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前言
NUMPY（以下簡稱NP）是Python數(shù)據(jù)分析必不可少的第三方庫，np的出現(xiàn)一定程度上解決了Python運算性能不佳的問題，同時提供了更加精確的數(shù)據(jù)類型。如今，np被Python其它科學(xué)計算包作為基礎(chǔ)包，已成為Python 數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，可以說，NP是SciPy、Pandas等數(shù)據(jù)處理或科學(xué)計算庫最基本的函數(shù)功能庫。因此，理解np的數(shù)據(jù)類型對python數(shù)據(jù)分析十分有幫助。
下面，本文將介紹Np的常用操作和基本數(shù)據(jù)類型。
NP提供了以下重點功能。
一個強大的N維數(shù)組對象ndarray
廣功能函數(shù)
整合C/C++/Fortran代碼的工具
提供了線性代數(shù)、傅里葉變換、隨機數(shù)生成的相關(guān)功能
為了更加直觀的了解Np的強大與作用，我們先看作用再看方法：
使用NUMPY操作數(shù)據(jù)集
在操作數(shù)據(jù)之前，我們先來理解什么是維度：
什么是維度
維度是一組數(shù)據(jù)的組織形式，不同數(shù)據(jù)維度可能表示不同的含義。一維數(shù)據(jù)由對等關(guān)系的有序或無序數(shù)據(jù)構(gòu)成，采用線性方式組織，可以用數(shù)組表示。
通俗來講，
1，2，3，4
這么一行數(shù)據(jù)就可以稱之為一維數(shù)據(jù)，但如果我們再對其折疊：
1，2，
3，4
那么他就成為了二維數(shù)據(jù)，又可以稱之為矩陣。
什么是數(shù)據(jù)集
數(shù)據(jù)集，顧名思義就是數(shù)據(jù)的集合，是用以訓(xùn)練程序的數(shù)據(jù)集合，一般是二維或者多維數(shù)表。
如果我們想自己手工新建一個數(shù)據(jù)集，可以直接新建一個文本文件，只要有恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，都可以稱之為數(shù)據(jù)集：
城市,環(huán)比,同比,定基
北京,100.1,100.2,100.3
上海,111.1,111.2,111.3
南京,133.0,133.3,133.4
比如這樣，我們就可以稱上面的文件稱之為數(shù)據(jù)集。我們還注意到，上面數(shù)據(jù)是使用逗號作為分隔符分隔數(shù)據(jù)的，它簡單描述了數(shù)據(jù)的內(nèi)容和含義，并使用半角逗號作為分隔符。像這樣，用逗號分隔的數(shù)據(jù)集就稱之為CSV（Comma-Separated Value,逗號分隔值）數(shù)據(jù)集，它是一種常見的文件格式，用來存儲批量的數(shù)據(jù)。它就像一張excel表，用來存儲簡單結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。
怎么樣，數(shù)據(jù)集的概念是否特別簡單呢？
生成數(shù)據(jù)集
數(shù)據(jù)集是一個簡單的概念，但每次使用手工的方式去寫畢竟不方便，所以，我們可以使用np的內(nèi)置函數(shù)來生成數(shù)據(jù)集：
np.savetxt(frame,array,fmt='%.18e',delimiter=None)
frame：文件、字符串、或產(chǎn)生器的名字，可以是.gz，.bz2的壓縮文件
arrray：存入文件的NP的數(shù)組
fmt(format):寫入文件的格式，如%d,%.2f,%.18e(默認(rèn)，科學(xué)計數(shù)法保留18位)
delemiter:分割字符串，默認(rèn)是任何空格。
我們可以這樣寫下代碼：
a= np.arange(20).reshape(4,5)
np.savetxt('demo.csv',a,fmt='%d',delimiter=',')
這樣，我們就會在當(dāng)前的工作目錄下發(fā)現(xiàn)一個新的demo.csv，用記事本打開，里面是一個4 * 5的矩陣，元素0~19。
讀取數(shù)據(jù)集
既然生成，那就可以讀取，同樣使用np：
np.loadtxt(frame,dtype=np.float,delimiter=None,inpack=False)
frame:指定讀入的文件來源
