[人工智能]机器学习——numpy

一、numpy概述

• numpy用于快速处理任意维度的数组，主要来说就是对矩阵操作。
• numpy是使用ndarray对象来处理多维数组，该对象是一个快速而灵活的大数据容器。
• ndarray是一个n维数组类型

Python列表可以实现多维数组，那么为什么还需要ndarray呢？

numpy专门针对ndarray的操作和运算进行了设计，所以该类型的存储效率和输入输出性能远优于Python中的嵌套列表，数组越大，Numpy的优势就越明显。

二、ndarray基本操作

1、ndarray的属性

2、形状修改

ndarray.reshape(shape)：返回一个具有相同数据的新数组
ndarray.resize(shape)：无返回值，对原来的数组改变形状

# 例一
a = np.array(			
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
a.reshape((4, 3))
# 输出 
array([[1, 2, 3],		# shape改为4*3
       [3, 4, 5],
       [6, 6, 7],
       [8, 9, 9]])

# 例二
a = np.array(			
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
a.reshape((2, -1))		# -1代表行或列待计算
# 输出
array([[1, 2, 3, 3, 4, 5],	# shape改为2*6
       [6, 6, 7, 8, 9, 9]])

# 例三
a.resize((6, 2))
a
# 输出
array([[1, 2],
       [3, 3],
       [4, 5],
       [6, 6],
       [7, 8],
       [9, 9]])

3、类型修改

ndarray.astype(type)：返回修改了类型之后的一个新数组

a = np.array(
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
a.astype(np.float16)
a
# 输出
array([[1., 2., 3., 3.],
       [4., 5., 6., 6.],
       [7., 8., 9., 9.]], dtype=float16)
array([[1, 2, 3, 3],
       [4, 5, 6, 6],
       [7, 8, 9, 9]])

三、numpy基本操作

1、生成数组

①生成0，1数组

np.ones和np.zeros

np.ones((3, 3), dtype = np.int64)
array([[1, 1, 1],		# 输出
       [1, 1, 1],
       [1, 1, 1]], dtype=int64)
       
np.zeros((3, 3), dtype = np.float64)
array([[0., 0., 0.],	# 输出
       [0., 0., 0.],
       [0., 0., 0.]])

②从现有数组中生成

np.array和np.asarray

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

a1 = np.array(a)		# 深拷贝
a2 = np.asarray(a)		# 浅拷贝

③生成固定范围的数组

np.linspace

np.linspace (start, stop, num)：从start到stop按等差数列分割为num个数，左闭右闭，num默认为50

np.linspace(0, 100, 11)
# 输出
array([  0.,  10.,  20.,  30.,  40.,  50.,  60.,  70.,  80.,  90., 100.])

np.arange

np.arange(start,stop, step, dtype)：将start到stop每隔step的步长的数取出，左闭右开，step默认为1

np.arange(0, 10, 2)
# 输出
array([0, 2, 4, 6, 8])

np.logspace

np.logspace(start,stop, num)：从start到stop按等比数列分割num个数，左闭右闭，num默认为50

np.logspace(0, 2, 3)		# 生成10^x
# 输出
array([  1.,  10., 100.])

④生成随机数组

正态分布和np.random.normal

正态分布是具有两个参数μ和σ的连续型随机变量的分布，第一参数μ是服从正态分布的随机变量的均值，第二个参数σ是此随机变量的方差，所以正态分布记作N(μ，σ )。
其中μ决定了其位置，其标准差σ决定了分布的胖瘦。且当μ = 0,σ = 1时的正态分布是标准正态分布。
σ越小分布则越瘦高，σ越大分布则越矮胖

np.random.normal(loc=0.0, scale=1.0, size=None)：从正态分布中返回一个或多个样本值，每次执行返回的值不一定相同

参数：
loc（float）：此概率分布的均值（对应着整个分布的中心centre）
scale（float）：此概率分布的方差（对应于分布的宽度，scale越大越矮胖，scale越小越瘦高）
size（int or tuple of ints）：输出数据的shape，默认为None，只输出一个值

返回值：
ndarray类型，其形状和参数size中描述一致。

np.random.normal(0, 1, (10,))
# 输出
array([ 1.21557398,  1.09191592, -0.46836205,  0.75189818, -0.46659718,
        0.06309407,  0.00794335,  1.79740285,  0.91503539,  0.73752313])

np.random.normal(0, 1, (2, 5))
# 输出
array([[-0.31547475,  1.15872105, -0.26802975,  0.80356083,  0.10224048],
       [ 1.60132828,  1.34053389, -0.94250032, -0.35546642, -0.35632314]])

均匀分布和np.random.uniform

np.random.uniform(low=0.0, high=1.0, size=None)：从一个均匀分布 [low,high)中随机采样，注意定义域是左闭右开，即包含low，不包含high。

