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@@ -400,7 +400,7 @@ array18
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...,
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[ 84, 70, 61],
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[ 81, 69, 57],
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- [ 79, 67, 53]]], dtype=uint8)
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+ [ 79, 67, 53]]], dtype=uint8)
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```
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> **说明**:上面的代码读取了当前路径下名为`guido.jpg` 的图片文件,计算机系统中的图片通常由若干行若干列的像素点构成,而每个像素点又是由红绿蓝三原色构成的,所以能够用三维数组来表示。读取图片用到了matplotlib库的`imread`函数。
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@@ -516,7 +516,7 @@ array18
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False True
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```
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-8. base属性:数组的基对象(如果数组共享了其他数组的内存空间)
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+8. `base`属性:数组的基对象(如果数组共享了其他数组的内存空间)
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代码:
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@@ -537,7 +537,7 @@ array18
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和Python中的列表类似,NumPy的`ndarray`对象可以进行索引和切片操作,通过索引可以获取或修改数组中的元素,通过切片可以取出数组的一部分。
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-1. 索引运算
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+1. 索引运算(普通索引)
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一维数组,代码:
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@@ -594,7 +594,9 @@ array18
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[ 7 8 9]]
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```
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-2. 切片运算
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+2. 切片运算(切片索引)
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+
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+ 切片是形如`[开始索引:结束索引:步长]`的语法,通过指定**开始索引**(默认值无穷小)、**结束索引**(默认值无穷大)和**步长**(默认值1),从数组中取出指定部分的元素并构成新的数组。因为开始索引、结束索引和步长都有默认值,所以它们都可以省略,如果不指定步长,第二个冒号也可以省略。一维数组的切片运算跟Python中的`list`类型的切片非常类似,此处不再赘述,二维数组的切片可以参考下面的代码,相信非常容易理解。
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代码:
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@@ -653,31 +655,196 @@ array18
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```Python
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print(array24[1, :2])
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+ print(array24[1:2, :2])
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```
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输出:
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```
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[4 5]
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+ [[4 5]]
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```
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代码:
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```Python
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- print(array24[1:2, :2])
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+ print(array24[::2, ::2])
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```
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|
输出:
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```
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- [[4 5]]
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+ [[1 3]
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+ [7 9]]
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```
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-
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+
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+ 代码:
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+
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+ ```Python
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+ print(array24[::-2, ::-2])
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+ ```
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+
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+ 输出:
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+
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+ ```
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+ [[9 7]
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+ [3 1]]
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+ ```
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+
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关于数组的索引和切片运算,大家可以通过下面的两张图来增强印象,这两张图来自[《利用Python进行数据分析》](https://item.jd.com/12398725.html)一书,它是pandas的作者Wes McKinney撰写的Python数据分析领域的经典教科书,有兴趣的读者可以购买和阅读原书。
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+
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+ 
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+
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+3. 花式索引(fancy index)
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+
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+ 花式索引(Fancy indexing)是指利用整数数组进行索引,这里所说的整数数组可以是NumPy的`ndarray`,也可以是Python中`list`、`tuple`等可迭代类型,可以使用正向或负向索引。
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+
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+ 一维数组的花式索引,代码:
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+
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+ ```Python
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+ array25 = np.array([50, 30, 15, 20, 40])
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+ array25[[0, 1, -1]]
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+ ```
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+
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+ 输出:
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+
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+ ```
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+ array([50, 30, 40])
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+ ```
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+
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+ 二维数组的花式索引,代码:
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+
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+ ```Python
