Shape python что это
NumPy, часть 2: базовые операции над массивами
Здравствуйте! Я продолжаю работу над пособием по python-библиотеке NumPy.
В прошлой части мы научились создавать массивы и их печатать. Однако это не имеет смысла, если с ними ничего нельзя делать.
Сегодня мы познакомимся с операциями над массивами.
Базовые операции
Математические операции над массивами выполняются поэлементно. Создается новый массив, который заполняется результатами действия оператора.
Для этого, естественно, массивы должны быть одинаковых размеров.
Также можно производить математические операции между массивом и числом. В этом случае к каждому элементу прибавляется (или что вы там делаете) это число.
NumPy также предоставляет множество математических операций для обработки массивов:
Полный список можно посмотреть здесь.
Многие унарные операции, такие как, например, вычисление суммы всех элементов массива, представлены также и в виде методов класса ndarray.
По умолчанию, эти операции применяются к массиву, как если бы он был списком чисел, независимо от его формы. Однако, указав параметр axis, можно применить операцию для указанной оси массива:
Индексы, срезы, итерации
Одномерные массивы осуществляют операции индексирования, срезов и итераций очень схожим образом с обычными списками и другими последовательностями Python (разве что удалять с помощью срезов нельзя).
У многомерных массивов на каждую ось приходится один индекс. Индексы передаются в виде последовательности чисел, разделенных запятыми (то бишь, кортежами):
Когда индексов меньше, чем осей, отсутствующие индексы предполагаются дополненными с помощью срезов:
Например, если x имеет ранг 5 (то есть у него 5 осей), тогда
Итерирование многомерных массивов начинается с первой оси:
Однако, если нужно перебрать поэлементно весь массив, как если бы он был одномерным, для этого можно использовать атрибут flat:
Манипуляции с формой
Как уже говорилось, у массива есть форма (shape), определяемая числом элементов вдоль каждой оси:
Форма массива может быть изменена с помощью различных команд:
Порядок элементов в массиве в результате функции ravel() соответствует обычному «C-стилю», то есть, чем правее индекс, тем он «быстрее изменяется»: за элементом a[0,0] следует a[0,1]. Если одна форма массива была изменена на другую, массив переформировывается также в «C-стиле». Функции ravel() и reshape() также могут работать (при использовании дополнительного аргумента) в FORTRAN-стиле, в котором быстрее изменяется более левый индекс.
Метод reshape() возвращает ее аргумент с измененной формой, в то время как метод resize() изменяет сам массив:
Объединение массивов
Несколько массивов могут быть объединены вместе вдоль разных осей с помощью функций hstack и vstack.
hstack() объединяет массивы по первым осям, vstack() — по последним:
Функция column_stack() объединяет одномерные массивы в качестве столбцов двумерного массива:
Аналогично для строк имеется функция row_stack().
Разбиение массива
Используя hsplit() вы можете разбить массив вдоль горизонтальной оси, указав либо число возвращаемых массивов одинаковой формы, либо номера столбцов, после которых массив разрезается «ножницами»:
Функция vsplit() разбивает массив вдоль вертикальной оси, а array_split() позволяет указать оси, вдоль которых произойдет разбиение.
Копии и представления
При работе с массивами, их данные иногда необходимо копировать в другой массив, а иногда нет. Это часто является источником путаницы. Возможно 3 случая:
Вообще никаких копий
Простое присваивание не создает ни копии массива, ни копии его данных:
Python передает изменяемые объекты как ссылки, поэтому вызовы функций также не создают копий.
Представление или поверхностная копия
Разные объекты массивов могут использовать одни и те же данные. Метод view() создает новый объект массива, являющийся представлением тех же данных.
Срез массива это представление:
Глубокая копия
Метод copy() создаст настоящую копию массива и его данных:
NumPy, пособие для новичков. Часть 1
NumPy — это расширение языка Python, добавляющее поддержку больших многомерных массивов и матриц, вместе с большой библиотекой высокоуровневых математических функций для операций с этими массивами.
Первая часть учебника рассказывает об основах работы с NumPy: создании массивов, их атрибутах, базовых операциях, поэлементном применении функций, индексах, срезах, итерировании. Рассматриваются различные манипуляции с преобразованием формы массива, объединение массивов из нескольких и наоборот — разбиение одного на несколько более мелких. В конце мы обсудим поверхностное и глубокое копирование.
Основы
Если вы еще не устанавливали NumPy, то взять его можно здесь. Используемая версия Python — 2.6.
