Numpy 中文教程

什么是NumPy？

NumPy 是 Python 科学计算的基础包。它是一个 Python 库，提供了一个多维数组对象、各种派生对象（例如掩码数组和矩阵），以及用于对数组进行快速操作的各种例程，包括数学、逻辑、形状操作、排序、选择、I/O 、离散傅立叶变换、基本线性代数、基本统计运算、随机模拟等等。

NumPy 包的核心是 ndarray 对象。其封装了同构数据类型的 n维数组，许多操作在编译代码中执行以提高性能。NumPy 数组和标准 Python 序列之间有几个重要的区别：

• 与 Python 列表（可以动态增长）不同，NumPy 数组在创建时具有固定大小。更改ndarray的大小将创建一个新数组并删除原始数组。
• NumPy 数组中的元素都需要具有相同的数据类型，因此在内存中的大小相同。例外：可以有（Python，包括 NumPy）对象的数组，从而允许不同大小元素的数组。
• NumPy 数组有助于对大量数据进行高级数学运算和其他类型的运算。通常，与使用 Python 的内置序列相比，此类操作的执行效率更高，代码更少。
• 越来越多的基于 Python 的科学和数学包正在使用 NumPy 数组；尽管这些通常支持 Python 序列输入，但它们在处理之前将此类输入转换为 NumPy 数组，并且通常输出 NumPy 数组。换句话说，为了有效地使用大部分基于 Python 的科学/数学软件，仅仅知道如何使用 Python 的内置序列类型是不够的——还需要知道如何使用 NumPy 数组。

关于序列大小和速度的要点在科学计算中尤为重要。作为一个简单的例子，考虑将一维序列中的每个元素与另一个相同长度序列中的相应元素相乘的情况。如果数据存储在两个 Python 列表a和 中b，我们可以遍历每个元素：

c = []
for i in range(len(a)):
    c.append(a[i]*b[i])

得出了正确的答案，但如果a和b每一个都包含数以百万计的数字，我们会因为 Python 中循环的的低效率而付出代价。我们可以在 C 中通过编写代码更快地完成相同的任务（为清楚起见，我们忽略了变量声明和初始化、内存分配等）：

for (i = 0; i < rows; i++): {
  c[i] = a[i]*b[i];
}

节省了解释 Python 代码和操作 Python 对象所涉及的所有开销，但代价是牺牲了使用 Python 编码所带来的好处。此外，所需的编码工作随着数据维度的增加而增加。例如，在二维数组的情况下，C 代码（如前所述缩写）扩展为：

for (i = 0; i < rows; i++): {
  for (j = 0; j < columns; j++): {
    c[i][j] = a[i][j]*b[i][j];
  }
}

NumPy 为我们提供了两全其美的方法：当涉及 ndarray 时，逐元素操作是“默认模式”，但逐元素操作由预编译的 C 代码快速执行。 在 NumPy 中：

c = a * b

以接近 C 的速度执行前面的示例所做的事情，而且代码的简单性又符合我们希望和 Python 一样。事实上，NumPy 习惯用法更简单！最后一个示例说明了 NumPy 的两个功能，这两个功能是其大部分强大功能的基础：矢量化和广播。

为什么NumPy更快？

矢量化描述了代码中没有任何显式循环、索引等。当然，这些事情只是在优化、预编译 C 代码的“幕后”发生的。矢量化代码有很多优点，其中包括：

• 矢量化代码更简洁易读
• 更少的代码通常意味着更少的错误
• 代码更接近标准数学符号（通常更容易正确编码数学结构）
• 矢量化会产生更多的Pythonic代码。如果没有矢量化，我们的代码将充斥着低效且难以阅读的for循环。

广播是用于描述操作的隐式逐元素行为的术语；一般而言，在 NumPy 中，所有操作，不仅是算术运算，还有逻辑、按位、函数等，都以这种隐式的逐元素方式表现，即它们正在广播。此外，在上面的例子中，a和b可以是相同形状的多维数组，或者一个标量和一个数组，甚至两个不同形状的数组，前提是较小的数组可以“扩展”到较大的数组中，由此产生的广播是明确的。

还有谁在使用NumPy？

NumPy 完全支持面向对象的方法，再次从 ndarray 开始。例如，ndarray是一个类，拥有许多方法和属性。它的许多方法由最外层 NumPy 命名空间中的函数镜像，允许程序员以他们喜欢的任何样式进行编码。这种灵活性使 NumPy 数组方言和 NumPy ndarray 类成为 Python 中使用的多维数据交换的事实上的语言。

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