Python数组处理

一、数组对象的属性
数组的大小（元素个数）
array.size

数组的维度
array.ndim

数组元素的数据类型
array.dtype

数组的形状
array.shape

数组中每个元素占用的内存空间
array.itemsize

数组所有元素占用的内存空间（字节）
array.nbytes

数组转置
array.T

数组的形状
array.shape

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二、数组的索引运算

普通索引 - index

array15 = np.random.randint(0, 100, 10)
array15
array([51, 52, 46, 4, 58, 55, 40, 98, 75, 3])

array15[0] = 100
array15
array([100, 52, 46, 4, 58, 55, 40, 98, 75, 3])

array15[-1] = 200
array15
array([100, 52, 46, 4, 58, 55, 40, 98, 75, 200])

花式索引 - fancy index

array15[[1, 2, 5, 1, 1, -1]]
array([ 52, 46, 55, 52, 52, 200])

array16 = np.arange(1, 10).reshape((3, 3))
array16
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

array16[1]
array([4, 5, 6])

array16[1][1]
5
二维数组的索引运算

二维数组的索引运算

array16[1, 1]
5

array16[-1, 1]
8

二维数组的花式索引

array16[[0, 1, 1, 2], [0, 1, 2, 0]]
array([1, 5, 6, 7])

array16[[0, 1, 1, 2]]
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

布尔索引 - 用放布尔类型的数组或列表充当索引 - True对应的元素保留，False对应的元素去除

array15[[True, False, False, True, False, True, True, False, False, False]]
array([100, 4, 55, 40])

array15 > 50
array([ True, True, False, False, True, True, False, True, True,
True])

array15[array15 > 50]
array([100, 52, 58, 55, 98, 75, 200])

array15 % 2 != 0
array([False, False, False, False, False, True, False, False, True,
False])

array15[array15 % 2 != 0]
array([55, 75])

(array15 > 50) & (array15 % 2 != 0)
array([False, False, False, False, False, True, False, False, True,
False])

array15[(array15 > 50) & (array15 % 2 != 0)]
array([55, 75])

array15[(array15 > 50) | (array15 % 2 != 0)]
array([100, 52, 58, 55, 98, 75, 200])

array15[(array15 > 50) & ~(array15 % 2 != 0)]
array([100, 52, 58, 98, 200])

array15[(array15 > 50) & (array15 % 2 == 0)]
array([100, 52, 58, 98, 200])

array16[array16 > 5]
array([6, 7, 8, 9])

切片索引

array15[1:5]
array([52, 46, 4, 58])

array15[1:5:2]
array([52, 4])

array15[-3:-8:-1]
array([98, 40, 55, 58, 4])

array16
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

array16[:2, 1:]
array([[2, 3],
[5, 6]])

array16[2]
array([7, 8, 9])

array16[2, :]
array([7, 8, 9])

array16[2:, :]
array([[7, 8, 9]])

array16[::2, ::2]
array([[1, 3],
[7, 9]])

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三、数组对象的方法
源数据

array17 = np.random.randint(200, 500, 12)
1
array([351, 293, 272, 284, 243, 339, 461, 322, 214, 429, 339, 439])

和

array17.sum()
3986
np.sum(array17)
3986

算术平均

array17.mean()
332.1666666666667
np.mean(array17)
332.1666666666667

中位数

np.median(array17)
330.5
np.quantile(array17, 0.5)
330.5

最大值

array17.max()
461
np.amax(array17)
461

最小值

array17.min()
214
np.amin(array17)
214

极差（peak-to-peak）

array17.ptp()
247
np.ptp(array17)
247

IQR（四分位距离）

q1, q3 = np.quantile(array17, [0.25, 0.75])
iqr = q3 - q1
iqr

IQR（四分位距离）

q1, q3 = np.quantile(array17, [0.25, 0.75])
iqr = q3 - q1
iqr
89.5

方差

array17.var()
5610.63888888889
np.var(array17)
5610.63888888889

标准差

array17.std()
74.90419807253055
np.std(array17)
74.90419807253055

累积和（cumulative sum）

array17.cumsum()
array([ 351, 644, 916, 1200, 1443, 1782, 2243, 2565, 2779, 3208, 3547,
3986])

array19 = np.array([1, 0, 2, 3, 0, 0, 4, 5])
array19
array([1, 0, 2, 3, 0, 0, 4, 5])

