一. python简介

1. python 具有丰富强大的库,常被称为胶水语言,能够把用其他语言制作的各种模块很轻松地联结在一起

2. python强制使用空白符(white space)作为语句缩进。

3. 可以使用 py2exe等包转换成系统能够执行的文件。

4. Python的瓶颈不在于自身语言的运行时间,在于一些网络速度等外在因素的影响。

二. Python库

1. python版本

常用的有2.7和3.5两个版本,这两个版本不完全兼容。但就目前Windows的环境而言,Python2.7对于数据分析领域就足够用了,但3.5更多用于web开发。当然,也可以使用 2to3.py 实现两个版本之间的转换。

  1. D:\>python 2to3.py t1.py
  2. RefactoringTool: Skipping optional fixer: buffer
  3. RefactoringTool: Skipping optional fixer: idioms
  4. RefactoringTool: Skipping optional fixer: set_literal
  5. RefactoringTool: Skipping optional fixer: ws_comma
  6. RefactoringTool: Refactored t1.py
  7. --- t1.py (original)
  8. +++ t1.py (refactored)
  9. @@ -1 +1 @@
  10. -print 'all tasks has been finished!'
  11. +print('all tasks has been finished!')
  12. RefactoringTool: Files that need to be modified:
  13. RefactoringTool: t1.py

不推荐大家使用上面这个转换的库,因为官网上说这个库会随着时间发生剧烈的变化。

2. pip

pip是安装python包的推荐工具:https://pypi.python.org/pypi/pip

也可以手动更换pip中的数据源:pip install -l https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple numpy

pip会在数据源中查找符合你系统配置的最新版的安装包进行自动安装。

3. numpy

为Python提供快速的多维数组处理能力

4. pandas

在numpy基础上提供了更多了数据读写工具

5. scipy

在numpy基础上添加了众多科学计算工具包

6.matplotlib

Python丰富的绘图库,主要针对二维绘图,有少数的三维绘图函数

三. 数据生成

1. list, array

标准Python的列表list中,元素本质是对象

如:L=[1,2,3],需要3个指针和三个整数对象,对于数值运算比较浪费内存和CPU。

因此,numpy提供了ndarray(N-dimensional array object)对象:存储单一数据类型的多维数组。

  1. # # 1.使用array创建
  2. # 通过array函数传递list对象
  3. L = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
  4. print "L = ", L
  5. a = np.array(L)

 print "a = ", a
  print type(a), type(L)
  # # 若传递的是多层嵌套的list,将创建多维数组
  b = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]])
  print b

2. 改变数组的大小和形状

  1. # # # # # 数组大小可以通过其shape属性获得
  2. print a.shape
  3. print b.shape
  4. #
  5. # # # 也可以强制修改shape
  6. b.shape = 4, 3
  7. print b
  8. # # 注:从(3,4)改为(4,3)并不是对数组进行转置,而只是改变每个轴的大小,数组元素在内存中的位置并没有改变
  9. #
  10. # # # 当某个轴为-1时,将根据数组元素的个数自动计算此轴的长度
  11. b.shape = 2, -1
  12. print b
  13. print b.shape
  14. #
  15. b.shape = 3, 4
  16. print b
  17. # # # # 使用reshape方法,可以创建改变了尺寸的新数组,原数组的shape保持不变
  18. c = b.reshape((4, -1))
  19. print "b = \n", b
  20. print 'c = \n', c

