Numpy 数组操作|极客教程

Numpy 数组操作，Numpy 中包含了一些函数用于处理数组，大概可分为以下几类：修改数组形状，翻转数组，修改数组维度，连接数组，分割数组，数组元素的添加与删除。

Numpy 数组操作

修改数组形状

函数	描述
`reshape`	不改变数据的条件下修改形状
`flat`	数组元素迭代器
`flatten`	返回一份数组拷贝，对拷贝所做的修改不会影响原始数组
`ravel`	返回展开数组

numpy.reshape

numpy.reshape不改变数据的条件下修改形状

arr：要修改形状的数组
newshape：整数或者整数数组，新的形状应当兼容原有形状
order：’C’ — 按行，’F’ — 按列，’A’ — 原顺序，’k’ — 元素在内存中的出现顺序。

import numpy as np

a = np.arange(8)
print ('原始数组：')
print (a)
print ('\n')

b = a.reshape(4,2)
print ('修改后的数组：')
print (b)

输出结果如下：

原始数组：
[0 1 2 3 4 5 6 7]

修改后的数组：
[[0 1]
 [2 3]
 [4 5]
 [6 7]]

numpy.ndarray.flat

numpy.ndarray.flat 返回数组元素迭代器

import numpy as np

a = np.arange(9).reshape(3,3)
print ('原始数组：')
for row in a:
    print (row)

#对数组中每个元素都进行处理，可以使用flat属性，该属性是一个数组元素迭代器：
print ('迭代后的数组：')
for element in a.flat:
    print (element)

输出结果如下：

原始数组：
[0 1 2]
[3 4 5]
[6 7 8]
迭代后的数组：
0
1
2
3
4
5
6
7
8

numpy.ndarray.flatten

numpy.ndarray.flatten 返回一份数组拷贝，对拷贝所做的修改不会影响原始数组，格式如下：

ndarray.flatten(order='C')

参数说明：

order：’C’ — 按行，’F’ — 按列，’A’ — 原顺序，’K’ — 元素在内存中的出现顺序。

import numpy as np

a = np.arange(8).reshape(2,4)

print ('原数组：')
print (a)
print ('\n')
# 默认按行

print ('展开的数组：')
print (a.flatten())
print ('\n')

print ('以 F 风格顺序展开的数组：')
print (a.flatten(order = 'F'))

输出结果如下：

原数组：
[[0 1 2 3]
 [4 5 6 7]]


展开的数组：
[0 1 2 3 4 5 6 7]


以 F 风格顺序展开的数组：
[0 4 1 5 2 6 3 7]

numpy.ravel

numpy.ravel() 返回展开数组元素，顺序通常是”C风格”，返回的是数组视图（view，有点类似 C/C++引用reference的意味），修改会影响原始数组。
该函数接收两个参数：

numpy.ravel(a, order='C')

参数说明：

order：’C’ — 按行，’F’ — 按列，’A’ — 原顺序，’K’ — 元素在内存中的出现顺序。

import numpy as np

a = np.arange(8).reshape(2,4)

print ('原数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('调用 ravel 函数之后：')
print (a.ravel())
print ('\n')

print ('以 F 风格顺序调用 ravel 函数之后：')
print (a.ravel(order = 'F'))

输出结果如下：

原数组：
[[0 1 2 3]
 [4 5 6 7]]


调用 ravel 函数之后：
[0 1 2 3 4 5 6 7]


以 F 风格顺序调用 ravel 函数之后：
[0 4 1 5 2 6 3 7]

翻转数组

函数	描述
`transpose`	对换数组的维度
`ndarray.T`	和 `self.transpose()` 相同
`rollaxis`	向后滚动指定的轴
`swapaxes`	对换数组的两个轴

numpy.transpose

numpy.transpose 函数用于对换数组的维度，格式如下：

numpy.transpose(arr, axes)

参数说明:

arr：要操作的数组
axes：整数列表，对应维度，通常所有维度都会对换。

import numpy as np

a = np.arange(12).reshape(3,4)

print ('原数组：')
print (a )
print ('\n')

print ('对换数组：')
print (np.transpose(a))

