NumPy系統是Python的一種開源的數值計算擴充套件。這種工具可用來儲存和處理大型矩陣，比Python自身的巢狀列表（nested list structure)結構要高效的多（該結構也可以用來表示矩陣（matrix））。它包括：1、一個強大的N維陣列物件Array；2、比較成熟的（廣播）函式庫；3、用於整合C/C++和Fortran程式碼的工具包；4、實用的線性代數、傅立葉變換和隨機數生成函式。numpy和稀疏矩陣運算包scipy配合使用更加方便。
今天我們來看下Numpy陣列。
一. Numpy陣列物件
Numpy中的多維陣列稱為ndarray，它有兩個組成部分。
資料本身。
描述資料的後設資料。
它有以下幾個屬性：
ndarray.ndim：陣列的維數
ndarray.shape：陣列每一維的大小
ndarray.size：陣列中全部元素的數量
ndarray.dtype：陣列中元素的型別（numpy.int32, numpy.int16, and numpy.float64等）
ndarray.itemsize：每個元素佔幾個位元組
在陣列的處理過程中，原始資料不受影響，變化的只是後設資料。
Numpy陣列通常是由相同種類的元素組成，即陣列中資料型別必須一致。好處是：陣列元素型別相同，可輕鬆確定儲存陣列所需的空間大小。同時，numpy可運用向量化運算來處理整個陣列。Numpy陣列的索引從0開始。
例子：
>>> import numpy as np >>> a = np.arange(15).reshape(3, 5) >>> a array([[ 0, 1, 2, 3, 4], [ 5, 6, 7, 8, 9], [10, 11, 12, 13, 14]]) >>> a.shape (3, 5) >>> a.ndim 2 >>> a.dtype.name 'int64' >>> a.itemsize 8 >>> a.size 15 >>> type(a) <type 'numpy.ndarray'> >>> b = np.array([6, 7, 8]) >>> b array([6, 7, 8]) >>> type(b) <type 'numpy.ndarray'>
二.建立陣列：
使用array函式講tuple和list轉為array：
>>> import numpy as np
>>> a = np.array([2,3,4])
>>> a
array([2, 3, 4])
>>> a.dtype
dtype('int64')
>>> b = np.array([1.2, 3.5, 5.1])
>>> b.dtype
dtype('float64')多維陣列：
>>> b = np.array([(1.5,2,3), (4,5,6)]) >>> b array([[ 1.5, 2. , 3. ], [ 4. , 5. , 6. ]])
生成陣列的同時指定型別：
>>> c = np.array( [ [1,2], [3,4] ], dtype=complex ) >>> c array([[ 1.+0.j, 2.+0.j], [ 3.+0.j, 4.+0.j]])
生成陣列並賦為特殊值：
ones：全1
zeros：全0
empty：隨機數，取決於記憶體情況
>>> np.zeros( (3,4) ) array([[ 0., 0., 0., 0.], [ 0., 0., 0., 0.], [ 0., 0., 0., 0.]]) >>> np.ones( (2,3,4), dtype=np.int16 ) # dtype can also be specified array([[[ 1, 1, 1, 1], [ 1, 1, 1, 1], [ 1, 1, 1, 1]], [[ 1, 1, 1, 1], [ 1, 1, 1, 1], [ 1, 1, 1, 1]]], dtype=int16) >>> np.empty( (2,3) ) # uninitialized, output may vary array([[ 3.73603959e-262, 6.02658058e-154, 6.55490914e-260], [ 5.30498948e-313, 3.14673309e-307, 1.00000000e+000]])
生成均勻分佈的array：
arange（最小值，最大值，步長）（左閉右開）
linspace（最小值，最大值，元素數量）
>>> np.arange( 10, 30, 5 ) array([10, 15, 20, 25]) >>> np.arange( 0, 2, 0.3 ) # it accepts float arguments array([ 0. , 0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5, 1.8]) >>> np.linspace( 0, 2, 9 ) # 9 numbers from 0 to 2 array([ 0. , 0.25, 0.5 , 0.75, 1. , 1.25, 1.5 , 1.75, 2. ]) >>> x = np.linspace( 0, 2*pi, 100 ) # useful to evaluate function at lots of points
三.基本運算:
整個array按順序參與運算：
>>> a = np.array( [20,30,40,50] ) >>> b = np.arange( 4 ) >>> b array([0, 1, 2, 3]) >>> c = a-b >>> c array([20, 29, 38, 47]) >>> b**2 array([0, 1, 4, 9]) >>> 10*np.sin(a) array([ 9.12945251, -9.88031624, 7.4511316 , -2.62374854]) >>> a<35 array([ True, True, False, False], dtype=bool)
兩個二維使用*符號仍然是按位置一對一相乘，如果想表示矩陣乘法，使用dot：