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+ array26 = np.array([[30, 20, 10], [40, 60, 50], [10, 90, 80]])
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+ # 取二维数组的第1行和第3行
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+ array26[[0, 2]]
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+ ```
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+
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|
+ 输出:
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- 
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|
+ ```
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|
+ array([[30, 20, 10],
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+ [10, 90, 80]])
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+ ```
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|
+
|
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|
+ 代码:
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+
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+ ```Python
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|
+ # 取二维数组第1行第2列,第3行第3列的两个元素
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+ array26[[0, 2], [1, 2]]
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|
+ ```
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|
+
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|
+ 输出:
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|
+
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|
+ ```
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|
+ array([20, 80])
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|
|
+ ```
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|
+
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|
|
+ 代码:
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|
+
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|
+ ```Python
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|
|
+ # 取二维数组第1行第2列,第3行第2列的两个元素
|
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|
+ array26[[0, 2], 1]
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|
+ ```
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|
+
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|
|
+ 输出:
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|
+
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|
|
+ ```
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|
+ array([20, 90])
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|
+ ```
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+
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+4. 布尔索引
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+
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|
+ 布尔索引就是通过布尔类型的数组对数组元素进行索引,布尔类型的数组可以手动构造,也可以通过关系运算来产生布尔类型的数组。
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+
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|
+ 代码:
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+
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|
+ ```Python
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+ array27 = np.arange(1, 10)
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+ array27[[True, False, True, True, False, False, False, False, True]]
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|
+ ```
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|
+
|
|
|
+ 输出:
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|
+
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+ ```
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|
+ array([1, 3, 4, 9])
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|
|
+ ```
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|
+
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|
|
+ 代码:
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+
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+ ```Python
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+ array27 >= 5
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|
+ ```
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|
+
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|
|
+ 输出:
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|
|
+
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|
+ ```
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|
+ array([False, False, False, False, True, True, True, True, True])
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|
|
+ ```
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|
+
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|
|
+ 代码:
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+
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+ ```Python
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+ # ~运算符可以实现逻辑变反,看看运行结果跟上面有什么不同
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+ ~(array27 >= 5)
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+ ```
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|
+
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|
|
+ 输出:
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|
+
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|
+ ```
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+ array([ True, True, True, True, False, False, False, False, False])
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|
+ ```
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|
+
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|
|
+ 代码:
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+
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+ ```Python
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|
+ array27[array27 >= 5]
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+ ```
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|
+
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|
|
+ 输出:
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+
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+ ```
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+ array([5, 6, 7, 8, 9])
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|
+ ```
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|
+
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+> **提示**:切片操作虽然创建了新的数组对象,但是新数组和原数组共享了数组中的数据,简单的说,如果通过新数组对象或原数组对象修改数组中的数据,其实修改的是同一块数据。花式索引和布尔索引也会创建新的数组对象,而且新数组复制了原数组的元素,新数组和原数组并不是共享数据的关系,这一点通过前面讲的数组的`base`属性也可以了解到,大家一定要注意。
