2.1 多維數(shù)組對(duì)象

標(biāo)準(zhǔn)Python不支持多維數(shù)組，為此NumPy庫(kù)提供了支持豐富數(shù)據(jù)表示方式的多維數(shù)組ndarray，方便一維、二維甚至多維的數(shù)組處理。ndarray數(shù)組對(duì)象所有元素類型必須相同，且大小固定，在創(chuàng)建時(shí)定義，使用過(guò)程中不可改變。一般采用如下方式導(dǎo)入NumPy庫(kù)。

由于NumPy庫(kù)的函數(shù)較多且與其他第三方庫(kù)重名，為了避免函數(shù)命名沖突，使用import…as關(guān)鍵字將Numpy重命名為np，在后續(xù)使用Numpy時(shí)用np代替，這樣，既簡(jiǎn)化了拼寫(xiě)也避免與其他庫(kù)的函數(shù)沖突。

案例2-1：學(xué)生課程考試成績(jī)數(shù)據(jù)

5位學(xué)生參加了學(xué)業(yè)水平考試，考試科目共7門(mén)，考試成績(jī)?nèi)绫?-1所示。

本章將圍繞此數(shù)據(jù)案例介紹如何使用ndarray存儲(chǔ)及處理學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)。

2.1.1 一維數(shù)組對(duì)象

NumPy庫(kù)的array函數(shù)可以基于Python的列表創(chuàng)建ndarray對(duì)象，如果列表的各個(gè)元素均為單變量，創(chuàng)建的就是一維ndarray對(duì)象。

【例2-1】 創(chuàng)建一維數(shù)組分別保存學(xué)生姓名和考試科目，訪問(wèn)數(shù)組元素。

NumPy庫(kù)為ndarray對(duì)象提供了很多屬性和方法，用于查看ndarray對(duì)象的屬性，獲取數(shù)據(jù)子集，并進(jìn)行計(jì)算。

1．查看數(shù)組的屬性

2．單個(gè)數(shù)組元素訪問(wèn)

訪問(wèn)一維ndarray的數(shù)據(jù)元素與訪問(wèn)Python序列的方式相同，索引序號(hào)范圍為[0, n-1]或[-n, -1]（n為數(shù)組大小）。

3．?dāng)?shù)組切片（slicing）

抽取數(shù)組的一部分元素生成新數(shù)組稱為切片操作。切片根據(jù)給出的索引，抽取出對(duì)應(yīng)的元素。

當(dāng)使用索引列表進(jìn)行切片操作時(shí)，外層的方括號(hào)表示數(shù)組索引操作，內(nèi)層的方括號(hào)表示多個(gè)索引組成的列表。

索引也可以通過(guò)start:end:step形式給出，它生成一個(gè)等差數(shù)列，元素從start開(kāi)始，end-1結(jié)束，step為步長(zhǎng)。start默認(rèn)為從頭開(kāi)始，end默認(rèn)為最后一個(gè)元素結(jié)束，step默認(rèn)步長(zhǎng)為1。

4．根據(jù)條件篩選數(shù)組元素

ndarray可以使用條件表達(dá)式和關(guān)系運(yùn)算符來(lái)選擇所需要的數(shù)據(jù)元素。如篩選出names數(shù)組中值等于“王微”或“錢(qián)易銘”的元素。

條件篩選分為兩個(gè)步驟，首先利用（names=='王微'）|（names=='錢(qián)易銘'）條件表達(dá)式創(chuàng)建一個(gè)布爾型的數(shù)組，然后使用此對(duì)象對(duì)names內(nèi)的元素按位置選擇，值是True的選中，F(xiàn)alse的不選。分步驟實(shí)現(xiàn)代碼如下。

2.1.2 二維數(shù)組對(duì)象

使用array函數(shù)創(chuàng)建二維ndarray數(shù)組對(duì)象，初始化的列表，其元素也是列表。

【例2-2】 創(chuàng)建二維數(shù)組scores，記錄“names”中每位學(xué)生對(duì)應(yīng)“subjects”各門(mén)課程的考試成績(jī)。

創(chuàng)建函數(shù)array的參數(shù)列表的每個(gè)元素代表1位學(xué)生的成績(jī)，每位學(xué)生的成績(jī)又是由7門(mén)課程成績(jī)組成的列表。scores數(shù)組每行表示1位學(xué)生各門(mén)課程的成績(jī)，每列表示1門(mén)科目所有學(xué)生的成績(jī)。

1．查看數(shù)組屬性

scores是一個(gè)5行、7列的2維數(shù)組，共有35個(gè)整數(shù)類型的元素。

2．二維數(shù)組切片

二維數(shù)組切片操作的基本格式：

其中row為行序號(hào)，column為列序號(hào)，中間用“,”隔開(kāi)。行、列切片的表示方式與一維數(shù)組相同。如果行或列用“:”代替，表示選中對(duì)應(yīng)的所有行或列。

