[转]CS231n课程笔记翻译:Python Numpy教程

原文链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/20878530

译者注:本文智能单元首发,翻译自斯坦福CS231n课程笔记Python Numpy Tutorial,由课程教师Andrej Karpathy授权进行翻译。本篇教程由杜客翻译完成,Flood SungSunisDown巩子嘉和一位不愿透露ID的知友对本翻译亦有贡献。

原文如下

这篇教程由Justin Johnson创作。

我们将使用Python编程语言来完成本课程的所有作业。Python是一门伟大的通用编程语言,在一些常用库(numpy, scipy, matplotlib)的帮助下,它又会变成一个强大的科学计算环境。

我们期望你们中大多数人对于Python语言和Numpy库比较熟悉,而对于没有Python经验的同学,这篇教程可以帮助你们快速了解Python编程环境和如何使用Python作为科学计算工具。

一部分同学对于Matlab有一定经验。对于这部分同学,我们推荐阅读 numpy for Matlab users页面。

你们还可以查看本教程的IPython notebook版。该教程是由Volodymyr KuleshovIsaac Caswell为课程CS 228创建的。

内容列表:

  • Python
    • 基本数据类型
    • 容器
      • 列表
      • 字典
      • 集合
      • 元组
    • 函数
  • Numpy
    • 数组
    • 访问数组
    • 数据类型
    • 数组计算
    • 广播
  • SciPy
    • 图像操作
    • MATLAB文件
    • 点之间的距离
  • Matplotlib
    • 绘制图形
    • 绘制多个图形
    • 图像

Python

Python是一种高级的,动态类型的多范型编程语言。很多时候,大家会说Python看起来简直和伪代码一样,这是因为你能够通过很少行数的代码表达出很有力的思想。举个例子,下面是用Python实现的经典的quicksort算法例子:

  1. def quicksort(arr):
  2. if len(arr) <= 1:
  3. return arr
  4. pivot = arr[len(arr) / 2]
  5. left = [x for x in arr if x < pivot]
  6. middle = [x for x in arr if x == pivot]
  7. right = [x for x in arr if x > pivot]
  8. return quicksort(left) + middle + quicksort(right)
  9. print quicksort([3,6,8,10,1,2,1])
  10. # Prints "[1, 1, 2, 3, 6, 8, 10]"

Python版本

Python有两个支持的版本,分别是2.7和3.4。这有点让人迷惑,3.0向语言中引入了很多不向后兼容的变化,2.7下的代码有时候在3.4下是行不通的。在这个课程中,我们使用的是2.7版本。

如何查看版本呢?使用python --version命令。

基本数据类型

和大多数编程语言一样,Python拥有一系列的基本数据类型,比如整型、浮点型、布尔型和字符串等。这些类型的使用方式和在其他语言中的使用方式是类似的。

数字:整型和浮点型的使用与其他语言类似。

  1. x = 3
  2. print type(x) # Prints "<type 'int'>"
  3. print x # Prints "3"
  4. print x + 1 # Addition; prints "4"
  5. print x - 1 # Subtraction; prints "2"
  6. print x * 2 # Multiplication; prints "6"
  7. print x ** 2 # Exponentiation; prints "9"
  8. x += 1
  9. print x # Prints "4"
  10. x *= 2
  11. print x # Prints "8"
  12. y = 2.5
  13. print type(y) # Prints "<type 'float'>"
  14. print y, y + 1, y * 2, y ** 2 # Prints "2.5 3.5 5.0 6.25"

需要注意的是,Python中没有 x++ 和 x-- 的操作符。

Python也有内置的长整型和复杂数字类型,具体细节可以查看文档

布尔型:Python实现了所有的布尔逻辑,但用的是英语,而不是我们习惯的操作符(比如&&和||等)。

  1. t = True
  2. f = False
  3. print type(t) # Prints "<type 'bool'>"
  4. print t and f # Logical AND; prints "False"
  5. print t or f # Logical OR; prints "True"
  6. print not t # Logical NOT; prints "False"
  7. print t != f # Logical XOR; prints "True"

字符串:Python对字符串的支持非常棒。

  1. hello = 'hello' # String literals can use single quotes
  2. world = "world" # or double quotes; it does not matter.
  3. print hello # Prints "hello"
  4. print len(hello) # String length; prints "5"
  5. hw = hello + ' ' + world # String concatenation
  6. print hw # prints "hello world"
  7. hw12 = '%s %s %d' % (hello, world, 12) # sprintf style string formatting
  8. print hw12 # prints "hello world 12"

