数据分析从入门到“入坑“系列利用Python学习数据分析-Numpy中的ndarray

Posted 2021-07-06 Vax_Loves_1314

NumPy的ndarray：一种多维数组对象

NumPy最重要的一个特点就是其N维数组对象（即ndarray），该对象是一个快速而灵活的大数据集容器。你可以利用这种数组对整块数据执行一些数学运算，其语法跟标量元素之间的运算一样。

要明白Python是如何利用与标量值类似的语法进行批次计算，我先引入NumPy，然后生成一个包含随机数据的小数组：

In [12]: import numpy as np
​
# Generate some random data
In [13]: data = np.random.randn(2, 3)
​
In [14]: data
Out[14]: 
array([[-0.2047,  0.4789, -0.5194],
       [-0.5557,  1.9658,  1.3934]])

然后进行数学运算：

In [15]: data * 10
Out[15]: 
array([[ -2.0471,   4.7894,  -5.1944],
       [ -5.5573,  19.6578,  13.9341]])
​
In [16]: data + data
Out[16]: 
array([[-0.4094,  0.9579, -1.0389],
       [-1.1115,  3.9316,  2.7868]])

第一个例子中，所有的元素都乘以10。第二个例子中，每个元素都与自身相加。

笔记：在本章及全书中，我会使用标准的NumPy惯用法import numpy as np。你当然也可以在代码中使用from numpy import *，但不建议这么做。numpy的命名空间很大，包含许多函数，其中一些的名字与Python的内置函数重名（比如min和max）。

ndarray是一个通用的同构数据多维容器，也就是说，其中的所有元素必须是相同类型的。每个数组都有一个shape（一个表示各维度大小的元组）和一个dtype（一个用于说明数组数据类型的对象）：

In [17]: data.shape
Out[17]: (2, 3)
​
In [18]: data.dtype
Out[18]: dtype('float64')

本章将会介绍NumPy数组的基本用法，这对于本书后面各章的理解基本够用。虽然大多数数据分析工作不需要深入理解NumPy，但是精通面向数组的编程和思维方式是成为Python科学计算牛人的一大关键步骤。

笔记：当你在本书中看到“数组”、“NumPy数组”、"ndarray"时，基本上都指的是同一样东西，即ndarray对象。

创建ndarray

创建数组最简单的办法就是使用array函数。它接受一切序列型的对象（包括其他数组），然后产生一个新的含有传入数据的NumPy数组。以一个列表的转换为例：

In [19]: data1 = [6, 7.5, 8, 0, 1]
​
In [20]: arr1 = np.array(data1)
​
In [21]: arr1
Out[21]: array([ 6. ,  7.5,  8. ,  0. ,  1. ])

嵌套序列（比如由一组等长列表组成的列表）将会被转换为一个多维数组：

In [22]: data2 = [[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8]]
​
In [23]: arr2 = np.array(data2)
​
In [24]: arr2
Out[24]: 
array([[1, 2, 3, 4],
       [5, 6, 7, 8]])

因为data2是列表的列表，NumPy数组arr2的两个维度的shape是从data2引入的。可以用属性ndim和shape验证：

In [25]: arr2.ndim
Out[25]: 2
​
In [26]: arr2.shape
Out[26]: (2, 4)

除非特别说明（稍后将会详细介绍），np.array会尝试为新建的这个数组推断出一个较为合适的数据类型。数据类型保存在一个特殊的dtype对象中。比如说，在上面的两个例子中，我们有：

In [27]: arr1.dtype
Out[27]: dtype('float64')
​
In [28]: arr2.dtype
Out[28]: dtype('int64')

除np.array之外，还有一些函数也可以新建数组。比如，zeros和ones分别可以创建指定长度或形状的全0或全1数组。empty可以创建一个没有任何具体值的数组。要用这些方法创建多维数组，只需传入一个表示形状的元组即可：

In [29]: np.zeros(10)
Out[29]: array([ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.])
​
In [30]: np.zeros((3, 6))
Out[30]: 
array([[ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.,  0.]])
​
In [31]: np.empty((2, 3, 2))
Out[31]: 
array([[[ 0.,  0.],
        [ 0.,  0.],
        [ 0.,  0.]],
       [[ 0.,  0.],
        [ 0.,  0.],
        [ 0.,  0.]]])

