组具有相同的形状,即数组大小相等


这三种运算符所对应的函数分别为np.fmod,np.modf,np.power,但整除的函数需要写作np.modf(arr7/arr8)[1],因为modf可以返回数值的小数部分和整数部分,而整数部分就是要取的值

2.数组的比较运算

比较运算符可以返回bool类型的值,即True和False

一般有两种情况需要用到比较运算符,一个是从数组中查询满足条件的元素,另一个是根据判断的结果执行不同的操作。




其中where类似于Excel的if函数

3.数组的广播运算

前面两种运算都是基于相同形状的数组,当数组形状不同时,也能够进行数学运算的功能称为数组的广播,即不同大小的数组之间的运算称为广播,但是数组有确定的广播规则:

① 各输入数组的维度可以不相等,但必须确保从右到左的对应维度值相等

② 如果对应维度值不相等,就必须保证其中一个为1

③ 各输入数组都向其shape最长的数组看齐,shape中不足的部分都通过在前面加1补齐

np.arange()函数,range的numpy版,支持浮点数

分为一个参数,两个参数,三个参数三种情况

1)一个参数时,参数值为终点,起点取默认值0,步长取默认值1。

2)两个参数时,第一个参数为起点,第二个参数为终点,步长取默认值1。

3)三个参数时,第一个参数为起点,第二个参数为终点,第三个参数为步长。其中步长支持小数。


二维数组和二维数组的和,此时没有用到广播,即1+100=101;2+101=103;3+102=105...


三维数组和二维数组的和,虽然维数不一样,但末尾的两个维度值一样,则最终得到5乘4乘3的数组



两个数组维数和维度值均不一样,但末尾的两个维度值必须含一个1,且另一个必须相同,都为4,相加之后为5乘4乘3的数组


4乘3的二维数组和(3,)的一维数组的和,维度不一致,自动将(3,)的一维数组补齐为(1,3)的二维数组,进而得4乘3的数组

三、常用数学函数与统计函数

1.数学函数

2.统计函数


axis参数的目的是在统计数组元素时按照不同的轴方向计算,如果axis=1,按水平方向计算统计值,即计算每一行的统计值;axis=0,按垂直方向计算统计值,即计算每一列的统计值


四、线性代数的相关计算

需要先调用Numpy的子模块linalg

1.有关线性代数的重要函数

2.矩阵乘法


点积函数用在两个一维数组,实际上计算两个向量的乘积,是一个标量;
用在两个二维数组中,实际上是矩阵的乘法,要求第一个矩阵的列数等于第二个矩阵的行数

3.diag函数的使用


给diag函数传入的是二维数组,则返回由主对角元素构成的一维数组;
如果传入的是一个一维数组,则返回方阵

4.特征根与特征向量


元祖的第一个元素是特征根,第二个元素是每个特征根对应的特征向量

5.多元一次方程组的求解


6.范数的计算

范数常常用来度量某个向量空间(或矩阵)中的每个向量的长度或大小,具有三方面的约束条件,分别是非负性、其次性和三角不等性
![](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/15866579-0c8325704d54ff2d.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
向量的无穷范数是指从向量中挑选出绝对值最大的元素

五、伪随机数的生成

需使用numpy模块中的子模块random



其他分布的随机数略

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