字符串对象有一系列有用的方法,比如:

  1. s = "hello"
  2. print s.capitalize() # Capitalize a string; prints "Hello"
  3. print s.upper() # Convert a string to uppercase; prints "HELLO"
  4. print s.rjust(7) # Right-justify a string, padding with spaces; prints " hello"
  5. print s.center(7) # Center a string, padding with spaces; prints " hello "
  6. print s.replace('l', '(ell)') # Replace all instances of one substring with another;
  7. # prints "he(ell)(ell)o"
  8. print ' world '.strip() # Strip leading and trailing whitespace; prints "world"

如果想详细查看字符串方法,请看文档

容器Containers

译者注:有知友建议container翻译为复合数据类型,供读者参考。

Python有以下几种容器类型:列表(lists)、字典(dictionaries)、集合(sets)和元组(tuples)。

列表Lists

列表就是Python中的数组,但是列表长度可变,且能包含不同类型元素。

  1. xs = [3, 1, 2] # Create a list
  2. print xs, xs[2] # Prints "[3, 1, 2] 2"
  3. print xs[-1] # Negative indices count from the end of the list; prints "2"
  4. xs[2] = 'foo' # Lists can contain elements of different types
  5. print xs # Prints "[3, 1, 'foo']"
  6. xs.append('bar') # Add a new element to the end of the list
  7. print xs # Prints
  8. x = xs.pop() # Remove and return the last element of the list
  9. print x, xs # Prints "bar [3, 1, 'foo']"

列表的细节,同样可以查阅文档

切片Slicing:为了一次性地获取列表中的元素,Python提供了一种简洁的语法,这就是切片。

  1. nums = range(5) # range is a built-in function that creates a list of integers
  2. print nums # Prints "[0, 1, 2, 3, 4]"
  3. print nums[2:4] # Get a slice from index 2 to 4 (exclusive); prints "[2, 3]"
  4. print nums[2:] # Get a slice from index 2 to the end; prints "[2, 3, 4]"
  5. print nums[:2] # Get a slice from the start to index 2 (exclusive); prints "[0, 1]"
  6. print nums[:] # Get a slice of the whole list; prints ["0, 1, 2, 3, 4]"
  7. print nums[:-1] # Slice indices can be negative; prints ["0, 1, 2, 3]"
  8. nums[2:4] = [8, 9] # Assign a new sublist to a slice
  9. print nums # Prints "[0, 1, 8, 8, 4]"

在Numpy数组的内容中,我们会再次看到切片语法。

循环Loops:我们可以这样遍历列表中的每一个元素:

  1. animals = ['cat', 'dog', 'monkey']
  2. for animal in animals:
  3. print animal
  4. # Prints "cat", "dog", "monkey", each on its own line.

如果想要在循环体内访问每个元素的指针,可以使用内置的enumerate函数

  1. animals = ['cat', 'dog', 'monkey']
  2. for idx, animal in enumerate(animals):
  3. print '#%d: %s' % (idx + 1, animal)
  4. # Prints "#1: cat", "#2: dog", "#3: monkey", each on its own line

列表推导List comprehensions:在编程的时候,我们常常想要将一种数据类型转换为另一种。下面是一个简单例子,将列表中的每个元素变成它的平方。

  1. nums = [0, 1, 2, 3, 4]
  2. squares = []
  3. for x in nums:
  4. squares.append(x ** 2)
  5. print squares # Prints [0, 1, 4, 9, 16]

使用列表推导,你就可以让代码简化很多:

  1. nums = [0, 1, 2, 3, 4]
  2. squares = [x ** 2 for x in nums]
  3. print squares # Prints [0, 1, 4, 9, 16]

列表推导还可以包含条件:

  1. nums = [0, 1, 2, 3, 4]
  2. even_squares = [x ** 2 for x in nums if x % 2 == 0]
  3. print even_squares # Prints "[0, 4, 16]"

字典Dictionaries

字典用来储存(键, 值)对,这和Java中的Map差不多。你可以这样使用它:

  1. d = {'cat': 'cute', 'dog': 'furry'} # Create a new dictionary with some data
  2. print d['cat'] # Get an entry from a dictionary; prints "cute"
  3. print 'cat' in d # Check if a dictionary has a given key; prints "True"
  4. d['fish'] = 'wet' # Set an entry in a dictionary
  5. print d['fish'] # Prints "wet"
  6. # print d['monkey'] # KeyError: 'monkey' not a key of d
  7. print d.get('monkey', 'N/A') # Get an element with a default; prints "N/A"
  8. print d.get('fish', 'N/A') # Get an element with a default; prints "wet"
  9. del d['fish'] # Remove an element from a dictionary
  10. print d.get('fish', 'N/A') # "fish" is no longer a key; prints "N/A"