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+
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+#### 案例:通过数组切片处理图像
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+
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+学习基础知识总是比较枯燥且没有成就感的,所以我们还是来个案例为大家演示下上面学习的数组索引和切片操作到底有什么用。前面我们说到过,可以用三维数组来表示图像,那么通过图像对应的三维数组进行操作,就可以实现对图像的处理,如下所示。
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+
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+读入图片创建三维数组对象。
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+
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+```Python
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+guido_image = plt.imread('guido.jpg')
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|
+plt.imshow(guido_image)
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|
+```
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|
+
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|
|
+对数组的0轴进行反向切片,实现图像的垂直翻转。
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|
+
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|
|
+```Python
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+plt.imshow(guido_image[::-1])
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|
+```
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+
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|
+
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|
+
|
|
|
+对数组的1轴进行反向切片,实现图像的水平翻转。
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|
+
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|
|
+```Python
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+plt.imshow(guido_image[:,::-1])
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|
|
+```
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+
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+
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|
+
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|
|
+将Guido的头切出来。
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+
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|
+```Python
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+plt.imshow(guido_image[30:350, 90:300])
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+```
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+
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|
+
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### 数组对象的方法
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@@ -686,14 +853,14 @@ array18
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`ndarray`对象的统计方法主要包括:`sum`、`mean`、`std`、`var`、`min`、`max`、`argmin`、`argmax`、`cumsum`等,分别用于对数组中的元素求和、求平均、求标准差、求方差、找最大、找最小、求累积和等,请参考下面的代码。
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```Python
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|
-array25 = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 5, 4, 3, 2, 1])
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-print(array25.sum())
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|
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-print(array25.mean())
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-print(array25.max())
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|
-print(array25.min())
|
|
|
-print(array25.std())
|
|
|
-print(array25.var())
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|
|
-print(array25.cumsum())
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|
+array28 = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 5, 4, 3, 2, 1])
|
|
|
+print(array28.sum())
|
|
|
+print(array28.mean())
|
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|
+print(array28.max())
|
|
|
+print(array28.min())
|
|
|
+print(array28.std())
|
|
|
+print(array28.var())
|
|
|
+print(array28.cumsum())
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
输出:
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|
|
@@ -710,56 +877,79 @@ print(array25.cumsum())
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|
####其他方法
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-1. `all()` / `any()`方法:判断数组是否所有元素都是True / 判断数组是否有为True的元素。
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+1. `all()` / `any()`方法:判断数组是否所有元素都是`True` / 判断数组是否有为`True`的元素。
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|
2. `astype()`方法:拷贝数组,并将数组中的元素转换为指定的类型。
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|
-3. `dot()`方法:实现一个数组和另一个数组的点乘运算。
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|
+3. `dot()`方法:实现一个数组和另一个数组的点积运算。
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|
+
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|
|
+ 在数学上,**点积**(dot product)又称**数量积**或**标量积**,是一种接受两个等长的数字序列,返回单个数字的代数运算。从代数角度看,先对两个数字序列中的每组对应元素求积,再对所有积求和,结果即为点积,即:$\boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{B} = \sum_{i=1}^{n}a_ib_i$。从几何角度看,点积则是两个向量的长度与它们夹角余弦的积,即:$\boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{B}=|\boldsymbol{A}||\boldsymbol{B}|\cos{\theta}$。
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|
|
+
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|
|
+ 在欧几里得几何中,两个笛卡尔坐标向量的点积也称为**内积**(inner product),NumPy中也提供了实现内积的函数,但是内积的含义要高于点积,点积相当于是内积在欧几里得空间$\mathbb{R}^n$的特例,而内积可以推广到**赋范向量空间**(不理解没有关系,当我没说就行了)。
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|
|
+
|
|
|
+ 一维数组的点积运算,代码:
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|
|
```Python
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|
-
|
|
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+ array29 = np.array([3, 4])
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+ array30 = np.array([5, 6])
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|
|
+ array29.dot(array30)
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|
|
```
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|
|
|
|
|
输出:
|
|
|
|
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|
```
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|
-
|
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|
+ 39
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|
```
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|
-4. `dump()`/`load()`方法:保存数组到文件中/从文件中加载数组。
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|