3. 数组的存储,类型

  1. # # # # 数组b和c共享内存,修改任意一个将影响另外一个
  2. b[0][1] = 20
  3. print "b = \n", b
  4. print "c = \n", c
  5. #
  6. # # # # 数组的元素类型可以通过dtype属性获得
  7. print a.dtype
  8. print b.dtype
  9. # # # # #
  10. # # # # # 可以通过dtype参数在创建时指定元素类型
  11. d = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]], dtype=np.float)
  12. f = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]], dtype=np.complex)
  13. print d
  14. print f
  15. #
  16. # # # 如果更改元素类型,可以使用astype安全的转换
  17. f = d.astype(np.int)
  18. print f
  19. # # #
  20. # # # # 但不要强制仅修改元素类型,如下面这句,将会以int来解释单精度float类型
  21. d.dtype = np.int
  22. print d下面是上面代码中倒数第二个d, f的输出
  1. [[ 1. 2. 3. 4.]
  2. [ 5. 6. 7. 8.]
  3. [ 9. 10. 11. 12.]]
  4. [[ 1.+0.j 2.+0.j 3.+0.j 4.+0.j]
  5. [ 5.+0.j 6.+0.j 7.+0.j 8.+0.j]
  6. [ 9.+0.j 10.+0.j 11.+0.j 12.+0.j]]
  7. 4. 使用函数创建
  1. # 如果生成一定规则的数据,可以使用NumPy提供的专门函数
  2. # arange函数类似于python的range函数:指定起始值、终止值和步长来创建数组
  3. # 和Python的range类似,arange同样不包括终值;但arange可以生成浮点类型,而range只能是整数类型
  4. np.set_printoptions(linewidth=100, suppress=True)
  5. a = np.arange(1, 10, 0.5)
  6. print a
  7.  
  8. # # # # linspace函数通过指定起始值、终止值和元素个数来创建数组,缺省包括终止值
  9. b = np.linspace(1, 10, 10)
  10. print 'b = ', b
  11.  
  12. # # 可以通过endpoint关键字指定是否包括终值
  13. c = np.linspace(1, 10, 10, endpoint=False)
  14. print 'c = ', c
  15.  
  16. # # # 和linspace类似,logspace可以创建等比数列
  17. # # 下面函数创建起始值为10^1,终止值为10^2,有10个数的等比数列
  18. d = np.logspace(1, 4, 4, endpoint=True, base=2)
  19. print d
  20. # # # # #
  21. # # # # # 下面创建起始值为2^0,终止值为2^10(包括),有10个数的等比数列
  22. f = np.logspace(0, 10, 11, endpoint=True, base=2)
  23. print f
  24. #
  25. # # # # 使用 frombuffer, fromstring, fromfile等函数可以从字节序列创建数组
  26. s = 'abcdzzzz'
  27. g = np.fromstring(s, dtype=np.int8)
  28. print g
  29. # #

下面为输出结果:

  1. [ 1. 1.5 2. 2.5 3. 3.5 4. 4.5 5. 5.5 6. 6.5 7. 7.5 8. 8.5 9. 9.5]
  2. b = [ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.]
  3. c = [ 1. 1.9 2.8 3.7 4.6 5.5 6.4 7.3 8.2 9.1]
  4. [ 2. 4. 8. 16.]
  5. [ 1. 2. 4. 8. 16. 32. 64. 128. 256. 512. 1024.]
  6. [ 97 98 99 100 122 122 122 122]
  7.  
  8. 5. 存取
    1)常规办法
  1. # 数组元素的存取方法和Python的标准方法相同
  2. a = np.arange(10)
  3. print a
  4. # # # 获取某个元素
  5. print a[3]
  6. # # # # # 切片[3,6),左闭右开
  7. print a[3:6]
  8. # # # 省略开始下标,表示从0开始
  9. print a[:5]
  10. # # # 下标为负表示从后向前数
  11. print a[3:]
  12. # # 步长为2
  13. print a[1:9:2]
  14. # # # # # # 步长为-1,即翻转
  15. print a[::-1]
  16. # # 切片数据是原数组的一个视图,与原数组共享内容空间,可以直接修改元素值
  17. a[1:4] = 10, 20, 30
  18. print a
  19. # # 因此,在实践中,切实注意原始数据是否被破坏,如:
  20. b = a[2:5]
  21. b[0] = 200
  22. print a
  1. [0 1 2 3 4 5 6 7 8 9]
  2. 3
  3. [3 4 5]
  4. [0 1 2 3 4]
  5. [3 4 5 6 7 8 9]
  6. [1 3 5 7]
  7. [9 8 7 6 5 4 3 2 1 0]
  8. [ 0 10 20 30 4 5 6 7 8 9]
  9. [ 0 10 200 30 4 5 6 7 8 9]
  10.  
  11. 2)整数/布尔数组存取
  1. # 3.2.1
  2. # 根据整数数组存取:当使用整数序列对数组元素进行存取时,
  3. # 将使用整数序列中的每个元素作为下标,整数序列可以是列表(list)或者数组(ndarray)。
  4. # 使用整数序列作为下标获得的数组不和原始数组共享数据空间。
  5. a = np.logspace(0, 9, 10, base=2)
  6. print a
  7. i = np.arange(0, 10, 2)
  8. print i
  9. # # # 利用i取a中的元素
  10. b = a[i]
  11. print b
  12. # # # b的元素更改,a中元素不受影响
  13. b[2] = 1.6
  14. print b
  15. print a
  16.  
  17. # # 3.2.2
  18. # 使用布尔数组i作为下标存取数组a中的元素:返回数组a中所有在数组b中对应下标为True的元素
  19. # 生成10个满足[0,1)中均匀分布的随机数
  20. a = np.random.rand(10)
  21. print a
  22. # # 大于0.5的元素索引
  23. print a > 0.5
  24. # # # 大于0.5的元素
  25. b = a[a > 0.5]
  26. print b
  27. # # # 将原数组中大于0.5的元素截取成0.5
  28. a[a > 0.5] = 0.5
  29. print a
  30. # # # # # b不受影响
  31. print b
  1. [ 1. 2. 4. 8. 16. 32. 64. 128. 256. 512.]
  2. [0 2 4 6 8]
  3. [ 1. 4. 16. 64. 256.]
  4. [ 1. 4. 1.6 64. 256. ]
  5. [ 1. 2. 4. 8. 16. 32. 64. 128. 256. 512.]
  6. [ 0.6863079 0.43770902 0.06801346 0.75436358 0.94302857 0.79214232 0.08905118 0.50204237
  7. 0.20263459 0.67341405]
  8. [ True False False True True True False True False True]
  9. [ 0.6863079 0.75436358 0.94302857 0.79214232 0.50204237 0.67341405]
  10. [ 0.5 0.43770902 0.06801346 0.5 0.5 0.5 0.08905118 0.5
  11. 0.20263459 0.5 ]
  12. [ 0.6863079 0.75436358 0.94302857 0.79214232 0.50204237 0.67341405]
  13.  
  14. 3)切片
  1. # 3.3 二维数组的切片
  2. # [[ 0 1 2 3 4 5]
  3. # [10 11 12 13 14 15]
  4. # [20 21 22 23 24 25]
  5. # [30 31 32 33 34 35]
  6. # [40 41 42 43 44 45]
  7. # [50 51 52 53 54 55]]
  8. a = np.arange(0, 60, 10) # 行向量
  9. print 'a = ', a
  10. b = a.reshape((-1, 1)) # 转换成列向量
  11. print b
  12. c = np.arange(6)
  13. print c
  14. f = b + c # 行 + 列
  15. print f
  16. # # 合并上述代码:
  17. a = np.arange(0, 60, 10).reshape((-1, 1)) + np.arange(6)
