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Python使用NumPy创建数组的完全指南

NumPy数组与Python列表本质不同,支持向量化运算与广播机制。创建可用array、zeros、ones、arange、random等函数。数组属性有维度数、形状、大小、数据类型。切片返回视图需用copy隔离。reshape改变形状,newaxis增加维度。拼接用concatenate/vstack/hstack,分割用split。还支持普通、布尔及花式

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    NumPy数组创建指南

    六月的风带着点甜味,朋友圈被各种童真刷屏。趁着这个万物皆可“玩”的季节,咱们也来玩点硬核的——用NumPy搭积木。说真的,NumPy的数组和乐高没什么本质区别:都是用最简单的单元,拼出你想得到的一切。

    Python使用NumPy创建数组的完全指南

    为什么要学NumPy?

    如果把机器学习比作精彩的冒险旅程,那 NumPy 就是出发前必学的基础技能课,缺一不可。

    写Python处理数据,你大概率会遇到这行“神咒”:

    import numpy as np
    

    为什么绕不开它?两个字:快和简。

    • 向量化运算:告别for循环,一行代码干完十行的活
    • 广播机制:形状不同的数组也能直接算,Python原生列表做不到

    今天这篇,从数组创建到变形运算,一次性把NumPy的基础打扎实——地基稳了,后面盖楼才不慌。

    一、np.array:从列表到数组,一步之遥

    最直觉的方式,把一个Python列表扔进去:

    arr = np.array([1, 2, 3])
    print(arr)  # [1 2 3]
    

    等等,Python列表[1, 2, 3]不也能用吗?为什么要多此一举?

    因为它们压根不是一回事:

    Python列表 NumPy数组
    类型 来者不拒,int、str、dict混着装 认死理,一个数组只认一种类型
    运算 [1,2]+[3,4] → [1,2,3,4](拼接) np.array([1,2])+np.array([3,4]) → [4 6](逐元素加)
    速度 循环处理,慢 底层C实现,快到飞起
    # Python列表:+ 是拼接
    [1, 2, 3] + [4, 5, 6]  # [1, 2, 3, 4, 5, 6]
    
    # NumPy数组:+ 是数学运算
    np.array([1, 2, 3]) + np.array([4, 5, 6])  # [5 7 9]
    

    一个管“装东西”,一个管“算东西”。功能不同,别混为一谈。

    二、嵌套列表:给积木加个维度

    一维数组是条线,二维是张表,三维就是个箱子。用嵌套列表可以一层层搭上去:

    list1 = [list(range(i, i+3)) for i in [2, 4, 6]]
    print(list1)
    # [[2, 3, 4], [6, 7, 8], [10, 11, 12]]
    
    c = np.array([range(i, i+3) for i in [2, 4, 6]])
    print(c)
    # [[ 2  3  4]
    #  [ 6  7  8]
    #  [10 11 12]]
    

    每一层列表就是积木的一层,叠起来就成了立体结构。道理就这么朴素。

    三、快速创建:NumPy的“模板工厂”

    有些数组不需要你一个个填值——全0、全1、等差数列,NumPy早就帮你备好了模板。

    np.zeros:全0数组

    nz = np.zeros(10, dtype=int)
    print(nz)  # [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]
    

    十个零,整整齐齐。dtype=int让它输出整数而不是浮点数。

    np.ones:全1数组

    no = np.ones((3, 5))
    print(no)
    # [[1. 1. 1. 1. 1.]
    #  [1. 1. 1. 1. 1.]
    #  [1. 1. 1. 1. 1.]]
    

    3行5列,默认浮点型(1.不是1)。需要整型就加dtype=int。

    np.arange:等差数列

    和Python的range是亲兄弟,但直接返回NumPy数组:

    na = np.arange(0, 20, 2)
    print(na)  # [ 0  2  4  6  8 10 12 14 16 18]
    

    对比一下:

    list(range(0, 20, 2))  # [0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18] ← 列表
    np.arange(0, 20, 2)    # [ 0  2  4  6  8 10 12 14 16 18] ← 数组
    

    长得像,但底层完全不同。一个是Python对象,一个是NumPy的连续内存块。

    四、随机数组:开盲盒时间

    随机数是NumPy里最好玩的部分——你永远不知道下一个数是什么(除非你设了种子)。

    基础随机

    a1 = np.random.random()           # 一个[0,1)的随机浮点数
    a2 = np.random.random(1)          # 包含一个元素的数组
    a3 = np.random.random((3, 3))     # 3×3的随机数组
    a4 = np.random.random((2, 3, 4))  # 2层×3行×4列,三维随机数组
    

