Python?NumPy中矩陣和通用函數如何使用

這篇“Python NumPy中矩陣和通用函數如何使用”文章的知識點大部分人都不太理解，所以小編給大家總結了以下內容，內容詳細，步驟清晰，具有一定的借鑒價值，希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲，下面我們一起來看看這篇“Python NumPy中矩陣和通用函數如何使用”文章吧。

在NumPy中，矩陣是 ndarray 的子類，與數學概念中的矩陣一樣，NumPy中的矩陣也是二維的，可以使用 mat 、 matrix 以及 bmat 函數來創建矩陣。

一、創建矩陣

mat 函數創建矩陣時，若輸入已為 matrix 或 ndarray 對象，則不會為它們創建副本。 因此，調用 mat() 函數和調用 matrix(data, copy=False) 等價。

1) 在創建矩陣的專用字符串中，矩陣的行與行之間用分號隔開，行內的元素之間用空格隔開。使用如下的字符串調用 mat 函數創建矩陣：

import numpy as np

A = np.mat('1 2 3; 4 5 6; 7 8 9')
print("Creation from string：", A)

運行結果：

Creation from string: 
[[1 2 3]
 [4 5 6]
 [7 8 9]]

2）用T屬性獲取轉置矩陣

print("transpose A：", A.T)  # 用T屬性獲取轉置矩陣

3）用I屬性獲取逆矩陣

print("Inverse A：", A.I)  # 用I屬性獲取逆矩陣

4）用NumPy數組進行創建矩陣

B = np.mat(np.arange(9).reshape(3, 3))
print("Creation from array:", B)#使用NumPy數組進行創建

上述運行結果：

Creation from string: 
[[1 2 3]
 [4 5 6]
 [7 8 9]]
transpose A： 
[[1 4 7]
 [2 5 8]
 [3 6 9]]
Inverse A：
 [[ 3.15251974e+15 -6.30503948e+15  3.15251974e+15]
 [-6.30503948e+15  1.26100790e+16 -6.30503948e+15]
 [ 3.15251974e+15 -6.30503948e+15  3.15251974e+15]]
Creation from array: 
[[0 1 2]
 [3 4 5]
 [6 7 8]]

二、從已有矩陣創建新矩陣

希望利用一些已有的較小的矩陣來創建一個新的大矩陣。這可以用 bmat 函數來實現。這里的 b 表示“分塊”， bmat 即分塊矩陣（block matrix）。

1)先創建一個3*3的單位矩陣：

C = np.eye(3)
print("C:",C)

運行結果：

C: 
[[1. 0. 0.]
 [0. 1. 0.]
 [0. 0. 1.]]

2)創建一個與C同型的矩陣，乘以2

D = 2 * C
print ("D:",D)

運行結果：

D: 
[[2. 0. 0.]
 [0. 2. 0.]
 [0. 0. 2.]]

3）使用字符串創建復合矩陣：

字符串的格式與 mat 函數中一致，只是在這里你可以用矩陣變量名代替數字：

print("Compound matrix\n", np.bmat("C D;C D"))

運行結果：

Compound matrix:
 [[1. 0. 0. 2. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 2. 0.]
 [0. 0. 1. 0. 0. 2.]
 [1. 0. 0. 2. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 2. 0.]
 [0. 0. 1. 0. 0. 2.]]

三、通用函數

通用函數的輸入是一組標量，輸出也是一組標量，它們通常可以對應于基本數學運算，如加、減、乘、除等。

1、使用NumPy中的 frompyfunc 函數，通過一個Python函數來創建通用函數，步驟如下：

1）定義一個回答某個問題的Python函數

2）用 zeros_like 函數創建一個和 a 形狀相同，并且元素全部為0的數組 result

3）將剛生成的數組中的所有元素設置其值為42

2、在 add 上調用通用函數的方法

通用函數并非真正的函數，而是能夠表示函數的對象。通用函數有四個方法，不過這些方法只對輸入兩個參數、輸出一個參數的ufunc對象有效，例如 add 函數。

其他不符合條件的ufunc對象調用這些方法時將拋出 ValueError 異常。因此只能在二元通用函數上調用這些方法。以下將逐一介紹這4個方法：

 reduce()、accumulate()、 reduceat（）、outer()

1) 沿著指定的軸，在連續的數組元素之間遞歸調用通用函數，即可得到輸入數組的規約（reduce）計算結果。

對于 add 函數，其對數組的reduce計算結果等價于對數組元素求和。調用reduce 方法：

a = np.arange(9)
print("Reduce:", np.add.reduce(a)) #調用add函數的reduce方法

運行結果：

Reduce 36

2） accumulate 方法同樣可以遞歸作用于輸入數組

在 add 函數上調用 accumulate 方法，等價于直接調用 cumsum 函數。在 add 函數上調用 accumulate 方法：

print( "Accumulate", np.add.accumulate(a)) #調用add函數的accumulate方法

運行結果：

Accumulate [ 0  1  3  6 10 15 21 28 36]