Основным объектом NumPy является однородный многомерный массив. Это таблица элементов (обычно чисел), всех одного типа, индексированных последовательностями натуральных чисел.
Под «многомерностью» массива мы понимаем то, что у него может быть несколько измерений или осей. Поскольку слово «измерение» является неоднозначным, вместо него мы чаще будем использовать слова «ось» (axis) и «оси» (axes). Число осей называется рангом (rank).
Например, координаты точки в трехмерном пространстве [1, 2, 1] это массив ранга 1 у него есть только одна ось. Длина этой оси — 3. Другой пример, массив
представляет массив ранга 2 (то есть это двухмерный массив). Длина первого измерения (оси) — 2, длина второй оси — 3. Для получения дополнительной информации смотрите глоссарий Numpy.
ndarray.ndim — число осей (измерений) массива. Как уже было сказано, в мире Python число измерений часто называют рангом.
ndarray.itemsize — размер каждого элемента массива в байтах. Например, для массива из элементов типа float64 значение itemsize равно 8 (=64/8), а для complex32 этот атрибут равен 4 (=32/8).
ndarray.data — буфер, содержащий фактические элементы массива. Обычно нам не будет нужно использовать этот атрибут, потому как мы будем обращаться к элементам массива с помощью индексов.
Пример
Создание массивов
Функция array() трансформирует вложенные последовательности в многомерные массивы. Тип массива зависит от типа элементов исходной последовательности.
Раз у нас есть массив, мы можем взглянуть на его атрибуты:
Тип массива может быть явно указан в момент создания:
Часто встречающаяся ошибка состоит в вызове функции array() с множеством числовых аргументов вместо предполагаемого единственного аргумента в виде списка чисел:
Функция zeros() создает массив нулей, а функция ones() — массив единиц:
Функция empty() создает массив без его заполнения. Исходное содержимое случайно и зависит от состояния памяти на момент создания массива (то есть от того мусора, что в ней хранится):
Печать массивов
Если массив слишком большой, чтобы его печатать, NumPy автоматически скрывает центральную часть массива и выводит только его уголки:
Если вам действительно нужно увидеть все, что происходит в большом массиве, выведя его полностью, используйте функцию установки печати set_printoptions() :
Copy Source | Copy HTML
>>> set_printoptions(threshold=nan)
Базовые операции
Некоторые операции делаются «на месте», без создания нового массива.
При работе с массивами разных типов, тип результирующего массива соответствует более общему или более точному типу.
По умолчанию, эти операции применяются к массиву, как если бы он был списком чисел, независимо от его формы. Однако, указав параметр axis можно применить операцию по указанной оси массива:
Универсальные функции
Индексы, срезы, итерации
У многомерных массивов на каждую ось приходится один индекс. Индексы передаются в виде последовательности чисел, разделенных запятыми:
Когда индексов меньше, чем осей, отсутствующие индексы предполагаются дополненными с помощью срезов:
Итерирование многомерных массивов начинается с первой оси:
Copy Source | Copy HTML
>>> 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 ]
Однако, если нужно перебрать поэлементно весь массив, как если бы он был одномерным, для этого можно использовать атрибут flat :
Copy Source | Copy HTML
>>> 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
Манипуляции с формой
Форма массива может быть изменена с помощью различных команд:
Функция reshape() возвращает ее аргумент с измененной формой, в то время как метод resize() изменяет сам массив:
Объединение массивов
Функция column_stack() объединяет одномерные массивы в качестве столбцов двумерного массива:
Разделение одного массива на несколько более мелких
Функция vsplit() разбивает массив вдоль вертикальной оси, а array_split() позволяет указать оси, вдоль которых произойдет разбиение.
Копии и представления
При работе с массивами, их данные иногда необходимо копировать в другой массив, а иногда нет. Это часто является источником путаницы среди новичков. Возможно всего три случая:
Вообще никаких копий
Python передает изменяемые объекты как ссылки, поэтому вызовы функций также не создают копий:
Представление или поверхностная копия
Разные объекты массивов могут использовать одни и те же данные. Метод view() создает новый объект массива, являющийся представлением тех же данных.
Срез массива это представление:
Изменение формы массивов, добавление и удаление осей
На предыдущем занятии мы немного познакомились со способами изменения формы массивов пакета NumPy, то есть изменением их размерностей. На этом занятии поближе рассмотрим эту тему и познакомимся с наиболее употребительными функциями и свойствами, влияющих на представление массивов.