输出结果如下：

原数组：
[[ 0  1  2  3]
 [ 4  5  6  7]
 [ 8  9 10 11]]


对换数组：
[[ 0  4  8]
 [ 1  5  9]
 [ 2  6 10]
 [ 3  7 11]]

numpy.ndarray.T 类似 numpy.transpose：

import numpy as np

a = np.arange(12).reshape(3,4)

print ('原数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('转置数组：')
print (a.T)

输出结果如下：

原数组：
[[ 0  1  2  3]
 [ 4  5  6  7]
 [ 8  9 10 11]]


转置数组：
[[ 0  4  8]
 [ 1  5  9]
 [ 2  6 10]
 [ 3  7 11]]

numpy.rollaxis

numpy.rollaxis 函数向后滚动特定的轴到一个特定位置，格式如下：

numpy.rollaxis(arr, axis, start)

参数说明：

arr：数组
axis：要向后滚动的轴，其它轴的相对位置不会改变
start：默认为零，表示完整的滚动。会滚动到特定位置。

import numpy as np

# 创建了三维的 ndarray
a = np.arange(8).reshape(2,2,2)

print ('原数组：')
print (a)
print ('\n')
# 将轴 2 滚动到轴 0（宽度到深度）

print ('调用 rollaxis 函数：')
print (np.rollaxis(a,2))
# 将轴 0 滚动到轴 1：（宽度到高度）
print ('\n')

print ('调用 rollaxis 函数：')
print (np.rollaxis(a,2,1))

输出结果如下：

原数组：
[[[0 1]
  [2 3]]

 [[4 5]
  [6 7]]]


调用 rollaxis 函数：
[[[0 2]
  [4 6]]

 [[1 3]
  [5 7]]]


调用 rollaxis 函数：
[[[0 2]
  [1 3]]

 [[4 6]
  [5 7]]]

numpy.swapaxes

numpy.swapaxes 函数用于交换数组的两个轴，格式如下：

numpy.swapaxes(arr, axis1, axis2)

arr：输入的数组
axis1：对应第一个轴的整数
axis2：对应第二个轴的整数

import numpy as np

# 创建了三维的 ndarray
a = np.arange(8).reshape(2,2,2)

print ('原数组：')
print (a)
print ('\n')
# 现在交换轴 0（深度方向）到轴 2（宽度方向）

print ('调用 swapaxes 函数后的数组：')
print (np.swapaxes(a, 2, 0))

输出结果如下：

原数组：
[[[0 1]
  [2 3]]

 [[4 5]
  [6 7]]]


调用 swapaxes 函数后的数组：
[[[0 4]
  [2 6]]

 [[1 5]
  [3 7]]]

修改数组维度

维度	描述
`broadcast`	产生模仿广播的对象
`broadcast_to`	将数组广播到新形状
`expand_dims`	扩展数组的形状
`squeeze`	从数组的形状中删除一维条目

numpy.broadcast

numpy.broadcast 用于模仿广播的对象，它返回一个对象，该对象封装了将一个数组广播到另一个数组的结果。
该函数使用两个数组作为输入参数，如下实例：

import numpy as np

x = np.array([[1], [2], [3]])
y = np.array([4, 5, 6])  

# 对 y 广播 x
b = np.broadcast(x,y)  
# 它拥有 iterator 属性，基于自身组件的迭代器元组

print ('对 y 广播 x：')
r,c = b.iters

# Python3.x 为 next(context) ，Python2.x 为 context.next()
print (next(r), next(c))
print (next(r), next(c))
print ('\n')
# shape 属性返回广播对象的形状

print ('广播对象的形状：')
print (b.shape)
print ('\n')
# 手动使用 broadcast 将 x 与 y 相加
b = np.broadcast(x,y)
c = np.empty(b.shape)

print ('手动使用 broadcast 将 x 与 y 相加：')
print (c.shape)
print ('\n')
c.flat = [u + v for (u,v) in b]

print ('调用 flat 函数：')
print (c)
print ('\n')
# 获得了和 NumPy 内建的广播支持相同的结果

print ('x 与 y 的和：')
print (x + y)