  18. print a
  19. # # # 二维数组的切片
  20. print '++++++++++++++'
  21. print a[[0, 1, 2], [2, 3, 4]]
  22. print a[4, [2, 3, 4]]
  23. print a[4:, [2, 3, 4]]
  24. print '+++++++++++++'
  25. i = np.array([True, False, True, False, False, True])
  26. print i
  27. print a[i]
  28. print a[i, 3]
  1. a = [ 0 10 20 30 40 50]
  2. [[ 0]
  3. [10]
  4. [20]
  5. [30]
  6. [40]
  7. [50]]
  8. [0 1 2 3 4 5]
  9. [[ 0 1 2 3 4 5]
  10. [10 11 12 13 14 15]
  11. [20 21 22 23 24 25]
  12. [30 31 32 33 34 35]
  13. [40 41 42 43 44 45]
  14. [50 51 52 53 54 55]]
  15. [[ 0 1 2 3 4 5]
  16. [10 11 12 13 14 15]
  17. [20 21 22 23 24 25]
  18. [30 31 32 33 34 35]
  19. [40 41 42 43 44 45]
  20. [50 51 52 53 54 55]]
  21. ++++++++++++++
  22. [ 2 13 24]
  23. [42 43 44]
  24. [[42 43 44]
  25. [52 53 54]]
  26. +++++++++++++
  27. [ True False True False False True]
  28. [[ 0 1 2 3 4 5]
  29. [20 21 22 23 24 25]
  30. [50 51 52 53 54 55]]
  31. [ 3 23 53]
  32.  
  33. 上面代码中,
  1. a[i]中索引 i 因为是布尔数组,所以它实际上是对对应行的选择,TRUE为选择,FALSE为不选择。
  1. 6.numpyPython数学库的时间比较
  1. for j in np.logspace(0, 7, 8):
  2. x = np.linspace(0, 10, j)
  3. start = time.clock()
  4. y = np.sin(x)
  5. t1 = time.clock() - start
  6.  
  7. x = x.tolist()
  8. start = time.clock()
  9. for i, t in enumerate(x):
  10. x[i] = math.sin(t)
  11. t2 = time.clock() - start
  12. print j, ": ", t1, t2, t2/t1
  1. 1.0 : 8.00000000001e-06 9.00000000015e-06 1.12500000002
  2. 10.0 : 0.000125 0.000319 2.552
  3. 100.0 : 1.20000000001e-05 0.000231 19.2499999998
  4. 1000.0 : 0.000138 0.000307 2.22463768116
  5. 10000.0 : 0.000383 0.002946 7.69190600522
  6. 100000.0 : 0.003997 0.029284 7.32649487115
  7. 1000000.0 : 0.038909 0.326851 8.40039579532
  8. 10000000.0 : 0.390234 2.951487 7.5633773582
    从上面的运行结果可以看出来,一般情况下,numpy的效率比Python数学库要快,平均快7倍左右
  9.  
  10. 7. 元素去重
  1. # 4.2 元素去重
  2. # 4.2.1直接使用库函数
  3. a = np.array((1, 2, 3, 4, 5, 5, 7, 3, 2, 2, 8, 8))
  4. print '原始数组:', a
  5. # # # 使用库函数unique
  6. b = np.unique(a)
  7. print '去重后:', b
  8. # # 4.2.2 二维数组的去重,结果会是预期的么?
  9. c = np.array(((1, 2), (3, 4), (5, 6), (1, 3), (3, 4), (7, 6)))
  10. print '二维数组:\n', c
  11. print '去重后:', np.unique(c)
  12. # # # 4.2.3 方案1:转换为虚数
  13. r, i = np.split(c, (1, ), axis=1)
  14. x = r + i * 1j
  15. x = c[:, 0] + c[:, 1] * 1j
  16. print '转换成虚数:', x
  17. print '虚数去重后:', np.unique(x)
  18. print np.unique(x, return_index=True) # 思考return_index的意义
  19. idx = np.unique(x, return_index=True)[1]
  20. print '二维数组去重:\n', c[idx]
  21. # # 4.2.3 方案2:利用set
  22. print '去重方案2:\n', np.array(list(set([tuple(t) for t in c])))原始数组: [1 2 3 4 5 5 7 3 2 2 8 8]
  1. 去重后: [1 2 3 4 5 7 8]
  2. 二维数组:
  3. [[1 2]
  4. [3 4]
  5. [5 6]
  6. [1 3]
  7. [3 4]