Изменение размерности массивов
Предположим, у нас имеется массив, состоящий из десяти чисел:
Мы уже знаем, что для изменения формы этого массива, достаточно указать свойству shape кортеж с новыми размерами, например, так:
В результате изменится представление массива, на которое ссылается переменная a. Если же требуется создать новое представление массива, сохранив прежнее, то следует воспользоваться методом reshape():
И, как мы с вами говорили на предыдущем занятии, ссылки b и a будут использовать одни и те же данные, то есть, изменение массива через b:
приведет к изменению соответствующего элемента массива a:
array([[-1, 1, 2, 3, 4],
[ 5, 6, 7, 8, 9]])
Об этом всегда следует помнить. Также следует помнить, что у свойства shape и метода reshape() размерность должна охватывать все элементы массива. Например, вот такая команда:
приведет к ошибке, т.к. размерность 3×3 = 9 элементов, а в массиве 10 элементов. Здесь всегда должно выполняться равенство:
n1 x n2 x … x nN = число элементов массива
Но допускается делать так:
То же самое можно делать и в методе reshape():
Обратите внимание, в последних двух случаях мы получаем представления двумерных массивов, преобразуя одномерный. Это важный момент, так как на выходе метода reshape() получается матрица с двумя осями (строки и столбцы), тогда как изначально массив b имел только одну ось. Не случайно последнее представление отображается с двумя квадратными скобками:
array([[-1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]])
Первая скобка – это первая ось (строка), а вторая скобка (вторая ось) описывает столбцы. Одномерный же массив b отображается с одной квадратной скобкой:
array([-1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
Используя отрицательный индекс, можно делать и такие преобразования:
Первое представление (2×5) отображается следующим образом:
array([[-1, 1, 2, 3, 4],
[ 5, 6, 7, 8, 9]])
Здесь снова мы видим две квадратные скобки (значит, массив двумерный). Первая описывает ось axis0, отвечающую за строки, а вложенные скобки описывают вторую ось axis1, отвечающую за столбцы.
Если нам требуется многомерный массив преобразовать в обычный одномерный, то можно воспользоваться методом ravel(), который возвращает новое представление, не меняя текущего:
Если же нам нужно текущий массив преобразовать в одномерный, то это можно сделать так:
Помимо свойства shape можно использовать метод resize, который выполняет подобную операцию с текущим массивом. Например:
Но, как мы уже говорили, вот такая строчка приведет к ошибке:
Однако, мы все-таки можем выполнить такую операцию, указав дополнительно флаг refcheck=False:
Транспонирование матриц и векторов
Очень часто в математических операциях требуется выполнять транспонирование матриц и векторов, то есть, заменять строки на столбцы. Например, если имеется матрица (двумерный массив):
то операция транспонирования может быть реализована так:
Обратите внимание, мы здесь создаем лишь новое представление тех же самых данных массива a. И изменение элементов в массиве b:
приведет к соответствующему изменению значения элемента и массива a. Это следует помнить, используя операцию транспонирования.
Транспонирование векторов работает несколько иначе. Предположим, имеется одномерный массив:
и мы выполняем операцию транспонирования:
В результате ничего не изменилось: вектор как был строкой, так строкой и остался. Почему? Дело в том, что массив x имеет только одну размерность, поэтому здесь нет понятия строк и столбцов. Соответственно, операция транспонирования ни к чему не приводит. Чтобы получить ожидаемый эффект, нужно добавить к массиву еще одну ось, например, так:
И теперь, при транспонировании получим вектор-столбец:
Добавление и удаление осей
Давайте предположим, что у нас имеется некий многомерный массив:
И нам потребовалось добавить еще одно измерение (ось), причем, в самое начало, то есть, ось axis0. Сейчас на этой оси 8 элементов – матриц 2×2, но мы хотим сделать четырехмерный массив, сохранив остальные три оси и их данные без изменений. Как раз это достаточно просто сделать с помощью функции expand_dims, следующим образом:
Обращаясь к свойству shape:
Видим, что массив стал четырехмерным и первая добавленная ось axis0 содержит один элемент – трехмерный массив 8x2x2. При необходимости, мы всегда можем добавить новый элемент на эту ось:
или удалить ненужные элементы:
Здесь второй параметр 0 – индекс удаляемого элемента на оси axis0.