想要知道字典的其他特性,请查阅文档

循环Loops:在字典中,用键来迭代更加容易。

  1. d = {'person': 2, 'cat': 4, 'spider': 8}
  2. for animal in d:
  3. legs = d[animal]
  4. print 'A %s has %d legs' % (animal, legs)
  5. # Prints "A person has 2 legs", "A spider has 8 legs", "A cat has 4 legs"

如果你想要访问键和对应的值,那就使用iteritems方法:

  1. d = {'person': 2, 'cat': 4, 'spider': 8}
  2. for animal, legs in d.iteritems():
  3. print 'A %s has %d legs' % (animal, legs)
  4. # Prints "A person has 2 legs", "A spider has 8 legs", "A cat has 4 legs"

字典推导Dictionary comprehensions:和列表推导类似,但是允许你方便地构建字典。

  1. nums = [0, 1, 2, 3, 4]
  2. even_num_to_square = {x: x ** 2 for x in nums if x % 2 == 0}
  3. print even_num_to_square # Prints "{0: 0, 2: 4, 4: 16}"

集合Sets

集合是独立不同个体的无序集合。示例如下:

  1. animals = {'cat', 'dog'}
  2. print 'cat' in animals # Check if an element is in a set; prints "True"
  3. print 'fish' in animals # prints "False"
  4. animals.add('fish') # Add an element to a set
  5. print 'fish' in animals # Prints "True"
  6. print len(animals) # Number of elements in a set; prints "3"
  7. animals.add('cat') # Adding an element that is already in the set does nothing
  8. print len(animals) # Prints "3"
  9. animals.remove('cat') # Remove an element from a set
  10. print len(animals) # Prints "2"

和前面一样,要知道更详细的,查看文档

循环Loops:在集合中循环的语法和在列表中一样,但是集合是无序的,所以你在访问集合的元素的时候,不能做关于顺序的假设。

  1. animals = {'cat', 'dog', 'fish'}
  2. for idx, animal in enumerate(animals):
  3. print '#%d: %s' % (idx + 1, animal)
  4. # Prints "#1: fish", "#2: dog", "#3: cat"

集合推导Set comprehensions:和字典推导一样,可以很方便地构建集合:

  1. from math import sqrt
  2. nums = {int(sqrt(x)) for x in range(30)}
  3. print nums # Prints "set([0, 1, 2, 3, 4, 5])"

元组Tuples

元组是一个值的有序列表(不可改变)。从很多方面来说,元组和列表都很相似。和列表最重要的不同在于,元组可以在字典中用作键,还可以作为集合的元素,而列表不行。例子如下:

  1. d = {(x, x + 1): x for x in range(10)} # Create a dictionary with tuple keys
  2. print d
  3. t = (5, 6) # Create a tuple
  4. print type(t) # Prints "<type 'tuple'>"
  5. print d[t] # Prints "5"
  6. print d[(1, 2)] # Prints "1"

文档有更多元组的信息。

函数Functions

Python函数使用def来定义函数:

  1. def sign(x):
  2. if x > 0:
  3. return 'positive'
  4. elif x < 0:
  5. return 'negative'
  6. else:
  7. return 'zero'
  8. for x in [-1, 0, 1]:
  9. print sign(x)
  10. # Prints "negative", "zero", "positive"

我们常常使用可选参数来定义函数:

  1. def hello(name, loud=False):
  2. if loud:
  3. print 'HELLO, %s' % name.upper()
  4. else:
  5. print 'Hello, %s!' % name
  6. hello('Bob') # Prints "Hello, Bob"
  7. hello('Fred', loud=True) # Prints "HELLO, FRED!"

函数还有很多内容,可以查看文档

类Classes

Python对于类的定义是简单直接的:

  1. class Greeter(object):
  2. # Constructor
  3. def __init__(self, name):
  4. self.name = name # Create an instance variable
  5. # Instance method
  6. def greet(self, loud=False):
  7. if loud:
  8. print 'HELLO, %s!' % self.name.upper()
  9. else:
  10. print 'Hello, %s' % self.name
  11. g = Greeter('Fred') # Construct an instance of the Greeter class
  12. g.greet() # Call an instance method; prints "Hello, Fred"
  13. g.greet(loud=True) # Call an instance method; prints "HELLO, FRED!"