获取非0元素的索引

array19[array19.nonzero()]
array([1, 2, 3, 4, 5])

array19[array19 != 0]
array([1, 2, 3, 4, 5])

排序（就地排序）

array17.sort()
array17
array([214, 243, 272, 284, 293, 322, 339, 339, 351, 429, 439, 461])

array16.T
array([[1, 4, 7],
[2, 5, 8],
[3, 6, 9]])

交换轴

array16.swapaxes(0, 1)
array([[1, 4, 7],
[2, 5, 8],
[3, 6, 9]])

转置

array16.transpose()
array([[1, 4, 7],
[2, 5, 8],
[3, 6, 9]])

将数组变成list对象

array17.tolist()
[214, 243, 272, 284, 293, 322, 339, 339, 351, 429, 439, 461]

array16.tolist()
[[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]

array20 = np.random.randint(0, 100, (12, 5))
array20
array([[12, 11, 78, 15, 61],
[40, 3, 78, 69, 54],
[51, 38, 13, 42, 46],
[89, 60, 46, 42, 56],
[48, 30, 75, 11, 87],
[57, 28, 11, 39, 81],
[99, 98, 29, 5, 50],
[97, 68, 6, 9, 59],
[83, 86, 44, 93, 89],
[50, 19, 25, 24, 94],
[20, 74, 9, 32, 28],
[99, 35, 84, 56, 4]])

调整数组的形状

array20.reshape(4, 15)
array([[12, 11, 78, 15, 61, 40, 3, 78, 69, 54, 51, 38, 13, 42, 46],
[89, 60, 46, 42, 56, 48, 30, 75, 11, 87, 57, 28, 11, 39, 81],
[99, 98, 29, 5, 50, 97, 68, 6, 9, 59, 83, 86, 44, 93, 89],
[50, 19, 25, 24, 94, 20, 74, 9, 32, 28, 99, 35, 84, 56, 4]])

array20.reshape(2, 3, 10)
array([[[12, 11, 78, 15, 61, 40, 3, 78, 69, 54],
[51, 38, 13, 42, 46, 89, 60, 46, 42, 56],
[48, 30, 75, 11, 87, 57, 28, 11, 39, 81]],

   [[99, 98, 29,  5, 50, 97, 68,  6,  9, 59],
    [83, 86, 44, 93, 89, 50, 19, 25, 24, 94],
    [20, 74,  9, 32, 28, 99, 35, 84, 56,  4]]])
1
2
3

np.resize(array20, (3, 3, 3))
array([[[12, 11, 78],
[15, 61, 40],
[ 3, 78, 69]],

   [[54, 51, 38],
    [13, 42, 46],
    [89, 60, 46]],

   [[42, 56, 48],
    [30, 75, 11],
    [87, 57, 28]]])
1
2
3
4
5
6
7

np.resize(array20, (20, 5))
array([[12, 11, 78, 15, 61],
[40, 3, 78, 69, 54],
[51, 38, 13, 42, 46],
[89, 60, 46, 42, 56],
[48, 30, 75, 11, 87],
[57, 28, 11, 39, 81],
[99, 98, 29, 5, 50],
[97, 68, 6, 9, 59],
[83, 86, 44, 93, 89],
[50, 19, 25, 24, 94],
[20, 74, 9, 32, 28],
[99, 35, 84, 56, 4],
[12, 11, 78, 15, 61],
[40, 3, 78, 69, 54],
[51, 38, 13, 42, 46],
[89, 60, 46, 42, 56],
[48, 30, 75, 11, 87],
[57, 28, 11, 39, 81],
[99, 98, 29, 5, 50],
[97, 68, 6, 9, 59]])

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四、数组和标量的运算

array1 = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
array1
array([1, 2, 3, 4, 5])

array1 + 10
array([11, 12, 13, 14, 15])

array1 % 2
array([1, 0, 1, 0, 1], dtype=int32)

array1 ** 2
array([ 1, 4, 9, 16, 25])

array2 = np.arange(1, 10).reshape(3, 3)
array2
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

array2 * 10
array([[10, 20, 30],
[40, 50, 60],
[70, 80, 90]])

