Python | NumPy 教程三（位运算、字符串处理函数）

\qquad Numpy 是 Python 中科学计算的核心库，NumPy 这个词来源于 Numerical 和 Python 两个单词。它提供了一个高性能的多维数组对象，以及大量的库函数和操作，可以帮助程序员轻松地进行数值计算，广泛应用于机器学习模型、图像处理和计算机图形学、数学任务等领域。

一、NumPy 位运算

1.1 numpy.bitwise_and()

• bitwise_and() 函数对两个数组中整数的二进制形式执行位与运算。

  import numpy as np
  
  a = np.random.randint(1,11,(3,4))
  print(a)
  for i in a:
      for j in i:
          print(bin(j),end=",") # python 的 bin 函数可以将整数转为二进制数
      print()
  b = np.random.randint(1,11,(3,4))
  print(b)
  for i in b:
      for j in i:
          print(np.binary_repr(j),end=",") # np.binary_repr 函数可以将整数转为二进制数
      print()
  print(np.bitwise_and(a,b))
  

  

1.2 numpy.bitwise_or()

• bitwise_or() 函数对两个数组中整数的二进制形式执行位或运算。用法同上。

1.3 numpy.invert()

• invert() 方法对数组中整数做按位取反运算，也就是 0 变成 1，1 变为 0。注：计算机中都是使用补码存储数字，所以按位取反都是取补码的相反值。
  • 对于有符号二进制数，其最高位为 0，表示正数；最高位为 1，表示负数。
  • 补码：正数的补码和原码，反码相同；负数的补码则是在原码的基础上符号位保持不变，其他位取反，然后在末尾加 1。
  • 二进制负数转十进制：对二进制负数按位取反再加 1，然后加上负号，结果就是二进制负数转化成的十进制数。
• 实例：将由 [-5,5] 范围的随机数组成的 3 行 4 列矩阵按位取反。

  import numpy as np
  
  a = np.random.randint(-5,6,(3,4))
  print(a)
  for i in a:
      for j in i:
          print(bin(j),end=",")
      print()
  b = np.invert(a)
  print(b)
  for i in b:
      for j in i:
          print(np.binary_repr(j),end=",")
      print()
  

  
  • 举例说明：-3的补码11111101按位取反00000010就是2；5的补码即原码00000101按位取反11111010，转十进制即为-6。

1.4 numpy.left_shift()

• left_shift(arr, step) 函数将数组 arr 中的每个元素的二进制形式向左移动 step 位，右侧以 0 填充。（左移二进制数 $n$ 位相当于原数字乘以 $2^n$）
• 实例：将由 [-5,5] 范围的随机数组成的 3 行 4 列矩阵每个元素左移动 2 位。

  import numpy as np
  
  a = np.random.randint(-5,6,(3,4))
  print(a)
  for i in a:
      for j in i:
          print(np.binary_repr(j),end=",")
      print()
  b = np.left_shift(a,2)
  print(b)
  for i in b:
      for j in i:
          print(np.binary_repr(j),end=",") 
      print()
  

  

1.5 numpy.right_shift()

• right_shift(arr, step) 函数将数组 arr 中的每个元素的二进制形式向右移动 step 位，左侧补 0。（右移二进制数 $n$ 位相当于原数字除以 $2^n$ 向下取整）。注：负数位数不够会变成-1，正数位数不够会变成0。
• 实例：将由 [-5,5] 范围的随机数组成的 3 行 4 列矩阵每个元素右移动 2 位。

  import numpy as np
  
  a = np.random.randint(-5,16,(3,4))
  print(a)
  for i in a:
      for j in i:
          print(np.binary_repr(j),end=",")
      print()
  b = np.right_shift(a,2)
  print(b)
  for i in b:
      for j in i:
          print(np.binary_repr(j),end=",") 
      print()
  

  

二、NumPy字符串处理函数

\qquad NumPy 提供了许多字符串处理函数，它们被定义在用于处理字符串数组的 numpy.char 类中，这些函数的操作对象是 string_ 或者 unicode_ 类型的字符串数组。