3）educeat 方法需要輸入一個數組以及一個索引值列表作為參數。

print ("Reduceat", np.add.reduceat(a, [0, 5, 2, 7]))

educeat 方法的作用是，在數列a中，分別計算索引間的累加，比如上述的 [0, 5, 2, 7]，分別計算索引0-5，5-2（5>2，所以直接取索引為5的數據），2-7，7-（-1） 等四組序列形成的

比如，0-5就是計算A-E列中的數據，結果為10；5-2，直接取索引為5，即F的數據5；2-7，即B-G的計算結果為20；7-（-1）即索引7到最后，也即H、I的計算結果為15。

4）outer 方法

返回一個數組，它的秩（rank）等于兩個輸入數組的秩的和。它會作用于兩個輸入數組之間存在的所有元素對。在 add 函數上調用 outer 方法：

print("Outer:\n", np.add.outer(np.arange(3), a))

運行結果：

Outer:
 [[ 0  1  2  3  4  5  6  7  8]
 [ 1  2  3  4  5  6  7  8  9]
 [ 2  3  4  5  6  7  8  9 10]]

四、算術運算

在NumPy中，基本算術運算符+、-和 * 隱式關聯著通用函數 add 、 subtract 和 multiply ，對NumPy數組使用這些算術運算符時，對應的通用函數將自動被調用。除法包含

的過程則較為復雜，在數組的除法運算中涉及

三個通用函數 divide 、 true_divide 和floor_division ，以及兩個對應的運算符 / 和 // 。

1、除法運算：

import numpy as np

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

print("Divide:\n", np.divide(a, b), np.divide(b, a))

除了divide()函數外，還有floor_divide()，以及運算符‘/’和‘//’,（‘/’和‘//’分別和divide和floor_divide作用一樣）如下代碼:

import numpy as np

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

print("Divide:\n", np.divide(a, b), np.divide(b, a))
print("True Divide:\n", np.true_divide(a, b), np.true_divide(b, a))#回除法的浮點數結果而不作截斷

print("Floor Divide:\n", np.floor_divide(a, b), np.floor_divide(b, a))  #返回整數結果
c = 3.14*b
print("Floor Divide2:\n", np.floor_divide(c, b), np.floor_divide(b, c)) #返回整數結果

print( "/ operator:\n", a/b, b/a)  # "/"運算符相當于調用 divide 函數

print( "// operator:\n", a//b, b//a) #運算符//對應于floor_divide 函數
print( "// operator2:\n", c//b, b//c)

運行結果：

Divide:
 [2.         3.         1.66666667] [0.5        0.33333333 0.6       ]
True Divide:
 [2.         3.         1.66666667] [0.5        0.33333333 0.6       ]
Floor Divide:
 [2 3 1] [0 0 0]
Floor Divide2:
 [3. 3. 3.] [0. 0. 0.]
/ operator:
 [2.         3.         1.66666667] [0.5        0.33333333 0.6       ]
// operator:
 [2 3 1] [0 0 0]
// operator2:
 [3. 3. 3.] [0. 0. 0.]

2、模運算

計算模數或者余數，可以使用NumPy中的 mod 、 remainder 和 fmod 函數。當然，也可以使用 % 運算符。這些函數的主要差異在于處理負數的方式。

a = np.arange(-4, 4)
print('a:',a)
print ("Remainder", np.remainder(a, 2)) # remainder 函數逐個返回兩個數組中元素相除后的余數
print ("Mod", np.mod(a, 2))  # mod 函數與 remainder 函數的功能完全一致
print ("% operator", a % 2)  # % 操作符僅僅是 remainder 函數的簡寫

print ("Fmod", np.fmod(a, 2))# fmod 函數處理負數的方式與 remainder 、 mod 和 % 不同

運行結果：

a: [-4 -3 -2 -1  0  1  2  3]
Remainder [0 1 0 1 0 1 0 1]
Mod [0 1 0 1 0 1 0 1]
% operator [0 1 0 1 0 1 0 1]
Fmod [ 0 -1  0 -1  0  1  0  1]

實際代碼運行如下：

以上就是關于“Python NumPy中矩陣和通用函數如何使用”這篇文章的內容，相信大家都有了一定的了解，希望小編分享的內容對大家有幫助，若想了解更多相關的知識內容，請關注億速云行業資訊頻道。