输出结果为：

对 y 广播 x：
1 4
1 5


广播对象的形状：
(3, 3)


手动使用 broadcast 将 x 与 y 相加：
(3, 3)


调用 flat 函数：
[[5. 6. 7.]
 [6. 7. 8.]
 [7. 8. 9.]]


x 与 y 的和：
[[5 6 7]
 [6 7 8]
 [7 8 9]]

numpy.broadcast_to

numpy.broadcast_to 函数将数组广播到新形状。它在原始数组上返回只读视图。它通常不连续。如果新形状不符合 NumPy 的广播规则，该函数可能会抛出ValueError。

numpy.broadcast_to(array, shape, subok)

import numpy as np

a = np.arange(4).reshape(1,4)

print ('原数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('调用 broadcast_to 函数之后：')
print (np.broadcast_to(a,(4,4)))

输出结果为：

原数组：
[[0 1 2 3]]


调用 broadcast_to 函数之后：
[[0 1 2 3]
 [0 1 2 3]
 [0 1 2 3]
 [0 1 2 3]]

numpy.expand_dims

numpy.expand_dims 函数通过在指定位置插入新的轴来扩展数组形状，函数格式如下:

numpy.expand_dims(arr, axis)

参数说明：

arr：输入数组
axis：新轴插入的位置

import numpy as np

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

print ('数组 x：')
print (x)
print ('\n')
y = np.expand_dims(x, axis = 0)

print ('数组 y：')
print (y)
print ('\n')

print ('数组 x 和 y 的形状：')
print (x.shape, y.shape)
print ('\n')
# 在位置 1 插入轴
y = np.expand_dims(x, axis = 1)

print ('在位置 1 插入轴之后的数组 y：')
print (y)
print ('\n')

print ('x.ndim 和 y.ndim：')
print (x.ndim,y.ndim)
print ('\n')

print ('x.shape 和 y.shape：')
print (x.shape, y.shape)

输出结果为：

数组 x：
[[1 2]
 [3 4]]


数组 y：
[[[1 2]
  [3 4]]]


数组 x 和 y 的形状：
(2, 2) (1, 2, 2)


在位置 1 插入轴之后的数组 y：
[[[1 2]]

 [[3 4]]]


x.ndim 和 y.ndim：
2 3


x.shape 和 y.shape：
(2, 2) (2, 1, 2)

numpy.squeeze

numpy.squeeze 函数从给定数组的形状中删除一维的条目，函数格式如下：

numpy.squeeze(arr, axis)

参数说明：

arr：输入数组
axis：整数或整数元组，用于选择形状中一维条目的子集

import numpy as np

x = np.arange(9).reshape(1,3,3)

print ('数组 x：')
print (x)
print ('\n')
y = np.squeeze(x)

print ('数组 y：')
print (y)
print ('\n')

print ('数组 x 和 y 的形状：')
print (x.shape, y.shape)

输出结果为：

数组 x：
[[[0 1 2]
  [3 4 5]
  [6 7 8]]]


数组 y：
[[0 1 2]
 [3 4 5]
 [6 7 8]]


数组 x 和 y 的形状：
(1, 3, 3) (3, 3)

连接数组

函数	描述
`concatenate`	连接沿现有轴的数组序列
`stack`	沿着新的轴加入一系列数组。
`hstack`	水平堆叠序列中的数组（列方向）
`vstack`	竖直堆叠序列中的数组（行方向）

numpy.concatenate

numpy.concatenate 函数用于沿指定轴连接相同形状的两个或多个数组，格式如下：

numpy.concatenate((a1, a2, ...), axis)