2.1 numpy.char.add()

• numpy.char.add(x1, x2) 函数依次对 $x_1$ 和 $x_2$ 两个数组的元素进行字符串连接，数组 $x_1$ 和 $x_2$ 必须具有相同的形状。示例如下：

  import numpy as np
  a = np.random.randint(1,11,(3,8)).astype(np.str_)
  b = np.random.randint(11,21,(3,8)).astype(np.str_)
  print(a)
  print(b)
  print(np.char.add(a,b))
  

  

2.2 numpy.char.multiply()

• numpy.char.multiply(arr, i) 该函数将 $arr$ 数组进行 $i$ 次连接。示例如下：

  import numpy as np
  a = np.random.randint(1,11,(3,8)).astype(np.str_)
  print(a)
  print(np.char.multiply(a,3))
  

  

2.3 numpy.char.center()

• np.char.center(string, width, fillchar) 函数用于将 string 字符串在 width 宽度居中，并使用指定字符 fillchar 在左侧和右侧进行填充。示例如下：

  import numpy as np
  a = np.random.randint(1,11,(3,8)).astype(np.str_)
  print(a)
  print(np.char.center(a,5,"!"))
  

  

2.4 numpy.char.ljust()

• numpy.char.ljust(a, width[, fillchar=' ']) 函数用于将 string 字符串在 width 宽度左对齐，并使用指定字符 fillchar 在右侧进行填充。示例如下：

  import numpy as np
  a = np.random.randint(1,11,(3,8)).astype(np.str_)
  print(a,"\n")
  print(np.char.ljust(a,5,"!"))
  

  

2.5 numpy.char.rjust()

• numpy.char.rjust(a, width[, fillchar=' ']) 函数用于将 string 字符串在 width 宽度右对齐，并使用指定字符 fillchar 在左侧进行填充。示例如下：

  import numpy as np
  a = np.random.randint(1,11,(3,8)).astype(np.str_)
  print(a,"\n")
  print(np.char.rjust(a,5,"!"))
  

  

2.6 numpy.char.capitalize()

• numpy.char.capitalize(a) 函数将字符串 a 的第一个字母转换为大写。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['z','y','x','w','v','u','t','s','r','q','p','o','n','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,11,(3,8)).astype(np.str_) # 生成 3 行 8 列的 str_ 类型数组
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 5)) # 将数组中的每个元素变成 5 个字母的随机字符串
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.capitalize(unicode_str)) # 将字符串的第一个字母转换为大写
  

  

2.7 numpy.char.title()

• numpy.char.title() 将字符串数组中每个元素的第一个字母转换为大写。注意：如果一个字符串中间有非字母，则非字母之后的字符串会被视为另一个单词。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = [' ','9','8','7','6','5','4','3','2','1','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.title(unicode_str))
  

  

2.8 numpy.char.lower()

• numpy.char.lower() 函数将字符串数组中每个元素转换为小写。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['Z','Y','X','W','V','U','T','S','R','Q','P','O','N','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.lower(unicode_str))
  

  

2.9 numpy.char.upper()

• numpy.char.upper() 函数将字符串数组中每个元素转换为大写。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['Z','Y','X','W','V','U','T','S','R','Q','P','O','N','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.upper(unicode_str))
  

  

2.10 numpy.char.swapcase()

• numpy.char.swapcase() 函数将数组中每个元素字母大写转为小写，小写转为大写。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['Z','Y','X','W','V','U','T','S','R','Q','P','O','N','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.swapcase(unicode_str))
  

  

2.11 numpy.char.zfill()

• numpy.char.zfill(a, width) 函数表示如果宽度 width 大于原字符串 a 的宽度，则在数组元素的左边填充 0 以达到 width；如果宽度 width 小于原字符串 a 的宽度，则结果会去掉原字符串中多余的元素。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['Z','Y','X','W','V','U','T','S','R','Q','P','O','N','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 10))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.zfill(unicode_str,6),"\n") # 宽度 6 小于原字符串 unicode_str 的宽度，则结果会去掉原字符串中多余的元素
  print(np.char.zfill(unicode_str,10)) # 宽度 10 大于原字符串 unicode_str 的宽度，则在数组元素的左边填充 0 以达到 10
  