Если нам нужно добавить последнюю ось в массиве, то для этого можно записать такую команду:
Следующая функция squeeze позволяет удалить все оси с одним элементом. Например, строчка:
превращает массив размерностью (1, 8, 2, 2) в массив размерностью (8, 2, 2). При необходимости, дополнительно мы можем самостоятельно указать оси, которые следует удалять, например, так:
Но, если указать ось с числом элементов больше 1, то возникнет ошибка:
Объект newaxis
В NumPy добавлять новые оси иногда удобнее с помощью специального объекта np.newaxis. Например, пусть у нас есть одномерный массив:
У него одна ось – одно измерение. Добавим еще одну ось, допустим, в начало. С помощью объекта np.newaxis это можно сделать так:
Или, можно прописать сразу две оси:
Как видите, это достаточно удобная операция.
Видео по теме
#2. Основные типы данных. Создание массивов функцией array() | NumPy уроки
#3. Функции автозаполнения, создания матриц и числовых диапазонов | NumPy уроки
#4. Свойства и представления массивов, создание их копий | NumPy уроки
#5. Изменение формы массивов, добавление и удаление осей | NumPy уроки
#6. Объединение и разделение массивов | NumPy уроки
#7. Индексация, срезы, итерирование массивов | NumPy уроки
#8. Базовые математические операции над массивами | NumPy уроки
#9. Булевы операции и функции, значения inf и nan | NumPy уроки
#10. Базовые математические функции | NumPy уроки
#11. Произведение матриц и векторов, элементы линейной алгебры | NumPy уроки
#12. Множества (unique) и операции над ними | NumPy уроки
#13. Транслирование массивов | NumPy уроки
© 2021 Частичное или полное копирование информации с данного сайта для распространения на других ресурсах, в том числе и бумажных, строго запрещено. Все тексты и изображения являются собственностью сайта
NumPy, часть 1: начало работы
NumPy — это библиотека языка Python, добавляющая поддержку больших многомерных массивов и матриц, вместе с большой библиотекой высокоуровневых (и очень быстрых) математических функций для операций с этими массивами.
Установка NumPy
На Windows на том же сайте есть exe установщики. Или, если возникают проблемы, рекомендую ещё хороший сборник библиотек http://www.lfd.uci.edu/
Начинаем работу
Основным объектом NumPy является однородный многомерный массив (в numpy называется numpy.ndarray). Это многомерный массив элементов (обычно чисел), одного типа.
Наиболее важные атрибуты объектов ndarray:
Создание массивов
Функция array() трансформирует вложенные последовательности в многомерные массивы. Тип элементов массива зависит от типа элементов исходной последовательности (но можно и переопределить его в момент создания).
Можно также переопределить тип в момент создания:
Функция array() не единственная функция для создания массивов. Обычно элементы массива вначале неизвестны, а массив, в котором они будут храниться, уже нужен. Поэтому имеется несколько функций для того, чтобы создавать массивы с каким-то исходным содержимым (по умолчанию тип создаваемого массива — float64).
Функция zeros() создает массив из нулей, а функция ones() — массив из единиц. Обе функции принимают кортеж с размерами, и аргумент dtype:
Функция eye() создаёт единичную матрицу (двумерный массив)
Функция empty() создает массив без его заполнения. Исходное содержимое случайно и зависит от состояния памяти на момент создания массива (то есть от того мусора, что в ней хранится):
Для создания последовательностей чисел, в NumPy имеется функция arange(), аналогичная встроенной в Python range(), только вместо списков она возвращает массивы, и принимает не только целые значения:
Вообще, при использовании arange() с аргументами типа float, сложно быть уверенным в том, сколько элементов будет получено (из-за ограничения точности чисел с плавающей запятой). Поэтому, в таких случаях обычно лучше использовать функцию linspace(), которая вместо шага в качестве одного из аргументов принимает число, равное количеству нужных элементов:
fromfunction(): применяет функцию ко всем комбинациям индексов
Печать массивов
Если массив слишком большой, чтобы его печатать, NumPy автоматически скрывает центральную часть массива и выводит только его уголки.
Если вам действительно нужно увидеть весь массив, используйте функцию numpy.set_printoptions:
И вообще, с помощью этой функции можно настроить печать массивов «под себя». Функция numpy.set_printoptions принимает несколько аргументов:
precision : количество отображаемых цифр после запятой (по умолчанию 8).
threshold : количество элементов в массиве, вызывающее обрезание элементов (по умолчанию 1000).
edgeitems : количество элементов в начале и в конце каждой размерности массива (по умолчанию 3).
linewidth : количество символов в строке, после которых осуществляется перенос (по умолчанию 75).
suppress : если True, не печатает маленькие значения в scientific notation (по умолчанию False).
nanstr : строковое представление NaN (по умолчанию ‘nan’).
infstr : строковое представление inf (по умолчанию ‘inf’).
formatter : позволяет более тонко управлять печатью массивов. Здесь я его рассматривать не буду, можете почитать здесь (на английском).