+ 二维数组的点积运算,代码:
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|
```Python
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|
-
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|
+ array31 = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
|
|
|
+ array32 = np.array([[1, 2], [3, 4], [5, 6]])
|
|
|
+ array31.dot(array32)
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
输出:
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
-
|
|
|
+ array([[22, 28],
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|
|
+ [49, 64]])
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
-5. `fill()`方法。
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+ > **说明**:可以看出,二维数组的点积就是矩阵乘法运算。
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|
+
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|
+4. `dump()`方法:保存数组到文件中,可以通过NumPy中的`load`函数从保存的文件中加载数据创建数组。
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|
+
|
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|
+ 代码:
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|
|
```Python
|
|
|
-
|
|
|
+ array31.dump('array31-data')
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|
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+ array32 = np.load('array31-data', allow_pickle=True)
|
|
|
+ array32
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
输出:
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
-
|
|
|
+ array([[1, 2],
|
|
|
+ [3, 4],
|
|
|
+ [5, 6]])
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
+5. `fill()`方法:向数组中填充指定的元素。
|
|
|
+
|
|
|
6. `flatten()`方法:将多维数组扁平化为一维数组。
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|
|
|
|
|
+ 代码:
|
|
|
+
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|
|
```Python
|
|
|
-
|
|
|
+ array32.flatten()
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
输出:
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
-
|
|
|
+ array([1, 2, 3, 4, 5, 6])
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
7. `nonzero()`方法:返回非0元素的索引。
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|
|
@@ -768,29 +958,312 @@ print(array25.cumsum())
|
|
|
|
|
|
9. `sort()`方法:对数组进行就地排序。
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|
|
|
|
+ 代码:
|
|
|
+
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|
|
```Python
|
|
|
-
|
|
|
+ array33 = np.array([35, 96, 12, 78, 66, 54, 40, 82])
|
|
|
+ array33.sort()
|
|
|
+ array33
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
输出:
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
-
|
|
|
+ array([12, 35, 40, 54, 66, 78, 82, 96])
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
-10. `swapaxes()`和`transpose()`方法:交换数组指定的轴
|
|
|
+10. `swapaxes()`和`transpose()`方法:交换数组指定的轴。
|
|
|
+
|
|
|
+ 代码:
|
|
|
+
|
|
|
+ ```Python
|
|
|
+ # 指定需要交换的两个轴,顺序无所谓
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|
|
+ array32.swapaxes(0, 1)
|
|
|
+ ```
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|
|
+
|
|
|
+ 输出:
|
|
|
+
|
|
|
+ ```
|
|
|
+ array([[1, 3, 5],
|
|
|
+ [2, 4, 6]])
|
|
|
+ ```
|
|
|
+
|
|
|
+ 代码:
|
|
|
+
|
|
|
+ ```Python
|
|
|
+ # 对于二维数组,transpose相当于实现了矩阵的转置
|
|
|
+ array32.transpose()
|
|
|
+ ```
|
|
|
+
|
|
|
+ 输出:
|
|
|
|
|
|
-11. `take()`方法:从数组中取指定索引的元素。
|
|
|
+ ```
|
|
|
+ array([[1, 3, 5],
|
|
|
+ [2, 4, 6]])
|
|
|
+ ```
|
|
|
+
|
|
|
+11. `take()`方法:从数组中取指定索引的元素,类似于花式索引。
|
|
|
+
|
|
|
+ 代码:
|
|
|
+
|
|
|
+ ```Python
|
|
|
+ array34 = array33.take([0, 2, -3, -1])
|
|
|
+ array34
|
|
|
+ ```
|
|
|
+
|
|
|
+ 输出:
|
|
|
+
|
|
|
+ ```
|
|
|
+ array([12, 40, 78, 96])
|
|
|
+ ```
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|
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|
12. `tolist()`方法:将数组转成Python中的`list`。
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### 数组的运算
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-#### 标量运算
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+使用NumPy最为方便的是当需要对数组元素进行运算时,不用编写循环代码遍历每个元素,所有的运算都会自动的矢量化(使用高效的提前编译的底层语言代码来对数据序列进行数学操作)。简单的说就是,NumPy中的数学运算和数学函数会自动作用于数组中的每个成员。
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+
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+#### 数组跟标量的运算
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+
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|
+代码:
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+
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+```Python
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|
+array35 = np.arange(1, 10)
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|
+print(array35 + 10)
|
|
|
+print(array35 * 10)
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+输出:
|
|
|
+
|
|
|
+```
|
|
|
+[11 12 13 14 15 16 17 18 19]
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+[10 20 30 40 50 60 70 80 90]
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+```
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+
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+#### 数组跟数组的运算
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-#### 矢量运算
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+代码:
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+
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+```Python
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+array36 = np.array([1, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3])
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+print(array35 + array36)
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+print(array35 * array36)
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+print(array35 ** array36)
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+```
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+
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+输出:
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+
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+```
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+[ 2 3 4 6 7 8 10 11 12]
|
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+[ 1 2 3 8 10 12 21 24 27]
|
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+[ 1 2 3 16 25 36 343 512 729]
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+```
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+