参数说明：

a1, a2, ...：相同类型的数组
axis：沿着它连接数组的轴，默认为 0

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')
b = np.array([[5,6],[7,8]])

print ('第二个数组：')
print (b)
print ('\n')
# 两个数组的维度相同

print ('沿轴 0 连接两个数组：')
print (np.concatenate((a,b)))
print ('\n')

print ('沿轴 1 连接两个数组：')
print (np.concatenate((a,b),axis = 1))

输出结果为：

第一个数组：
[[1 2]
 [3 4]]


第二个数组：
[[5 6]
 [7 8]]


沿轴 0 连接两个数组：
[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]
 [7 8]]


沿轴 1 连接两个数组：
[[1 2 5 6]
 [3 4 7 8]]

numpy.stack

numpy.stack 函数用于沿新轴连接数组序列，格式如下：

numpy.stack(arrays, axis)

参数说明：

arrays相同形状的数组序列
axis：返回数组中的轴，输入数组沿着它来堆叠

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')
b = np.array([[5,6],[7,8]])

print ('第二个数组：')
print (b)
print ('\n')

print ('沿轴 0 堆叠两个数组：')
print (np.stack((a,b),0))
print ('\n')

print ('沿轴 1 堆叠两个数组：')
print (np.stack((a,b),1))

输出结果如下：

第一个数组：
[[1 2]
 [3 4]]


第二个数组：
[[5 6]
 [7 8]]


沿轴 0 堆叠两个数组：
[[[1 2]
  [3 4]]

 [[5 6]
  [7 8]]]


沿轴 1 堆叠两个数组：
[[[1 2]
  [5 6]]

 [[3 4]
  [7 8]]]

numpy.hstack

numpy.hstack 是 numpy.stack 函数的变体，它通过水平堆叠来生成数组。

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')
b = np.array([[5,6],[7,8]])

print ('第二个数组：')
print (b)
print ('\n')

print ('水平堆叠：')
c = np.hstack((a,b))
print (c)
print ('\n')

输出结果如下：

第一个数组：
[[1 2]
 [3 4]]


第二个数组：
[[5 6]
 [7 8]]


水平堆叠：
[[1 2 5 6]
 [3 4 7 8]]

numpy.vstack

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')
b = np.array([[5,6],[7,8]])

print ('第二个数组：')
print (b)
print ('\n')

print ('竖直堆叠：')
c = np.vstack((a,b))
print (c)

输出结果为：

第一个数组：
[[1 2]
 [3 4]]


第二个数组：
[[5 6]
 [7 8]]


竖直堆叠：
[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]
 [7 8]]

分割数组

函数	数组及操作
`split`	将一个数组分割为多个子数组
`hsplit`	将一个数组水平分割为多个子数组（按列）
`vsplit`	将一个数组垂直分割为多个子数组（按行）

numpy.split

numpy.split 函数沿特定的轴将数组分割为子数组，格式如下：

numpy.split(ary, indices_or_sections, axis)

参数说明：

ary：被分割的数组
indices_or_sections：果是一个整数，就用该数平均切分，如果是一个数组，为沿轴切分的位置（左开右闭）
axis：沿着哪个维度进行切向，默认为0，横向切分。为1时，纵向切分

import numpy as np

a = np.arange(9)

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('将数组分为三个大小相等的子数组：')
b = np.split(a,3)
print (b)
print ('\n')

print ('将数组在一维数组中表明的位置分割：')
b = np.split(a,[4,7])
print (b)

输出结果为：

第一个数组：
[0 1 2 3 4 5 6 7 8]


将数组分为三个大小相等的子数组：
[array([0, 1, 2]), array([3, 4, 5]), array([6, 7, 8])]


将数组在一维数组中表明的位置分割：
[array([0, 1, 2, 3]), array([4, 5, 6]), array([7, 8])]

numpy.hsplit

numpy.hsplit 函数用于水平分割数组，通过指定要返回的相同形状的数组数量来拆分原数组。

import numpy as np

harr = np.floor(10 * np.random.random((2, 6)))
print ('原array：')
print(harr)

print ('拆分后：')
print(np.hsplit(harr, 3))