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五、数组和数组的运算
array1 = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
array1
array([1, 2, 3, 4, 5])

array3 = np.array([10, 10, 10, 0.1, 0.01])
array3
array([10. , 10. , 10. , 0.1 , 0.01])

array1 / array3
array([1.e-01, 2.e-01, 3.e-01, 4.e+01, 5.e+02])

array4 = np.array([[10, 10, 10], [20, 20, 20], [30, 40, 50]])
array4
array([[10, 10, 10],
[20, 20, 20],
[30, 40, 50]])

array2 * array4
array([[ 10, 20, 30],
[ 80, 100, 120],
[210, 320, 450]])

array5 = np.arange(10, 70, 10).reshape(2, 3)
array5
array([[10, 20, 30],
[40, 50, 60]])

array5.shape
(2, 3)

array2
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

array6 = np.array([[10, 20, 30]])
array6
array([[10, 20, 30]])

array2.shape
(3, 3)
array6.shape
(1, 3)

array2 + array6
array([[11, 22, 33],
[14, 25, 36],
[17, 28, 39]])

1
2
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40
41
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45
46
47
48
广播机制

两个形状（shape属性）不一致的数组能否运算，取决于是否可以通过广播机制让它们的形状一致。

广播机制的适用条件（二选一）：

两个数组后缘维度（shape属性从后往前看）相同。
两个数组后缘维度不相同，但是不同的部分其中一方是1。
1
2
3
4
5
6
array6
array([[10, 20, 30]])

array7 = np.array([10, 20, 30]).reshape(3, 1)
array7
array([[10],
[20],
[30]])

array6 + array7
array([[20, 30, 40],
[30, 40, 50],
[40, 50, 60]])
1
2
3
4
5
6
7
8
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10
11
12
13
六、NumPy中操作数组的函数
array8 = np.array([1, np.nan, 3, np.inf, 5])
array8
array([ 1., nan, 3., inf, 5.])

np.isnan(array8)
array([False, True, False, False, False])

np.any(np.isnan(array8))
True

np.isinf(array8)
array([False, False, False, True, False])

np.any(np.isinf(array8))
True

array8[~np.isinf(array8) & ~np.isnan(array8)]
array([1., 3., 5.])

array9 = np.array([[1, 0, 2], [-1, 3, 1]])
array9
array([[ 1, 0, 2],
[-1, 3, 1]])

array10 = np.array([[3, 1], [2, 1], [1, 0]])
array10
array([[3, 1],
[2, 1],
[1, 0]])

array9 @ array10
array([[5, 1],
[4, 2]])

matrix multiply

np.matmul(array9, array10)
array([[5, 1],
[4, 2]])

array11 = np.random.randint(1, 100, 10)
array11
array([75, 35, 21, 74, 19, 21, 56, 2, 56, 80])

排序（返回新的数组对象）

np.sort(array11)
array([ 2, 19, 21, 21, 35, 56, 56, 74, 75, 80])

array11
array([75, 35, 21, 74, 19, 21, 56, 2, 56, 80])

array11.sort()
array11
array([ 2, 19, 21, 21, 35, 56, 56, 74, 75, 80])

array12 = np.array([[1, 1, 1], [2, 2, 2], [3, 3, 3]])
array13 = np.array([[4, 4, 4], [5, 5, 5], [6, 6, 6]])

array12
array([[1, 1, 1],
[2, 2, 2],
[3, 3, 3]])
array13
array([[4, 4, 4],
[5, 5, 5],
[6, 6, 6]])

堆叠数组（vertical方向）

array14 = np.vstack((array12, array13))
array14
array([[1, 1, 1],
[2, 2, 2],
[3, 3, 3],
[4, 4, 4],
[5, 5, 5],
[6, 6, 6]])

堆叠数组（horizontal方向）

np.hstack((array12, array13))
array([[1, 1, 1, 4, 4, 4],
[2, 2, 2, 5, 5, 5],
[3, 3, 3, 6, 6, 6]])

将数组堆叠成更高维的数组

np.stack((array12, array13), axis=0)
array([[[1, 1, 1],
[2, 2, 2],
[3, 3, 3]],

   [[4, 4, 4],
    [5, 5, 5],
    [6, 6, 6]]])
1
2
3

np.stack((array12, array13), axis=1)
array([[[1, 1, 1],
[4, 4, 4]],

   [[2, 2, 2],
    [5, 5, 5]],

   [[3, 3, 3],
    [6, 6, 6]]])
1
2
3
4
5

拆分数组

np.split(array14, 3)
[array([[1, 1, 1],
[2, 2, 2]]),
array([[3, 3, 3],
[4, 4, 4]]),
array([[5, 5, 5],
[6, 6, 6]])]