    指定范围

    a5 = np.random.uniform(5, 7, (2, 2))  # [5,7)之间的随机浮点,2×2
    a6 = np.random.randint(5, 7, (2, 2))  # [5,7)之间的随机整数,2×2
    

    uniform管浮点,randint管整数,参数格式一样。

    正态分布

    正态分布的本质:大部分数据挤在中间,越往两头越稀疏。人的身高、考试成绩、测量误差,都近似这个分布。

    # 均值0,标准差1,3×3的正态分布随机数组
    np.random.normal(0, 1, (3, 3))
    
    # 简写版:标准正态分布
    np.random.randn(3, 3)
    

    种子:给随机数写剧本

    随机数其实是“伪随机”——由算法按固定规则生成。设种子就是把规则锁死,让每次运行结果一模一样。

    np.random.seed(0)
    a = np.random.random(3)
    print(a)  # 每次运行都输出相同的值
    

    什么时候用?调试的时候。你的代码出了bug,想复现它,就得保证输入数据不变。种子就是你的“存档点”。

    五、特殊数组:预制件

    np.eye:单位矩阵

    ne = np.eye(3)
    print(ne)
    # [[1. 0. 0.]
    #  [0. 1. 0.]
    #  [0. 0. 1.]]
    

    对角线是1,其余是0。线性代数里的“乘法单位元”——任何矩阵乘以它,等于没乘。

    np.empty:未初始化的数组

    ney = np.empty(3)
    print(ney)  # 值是内存里的残留,不确定
    

    像开盲盒——你不知道里面是什么。但它创建速度极快,因为跳过了初始化步骤。适合你确定后面会逐个赋值的场景。

    六、数组属性:读懂你的积木

    数组创建好了,怎么了解它?看属性:

    x = np.random.randint(10, size=(3, 4, 5))  # 3层×4行×5列
    
    属性 含义 本例值
    ndim 维度数 3
    shape 各维度大小 (3, 4, 5)
    size 元素总数 60
    dtype 数据类型 int64
    itemsize 单个元素占的字节数 8
    nbytes 总字节数 480
    print('维度:', x.ndim)       # 3
    print('形状:', x.shape)      # (3, 4, 5)
    print('大小:', x.size)       # 60
    print('类型:', x.dtype)      # int64
    

    nbytes = itemsize × size,记住这个关系就行。

    七、切片:精准取值,小心副作用

    切片是NumPy最常用的操作之一,但有个坑:切片返回的是视图,不是副本。

    x = np.array([[3, 5, 2, 4],
                  [7, 6, 8, 8],
                  [1, 6, 7, 7]])
    
    x_sub = x[:2, :2]  # 前两行、前两列
    print(x_sub)
    # [[3 5]
    #  [7 6]]
    

    视图的意思是:你改切片,原数组也跟着变。

    x_sub[0, :] = 9
    print(x_sub)  # [[9 9] [7 6]]
    print(x)      # 原数组也被改了!
    # [[9 9 2 4]
    #  [9 9 8 8]
    #  [1 6 7 7]]
    

    这就像你通过窗户看房间——你在窗外摆了个花瓶,房间里也多了一个。

    想独立操作?用.copy():

    x_sub_copy = x[:2, :2].copy()
    x_sub_copy[0, :] = 1
    print(x)             # 原数组不受影响
    print(x_sub_copy)    # 副本独立变化
    

    拍了张照片,照片里的改动不会影响真实的房间。

    八、变形:reshape与newaxis

    reshape:改变形状,不改内容

    grid = np.arange(1, 10)           # [1 2 3 4 5 6 7 8 9]
    grid_reshape = grid.reshape((3, 3))
    print(grid_reshape)
    # [[1 2 3]
    #  [4 5 6]
    #  [7 8 9]]
    

    9个元素可以排成3×3,但排不成4×3——元素总数必须不变。

    np.newaxis:增加一个维度

    把一维变二维,本质是用None插入一个长度为1的维度:

    x = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
    
    # 变成一行(1×5)
    x.reshape(1, 5)       # [[1 2 3 4 5]]
    x[np.newaxis, :]      # 效果一样
    
    # 变成一列(5×1)
    x.reshape(5, 1)       # [[1] [2] [3] [4] [5]]
    x[:, np.newaxis]      # 效果一样
    

    什么时候用?做矩阵运算需要对齐维度的时候。比如一个(5,)的向量要和一个(3,5)的矩阵运算,得先把向量变成(1,5)。

    九、拼接与分裂:合体与分身

    拼接:多个变一个

    x = np.array([1, 2, 3])
    y = np.array([3, 2, 1])
    z = np.array([99, 99, 99])
    