输出结果为：

原array：
[[4. 7. 6. 3. 2. 6.]
 [6. 3. 6. 7. 9. 7.]]
拆分后：
[array([[4., 7.],
       [6., 3.]]), array([[6., 3.],
       [6., 7.]]), array([[2., 6.],
       [9., 7.]])]

numpy.vsplit

numpy.vsplit 沿着垂直轴分割，其分割方式与hsplit用法相同。

import numpy as np

a = np.arange(16).reshape(4,4)

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('竖直分割：')
b = np.vsplit(a,2)
print (b)

输出结果为：

第一个数组：
[[ 0  1  2  3]
 [ 4  5  6  7]
 [ 8  9 10 11]
 [12 13 14 15]]


竖直分割：
[array([[0, 1, 2, 3],
       [4, 5, 6, 7]]), array([[ 8,  9, 10, 11],
       [12, 13, 14, 15]])]

数组元素的添加与删除

函数	元素及描述
`resize`	返回指定形状的新数组
`append`	将值添加到数组末尾
`insert`	沿指定轴将值插入到指定下标之前
`delete`	删掉某个轴的子数组，并返回删除后的新数组
`unique`	查找数组内的唯一元素

numpy.resize

numpy.resize 函数返回指定大小的新数组。
如果新数组大小大于原始大小，则包含原始数组中的元素的副本。

numpy.resize(arr, shape)

参数说明：

arr：要修改大小的数组
shape：返回数组的新形状

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('第一个数组的形状：')
print (a.shape)
print ('\n')
b = np.resize(a, (3,2))

print ('第二个数组：')
print (b)
print ('\n')

print ('第二个数组的形状：')
print (b.shape)
print ('\n')
# 要注意 a 的第一行在 b 中重复出现，因为尺寸变大了

print ('修改第二个数组的大小：')
b = np.resize(a,(3,3))
print (b)

输出结果为：

第一个数组：
[[1 2 3]
 [4 5 6]]


第一个数组的形状：
(2, 3)


第二个数组：
[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]]


第二个数组的形状：
(3, 2)


修改第二个数组的大小：
[[1 2 3]
 [4 5 6]
 [1 2 3]]

numpy.append

numpy.append 函数在数组的末尾添加值。追加操作会分配整个数组，并把原来的数组复制到新数组中。此外，输入数组的维度必须匹配否则将生成ValueError。
append 函数返回的始终是一个一维数组。

numpy.append(arr, values, axis=None)

参数说明：

arr：输入数组
values：要向arr添加的值，需要和arr形状相同（除了要添加的轴）
axis：默认为 None。当axis无定义时，是横向加成，返回总是为一维数组！当axis有定义的时候，分别为0和1的时候。当axis有定义的时候，分别为0和1的时候（列数要相同）。当axis为1时，数组是加在右边（行数要相同）。

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('向数组添加元素：')
print (np.append(a, [7,8,9]))
print ('\n')

print ('沿轴 0 添加元素：')
print (np.append(a, [[7,8,9]],axis = 0))
print ('\n')

print ('沿轴 1 添加元素：')
print (np.append(a, [[5,5,5],[7,8,9]],axis = 1))

输出结果为：

第一个数组：
[[1 2 3]
 [4 5 6]]


向数组添加元素：
[1 2 3 4 5 6 7 8 9]


沿轴 0 添加元素：
[[1 2 3]
 [4 5 6]
 [7 8 9]]


沿轴 1 添加元素：
[[1 2 3 5 5 5]
 [4 5 6 7 8 9]]

numpy.insert

numpy.insert 函数在给定索引之前，沿给定轴在输入数组中插入值。
如果值的类型转换为要插入，则它与输入数组不同。插入没有原地的，函数会返回一个新数组。此外，如果未提供轴，则输入数组会被展开。

numpy.insert(arr, obj, values, axis)