追加元素（返回新的数组对象）

np.append(array11, 100)
array([ 2, 19, 21, 21, 35, 56, 56, 74, 75, 80, 100])

在指定的位置插入元素（返回新的数组对象）

np.insert(array11, 1, 100)
array([ 2, 100, 19, 21, 21, 35, 56, 56, 74, 75, 80])

通过对数组元素的重复创建新数组

np.repeat(array11, 2)
array([ 2, 2, 19, 19, 21, 21, 21, 21, 35, 35, 56, 56, 56, 56, 74, 74, 75,
75, 80, 80])

通过对数组元素的重复创建新数组

np.tile(array11, 2)
array([ 2, 19, 21, 21, 35, 56, 56, 74, 75, 80, 2, 19, 21, 21, 35, 56, 56,
74, 75, 80])
array11
array([ 2, 19, 21, 21, 35, 56, 56, 74, 75, 80])

根据指定的条件筛选数组元素得到新数组

np.extract(array11 % 2 != 0, array11)
array([19, 21, 21, 35, 75])

根据条件列表以及对应的处理数据的表达式处理数据得到新数组

np.select([array11 < 30, array11 > 60], [array11 ** 2, array11 / 10])
array([ 4. , 361. , 441. , 441. , 0. , 0. , 0. , 7.4, 7.5,
8. ])

根据指定的条件对满足和不满足条件的数据进行处理得到新数组

np.where(array11 > 50, array11 / 10, array11 ** 2)
array([ 4. , 361. , 441. , 441. , 1225. , 5.6, 5.6, 7.4,
7.5, 8. ])

用指定的值替换数组中指定索引的元素

np.put(array11, [0, 2, 3, 5], [100, 200])
array11
array([100, 19, 200, 100, 35, 200, 56, 74, 75, 80])

设置一个条件将满足条件的元素用指定的值进行替换

np.place(array11, array11 > 50, [1, 2, 3])
array11
array([ 1, 19, 2, 3, 35, 1, 2, 3, 1, 2])

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七、向量
v1 = np.array([3, 4])
v2 = np.array([5, 1])

向量的加法

v1 + v2
array([8, 5])

向量的减法

v1 - v2
array([-2, 3])

向量的数乘

2 * v1
array([6, 8])
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用向量判断最接近的数据
hao = np.array([80, 95, 98])
hao
array([80, 95, 98])
stu1 = np.array([100, 20, 50])
stu2 = np.array([90, 92, 95])
stu3 = np.array([80, 94, 97])

np.dot函数可以实现向量的点积运算

np.linalg.norm函数可以计算向量的模（欧几里得空间中的距离）

通过向量点积可以判断两个向量的余弦距离（相似度 - 夹角越小相似度越高）

theta1 = np.dot(hao, stu1) / np.linalg.norm(hao) / np.linalg.norm(stu1)
np.rad2deg(np.arccos(theta1))
34.54767877562217

theta2 = np.dot(hao, stu2) / np.linalg.norm(hao) / np.linalg.norm(stu2)
np.rad2deg(np.arccos(theta2))
3.8613998977477624

theta3 = np.dot(hao, stu3) / np.linalg.norm(hao) / np.linalg.norm(stu3)
np.rad2deg(np.arccos(theta3))
0.26109321614097053

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由上数据可以知道最后一组数据与源数组最接近

八、行列式运算

行列式（determinant）是由多个向量组合在一起构成的

det1 = np.vstack((v1, v2))
det1
array([[3, 4],
[5, 1]])

计算行列式的值

np.linalg.det(det1)
-17.0

det2 = np.arange(1, 10).reshape(3, -1)
det2
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

np.linalg.det(det2)
0.0

det2[-1, -1] = 8
det2
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 8]])

np.around(np.linalg.det(det2))
3.0

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九、矩阵运算

矩阵

mat1 = np.array([1, 3, 5, 9, 4, 3, 6, 2]).reshape(4, 2)
mat1
array([[1, 3],
[5, 9],
[4, 3],
[6, 2]])

mat2 = np.array([10, 10, 20, 20, 30, 30]).reshape(2, 3)
mat2
array([[10, 10, 20],
[20, 30, 30]])