更多类的信息请查阅文档

Numpy

Numpy是Python中用于科学计算的核心库。它提供了高性能的多维数组对象,以及相关工具。

数组Arrays

一个numpy数组是一个由不同数值组成的网格。网格中的数据都是同一种数据类型,可以通过非负整型数的元组来访问。维度的数量被称为数组的阶,数组的大小是一个由整型数构成的元组,可以描述数组不同维度上的大小。

我们可以从列表创建数组,然后利用方括号访问其中的元素:

  1. import numpy as np
  2. a = np.array([1, 2, 3]) # Create a rank 1 array
  3. print type(a) # Prints "<type 'numpy.ndarray'>"
  4. print a.shape # Prints "(3,)"
  5. print a[0], a[1], a[2] # Prints "1 2 3"
  6. a[0] = 5 # Change an element of the array
  7. print a # Prints "[5, 2, 3]"
  8. b = np.array([[1,2,3],[4,5,6]]) # Create a rank 2 array
  9. print b # 显示一下矩阵b
  10. print b.shape # Prints "(2, 3)"
  11. print b[0, 0], b[0, 1], b[1, 0] # Prints "1 2 4"

Numpy还提供了很多其他创建数组的方法:

  1. import numpy as np
  2. a = np.zeros((2,2)) # Create an array of all zeros
  3. print a # Prints "[[ 0. 0.]
  4. # [ 0. 0.]]"
  5. b = np.ones((1,2)) # Create an array of all ones
  6. print b # Prints "[[ 1. 1.]]"
  7. c = np.full((2,2), 7) # Create a constant array
  8. print c # Prints "[[ 7. 7.]
  9. # [ 7. 7.]]"
  10. d = np.eye(2) # Create a 2x2 identity matrix
  11. print d # Prints "[[ 1. 0.]
  12. # [ 0. 1.]]"
  13. e = np.random.random((2,2)) # Create an array filled with random values
  14. print e # Might print "[[ 0.91940167 0.08143941]
  15. # [ 0.68744134 0.87236687]]"

其他数组相关方法,请查看文档

访问数组

Numpy提供了多种访问数组的方法。

切片:和Python列表类似,numpy数组可以使用切片语法。因为数组可以是多维的,所以你必须为每个维度指定好切片。

  1. import numpy as np
  2. # Create the following rank 2 array with shape (3, 4)
  3. # [[ 1 2 3 4]
  4. # [ 5 6 7 8]
  5. # [ 9 10 11 12]]
  6. a = np.array([[1,2,3,4], [5,6,7,8], [9,10,11,12]])
  7. # Use slicing to pull out the subarray consisting of the first 2 rows
  8. # and columns 1 and 2; b is the following array of shape (2, 2):
  9. # [[2 3]
  10. # [6 7]]
  11. b = a[:2, 1:3]
  12. # A slice of an array is a view into the same data, so modifying it
  13. # will modify the original array.
  14. print a[0, 1] # Prints "2"
  15. b[0, 0] = 77 # b[0, 0] is the same piece of data as a[0, 1]
  16. print a[0, 1] # Prints "77"

你可以同时使用整型和切片语法来访问数组。但是,这样做会产生一个比原数组低阶的新数组。需要注意的是,这里和MATLAB中的情况是不同的:

  1. import numpy as np
  2. # Create the following rank 2 array with shape (3, 4)
  3. # [[ 1 2 3 4]
  4. # [ 5 6 7 8]
  5. # [ 9 10 11 12]]
  6. a = np.array([[1,2,3,4], [5,6,7,8], [9,10,11,12]])
  7. # Two ways of accessing the data in the middle row of the array.
  8. # Mixing integer indexing with slices yields an array of lower rank,
  9. # while using only slices yields an array of the same rank as the
  10. # original array:
  11. row_r1 = a[1, :] # Rank 1 view of the second row of a
  12. row_r2 = a[1:2, :] # Rank 2 view of the second row of a
  13. print row_r1, row_r1.shape # Prints "[5 6 7 8] (4,)"
  14. print row_r2, row_r2.shape # Prints "[[5 6 7 8]] (1, 4)"
  15. # We can make the same distinction when accessing columns of an array:
  16. col_r1 = a[:, 1]
  17. col_r2 = a[:, 1:2]
  18. print col_r1, col_r1.shape # Prints "[ 2 6 10] (3,)"
  19. print col_r2, col_r2.shape # Prints "[[ 2]
  20. # [ 6]
  21. # [10]] (3, 1)"