  

2.12 numpy.char.split()

• numpy.char.split(a[, sep=None, maxsplit=None]) 函数通过指定分隔符对字符串进行分割，从最左边的分割符开始分割，可指定分割次数 maxsplit，返回 list 列表。默认情况下，分隔符为空格。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = [' ','4','3','2','1','4','3','2','1','d','c','b','a','d','c','b','a','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.split(unicode_str,"b",1))
  

  

2.13 numpy.char.rsplit()

• numpy.char.split(a[, sep=None, maxsplit=None]) 函数通过指定分隔符对字符串进行分割，从最右边的分割符开始分割，可指定分割次数 maxsplit，返回 list 列表。默认情况下，分隔符为空格。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = [' ','4','3','2','1','4','3','2','1','d','c','b','a','d','c','b','a','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.rsplit(unicode_str,"b",1))
  

  

2.14 numpy.char.splitlines()

• numpy.char.splitlines(a[, keepends=None]) 以换行符（\n，\r，\r\n）作为分隔符来分割字符串，并返回一个数组序列。如果指定 keepends 为 True，则换行符会包含在结果列表中，否则不包含。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['\n','p','o','n','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.splitlines(unicode_str),"\n")
  print(np.char.splitlines(unicode_str,keepends=True))
  

  

2.15 numpy.char.partition()

• numpy.char.partition(a, sep) 函数通过指定分割符 sep 对字符串 a 进行分割。如果元素包含多个分割符，则从最左边第一次出现的分割符开始分割，仅分割一次，返回三个元素：sep 前的字符串、分割字符sep 和 sep 后的字符；如果找不到分隔符，则返回三个元素： 字符串本身以及两个空字符串。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = [' ','4','3','2','1','4','3','2','1','d','c','b','a','d','c','b','a','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.partition(unicode_str,"b"))
  

  

2.16 numpy.char.rpartition()

• numpy.char.rpartition(a, sep) 函数通过指定分割符 sep 对字符串 a 进行分割。如果元素包含多个分割符，则从最右边第一次出现的分割符开始分割，仅分割一次，返回三个元素：sep 前的字符串、分割字符sep 和 sep 后的字符；如果找不到分隔符，则返回三个元素： 两个空字符串以及字符串本身。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = [' ','4','3','2','1','4','3','2','1','d','c','b','a','d','c','b','a','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.rpartition(unicode_str,"b"))
  

  

2.17 numpy.char.strip()

• numpy.char.strip(a[, chars=None]) 函数用于移除数组每个元素开头和结尾处的空格。如果参数 chars 省略或者为 None，则默认为删除空白。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['   ','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 10))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.strip(unicode_str))
  

  

2.18 numpy.char.lstrip()

• numpy.char.lstrip(a[, chars=None]) 函数用于移除数组每个元素最左边的特定字符。如果参数 chars 省略或者为 None，则默认为删除空白。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['  ','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 10))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.lstrip(unicode_str))
  

  

2.19 numpy.char.rstrip()

• numpy.char.rstrip(a[, chars=None]) 函数用于移除数组每个元素最右边的特定字符。如果参数 chars 省略或者为 None，则默认为删除空白。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['  ','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 10))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.rstrip(unicode_str))
  

  

2.20 numpy.char.join()

• numpy.char.join(sep,arr) 函数通过指定分隔符 sep 来连接 arr 数组中的元素或字符串，其中 sep 是 string_ 或者 unicode_ 类型的字符串数组。示例如下：

  import numpy as np
  import random
  li = ['k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 10))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.join([":","-",",","、"],unicode_str))
  

  

2.21 numpy.char.replace()

• numpy.char.replace(a, old, new[, count=None]) 函数可以使用新字符串 new 来替换原字符串 a 中的子字符串 old。
  • count：int 类型，如果指定该值 N，则会替换 old 中出现的前 N 个字符串。

  import numpy as np
  import random
  li = ['d','c','b','a','d','c','b','a','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 10))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.replace(unicode_str,'d','D',2))
  