dtype:數(shù)據(jù)類型，默認(rèn)為np.float。
delimiter:分割字符串
unpack：默認(rèn)為False讀入文件寫入一個數(shù)組，如果為True，讀入屬性將分別寫入不同變量
同樣的我們只需要寫下代碼：
np.loadtxt('demo.csv',delimiter=',')
就可以查看到我們先前寫入的數(shù)組a。
CSV文件的局限
可以發(fā)現(xiàn)，CSV文件只能有效存儲和讀取一維和二維數(shù)組，因為更高的維度無法更直觀的文本下顯現(xiàn)出來，這時，更加靈活的存取方式就呼之欲出了，但講之前先賣個關(guān)子，再介紹一個不太常用的方法：
tofile：對于NP中的ndarray數(shù)組，我們可以使用NP中的tofile方法。
a.tofile(frame,sep='',format='%d')
frame:文件，字符串
數(shù)據(jù)分割字符串，如果不寫，將使用二進制文件存儲
format：寫入數(shù)據(jù)的格式
同樣，我們只需要命令：
import numpy as np
a = np.arange(100).reshape(5,10,2)
a.tofile('a.dat',sep=',',format='%d')
就可以生成新的CSV數(shù)據(jù)集。
此時，我們?nèi)绻蜷_a.dat文件，我們可以看到數(shù)組1,2,3……99。但是與CSV不同，這個文件并沒有包含數(shù)字的維度信息，他只是將數(shù)組所有元素逐一的列出。而且如果我們不指定sep，將保存為二進制文件，雖然對人不可讀，但將占用更小的空間。
既然tofile可以保存文本文件，那么也很容易猜到對應(yīng)的fromfile可以還原這些信息。
np.fromfile(frame,dtype=float,count=-1,sep='')
frame：文件
dtype：讀取元素使用的數(shù)據(jù)類型，默認(rèn)為float
count：讀文件的個數(shù)，默認(rèn)-1，讀取全部
sep:數(shù)據(jù)分割字符串，如果是空串，寫入文件為二進制。
如果我們想要重新恢復(fù)數(shù)據(jù)的維度信息，我們需要重新使用reshape來恢復(fù)維度信息：
c = np.fromfile('b.dat',sep=',',dtype=np.int).reshape(5,10,2)
不得不說，當(dāng)我看到這個方法時感覺這兩個真是蠢爆了，使用savetxt / loadtxt 至少還能保存?zhèn)€二維信息，而使用了tofile / fromfile 方法居然把數(shù)被伸展為一維的，然后自己記住維度信息(╯‵□′)╯︵┻━┻。
因此，為了保存更復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，二維以上的數(shù)據(jù)信息，save / load 函數(shù)成功解決了這個問題：（為了方便，兩個函數(shù)就放到一起了）
保存 / 讀取高維度數(shù)據(jù)
np.save(frame,array)或np.savez(fname,array)(壓縮)
+ frame：文件名，以.npy為擴展名，壓縮擴展名為.npz
+ array：數(shù)組變量
np.load(fname)
Demo:
a = np.arange(100).reshape(5,10,2)
np.save('a.npy',a)
b=np.load('a.npy')
附錄
附錄中提供NP的常用方法及注釋，做查詢用。
np數(shù)組定義
>>>lst = [[1,3,5],[2,4,6]]
>>>np_lst = np.array(lst,dtype=np.float)
>>>print(np_lst.shape)#返回數(shù)組的行列
>>>print(np_lst.ndim)#返回數(shù)組的維數(shù)
>>>print(np_lst.dtype)#返回數(shù)據(jù)類型，float默認(rèn)為64
>>>print(np_lst.itemsize)#np.array每個元素的大小，float64占8個字節(jié)
>>>print(np_lst.size)#大小，6個元素
(2, 3)
2
float64
8
6
初始化數(shù)組
>>>print(np.zeros([2,4])#初始化一個2行4列的數(shù)組
>>>print(np.ones([2,4])
[[ 0. 0. 0. 0.]
[ 0. 0. 0. 0.]]
[[ 1. 1. 1. 1.]
[ 1. 1. 1. 1.]]