注意：认为np.empty会返回全0数组的想法是不安全的。很多情况下（如前所示），它返回的都是一些未初始化的垃圾值。

arange是Python内置函数range的数组版：

In [32]: np.arange(15)
Out[32]: array([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12, 13, 14])

表4-1列出了一些数组创建函数。由于NumPy关注的是数值计算，因此，如果没有特别指定，数据类型基本都是float64（浮点数）。

ndarray的数据类型

dtype（数据类型）是一个特殊的对象，它含有ndarray将一块内存解释为特定数据类型所需的信息：

In [33]: arr1 = np.array([1, 2, 3], dtype=np.float64)
​
In [34]: arr2 = np.array([1, 2, 3], dtype=np.int32)
​
In [35]: arr1.dtype
Out[35]: dtype('float64')
​
In [36]: arr2.dtype
Out[36]: dtype('int32')

dtype是NumPy灵活交互其它系统的源泉之一。多数情况下，它们直接映射到相应的机器表示，这使得“读写磁盘上的二进制数据流”以及“集成低级语言代码（如C、Fortran）”等工作变得更加简单。数值型dtype的命名方式相同：一个类型名（如float或int），后面跟一个用于表示各元素位长的数字。标准的双精度浮点值（即Python中的float对象）需要占用8字节（即64位）。因此，该类型在NumPy中就记作float64。表4-2列出了NumPy所支持的全部数据类型。

笔记：记不住这些NumPy的dtype也没关系，新手更是如此。通常只需要知道你所处理的数据的大致类型是浮点数、复数、整数、布尔值、字符串，还是普通的Python对象即可。当你需要控制数据在内存和磁盘中的存储方式时（尤其是对大数据集），那就得了解如何控制存储类型。

你可以通过ndarray的astype方法明确地将一个数组从一个dtype转换成另一个dtype：

In [37]: arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
​
In [38]: arr.dtype
Out[38]: dtype('int64')
​
In [39]: float_arr = arr.astype(np.float64)
​
In [40]: float_arr.dtype
Out[40]: dtype('float64')

在本例中，整数被转换成了浮点数。如果将浮点数转换成整数，则小数部分将会被截取删除：

In [41]: arr = np.array([3.7, -1.2, -2.6, 0.5, 12.9, 10.1])
​
In [42]: arr
Out[42]: array([  3.7,  -1.2,  -2.6,   0.5,  12.9,  10.1])
​
In [43]: arr.astype(np.int32)
Out[43]: array([ 3, -1, -2,  0, 12, 10], dtype=int32)

如果某字符串数组表示的全是数字，也可以用astype将其转换为数值形式：

In [44]: numeric_strings = np.array(['1.25', '-9.6', '42'], dtype=np.string_)
​
In [45]: numeric_strings.astype(float)
Out[45]: array([  1.25,  -9.6 ,  42.  ])

注意：使用numpy.string_类型时，一定要小心，因为NumPy的字符串数据是大小固定的，发生截取时，不会发出警告。pandas提供了更多非数值数据的便利的处理方法。

如果转换过程因为某种原因而失败了（比如某个不能被转换为float64的字符串），就会引发一个ValueError。这里，我比较懒，写的是float而不是np.float64；NumPy很聪明，它会将Python类型映射到等价的dtype上。

数组的dtype还有另一个属性：

In [46]: int_array = np.arange(10)
​
In [47]: calibers = np.array([.22, .270, .357, .380, .44, .50], dtype=np.float64)
​
In [48]: int_array.astype(calibers.dtype)
Out[48]: array([ 0.,  1.,  2.,  3.,  4.,  5.,  6.,  7.,  8.,  9.])

你还可以用简洁的类型代码来表示dtype：

In [49]: empty_uint32 = np.empty(8, dtype='u4')
​
In [50]: empty_uint32
Out[50]: 
array([         0, 1075314688,          0, 1075707904,          0,
       1075838976,          0, 1072693248], dtype=uint32)

笔记：调用astype总会创建一个新的数组（一个数据的备份），即使新的dtype与旧的dtype相同。