矩阵乘法

mat1 @ mat2
array([[ 70, 100, 110],
[230, 320, 370],
[100, 130, 170],
[100, 120, 180]])

矩阵乘法

np.matmul(mat1, mat2)
array([[ 70, 100, 110],
[230, 320, 370],
[100, 130, 170],
[100, 120, 180]])

mat1.T
array([[1, 5, 4, 6],
[3, 9, 3, 2]])
mat2.T
array([[10, 20],
[10, 30],
[20, 30]])

逆矩阵：

𝐴⋅𝐴−1=𝐼

mat3 = np.arange(1, 10).reshape(3, 3)
mat3
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 9]])

LinAlgError: 奇异矩阵（Singluar matrix) - 奇异矩阵无法求逆

np.linalg.inv(mat3)

mat3[-1, -1] = 8
mat3
array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6],
[7, 8, 8]])

求逆矩阵

mat4 = np.linalg.inv(mat3)
mat4
array([[-2.66666667, 2.66666667, -1. ],
[ 3.33333333, -4.33333333, 2. ],
[-1. , 2. , -1. ]])

矩阵和它的逆矩阵做矩阵乘法会得到单位矩阵

np.around(mat3 @ mat4)
array([[ 1., 0., -0.],
[ 0., 1., 0.],
[ 0., 0., 1.]])

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实例一：解方程组

线性方程组有唯一解的条件：系数矩阵（A）的秩等于增广矩阵（[Ab]）的秩，而且跟未知数的个数相同。

矩阵的秩（rank）：线性无关的行的数量。

线性相关：如果一个向量能够通过另一个向量的线性变换得到，那么两个向量是线性相关的；否则就是线性无关的。

A = np.array([[1, 2, 1], [3, 7, 2], [2, 2, 1]])
b = np.array([8, 23, 9]).reshape(-1, 1)

np.linalg.matrix_rank(A)
3

他的秩等于未知数，那么有唯一解

Ab = np.hstack((A, b))
Ab
array([[ 1, 2, 1, 8],
[ 3, 7, 2, 23],
[ 2, 2, 1, 9]])
np.linalg.matrix_rank(Ab)
3

用函数解决并且得到答案
np.linalg.solve(A, b)
array([[1.],
[2.],
[3.]])

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也可以通过运算获得答案

np.linalg.inv(A) @ b
array([[1.],
[2.],
[3.]])
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3
4
实例二：最小二乘法求斜率与截距

月收入

incomings = np.array([5550, 7500, 10500, 15000, 20000, 25000, 30000, 40000])
incomings

array([ 5550, 7500, 10500, 15000, 20000, 25000, 30000, 40000])

月网购支出

outcomings = np.array([800, 1800, 1250, 2000, 1800, 2100, 2500, 3500])
outcomings

array([ 800, 1800, 1250, 2000, 1800, 2100, 2500, 3500])
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计算开始

计算相关系数

np.corrcoef(incomings, outcomings)
array([[1. , 0.91950911],
[0.91950911, 1. ]])
相关系数达到了0.9+，认为强相关

#𝑦=𝑎⋅𝑥+𝑏
#𝑦=𝑥⋅𝑎+1⋅𝑏

求最小二乘解的参数准备

ca = incomings.reshape(-1, 1)
cb = np.ones(incomings.size).reshape(-1, 1)
param1 = np.hstack((ca, cb))

param1就是式子中的a和b的系数，所以将两个表连接使用，x就是x的值，1默认为1.

param2 = outcomings.reshape(-1, 1)
param2是y的值

求最小二乘解

r1, r2, *_ = np.linalg.lstsq(param1, param2, rcond=None)
a, b = r1.flatten()

最小二乘解（斜率和截距）

r1
array([[6.22570756e-02],
[7.73803255e+02]])

残差（误差平方和）

r2
array([708347.96412991])

用回归模型预测未知状况

def predict(sal):
return round(a * sal + b, 1)
​
print(predict(3000))
print(predict(18000))
print(predict(28000))
print(predict(58000))
print(predict(120000))
960.6
1894.4
2517.0
4384.7
8244.7

多项式拟合

np.polyfit(incomings, outcomings, 1)
array([6.22570756e-02, 7.73803255e+02])