隨機序列
>>>print(np.random.rand(2,4))#將生成一個處于0~1之間2行4列的隨機數(shù)序列（不加參數(shù)將只返回一個）
[[ 0.39531286 0.4845 0.1463168 0.82327991]
[ 0.89042255 0.65049931 0.43890163 0.89577744]]
如果想要多個隨機整數(shù)：
print(np.random.randint(22,55,3))#必須有（前兩個參數(shù)）指定范圍，第三個參數(shù)用于指定生成的個數(shù)
[27 40 29]
print(np.random.randn(2，4))#生成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機數(shù)
[[-1.15561548 0.3689953 0.38253231 -1.16346441]
[-1.32625322 -0.41707673 -0.11822205 -0.95807535]]
print(np.random.choice([10,20,40,33]))#從指定可迭代的數(shù)組中生成隨機數(shù)
20
print(np.random.beta(1,10,4))#生成4個beta分布
[ 0.02258548 0.25848896 0.00696899 0.0609543 ]
多維數(shù)組運算
print(np.arange(1,11,2))#得到step為2的range序列
[1 3 5 7 9]
還可以使用reshape函數(shù)，對數(shù)組結(jié)構(gòu)重定義：
print(np.arange(1,11).reshape(2,5))#（5可以缺省為-1）
[[ 1 2 3 4 5]
[ 6 7 8 9 10]]
下面介紹一些常用的運算操作：
lst=np.arange(1,11).reshape(2,5)
print(np.exp(lst))#自然指數(shù)操作
[[ 2.71828183e+00 7.38905610e+00 2.00855369e+01 5.45981500e+01 1.48413159e+02]
[ 4.03428793e+02 1.09663316e+03 2.98095799e+03 8.10308393e+03 2.20264658e+04]]
此外，還可以sqrt、log、sin、sum、max等操作：
我們下定義一個三維數(shù)組：
lst = np.array([
[[1,2,3,4],[4,5,6,7]],
[[7,8,9,10],[10,11,12,13]],
[[14,15,16,17],[18,19,20,21]]
])
print(lst.sum())
252
我們可以看到sum方法對lst的所有元素都進行了求和，此外我們還可以通過對sum方法增加參數(shù)axis的方式來設(shè)置求和的深入維度：
print(lst.sum(axis=0))
[[22 25 28 31]#22=1+7+14；25=2+8+15
[32 35 38 41]]
print(lst.sum(axis=1))
[[ 5 7 9 11]#5=1+4；7=2+5
[17 19 21 23]
[32 34 36 38]]
print(lst.sum(axis=2))
[[10 22]#10=1+2+3+4；22=4+5+6+7
[34 46]
[62 78]]
這里的axis取值為數(shù)組維數(shù)-1，axis可以理解為進行運算操作時的深入程度，axis越大，深入程度越大。同理，不僅sum函數(shù)，max等函數(shù)也可以一樣理解。
相加運算
numpy.array是np最簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。np.array相比與Python原生列表其強大之處在于可以實現(xiàn)對數(shù)組數(shù)據(jù)的運算。我們知道，list只能對元素的追加。而numpy是真正意義上的數(shù)據(jù)運算。
例如
In [1]: import numpy as np
In [2]: list1 = np.array([10,20,30,40])
In [3]: list2 = np.array([4,3,2,1])
In [4]: print(list1)
[10 20 30 40]
In [5]: print(list1+list2)
[14 23 32 41]
但np最強大的地方不在于簡單的一維運算，Np對矩陣也能進行基本的運算操作：
lst1 =np.array([10,20,30,40])
lst2 = np.array([4,3,2,1])
print(np.dot(lst1.reshape([2,2]),lst2.reshape([2,2])))
[[10 22]
[34 46]
[62 78]]
[[ 80 50]
[200 130]]
此外，由于原生list沒有確定的數(shù)據(jù)類型，所以維護起來成本較高，而使用C編寫的numpy，則可以聲明各種常見的數(shù)據(jù)類型：
lst = [[1,3,5],[2,4,6]]
np_lst = np.array(lst,dtype=np.float)
np所支持的數(shù)據(jù)類型都有bool、int8/16/32/64/128/、uint8/16/32/64/128、float16/32/43、complex64/128、string。
總結(jié)
Python作為一門弱類型語言，有其不可避免的缺點。但NP的出現(xiàn)，彌補了這些缺點，使其具備了構(gòu)造復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的能力，為Python數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)。
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