    # 一维拼接
    np.concatenate([x, y, z])  # [ 1  2  3  3  2  1 99 99 99]
    

    二维数组要指定方向:

    grid = np.array([[1, 2, 3],
                     [4, 5, 6]])
    
    # axis=0:上下叠(行方向)
    np.concatenate([grid, grid])
    # [[1 2 3]
    #  [4 5 6]
    #  [1 2 3]
    #  [4 5 6]]
    
    # axis=1:左右拼(列方向)
    np.concatenate([grid, grid], axis=1)
    # [[1 2 3 1 2 3]
    #  [4 5 6 4 5 6]]
    

    还有两个快捷函数:

    np.vstack([x, y, z, grid])  # 垂直栈,等价于axis=0
    np.hstack([grid, grid])      # 水平栈,等价于axis=1
    

    分裂:一个变多个

    x = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
    x1, x2, x3 = np.split(x, [3, 5])
    print(x1, x2, x3)  # [0 1 2] [3 4] [5 6 7 8]
    

    规则:np.split(数组, [断点列表]),N个断点切出N+1段。

    二维的分裂:

    grid = np.arange(16).reshape(4, 4)
    
    # 垂直切:按行分
    upper, lower = np.vsplit(grid, [2])
    
    # 水平切:按列分
    left, right = np.hsplit(grid, [1])
    

    十、通用函数:向量化的魔法

    NumPy的运算不需要for循环,直接对整个数组操作——这就是向量化。

    x = np.arange(4)
    print('x     =', x)
    print('x + 5 =', x + 5)           # [5 6 7 8]
    print('x - 5 =', x - 5)           # [-5 -4 -3 -2]
    print('x * 2 =', x * 2)           # [0 2 4 6]
    print('x / 2 =', x / 2)           # [0.  0.5 1.  1.5]
    print('x // 2 =', x // 2)         # [0 0 1 1]  取商
    print('x % 2 =', x % 2)           # [0 1 0 1]  取余
    print('x ** 2 =', x ** 2)         # [0 1 4 9]  幂运算
    print('-x     =', -x)              # [0 -1 -2 -3]
    

    每种运算都有对应的函数版本:np.add、np.subtract、np.multiply、np.divide、np.power……

    绝对值

    x = np.array([-2, -1, 0, 1, 2])
    print(np.abs(x))           # [2 1 0 1 2]
    print(np.absolute(x))      # 效果一样
    

    复数的模

    y = np.array([3 - 4j, 4 - 3j, 2 + 0j, 0 + 1j])
    print(abs(y))  # [5. 5. 2. 1.]
    

    复数取绝对值返回的是模——实部和虚部平方和再开根号。3-4j的模就是√(9+16)=5。

    小时候玩积木,一块一块往上垒,最后能搭出城堡、飞船、整个城市。现在玩NumPy,一个数组一个数组地创建、变形、拼接,最后能处理海量数据、训练模型、解决真实问题。

    工具变了,本质没变:从最简单的单元出发,耐心搭建,直到看见全貌。

    写在最后

    回顾一下今天搭的“积木”:

    • 基础创建:np.array 从列表一步到位,zeros/ones/arange 快速生成模板
    • 随机数组:random、uniform、normal 各有用途,seed 是调试的存档点
    • 变形与操作:reshape 改形状、切片取视图、拼接分裂玩组合
    • 向量化运算:告别 for 循环,一行代码搞定批量计算

    数组创建是 NumPy 的起点,不是终点。上面的速查表可以收藏备用,接下来你可以继续探索:

    1. 索引与切片进阶 — 花式索引、布尔索引
    2. 广播机制 — 不同形状的数组如何对齐运算
    3. 线性代数 — 矩阵乘法、特征值分解
    4. 实战项目 — 用 NumPy 做图像处理、数据分析

    速查表

    场景 函数 一句话说明
    从列表创建 np.array() 最基础,什么都往里塞
    全零 np.zeros() 初始化占位
    全一 np.ones() 同上
    等差数列 np.arange() 类似range,但返回数组
    随机浮点 np.random.random() [0,1)区间
    指定范围随机 np.random.uniform() 自定义区间
    随机整数 np.random.randint() 整数版
    正态分布 np.random.normal() 高斯分布
    固定种子 np.random.seed() 让随机不随机
    单位矩阵 np.eye() 对角线1,其余0
    未初始化 np.empty() 快,但值不确定
    变形 reshape 改形状不改内容
    加维度 np.newaxis 一维变二维
    拼接 concatenate/vstack/hstack 合体
    分裂 split/vsplit/hsplit 分身
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