参数：
low：采样下界，float类型，默认值为0；
high：采样上界，float类型，默认值为1；
size：输出样本数目，为int或元组(tuple)类型，缺省时输出1个值。

返回值：
ndarray类型，其形状和参数size中描述一致。

y = np.random.uniform(-1, 1, (2, 2))
# 输出
array([[ 0.14440759, -0.72418455],
       [ 0.57956982, -0.75909833]])

2、数组的去重

np.unique()：将数组去重后，返回一个新的数组

a = np.array(
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
np.unique(a)
# 输出
array([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])

3、判断函数

np.all()：判断数组是否都满足条件
np.any()：判断数组是否有满足条件的数据

a = np.array(
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
np.all(a > 5)
np.any(a > 5)
# 输出
False
True

4、三元运算符

np.where(condition, [x, y])：三元运算符，可以搭配np.logical_and和np.logical_or使用

a = np.array(
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
np.where(a >= 5, 1, 0)
np.where(np.logical_and(a >= 5, a <= 6), 1, 0)
# 输出
array([[0, 0, 0, 0],
       [0, 1, 1, 1],
       [1, 1, 1, 1]])
array([[0, 0, 0, 0],
       [0, 1, 1, 1],
       [0, 0, 0, 0]])

5、统计

在这里，axis=0代表列, axis=1代表行去进行统计
np.max(temp, axis=0)：最大值
np.min(temp, axis=0)：最小值
np.mean(temp, axis=0)：平均值
np.std(temp, axis=0)：标准差

四、运算

1、数组与数

a = np.array(
    [[1, 2, 3, 3],
    [4, 5, 6, 6],
    [7, 8, 9, 9]])
a * 2
# 输出
array([[ 2,  4,  6,  6],
       [ 8, 10, 12, 12],
       [14, 16, 18, 18]])

2、python中np.multiply()、np.dot()、星号(*)和@运算符的区别

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①np.multiply()

数组和矩阵对应位置相乘，输出与相乘数组/矩阵的大小一致

②np.dot()：点乘

对于秩为1的数组，执行对应位置相乘，然后再相加
对于秩不为1的二维数组，执行矩阵乘法运算
对于矩阵，则运行矩阵的乘法

③星号(*)

对数组执行对应位置相乘
对矩阵执行矩阵乘法运算

④@运算符

是矩阵的乘法运算符

五、其他内容

1、方差

方差为每个样本值与全体样本值的平均数之差的平方值的平均数，方差越大数据波动也就越大

${\delta }^2=\frac{{\sum }_{i=1}^n(x_i?\mu {)}^2}{n}$

2、标准差（均方差）

是方差的算术平方根，标准差能反映一个数据集的离散程度。

$\sigma =\sqrt{\frac{{\sum }_{i=1}^n(X_i?\mu {)}^2}{n}}$

3、均方误差Mean square error（MSE）

均方误差是评价数据的变化程度，MSE的值越小，说明预测模型描述实验数据具有更好的精确度。

$MSE=\frac{{\sum }_{i=1}^n[f(x_i)?y_i{]}^2}{n}$

4、残差平方和

为了明确解释变量和随机误差各产生的效应是多少，统计学上把数据点与它在回归直线上相应位置的差异称为残差，把每个残差平方之后加起来 称为残差平方和，它表示随机误差的效应。 一组数据的残差平方和越小,其拟合程度越好

${\sum }_{i=1}^n[h_{\theta }(x_i)?y_i{]}^2$

5、广播机制

数组在进行矢量化运算时，要求数组的形状是相等的。当形状不相等的数组执行算术运算的时候，就会出现广播机制，该机制会对数组进行扩展，使数组的shape属性值一样，这样，就可以进行矢量化运算了。下面通过一个例子进行说明：

arr1 = np.array([[0],[1],[2],[3]])
arr1.shape
# (4, 1)
arr2 = np.array([1,2,3])
arr2.shape
# (3,)
arr1+arr2
# 输出
array([[1, 2, 3],
       [2, 3, 4],
       [3, 4, 5],
       [4, 5, 6]])

上述代码中，数组arr1是4行1列，arr2是1行3列。这两个数组要进行相加，按照广播机制会对数组arr1和arr2都进行扩展，使得数组arr1和arr2都变成4行3列。
运算过程：

广播机制发生条件（只需要满足如下任意一个条件即可，而且需要对每一维进行查看）：

1. 两个数组的某一维度等长
2. 其中的一个数组的某一维度为1（如上例）

# 此时A，B不可广播，因为第二维不满足条件
A (1d array): (1, 10)	
B (1d array): (1, 12)	

# 此时A，B不可广播，因为第一维和第三维不满足条件
A (2d array): (2, 1)
B (3d array): (8, 4, 3)

# 此时A，B可广播
A (2d array): (2, 6)
B (3d array): (2, 1)

本文只用于个人学习与记录