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+#### 通用一元函数
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+
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+通用函数是对`ndarray`中的数据执行元素级运算的函数。你可以将其看做普通函数(接收一个标量值作为参数,返回一个标量值)的矢量化包装器,如下所示。
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+
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+代码:
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+
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+```Python
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+print(np.sqrt(array35))
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+print(np.log2(array35))
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+```
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+
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+输出:
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+
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+```
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+[1. 1.41421356 1.73205081 2. 2.23606798 2.44948974
|
|
|
+ 2.64575131 2.82842712 3. ]
|
|
|
+[0. 1. 1.5849625 2. 2.32192809 2.5849625
|
|
|
+ 2.80735492 3. 3.169925 ]
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|
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+```
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+
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+**表1:通用一元函数**
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+
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+| 函数 | 说明 |
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+| -------------------------------- | --------------------------------------------- |
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+| `abs` / `fabs` | 求绝对值的函数 |
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+| `sqrt` | 求平方根的函数,相当于`array ** 0.5 ` |
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|
+| `square` | 求平方的函数,相当于`array ** 2` |
|
|
|
+| `exp` | 计算$e^x$的函数 |
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|
|
+| `log` / `log10` / `log2` | 对数函数(`e`为底 / `10`为底 / `2`为底) |
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|
|
+| `sign` | 符号函数(`1` - 正数;`0` - 零;`-1` - 负数) |
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|
+| `ceil` / `floor` | 上取整 / 下取整 |
|
|
|
+| `isnan` | 返回布尔数组,NaN对应`True`,非NaN对应`False` |
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|
+| `isfinite` / `isinf` | 判断数值是否为无穷大的函数 |
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|
|
+| `cos` / `cosh` / `sin` | 三角函数 |
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|
|
+| `sinh` / `tan` / `tanh` | 三角函数 |
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|
|
+| `arccos` / `arccosh` / `arcsin` | 反三角函数 |
|
|
|
+| `arcsinh` / `arctan` / `arctanh` | 反三角函数 |
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+| `rint` / `around` | 四舍五入函数 |
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+
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+#### 通用二元函数
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+
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+代码:
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+
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+```Python
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+array37 = np.array([[4, 5, 6], [7, 8, 9]])
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+array38 = np.array([[1, 2, 3], [3, 2, 1]])
|
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+print(array37 * array38)
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+print(np.power(array37, array38))
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+```
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|
+
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|
+输出:
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|
+
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+```
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+[[ 4 10 18]
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|
+ [21 16 9]]
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+[[ 4 25 216]
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|
+ [343 64 9]]
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|
+```
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+
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|
|
+**表2:通用二元函数**
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|
+
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|
+| 函数 | 说明 |
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+| --------------------------------- | ---- |
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+| `add` / `substract` / `multiply` | 加法函数 / 减法函数 / 乘法函数 |
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+| `divide` / `floor_divide` / `mod` | 除法函数 / 整除函数 / 求模函数 |
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|
|
+| `power` | 数组$A$的元素$A_i$和数组$B$的元素$B_i$,计算$A_i^{B_i}$ |
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|
+| `maximum` / `fmax` | 获取最大值 / 获取最大值,忽略NaN |
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|
+| `minimum` / `fmin` | 获取最小值 / 获取最小值,忽略NaN |
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#### 广播机制
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+上面的例子中,两个二元运算的数组形状是完全相同的,我们再来研究一下,两个形状不同的数组是否可以直接做二元运算或使用二元函数进行运算,请看下面的例子。
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+
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+代码:
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+
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+```Python
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+array39 = np.array([[0, 0, 0], [1, 1, 1], [2, 2, 2], [3, 3, 3]])
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+array40 = np.array([1, 2, 3])
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+array39 + array40
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+```
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+
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+输出:
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+
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+```
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+array([[1, 2, 3],
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+ [2, 3, 4],
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|
+ [3, 4, 5],
