程序员用于机器学习数据科学的3个顶级 Python 库

Posted 2021-02-13 chuyang2017

NumPy

NumPy（数值 Python 的简称）是其中一个顶级数据科学库，它拥有许多有用的资源，从而帮助数据科学家把 Python 变成一个强大的科学分析和建模工具。ＮumPy 是在 BSD 许可证的许可下开源的，它是在科学计算中执行任务的基础 Python 库。SciPy 是一个更大的基于 Python 生态系统的开源工具，而 NumPy 是 SciPy 非常重要的一部分。

NumPy 为 Python 提供了大量数据结构，从而能够轻松地执行多维数组和矩阵运算。除了用于求解线性代数方程和其它数学计算之外，NumPy 还可以用做不同类型通用数据的多维容器。

此外，NumPy 还可以和其他编程语言无缝集成，比如 C/C++ 和 Fortran。NumPy 的多功能性使得它可以简单而快速地与大量数据库和工具结合。比如，让我们来看一下如何使用 NumPy（缩写成 np）来实现两个矩阵的乘法运算。

我们首先导入 NumPy 库（在这些例子中，我将使用 Jupyter notebook）：

1.import numpy **as** np

接下来，使用 eye() 函数来生成指定维数的单位矩阵：

1.matrix_one = np.eye(3)
2.matrix_one

输出如下：

1.**array**([[1., 0., 0.],

 2.           [0., 1., 0.],

 3.           [0., 0., 1.]])

让我们生成另一个 3×3 矩阵。

我们使用 arange([starting number], [stopping number]) 函数来排列数字。注意，函数中的第一个参数是需要列出的初始数字，而后一个数字不包含在生成的结果中。

另外，使用 reshape() 函数把原始生成的矩阵的维度改成我们需要的维度。为了使两个矩阵“可乘”，它们需要有相同的维度。

1.matrix_two= np.arange(1,10).reshape(3,3)

2.matrix_two

输出如下：

**array**([[1, 2, 3],

           [4, 5, 6],

           [7, 8, 9]])

接下来，使用 dot() 函数将两个矩阵相乘。

1.matrix_multiply= np.dot(matrix_one, matrix_two)

2.matrix_multiply

相乘后的输出如下：

**array**([[1., 2., 3.],

           [4., 5., 6.],

           [7., 8., 9.]])

太好了！

我们成功使用 NumPy 完成了两个矩阵的相乘，而不是使用普通冗长vanilla的 Python 代码。

下面是这个例子的完整代码：

1.import numpy as np
2.#生成一个 3x3 单位矩阵
3.matrix_one = np.eye(3)
4.matrix_one
5.#生成另一个 3x3 矩阵以用来做乘法运算
6.matrix_two = np.arange(1,10).reshape(3,3)
7.matrix_two
8.#将两个矩阵相乘
9.matrix_multiply = np.dot(matrix_one, matrix_two)
10.matrix_multiply

Pandas

Pandas 是另一个可以提高你的 Python 数据科学技能的优秀库。就和 NumPy 一样，它属于 SciPy 开源软件家族，可以在 BSD 自由许可证许可下使用。

Pandas 提供了多能而强大的工具，用于管理数据结构和执行大量数据分析。该库能够很好的处理不完整、非结构化和无序的真实世界数据，并且提供了用于整形、聚合、分析和可视化数据集的工具

Pandas 中有三种类型的数据结构：

• Series：一维、相同数据类型的数组

• DataFrame：二维异型矩阵

• Panel：三维大小可变数组

例如，我们来看一下如何使用 Panda 库（缩写成 pd）来执行一些描述性统计计算。

首先导入该库：

1.import pandas **as** pd

然后，创建一个序列series字典：

1.d= 2.{‘Name‘:pd.Series([‘Alfrick‘,‘Michael‘,‘Wendy‘,‘Paul‘,‘Dusan‘,‘George‘,
3‘Andreas‘,
4.‘Irene‘,‘Sagar‘,‘Simon‘,‘James‘,‘Rose‘]),
5.‘Years of
Experience‘:pd.Series([5,9,1,4,3,4,7,9,6,8,3,1]),
‘Programming Language‘:pd.Series([‘Python‘,‘javascript‘,‘php‘,‘C++‘,‘Java‘,‘Scala‘,‘React‘,‘Ruby‘,‘Angular‘,‘PHP‘,‘Python‘,‘JavaScript‘])
    }

接下来，再创建一个数据框DataFrame：

1.df= pd.DataFrame(d)

输出是一个非常规整的表：

1.      Name Programming Language  Years of Experience

0   Alfrick               Python                    5

1   Michael           JavaScript                    9

2     Wendy                  PHP                    1

3      Paul                  C++                    4

4     Dusan                 Java                    3

5    George                Scala                    4

6   Andreas                React                    7

7     Irene                 Ruby                    9

8     Sagar              Angular                    6

9     Simon                  PHP                    8

10    James               Python                    3

11     Rose           JavaScript                    1

下面是这个例子的完整代码：

1.import pandas **as** pd
2.#创建一个序列字典
3.d= 
4{‘Name‘:pd.Series([‘Alfrick‘,‘Michael‘,‘Wendy‘,‘Paul‘,‘Dusan‘,‘George‘,
5.‘Andreas‘,
6‘Irene‘,‘Sagar‘,‘Simon‘,‘James‘,‘Rose‘]),
7.‘Years of Experience‘:pd.Series([5,9,1,4,3,4,7,9,6,8,3,1]),
8.‘Programming 9.Language‘:pd.Series([‘Python‘,‘JavaScript‘,‘PHP‘,‘C++‘,‘Java‘,‘Scala‘,‘React‘,‘Ruby‘,‘Angular‘,‘PHP‘,‘Python‘,‘JavaScript‘])
0.    }
1.#创建一个数据框
df= pd.DataFrame(d)
print(df)

Matplotlib

Matplotlib 也是 Scipy 核心包的一部分，并且在 BSD 许可证下可用。它是一个非常流行的科学库，用于实现简单而强大的可视化。你可以使用这个 Python 数据科学框架来生成曲线图、柱状图、直方图以及各种不同形状的图表，并且不用担心需要写很多行的代码。例如，我们来看一下如何使用 Matplotlib 库来生成一个简单的柱状图。

首先导入该库：

1.from matplotlib import pyplot **as** plt

然后生成 x 轴和 y 轴的数值：

x= [2, 4, 6, 8, 10]

y= [10, 11, 6, 7, 4]

接下来，调用函数来绘制柱状图：

plt.bar(x,y)

最后，显示图表：

plt.show()

柱状图如下：




下面是这个例子的完整代码：

导入 Matplotlib 库

from matplotlib import pyplot as plt

和 import matplotlib.pyplot as plt 一样

生成 x 轴的数值

x= [2, 4, 6, 8, 10]

生成 y 轴的数值

y= [10, 11, 6, 7, 4]

调用函数来绘制柱状图

plt.bar(x,y)

显示图表

plt.show()

总结

Python 编程语言非常擅长数据处理和准备，但是在科学数据分析和建模方面就没有那么优秀了。幸好有这些用于[数据科学](https://www.liveedu.tv/guides/data-science/)的顶级 Python 框架填补了这一空缺，从而你能够进行复杂的数学计算以及创建复杂模型，进而让数据变得更有意义。

你还知道其它的 Python 数据挖掘库吗？你的使用经验是什么样的？请在下面的评论中和我们分享一起学习。

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