高效数组处理的Numpy入门总结

NumPy是Python中一个重要的数学库，它提供了高效的数组操作和数学函数，是数据科学、机器学习、科学计算等领域的重要工具。下面是一个简单的NumPy学习教程，介绍了NumPy的基本用法和常用函数。

安装NumPy

在使用NumPy之前，需要先安装它。可以使用pip命令来安装NumPy，命令如下：

pip install numpy

导入NumPy

安装NumPy之后，可以使用import语句来导入NumPy库，命令如下：

import numpy as np

在上述代码中，我们使用import语句导入了NumPy库，并将它的别名设置为np。

创建NumPy数组

NumPy中最基本的数据结构是数组（array），可以使用NumPy库中的np.array()函数来创建数组。下面是一个创建一维数组和二维数组的例子：

import numpy as np

# 创建一维数组
a = np.array([1, 2, 3])
print(a)

# 创建二维数组
b = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(b)

输出结果为：

[1 2 3]
[[1 2 3]
 [4 5 6]]

在上述代码中，我们使用np.array()函数创建了一维数组和二维数组，并使用print语句输出了它们的值。

数组属性

NumPy数组有一些重要的属性，例如形状（shape）、维度（ndim）、元素类型（dtype）等。可以使用数组的属性来获取这些信息。下面是一个获取数组属性的例子：

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 获取数组属性
print("形状：", a.shape)
print("维度：", a.ndim)
print("元素类型：", a.dtype)

输出结果为：

形状： (2, 3)
维度： 2
元素类型： int64

在上述代码中，我们使用np.array()函数创建了一个二维数组，并使用数组的属性来获取它的形状、维度和元素类型。

数组索引和切片

可以使用索引和切片来访问NumPy数组中的元素。和Python中的列表一样，NumPy数组的索引从0开始，可以使用负数索引从数组末尾开始计数。下面是一个访问数组元素的例子：

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 访问数组元素
print(a[0, 1])
print(a[-1, -2])

# 切片访问数组元素
print(a[0, :])
print(a[:, 1])
print(a[0:2, 1:3])

输出结果为：

2
5
[1 2 3]
[2 5]
[[2 3]
 [5 6]]

在上述代码中，我们使用np.array()函数创建了一个二维数组，并使用索引和切片来访问它的元素。需要注意的是，使用冒号（:）可以访问整个行或列，例如a[:, 1]表示访问数组的第二列。

数组运算

NumPy数组支持各种数学运算，例如加减乘除、指数、对数、三角函数等。可以使用NumPy库中提供的函数来进行这些运算。下面是一个进行数组运算的例子：

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([1, 2, 3])
b = np.array([4, 5, 6])

# 数组运算
print("加法：", a + b)
print("减法：", a - b)
print("乘法：", a * b)
print("除法：", a / b)
print("指数：", np.exp(a))
print("对数：", np.log(a))
print("三角函数：", np.sin(a))

输出结果为：

加法： [5 7 9]
减法： [-3 -3 -3]
乘法： [ 4 10 18]
除法： [0.25 0.4  0.5 ]
指数： [ 2.71828183  7.3890561  20.08553692]
对数： [0.         0.69314718 1.09861229]
三角函数： [0.84147098 0.90929743 0.14112001]

在上述代码中，我们使用np.array()函数创建了两个一维数组，并使用NumPy库中的函数进行了各种数学运算。

广播

广播是NumPy中一种重要的机制，它允许不同形状的数组进行运算。当进行二元运算时，如果两个数组的形状不同，NumPy会自动将它们进行扩展，使它们的形状相同，然后再进行运算。下面是一个使用广播进行数组运算的例子：

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([1, 2, 3])
b = np.array([4, 5, 6])

# 广播运算
print("加法：", a + 1)
print("加法：", a + b.reshape(3, 1))

输出结果为：

加法： [2 3 4]
加法： [[5 6 7]
 [6 7 8]
 [7 8 9]]

在上述代码中，我们使用np.array()函数创建了两个一维数组，并使用广播机制进行了各种数学运算。需要注意的是，当进行a + 1的运算时，NumPy会自动将标量1扩展为长度为3的一维数组，然后再进行运算。当进行a + b.reshape(3, 1)的运算时，NumPy会自动将数组b的形状扩展为(3, 1)，然后再进行运算。

其他常用函数

NumPy库中还有很多其他常用的函数，例如统计函数、线性代数函数、随机数函数等。下面是一个使用NumPy库中其他函数的例子：

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 统计函数
print("最大值：", np.max(a))
print("最小值：", np.min(a))
print("平均值：", np.mean(a))
print("标准差：", np.std(a))

# 线性代数函数
b = np.array([[4], [5], [6]])
print("矩阵乘法：", np.dot(a, b))

# 随机数函数
print("随机数：", np.random.rand(2, 3))

输出结果为：

最大值： 6
最小值： 1
平均值： 3.5
标准差： 1.707825127659933
矩阵乘法： [[32]
 [77]]
随机数： [[0.66256929 0.59886499 0.06279318]
 [0.44847655 0.28782597 0.83462457]]

在上述代码中，我们使用NumPy库中的统计函数、线性代数函数、随机数函数进行了各种操作。需要注意的是，np.dot()函数用于进行矩阵乘法，np.random.rand()函数用于生成指定形状的随机数数组。

一个简单示例：

根据二维向量D求解得到和d，可按照以下书写：

D = numpy.dot(V_numpy,F_numpy)
d = numpy.sum(D,axis=-1)#先把二维降为一维
d = numpy.sum(d,axis=-1)*0.5# 把一维降为零维