整型数组访问:当我们使用切片语法访问数组时,得到的总是原数组的一个子集。整型数组访问允许我们利用其它数组的数据构建一个新的数组:

  1. import numpy as np
  2. a = np.array([[1,2], [3, 4], [5, 6]])
  3. # An example of integer array indexing.
  4. # The returned array will have shape (3,) and
  5. print a[[0, 1, 2], [0, 1, 0]] # Prints "[1 4 5]"
  6. # The above example of integer array indexing is equivalent to this:
  7. print np.array([a[0, 0], a[1, 1], a[2, 0]]) # Prints "[1 4 5]"
  8. # When using integer array indexing, you can reuse the same
  9. # element from the source array:
  10. print a[[0, 0], [1, 1]] # Prints "[2 2]"
  11. # Equivalent to the previous integer array indexing example
  12. print np.array([a[0, 1], a[0, 1]]) # Prints "[2 2]"

整型数组访问语法还有个有用的技巧,可以用来选择或者更改矩阵中每行中的一个元素:

  1. import numpy as np
  2. # Create a new array from which we will select elements
  3. a = np.array([[1,2,3], [4,5,6], [7,8,9], [10, 11, 12]])
  4. print a # prints "array([[ 1, 2, 3],
  5. # [ 4, 5, 6],
  6. # [ 7, 8, 9],
  7. # [10, 11, 12]])"
  8. # Create an array of indices
  9. b = np.array([0, 2, 0, 1])
  10. # Select one element from each row of a using the indices in b
  11. print a[np.arange(4), b] # Prints "[ 1 6 7 11]"
  12. # Mutate one element from each row of a using the indices in b
  13. a[np.arange(4), b] += 10
  14. print a # prints "array([[11, 2, 3],
  15. # [ 4, 5, 16],
  16. # [17, 8, 9],
  17. # [10, 21, 12]])

布尔型数组访问:布尔型数组访问可以让你选择数组中任意元素。通常,这种访问方式用于选取数组中满足某些条件的元素,举例如下:

  1. import numpy as np
  2. a = np.array([[1,2], [3, 4], [5, 6]])
  3. bool_idx = (a > 2) # Find the elements of a that are bigger than 2;
  4. # this returns a numpy array of Booleans of the same
  5. # shape as a, where each slot of bool_idx tells
  6. # whether that element of a is > 2.
  7. print bool_idx # Prints "[[False False]
  8. # [ True True]
  9. # [ True True]]"
  10. # We use boolean array indexing to construct a rank 1 array
  11. # consisting of the elements of a corresponding to the True values
  12. # of bool_idx
  13. print a[bool_idx] # Prints "[3 4 5 6]"
  14. # We can do all of the above in a single concise statement:
  15. print a[a > 2] # Prints "[3 4 5 6]"

为了教程的简介,有很多数组访问的细节我们没有详细说明,可以查看文档

数据类型

每个Numpy数组都是数据类型相同的元素组成的网格。Numpy提供了很多的数据类型用于创建数组。当你创建数组的时候,Numpy会尝试猜测数组的数据类型,你也可以通过参数直接指定数据类型,例子如下:

  1. import numpy as np
  2. x = np.array([1, 2]) # Let numpy choose the datatype
  3. print x.dtype # Prints "int64"
  4. x = np.array([1.0, 2.0]) # Let numpy choose the datatype
  5. print x.dtype # Prints "float64"
  6. x = np.array([1, 2], dtype=np.int64) # Force a particular datatype
  7. print x.dtype # Prints "int64"

更多细节查看文档

数组计算

基本数学计算函数会对数组中元素逐个进行计算,既可以利用操作符重载,也可以使用函数方式:

  1. import numpy as np
  2. x = np.array([[1,2],[3,4]], dtype=np.float64)
  3. y = np.array([[5,6],[7,8]], dtype=np.float64)
  4. # Elementwise sum; both produce the array
  5. # [[ 6.0 8.0]
  6. # [10.0 12.0]]
  7. print x + y
  8. print np.add(x, y)
  9. # Elementwise difference; both produce the array
  10. # [[-4.0 -4.0]
  11. # [-4.0 -4.0]]
  12. print x - y
  13. print np.subtract(x, y)
  14. # Elementwise product; both produce the array
  15. # [[ 5.0 12.0]
  16. # [21.0 32.0]]
  17. print x * y
  18. print np.multiply(x, y)
  19. # Elementwise division; both produce the array
  20. # [[ 0.2 0.33333333]
  21. # [ 0.42857143 0.5 ]]
  22. print x / y
  23. print np.divide(x, y)
  24. # Elementwise square root; produces the array
  25. # [[ 1. 1.41421356]
  26. # [ 1.73205081 2. ]]
  27. print np.sqrt(x)