  8. [7 6]]
  9. 去重后: [1 2 3 4 5 6 7]
  10. 转换成虚数: [ 1.+2.j 3.+4.j 5.+6.j 1.+3.j 3.+4.j 7.+6.j]
  11. 虚数去重后: [ 1.+2.j 1.+3.j 3.+4.j 5.+6.j 7.+6.j]
  12. (array([ 1.+2.j, 1.+3.j, 3.+4.j, 5.+6.j, 7.+6.j]), array([0, 3, 1, 2, 5]))
  13. 二维数组去重:
  14. [[1 2]
  15. [1 3]
  16. [3 4]
  17. [5 6]
  18. [7 6]]
  19. 去重方案2
  20. [[1 2]
  21. [5 6]
  22. [7 6]
  23. [1 3]
  24. [3 4]]
    从上面输出结果可以看出:
    a. 直接使用np.unique(c)为二维数组去重,不能达到理想的结果。因为unique会默认将输入的数组拉成一维的,然后去重。
    b. 对于二维数组去重,一般会选择先将其转成虚数去重,然后再还原成二维。但该种方式会打乱数组里面元素的顺序,所以我们可以令参数return_index=true来让其放回各个元素原始的索引。
    c. 使用set来去重需要先将数组转成list然后再进行操作。
  25. 8.三维数组去重
  1. # 4.3 stack and axis
  2. a = np.arange(1, 7).reshape((2, 3))
  3. b = np.arange(11, 17).reshape((2, 3))
  4. c = np.arange(21, 27).reshape((2, 3))
  5. d = np.arange(31, 37).reshape((2, 3))
  6. print 'a = \n', a
  7. print 'b = \n', b
  8. print 'c = \n', c
  9. print 'd = \n', d
  10. s = np.stack((a, b, c, d), axis=0)
  11. print 'axis = 0 ', s.shape, '\n', s
  12. s = np.stack((a, b, c, d), axis=1)
  13. print 'axis = 1 ', s.shape, '\n', s
  14. s = np.stack((a, b, c, d), axis=2)
  15. print 'axis = 2 ', s.shape, '\n', s
  16.  
  17. a = np.arange(1, 10).reshape(3,3)
  18. print a
  19. b = a + 10
  20. print b
  21. print np.dot(a, b)  ###矩阵乘法
  22. print a * b ##矩阵元素相乘
  23.  
  24. a = np.arange(1, 10)
  25. print a
  26. b = np.arange(20,25)
  27. print b
  28. print np.concatenate((a, b)) ###连接
  1. a =
  2. [[1 2 3]
  3. [4 5 6]]
  4. b =
  5. [[11 12 13]
  6. [14 15 16]]
  7. c =
  8. [[21 22 23]
  9. [24 25 26]]
  10. d =
  11. [[31 32 33]
  12. [34 35 36]]
  13. axis = 0 (4, 2, 3)
  14. [[[ 1 2 3]
  15. [ 4 5 6]]
  16.  
  17. [[11 12 13]
  18. [14 15 16]]
  19.  
  20. [[21 22 23]
  21. [24 25 26]]
  22.  
  23. [[31 32 33]
  24. [34 35 36]]]
  25. axis = 1 (2, 4, 3)
  26. [[[ 1 2 3]
  27. [11 12 13]
  28. [21 22 23]
  29. [31 32 33]]
  30.  
  31. [[ 4 5 6]
  32. [14 15 16]
  33. [24 25 26]
  34. [34 35 36]]]
  35. axis = 2 (2, 3, 4)
  36. [[[ 1 11 21 31]
  37. [ 2 12 22 32]
  38. [ 3 13 23 33]]
  39.  
  40. [[ 4 14 24 34]
  41. [ 5 15 25 35]
  42. [ 6 16 26 36]]]
  43. [[1 2 3]
  44. [4 5 6]
  45. [7 8 9]]
  46. [[11 12 13]
  47. [14 15 16]
  48. [17 18 19]]
  49. [[ 90 96 102]
  50. [216 231 246]
  51. [342 366 390]]
  52. [[ 11 24 39]
  53. [ 56 75 96]
  54. [119 144 171]]
  55. [1 2 3 4 5 6 7 8 9]
  56. [20 21 22 23 24]
  57. [ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 21 22 23 24]
  58.  
  59. 函数stack实现多个数组堆叠的功能。从运行结果可以看出,当
  1. axis=0时, 是将a, b, c, d四个数组分别作为元素组成新的列向量中的元素;
  1. axis=1时,是分别将a, b, c, d四个数组中的第一个元素组成一个新的列元素,第二个元素也是同样的,最后组成一个列向量。
  1. axis=2时,是将a,b,c,d四个数组先拉成一维,然后分别取四个数组中相同位置的元素组成新的列向量中的元素。

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