  

2.22 numpy.char.translate()

• numpy.char.translate(a, table[, deletechars=None]) 函数将数组元素字符串 a 按照给定的字符映射转换表 table 进行转换。如果指定了 deletechars 列表，则先移除 deletechars 包含的字符然后进行转换。
  • 注：转换的是字符，而不是由字符组成的字符串。
• 映射表通过 str.maketrans() 方法转换而来，该方法返回一个由转换前后字符的 ASCII 值组成的键值对所构造的字典，如果设置了 delchars 参数，则 delchars 中每个转换后的值为 None。maketrans() 方法语法格式如下：

  str.maketrans(intab,outtab[,delchars])
  

  • intab：需要转换的字符组成的字符串。
  • outtab：转换的目标字符组成的字符串。
  • delchars：可选参数，表示要删除的字符组成的字符串。
• 实例：将字符 a 和 b 转换为 A 和 B，删除字符 c 和 d。

  import numpy as np
  import random
  li = [' ','4','3','2','1','4','3','2','1','d','c','b','a','d','c','b','a','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  intab = "ab"
  outtab = "AB"
  table = str.maketrans(intab,outtab,"cd")
  print(table,"\n")
  print(np.char.translate(unicode_str,table))
  

  

2.23 numpy.char.encode()

• numpy.char.encode(a[, encoding=None, errors=None]) 函数用于编码操作，数组元素依次调用 str.encode，可以使用 Python 标准库中的编解码器。
  • a：要处理的 str 或 unicode 数组。
  • encoding：编码名称，可选项，str 类型，默认编码为 utf-8。
  • errors：指定如何处理编码错误，可选项，str 类型。默认为 'strict'，意为编码错误引起一个 UnicodeError。 其他可能得值有 'ignore'、'replace'、'xmlcharrefreplace'、'backslashreplace' 以及通过 codecs.register_error() 注册的任何值。
• 实例：

  import numpy as np
  import random
  li = ['p','o','n','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  print(np.char.encode(unicode_str,'cp037'))
  

  

2.24 numpy.char.decode()

• numpy.char.encode(a[, encoding=None, errors=None]) 函数用于解码操作，数组元素依次调用 str.decode，可以使用 Python 标准库中的编解码器。
  • a：要处理的 str 或 unicode 数组。
  • encoding：编码名称，可选项，str 类型，默认编码为 utf-8。
  • errors：指定如何处理编码错误，可选项，str 类型。默认为 'strict'，意为编码错误引起一个 UnicodeError。 其他可能得值有 'ignore'、'replace'、'xmlcharrefreplace'、'backslashreplace' 以及通过 codecs.register_error() 注册的任何值。
• 实例：

  import numpy as np
  import random
  li = ['p','o','n','m','l','k','j','i','h','g','f','e','d','c','b','a']
  unicode_str = np.random.randint(1,10,(3,4)).astype(np.str_)
  for us in np.nditer(unicode_str,op_flags=['readwrite']): 
      us[...] = ''.join(random.sample(li, 15))
  print(unicode_str,"\n")
  en_str = np.char.encode(unicode_str,'cp037')
  print(en_str,"\n")
  print(np.char.decode(en_str,'cp037'))
  

  

2.25 numpy.char.mod()

• numpy.char.mod(a, values) 函数用于格式化字符串。当 a 是格式化语句时，将 values 中的元素逐个插入到格式化语句 a 中；当 a 是格式化语句组成的数组时，需要 values 和 a 满足广播规则。注：values 的元素值要符合格式化语句要求。示例如下：

  import numpy as np
  print(np.char.mod('value=%d', np.arange(6)),"\n")
  print(np.char.mod('value=%.4f', [[1.1, 2, 3.021], [4.12, 5, 6.1]]),"\n")
  arr = [['value=%d','value=%f','value=%s'],['value=%d','value=%.2f','value=%.5f']]
  print(np.char.mod(arr,3.1415926),"\n")
  print(np.char.mod(arr,[[3.1415926],[6.57974576]]))