和MATLAB不同,*是元素逐个相乘,而不是矩阵乘法。在Numpy中使用dot来进行矩阵乘法:

  1. import numpy as np
  2. x = np.array([[1,2],[3,4]])
  3. y = np.array([[5,6],[7,8]])
  4. v = np.array([9,10])
  5. w = np.array([11, 12])
  6. # Inner product of vectors; both produce 219
  7. print v.dot(w)
  8. print np.dot(v, w)
  9. # Matrix / vector product; both produce the rank 1 array [29 67]
  10. print x.dot(v)
  11. print np.dot(x, v)
  12. # Matrix / matrix product; both produce the rank 2 array
  13. # [[19 22]
  14. # [43 50]]
  15. print x.dot(y)
  16. print np.dot(x, y)

Numpy提供了很多计算数组的函数,其中最常用的一个是sum

  1. import numpy as np
  2. x = np.array([[1,2],[3,4]])
  3. print np.sum(x) # Compute sum of all elements; prints "10"
  4. print np.sum(x, axis=0) # Compute sum of each column; prints "[4 6]"
  5. print np.sum(x, axis=1) # Compute sum of each row; prints "[3 7]"

想要了解更多函数,可以查看文档

除了计算,我们还常常改变数组或者操作其中的元素。其中将矩阵转置是常用的一个,在Numpy中,使用T来转置矩阵:

  1. import numpy as np
  2. x = np.array([[1,2], [3,4]])
  3. print x # Prints "[[1 2]
  4. # [3 4]]"
  5. print x.T # Prints "[[1 3]
  6. # [2 4]]"
  7. # Note that taking the transpose of a rank 1 array does nothing:
  8. v = np.array([1,2,3])
  9. print v # Prints "[1 2 3]"
  10. print v.T # Prints "[1 2 3]"

Numpy还提供了更多操作数组的方法,请查看文档

广播Broadcasting

广播是一种强有力的机制,它让Numpy可以让不同大小的矩阵在一起进行数学计算。我们常常会有一个小的矩阵和一个大的矩阵,然后我们会需要用小的矩阵对大的矩阵做一些计算。

举个例子,如果我们想要把一个向量加到矩阵的每一行,我们可以这样做:

  1. import numpy as np
  2. # We will add the vector v to each row of the matrix x,
  3. # storing the result in the matrix y
  4. x = np.array([[1,2,3], [4,5,6], [7,8,9], [10, 11, 12]])
  5. v = np.array([1, 0, 1])
  6. y = np.empty_like(x) # Create an empty matrix with the same shape as x
  7. # Add the vector v to each row of the matrix x with an explicit loop
  8. for i in range(4):
  9. y[i, :] = x[i, :] + v
  10. # Now y is the following
  11. # [[ 2 2 4]
  12. # [ 5 5 7]
  13. # [ 8 8 10]
  14. # [11 11 13]]
  15. print y

这样是行得通的,但是当x矩阵非常大,利用循环来计算就会变得很慢很慢。我们可以换一种思路:

  1. import numpy as np
  2. # We will add the vector v to each row of the matrix x,
  3. # storing the result in the matrix y
  4. x = np.array([[1,2,3], [4,5,6], [7,8,9], [10, 11, 12]])
  5. v = np.array([1, 0, 1])
  6. vv = np.tile(v, (4, 1)) # Stack 4 copies of v on top of each other
  7. print vv # Prints "[[1 0 1]
  8. # [1 0 1]
  9. # [1 0 1]
  10. # [1 0 1]]"
  11. y = x + vv # Add x and vv elementwise
  12. print y # Prints "[[ 2 2 4
  13. # [ 5 5 7]
  14. # [ 8 8 10]
  15. # [11 11 13]]"

Numpy广播机制可以让我们不用创建vv,就能直接运算,看看下面例子:

  1. import numpy as np
  2. # We will add the vector v to each row of the matrix x,
  3. # storing the result in the matrix y
  4. x = np.array([[1,2,3], [4,5,6], [7,8,9], [10, 11, 12]])
  5. v = np.array([1, 0, 1])
  6. y = x + v # Add v to each row of x using broadcasting
  7. print y # Prints "[[ 2 2 4]
  8. # [ 5 5 7]
  9. # [ 8 8 10]
  10. # [11 11 13]]"

对两个数组使用广播机制要遵守下列规则:

  1. 如果数组的秩不同,使用1来将秩较小的数组进行扩展,直到两个数组的尺寸的长度都一样。
  2. 如果两个数组在某个维度上的长度是一样的,或者其中一个数组在该维度上长度为1,那么我们就说这两个数组在该维度上是相容的。
  3. 如果两个数组在所有维度上都是相容的,他们就能使用广播。
  4. 如果两个输入数组的尺寸不同,那么注意其中较大的那个尺寸。因为广播之后,两个数组的尺寸将和那个较大的尺寸一样。
  5. 在任何一个维度上,如果一个数组的长度为1,另一个数组长度大于1,那么在该维度上,就好像是对第一个数组进行了复制。

如果上述解释看不明白,可以读一读文档和这个解释译者注:强烈推荐阅读文档中的例子。

支持广播机制的函数是全局函数。哪些是全局函数可以在文档中查找。

下面是一些广播机制的使用:

  1. import numpy as np
  2. # Compute outer product of vectors
  3. v = np.array([1,2,3]) # v has shape (3,)
  4. w = np.array([4,5]) # w has shape (2,)
  5. # To compute an outer product, we first reshape v to be a column
  6. # vector of shape (3, 1); we can then broadcast it against w to yield
  7. # an output of shape (3, 2), which is the outer product of v and w:
  8. # [[ 4 5]
  9. # [ 8 10]
  10. # [12 15]]
  11. print np.reshape(v, (3, 1)) * w
  12. # Add a vector to each row of a matrix
  13. x = np.array([[1,2,3], [4,5,6]])
  14. # x has shape (2, 3) and v has shape (3,) so they broadcast to (2, 3),
  15. # giving the following matrix:
  16. # [[2 4 6]
  17. # [5 7 9]]
  18. print x + v
  19. # Add a vector to each column of a matrix
  20. # x has shape (2, 3) and w has shape (2,).
  21. # If we transpose x then it has shape (3, 2) and can be broadcast
  22. # against w to yield a result of shape (3, 2); transposing this result
  23. # yields the final result of shape (2, 3) which is the matrix x with
  24. # the vector w added to each column. Gives the following matrix:
  25. # [[ 5 6 7]
  26. # [ 9 10 11]]
  27. print (x.T + w).T
  28. # Another solution is to reshape w to be a row vector of shape (2, 1);
  29. # we can then broadcast it directly against x to produce the same
  30. # output.
  31. print x + np.reshape(w, (2, 1))
  32. # Multiply a matrix by a constant:
  33. # x has shape (2, 3). Numpy treats scalars as arrays of shape ();
  34. # these can be broadcast together to shape (2, 3), producing the
  35. # following array:
  36. # [[ 2 4 6]
  37. # [ 8 10 12]]
  38. print x * 2

广播机制能够让你的代码更简洁更迅速,能够用的时候请尽量使用!

Numpy文档

这篇教程涉及了你需要了解的numpy中的一些重要内容,但是numpy远不止如此。可以查阅numpy文献来学习更多。

SciPy

Numpy提供了高性能的多维数组,以及计算和操作数组的基本工具。SciPy基于Numpy,提供了大量的计算和操作数组的函数,这些函数对于不同类型的科学和工程计算非常有用。

熟悉SciPy的最好方法就是阅读文档。我们会强调对于本课程有用的部分。

图像操作

SciPy提供了一些操作图像的基本函数。比如,它提供了将图像从硬盘读入到数组的函数,也提供了将数组中数据写入的硬盘成为图像的函数。下面是一个简单的例子:

  1. from scipy.misc import imread, imsave, imresize
  2. # Read an JPEG image into a numpy array
  3. img = imread('assets/cat.jpg')
  4. print img.dtype, img.shape # Prints "uint8 (400, 248, 3)"
  5. # We can tint the image by scaling each of the color channels
  6. # by a different scalar constant. The image has shape (400, 248, 3);
  7. # we multiply it by the array [1, 0.95, 0.9] of shape (3,);
  8. # numpy broadcasting means that this leaves the red channel unchanged,
  9. # and multiplies the green and blue channels by 0.95 and 0.9
  10. # respectively.
  11. img_tinted = img * [1, 0.95, 0.9]
  12. # Resize the tinted image to be 300 by 300 pixels.
  13. img_tinted = imresize(img_tinted, (300, 300))
  14. # Write the tinted image back to disk
  15. imsave('assets/cat_tinted.jpg', img_tinted)

译者注:如果运行这段代码出现类似ImportError: cannot import name imread的报错,那么请利用pip进行Pillow的下载,可以解决问题。命令:pip install Pillow。