参数说明：

arr：输入数组
obj：在其之前插入值的索引
values：要插入的值
axis：沿着它插入的轴，如果未提供，则输入数组会被展开

import numpy as np

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

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('未传递 Axis 参数。 在插入之前输入数组会被展开。')
print (np.insert(a,3,[11,12]))
print ('\n')
print ('传递了 Axis 参数。 会广播值数组来配输入数组。')

print ('沿轴 0 广播：')
print (np.insert(a,1,[11],axis = 0))
print ('\n')

print ('沿轴 1 广播：')
print (np.insert(a,1,11,axis = 1))

输出结果如下：

第一个数组：
[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]]


未传递 Axis 参数。 在插入之前输入数组会被展开。
[ 1  2  3 11 12  4  5  6]


传递了 Axis 参数。 会广播值数组来配输入数组。
沿轴 0 广播：
[[ 1  2]
 [11 11]
 [ 3  4]
 [ 5  6]]


沿轴 1 广播：
[[ 1 11  2]
 [ 3 11  4]
 [ 5 11  6]]

numpy.delete

numpy.delete 函数返回从输入数组中删除指定子数组的新数组。与 insert() 函数的情况一样，如果未提供轴参数，则输入数组将展开。

Numpy.delete(arr, obj, axis)

参数说明：

arr：输入数组
obj：可以被切片，整数或者整数数组，表明要从输入数组删除的子数组
axis：沿着它删除给定子数组的轴，如果未提供，则输入数组会被展开

import numpy as np

a = np.arange(12).reshape(3,4)

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('未传递 Axis 参数。 在插入之前输入数组会被展开。')
print (np.delete(a,5))
print ('\n')

print ('删除第二列：')
print (np.delete(a,1,axis = 1))
print ('\n')

print ('包含从数组中删除的替代值的切片：')
a = np.array([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10])
print (np.delete(a, np.s_[::2]))

输出结果为：

第一个数组：
[[ 0  1  2  3]
 [ 4  5  6  7]
 [ 8  9 10 11]]


未传递 Axis 参数。 在插入之前输入数组会被展开。
[ 0  1  2  3  4  6  7  8  9 10 11]


删除第二列：
[[ 0  2  3]
 [ 4  6  7]
 [ 8 10 11]]


包含从数组中删除的替代值的切片：
[ 2  4  6  8 10]

numpy.unique

numpy.unique 函数用于去除数组中的重复元素。

numpy.unique(arr, return_index, return_inverse, return_counts)

arr：输入数组，如果不是一维数组则会展开
return_index：如果为true，返回新列表元素在旧列表中的位置（下标），并以列表形式储
return_inverse：如果为true，返回旧列表元素在新列表中的位置（下标），并以列表形式储
return_counts：如果为true，返回去重数组中的元素在原数组中的出现次数

import numpy as np

a = np.array([5,2,6,2,7,5,6,8,2,9])

print ('第一个数组：')
print (a)
print ('\n')

print ('第一个数组的去重值：')
u = np.unique(a)
print (u)
print ('\n')

print ('去重数组的索引数组：')
u,indices = np.unique(a, return_index = True)
print (indices)
print ('\n')

print ('我们可以看到每个和原数组下标对应的数值：')
print (a)
print ('\n')

print ('去重数组的下标：')
u,indices = np.unique(a,return_inverse = True)
print (u)
print ('\n')

print ('下标为：')
print (indices)
print ('\n')

print ('使用下标重构原数组：')
print (u[indices])
print ('\n')

print ('返回去重元素的重复数量：')
u,indices = np.unique(a,return_counts = True)
print (u)
print (indices)

输出结果为：

第一个数组：
[5 2 6 2 7 5 6 8 2 9]


第一个数组的去重值：
[2 5 6 7 8 9]


去重数组的索引数组：
[1 0 2 4 7 9]


我们可以看到每个和原数组下标对应的数值：
[5 2 6 2 7 5 6 8 2 9]


去重数组的下标：
[2 5 6 7 8 9]


下标为：
[1 0 2 0 3 1 2 4 0 5]


使用下标重构原数组：
[5 2 6 2 7 5 6 8 2 9]


返回去重元素的重复数量：
[2 5 6 7 8 9]
[3 2 2 1 1 1]