И вообще, пользуйтесь официальной документацией по numpy, а в этом пособии я постараюсь описать всё необходимое. В следующей части мы рассмотрим базовые операции над массивами.
NumPy в Python. Часть 1
Предисловие переводчика
Доброго времени суток, Хабр. Запускаю цикл статей, которые являются переводом небольшого мана по numpy, ссылочка. Приятного чтения.
Введение
Установка
Если у вас есть Python(x, y) (Примечание переводчика: Python(x, y), это дистрибутив свободного научного и инженерного программного обеспечения для численных расчётов, анализа и визуализации данных на основе языка программирования Python и большого числа модулей (библиотек)) на платформе Windows, то вы готовы начинать. Если же нет, то после установки python, вам нужно установить пакеты самостоятельно, сначала NumPy потом SciPy. Установка доступна здесь. Следуйте установке на странице, там всё предельно понятно.
Немного дополнительной информации
Сообщество NumPy и SciPy поддерживает онлайн руководство, включающие гайды и туториалы, тут: docs.scipy.org/doc.
Импорт модуля numpy
Есть несколько путей импорта. Стандартный метод это — использовать простое выражение:
Тем не менее, для большого количества вызовов функций numpy, становится утомительно писать numpy.X снова и снова. Вместо этого намного легче сделать это так:
Это выражение позволяет нам получать доступ к numpy объектам используя np.X вместо numpy.X. Также можно импортировать numpy прямо в используемое пространство имен, чтобы вообще не использовать функции через точку, а вызывать их напрямую:
Однако, этот вариант не приветствуется в программировании на python, так как убирает некоторые полезные структуры, которые модуль предоставляет. До конца этого туториала мы будем использовать второй вариант импорта (import numpy as np).
Массивы
Главной особенностью numpy является объект array. Массивы схожи со списками в python, исключая тот факт, что элементы массива должны иметь одинаковый тип данных, как float и int. С массивами можно проводить числовые операции с большим объемом информации в разы быстрее и, главное, намного эффективнее чем со списками.
Создание массива из списка:
Здесь функция array принимает два аргумента: список для конвертации в массив и тип для каждого элемента. Ко всем элементам можно получить доступ и манипулировать ими так же, как вы бы это делали с обычными списками:
Массивы могут быть и многомерными. В отличии от списков можно использовать запятые в скобках. Вот пример двумерного массива (матрица):
Array slicing работает с многомерными массивами аналогично, как и с одномерными, применяя каждый срез, как фильтр для установленного измерения. Используйте «:» в измерении для указывания использования всех элементов этого измерения:
Метод shape возвращает количество строк и столбцов в матрице:
Метод dtype возвращает тип переменных, хранящихся в массиве:
Тут float64, это числовой тип данных в numpy, который используется для хранения вещественных чисел двойной точности. Так же как float в Python.
Метод len возвращает длину первого измерения (оси):
Метод in используется для проверки на наличие элемента в массиве:
Массивы можно переформировать при помощи метода, который задает новый многомерный массив. Следуя следующему примеру, мы переформатируем одномерный массив из десяти элементов во двумерный массив, состоящий из пяти строк и двух столбцов:
Обратите внимание, метод reshape создает новый массив, а не модифицирует оригинальный.
Имейте ввиду, связывание имен в python работает и с массивами. Метод copy используется для создания копии существующего массива в памяти:
Списки можно тоже создавать с массивов:
Можно также переконвертировать массив в бинарную строку (то есть, не human-readable форму). Используйте метод tostring для этого. Метод fromstring работает в для обратного преобразования. Эти операции иногда полезны для сохранения большого количества данных в файлах, которые могут быть считаны в будущем.
Заполнение массива одинаковым значением.
Транспонирование массивов также возможно, при этом создается новый массив:
Многомерный массив можно переконвертировать в одномерный при помощи метода flatten:
Два или больше массивов можно сконкатенировать при помощи метода concatenate:
Если массив не одномерный, можно задать ось, по которой будет происходить соединение. По умолчанию (не задавая значения оси), соединение будет происходить по первому измерению:
В заключении, размерность массива может быть увеличена при использовании константы newaxis в квадратных скобках:
Заметьте, тут каждый массив двумерный; созданный при помощи newaxis имеет размерность один. Метод newaxis подходит для удобного создания надлежаще-мерных массивов в векторной и матричной математике.
На этом у нас конец первой части перевода. Спасибо за внимание.