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|
|
+ [4, 5, 6]])
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+```
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+
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|
+代码:
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+
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+```Python
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+array41 = np.array([[1], [2], [3], [4]])
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+array39 + array41
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+```
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|
+
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|
+输出:
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+
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|
+```
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+array([[1, 1, 1],
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|
+ [3, 3, 3],
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|
+ [5, 5, 5],
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|
|
+ [7, 7, 7]])
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+```
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+
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|
+通过上面的例子,我们发现形状不同的数组仍然有机会进行二元运算,但也绝对不是任意的数组都可以进行二元运算。简单的说,只有两个数组后缘维度相同或者其中一个数组后缘维度为1时,两个数组才能进行二元运算。所谓后缘维度,指的是数组`shape`属性对应的元组中最后一个元素的值(从后往前数最后一个维度的值),例如,我们之前打开的图像对应的数组后缘维度为3,3行4列的二维数组后缘维度为4,而有5个元素的一维数组后缘维度为5。后缘维度相同或者其中一个数组为1就可以应用广播机制对元素进行扩散,从而满足两个数组对应元素做运算的需求,如下图所示。
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+
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+
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+
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+
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+
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+
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+
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+### 其他常用函数
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+
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+除了上面讲到的函数外,NumPy中还提供了很多用于处理数组的函数,`ndarray`对象的很多方法也可以通过直接调用函数来实现,下表给出了一些常用的函数。
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+
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+**表3:NumPy其他常用函数**
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+
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+| 函数 | 说明 |
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+| ------------------- | ----------------------------------------------------- |
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+| `unique(x)` | 去除数组`x`重复元素,返回唯一元素构成的有序数组 |
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+| `intersect1d(x, y)` | 计算`x`和`y`的交集,返回这些元素构成的有序数组 |
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|
|
+| `union1d(x, y)` | 计算`x`和`y`的并集,返回这些元素构成的有序数组 |
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|
|
+| `in1d(x, y)` | 返回由判断`x` 的元素是否在`y`中得到的布尔值构成的数组 |
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|
+| `setdiff1d(x, y)` | 计算`x`和`y`的差集,返回这些元素构成的数组 |
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|
|
+| `setxor1d(x, y)` | 计算`x`和`y`的对称差,返回这些元素构成的数组 |
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|
|
+| `copy(x)` | 返回拷贝数组`x`得到的数组 |
|
|
|
+| `sort(x)` | 返回数组`x`元素排序后的拷贝 |
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+| `split(x)` | 将数组`x`拆成若干个子数组 |
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+| `hstack` / `vstack` | 将多个数组水平/垂直堆叠构成新数组 |
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+| `concatenate` | 沿着指定的轴连接多个数组构成新数组 |
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+
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|
+代码:
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+
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+```Python
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+array42 = np.array([[1, 1, 1], [2, 2, 2], [3, 3, 3]])
|
|
|
+array43 = np.array([[4, 4, 4], [5, 5, 5], [6, 6, 6]])
|
|
|
+np.hstack((array42, array43))
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|
|
+```
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|
|
+
|
|
|
+输出:
|
|
|
+
|
|
|
+```
|
|
|
+array([[1, 1, 1, 4, 4, 4],
|
|
|
+ [2, 2, 2, 5, 5, 5],
|
|
|
+ [3, 3, 3, 6, 6, 6]])
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+代码:
|
|
|
+
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|
|
+```Python
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|
+np.vstack((array42, array43))
|
|
|
+```
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|
+
|
|
|
+输出:
|
|
|
+
|
|
|
+```
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|
|
+array([[1, 1, 1],
|
|
|
+ [2, 2, 2],
|
|
|
+ [3, 3, 3],
|
|
|
+ [4, 4, 4],
|
|
|
+ [5, 5, 5],
|
|
|
+ [6, 6, 6]])
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+代码:
|
|
|
+
|
|
|
+```Python
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|
+np.concatenate((array42, array43))
|
|
|
+```
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|
+
|
|
|
+输出:
|
|
|
+
|
|
|
+```
|
|
|
+array([[1, 1, 1],
|
|
|
+ [2, 2, 2],
|
|
|
+ [3, 3, 3],
|
|
|
+ [4, 4, 4],
|
|
|
+ [5, 5, 5],
|
|
|
+ [6, 6, 6]])
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+代码:
|
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|
+
|
|
|
+```Python
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|
+np.concatenate((array42, array43), axis=1)
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|
|
+```
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|
+
|
|
|
+输出:
|
|
|
+
|
|
|
+```
|
|
|
+array([[1, 1, 1, 4, 4, 4],
|
|
|
+ [2, 2, 2, 5, 5, 5],
|
|
|
+ [3, 3, 3, 6, 6, 6]])
|
|
|
+```
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|
|
+
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### 矩阵运算
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+我们可以用二维数组表示数学上的矩阵,NumPy中也提供了专门用于矩阵运算的模块和函数。
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+
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+#### 线性代数回顾
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+
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+
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+#### 线性代数模块
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