>>> A = np.array( [[1,1], ... [0,1]] ) >>> B = np.array( [[2,0], ... [3,4]] ) >>> A*B # elementwise product array([[2, 0], [0, 4]]) >>> A.dot(B) # matrix product array([[5, 4], [3, 4]]) >>> np.dot(A, B) # another matrix product array([[5, 4], [3, 4]])
內建函式（min,max,sum)，同時可以使用axis指定對哪一維進行操作：
>>> b = np.arange(12).reshape(3,4) >>> b array([[ 0, 1, 2, 3], [ 4, 5, 6, 7], [ 8, 9, 10, 11]]) >>> >>> b.sum(axis=0) # sum of each column array([12, 15, 18, 21]) >>> >>> b.min(axis=1) # min of each row array([0, 4, 8]) >>> >>> b.cumsum(axis=1) # cumulative sum along each row array([[ 0, 1, 3, 6], [ 4, 9, 15, 22], [ 8, 17, 27, 38]])
Numpy同時提供很多全域性函式
>>> B = np.arange(3) >>> B array([0, 1, 2]) >>> np.exp(B) array([ 1. , 2.71828183, 7.3890561 ]) >>> np.sqrt(B) array([ 0. , 1. , 1.41421356]) >>> C = np.array([2., -1., 4.]) >>> np.add(B, C) array([ 2., 0., 6.])
四.定址，索引和遍歷：
一維陣列的遍歷語法和Python list類似：
>>> a = np.arange(10)**3 >>> a array([ 0, 1, 8, 27, 64, 125, 216, 343, 512, 729]) >>> a[2] 8 >>> a[2:5] array([ 8, 27, 64]) >>> a[:6:2] = -1000 # equivalent to a[0:6:2] = -1000; from start to position 6, exclusive, set every 2nd element to -1000 >>> a array([-1000, 1, -1000, 27, -1000, 125, 216, 343, 512, 729]) >>> a[ : :-1] # reversed a array([ 729, 512, 343, 216, 125, -1000, 27, -1000, 1, -1000]) >>> for i in a: ... print(i**(1/3.)) ... nan 1.0 nan 3.0 nan 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
多維陣列的訪問透過給每一維指定一個索引，順序是先高維再低維：
>>> def f(x,y): ... return 10*x+y ... >>> b = np.fromfunction(f,(5,4),dtype=int) >>> b array([[ 0, 1, 2, 3], [10, 11, 12, 13], [20, 21, 22, 23], [30, 31, 32, 33], [40, 41, 42, 43]]) >>> b[2,3] 23 >>> b[0:5, 1] # each row in the second column of b array([ 1, 11, 21, 31, 41]) >>> b[ : ,1] # equivalent to the previous example array([ 1, 11, 21, 31, 41]) >>> b[1:3, : ] # each column in the second and third row of b array([[10, 11, 12, 13], [20, 21, 22, 23]]) When fewer indices are provided than the number of axes, the missing indices are considered complete slices: >>> >>> b[-1] # the last row. Equivalent to b[-1,:] array([40, 41, 42, 43])
…符號表示將所有未指定索引的維度均賦為 ： ，：在python中表示該維所有元素：
>>> c = np.array( [[[ 0, 1, 2], # a 3D array (two stacked 2D arrays) ... [ 10, 12, 13]], ... [[100,101,102], ... [110,112,113]]]) >>> c.shape (2, 2, 3) >>> c[1,...] # same as c[1,:,:] or c[1] array([[100, 101, 102], [110, 112, 113]]) >>> c[...,2] # same as c[:,:,2] array([[ 2, 13], [102, 113]])
遍歷：
如果只想遍歷整個array可以直接使用：
>>> for row in b: ... print(row) ... [0 1 2 3] [10 11 12 13] [20 21 22 23] [30 31 32 33] [40 41 42 43]
但是如果要對每個元素進行操作，就要使用flat屬性，這是一個遍歷整個陣列的迭代器
>>> for element in b.flat: ... print(element) ... 0 1 2 3 10 11 12 13 20 21 22 23 30 31 32 33 40 41 42 43