Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)

Python | NumPy 教程

  • 一、NumPy 位运算
    • 1.1 numpy.bitwise_and()
    • 1.2 numpy.bitwise_or()
    • 1.3 numpy.invert()
    • 1.4 numpy.left_shift()
    • 1.5 numpy.right_shift()
  • 二、NumPy字符串处理函数
    • 2.1 numpy.char.add()
    • 2.2 numpy.char.multiply()
    • 2.3 numpy.char.center()
    • 2.4 numpy.char.ljust()
    • 2.5 numpy.char.rjust()
    • 2.6 numpy.char.capitalize()
    • 2.7 numpy.char.title()
    • 2.8 numpy.char.lower()
    • 2.9 numpy.char.upper()
    • 2.10 numpy.char.swapcase()
    • 2.11 numpy.char.zfill()
    • 2.12 numpy.char.split()
    • 2.13 numpy.char.rsplit()
    • 2.14 numpy.char.splitlines()
    • 2.15 numpy.char.partition()
    • 2.16 numpy.char.rpartition()
    • 2.17 numpy.char.strip()
    • 2.18 numpy.char.lstrip()
    • 2.19 numpy.char.rstrip()
    • 2.20 numpy.char.join()
    • 2.21 numpy.char.replace()
    • 2.22 numpy.char.translate()
    • 2.23 numpy.char.encode()
    • 2.24 numpy.char.decode()
    • 2.25 numpy.char.mod()

\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))
    
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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()
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第2张图片
    • 举例说明:-3的补码11111101按位取反00000010就是25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 n n 位相当于原数字乘以 2 n 2^n 2n
  • 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()
    
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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 n n 位相当于原数字除以 2 n 2^n 2n 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()
    
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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 x_1 x1 x 2 x_2 x2 两个数组的元素进行字符串连接,数组 x 1 x_1 x1 x 2 x_2 x2 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))
    
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2.2 numpy.char.multiply()

  • numpy.char.multiply(arr, i) 该函数将 a r r arr arr 数组进行 i i 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))
    
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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,"!"))
    
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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,"!"))
    
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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,"!"))
    
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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
    
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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))
    
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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))
    
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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))
    
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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))
    
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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
    
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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))
    
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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))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第17张图片

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 keependsTrue,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))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第18张图片

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sepsep 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"))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第19张图片

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sepsep 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"))
    
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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))
    
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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))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第22张图片

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))
    
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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))
    
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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))
    
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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。
    • 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 Nonemaketrans() 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 ab 转换为 AB,删除字符 cd
    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))
    
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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 strunicode 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'))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第27张图片

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 strunicode 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'))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第28张图片

2.25 numpy.char.mod()

  • numpy.char.mod(a, values) 函数用于格式化字符串。当 a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 valuesa 满足广播规则。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]]))
    
    Python | NumPy 教程三(位运算、字符串处理函数)_第29张图片

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