1）訪問(wèn)指定行、列的元素，給出行和列兩個(gè)索引值。

注意上例中在方括號(hào)中給出行切片[1,3]和列切片[0,1]，表示抽取行序號(hào)為1、列序號(hào)為0,以及行序號(hào)為3、列序號(hào)為1的元素，得到一維的ndarray數(shù)組。

2）訪問(wèn)部分行元素，給出行列表即可，列索引的“:”可以省略。

3）訪問(wèn)部分列元素，如顯示所有學(xué)生數(shù)學(xué)課和英語(yǔ)課的成績(jī)。

前面的行索引“:”不能省略，否則無(wú)法識(shí)別是對(duì)列切片。

4）訪問(wèn)部分行和列數(shù)據(jù)。

訪問(wèn)索引為0和3的行中，1～3列的所有元素。

如果需要抽取指定某些行中指定列的所有元素，則需要進(jìn)行兩層切片。

首先scores[[1,3]]得到了由scores序號(hào)1、3行組成的二維ndarray對(duì)象，再在此對(duì)象上進(jìn)行切片操作，取所有行的0、1列的元素。

3．條件篩選

可以使用布爾型數(shù)組篩選訪問(wèn)其他數(shù)組的元素。用于篩選的布爾數(shù)組，需要具有與訪問(wèn)數(shù)組相同的行數(shù)或列數(shù)。如篩選“肖良英”和“方綺雯”的所有課程成績(jī)。

行索引使用（names=='肖良英'）|（names=='方綺雯'）布爾數(shù)組給出，表示scores中布爾數(shù)組True對(duì)應(yīng)的行被選中。列索引為冒號(hào)，表示所有的列元素都選中，也可以省略。

可以對(duì)二維數(shù)組的行、列同時(shí)使用布爾表達(dá)式篩選，如顯示“肖良英”和“方綺雯”的“Math”和“Python”課程成績(jī)，可以使用兩層篩選實(shí)現(xiàn)。

首先在二維數(shù)組中篩選出“肖良英”和“方綺雯”的所有成績(jī)得到一個(gè)兩行的二維數(shù)組，然后在此數(shù)組上選擇列滿足條件表達(dá)式（subjects=='Math'）|（subjects=='Python'）的所有行。

2.1.3 創(chuàng)建多維數(shù)組的常用方法

NumPy庫(kù)還提供了其他一些數(shù)組創(chuàng)建函數(shù)，以滿足不同初始化的需求。下面列出常用的數(shù)組創(chuàng)建和初始化函數(shù)。

1．a(chǎn)range()函數(shù)

arange()函數(shù)可以根據(jù)給定的起始范圍和步長(zhǎng)，生成一個(gè)由數(shù)值序列組成的數(shù)組，規(guī)則與列表索引相同。如生成從0開(kāi)始到10結(jié)束的連續(xù)整數(shù)數(shù)組。

arange()函數(shù)的3個(gè)參數(shù)可以是浮點(diǎn)數(shù)。

2．reshape()函數(shù)

使用reshape()函數(shù)可以將一維數(shù)組轉(zhuǎn)換為指定的多維數(shù)組。如將有15個(gè)連續(xù)整數(shù)的一維數(shù)組轉(zhuǎn)換為3×5的二維數(shù)組。

reshape(n,m)，n表示行數(shù)，m表示列數(shù)。

3．zeros()函數(shù)和ones()函數(shù)

zeros()函數(shù)和ones()函數(shù)生成指定大小的全0和全1的數(shù)組，如分別生成3×4的全0數(shù)組和4×3的全1數(shù)組。

zeros()和ones()函數(shù)的參數(shù)都為元組(n,m)，n表示行數(shù)，m表示列數(shù)。

思考與練習(xí)

1．一維數(shù)組訪問(wèn)。

1）在subjects數(shù)組中選擇并顯示序號(hào)1、2、4門(mén)課的名稱，使用倒序索引選擇并顯示names數(shù)組中“方綺雯”。

2）選擇并顯示names數(shù)組從2到最后的數(shù)組元素；選擇并顯示subjects數(shù)組正序2～4的數(shù)組元素。

3）使用布爾條件選擇并顯示subjects數(shù)組中的英語(yǔ)和物理科目名稱。

2．二維數(shù)組訪問(wèn)。

1）選擇并顯示scores數(shù)組的1、4行。

2）選擇并顯示scores數(shù)組中行序2、4學(xué)生的數(shù)學(xué)和Python成績(jī)。

3）選擇并顯示scores數(shù)組中所有學(xué)生的數(shù)學(xué)和藝術(shù)課程成績(jī)。

4）選擇并顯示scores數(shù)組中“王微”和“劉旭陽(yáng)”的英語(yǔ)和藝術(shù)課程成績(jī)。

3．生成由整數(shù)10～19組成的2×5的二維數(shù)組。