—————————————————————————————————————————

左边是原始图片,右边是变色和变形的图片。

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MATLAB文件

函数scipy.io.loadmatscipy.io.savemat能够让你读和写MATLAB文件。具体请查看文档

点之间的距离

SciPy定义了一些有用的函数,可以计算集合中点之间的距离。

函数scipy.spatial.distance.pdist能够计算集合中所有两点之间的距离:

  1. import numpy as np
  2. from scipy.spatial.distance import pdist, squareform
  3. # Create the following array where each row is a point in 2D space:
  4. # [[0 1]
  5. # [1 0]
  6. # [2 0]]
  7. x = np.array([[0, 1], [1, 0], [2, 0]])
  8. print x
  9. # Compute the Euclidean distance between all rows of x.
  10. # d[i, j] is the Euclidean distance between x[i, :] and x[j, :],
  11. # and d is the following array:
  12. # [[ 0. 1.41421356 2.23606798]
  13. # [ 1.41421356 0. 1. ]
  14. # [ 2.23606798 1. 0. ]]
  15. d = squareform(pdist(x, 'euclidean'))
  16. print d

具体细节请阅读文档

函数scipy.spatial.distance.cdist可以计算不同集合中点的距离,具体请查看文档

Matplotlib

Matplotlib是一个作图库。这里简要介绍matplotlib.pyplot模块,功能和MATLAB的作图功能类似。

绘图

matplotlib库中最重要的函数是Plot。该函数允许你做出2D图形,如下:

  1. import numpy as np
  2. import matplotlib.pyplot as plt
  3. # Compute the x and y coordinates for points on a sine curve
  4. x = np.arange(0, 3 * np.pi, 0.1)
  5. y = np.sin(x)
  6. # Plot the points using matplotlib
  7. plt.plot(x, y)
  8. plt.show() # You must call plt.show() to make graphics appear.

运行上面代码会产生下面的作图:

—————————————————————————————————————————

—————————————————————————————————————————

只需要少量工作,就可以一次画不同的线,加上标签,坐标轴标志等。

  1. import numpy as np
  2. import matplotlib.pyplot as plt
  3. # Compute the x and y coordinates for points on sine and cosine curves
  4. x = np.arange(0, 3 * np.pi, 0.1)
  5. y_sin = np.sin(x)
  6. y_cos = np.cos(x)
  7. # Plot the points using matplotlib
  8. plt.plot(x, y_sin)
  9. plt.plot(x, y_cos)
  10. plt.xlabel('x axis label')
  11. plt.ylabel('y axis label')
  12. plt.title('Sine and Cosine')
  13. plt.legend(['Sine', 'Cosine'])
  14. plt.show()

—————————————————————————————————————————

—————————————————————————————————————————

可以在文档中阅读更多关于plot的内容。

绘制多个图像

可以使用subplot函数来在一幅图中画不同的东西:

  1. import numpy as np
  2. import matplotlib.pyplot as plt
  3. # Compute the x and y coordinates for points on sine and cosine curves
  4. x = np.arange(0, 3 * np.pi, 0.1)
  5. y_sin = np.sin(x)
  6. y_cos = np.cos(x)
  7. # Set up a subplot grid that has height 2 and width 1,
  8. # and set the first such subplot as active.
  9. plt.subplot(2, 1, 1)
  10. # Make the first plot
  11. plt.plot(x, y_sin)
  12. plt.title('Sine')
  13. # Set the second subplot as active, and make the second plot.
  14. plt.subplot(2, 1, 2)
  15. plt.plot(x, y_cos)
  16. plt.title('Cosine')
  17. # Show the figure.
  18. plt.show()

—————————————————————————————————————————

—————————————————————————————————————————

关于subplot的更多细节,可以阅读文档

图像

你可以使用imshow函数来显示图像,如下所示:

  1. import numpy as np
  2. from scipy.misc import imread, imresize
  3. import matplotlib.pyplot as plt
  4. img = imread('assets/cat.jpg')
  5. img_tinted = img * [1, 0.95, 0.9]
  6. # Show the original image
  7. plt.subplot(1, 2, 1)
  8. plt.imshow(img)
  9. # Show the tinted image
  10. plt.subplot(1, 2, 2)
  11. # A slight gotcha with imshow is that it might give strange results
  12. # if presented with data that is not uint8. To work around this, we
  13. # explicitly cast the image to uint8 before displaying it.
  14. plt.imshow(np.uint8(img_tinted))
  15. plt.show()
 
 

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