Numpy之创建 NumPy ndarray
创建 NumPy ndarray
NumPy 的核心是 ndarray，其中 nd 表示 n 维。ndarray 是一个多维数组，其中的所有元素类型都一样。换句话说，ndarray 是一个形状可以多样，并且可以存储数字或字符串的网格。在很多机器学习问题中，你通常都会发现需要以多种不同的方式使用 ndarray。例如，你可能会使用 ndarray 存储一个图像的像素值，然后将该图像馈送到神经网络中以进行图像分类。
但是在深入讲解 NumPy 并开始使用 NumPy 创建 ndarray 之前，我们需要在 Python 中导入 NumPy。我们可以使用 import 命令在 Python 中导入软件包。通常，我们使用 np 导入 NumPy。因此，你可以在 Jupyter notebook 中输入以下命令，导入 NumPy：
import numpy as np
我们可以通过多种方式在 NumPy 中创建 ndarray。在下面的课程中，我们将学习创建 ndarray 的两种方式：
-
使用普通的 Python 列表
-
使用内置 NumPy 函数
在此部分，我们将通过向 NumPy np.array() 函数提供 Python 列表创建 ndarray。对于初学者来说，这种方法可能会造成困惑，请务必注意，np.array() 不是类，它只是一个返回 ndarray 的函数。要阐明的是，这些课程中用到的示例都将使用简单的小型 ndarray。我们开始创建一维 ndarray 吧。
# We import NumPy into Python
import numpy as np
# We create a 1D ndarray that contains only integers
x = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
# Let's print the ndarray we just created using the print() command
print('x = ', x)
x = [1 2 3 4 5]
我们先暂停一下，了解一些实用的术语。我们将一维数组称之为秩为 1 的数组。通常，N 维数组的秩为 N。因此，二维数组称为秩为 2 的数组。数组的另一个重要特性是形状。数组的形状是指每个维度的大小。例如，秩为 2 的数组的形状对应于数组的行数和列数。你将发现，NumPy ndarray 具有特殊的属性，使我们能够非常直观地获取关于 ndarray 的信息。例如，可以通过 .shape 属性获取 ndarray 的形状。shape 属性返回一个由 n 个正整数（用于指定每个维度的大小）组成的元组。在下面的示例中，我们将创建一个秩为 1 的数组，并了解如何获取其形状、类型和元素数据类型 (dtype)。
# We create a 1D ndarray that contains only integers
x = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
# We print x
print()
print('x = ', x)
print()
# We print information about x
print('x has dimensions:', x.shape)
print('x is an object of type:', type(x))
print('The elements in x are of type:', x.dtype)
x = [1 2 3 4 5]
x has dimensions: (5,)
x is an object of type: class 'numpy.ndarray'
The elements in x are of type: int64
可以看出，shape 属性返回了元组 (5,)，告诉我们 x 的秩为 1（即 x 只有一个维度），并且有 5 个元素。type() 函数告诉我们 x 的确是 NumPy ndarray。最后，.dtype 属性告诉我们 x 的元素作为有符号 64 位整数存储在内存中。NumPy 的另一个重要优势是能够处理的数据类型比 Python 列表要多。你可以在以下链接中查看 NumPy 支持的所有不同数据类型：
正如之前提到的，ndarray 还可以存储字符串。我们来看看如何按照之前的相同方式创建一个秩为 1 的字符串 ndarray：向 np.array() 函数提供 Python 字符串列表。
# We create a rank 1 ndarray that only contains strings
x = np.array(['Hello', 'World'])
# We print x
print()
print('x = ', x)
print()
# We print information about x
print('x has dimensions:', x.shape)
print('x is an object of type:', type(x))
print('The elements in x are of type:', x.dtype)
x = ['Hello' 'World']
x has dimensions: (2,)
x is an object of type: class 'numpy.ndarray' The elements in x are of type: U5
可以看出，shape 属性告诉我们 x 现在只有 2 个元素，虽然 x 现在存储的是字符串，但是 type() 函数告诉我们 x 依然像之前一样是 ndarray。但是，.dtype 属性告诉我们 x 中的元素作为具有 5 个字符的 Unicode 字符串存储在内存中。
请务必注意，Python 列表和 ndarray 之间的最大区别是：与 Python 列表不同的是，ndarray 的所有元素都必须类型相同。因此，虽然我们可以同时使用整数和字符串创建 Python 列表，但是无法在 ndarray 中同时使用这两种类型。如果向 np.array() 函数提供同时具有整数和字符串的 Python 列表，NumPy 会将所有元素解析为字符串。我们可以在下面的示例中见到这种情况：
# We create a rank 1 ndarray from a Python list that contains integers and strings
x = np.array([1, 2, 'World'])
# We print the ndarray
print()
print('x = ', x)
print()
# We print information about x
print('x has dimensions:', x.shape)
print('x is an object of type:', type(x))
print('The elements in x are of type:', x.dtype)
x = ['1' '2' 'World']
x has dimensions: (3,)
x is an object of type: 'numpy.ndarray' 类 The elements in x are of type: U21
可以看出，虽然 Python 列表具有不同的数据类型，但是 x 中的元素类型都一样，即具有 21 个字符的 Unicode 字符串。在 NumPy 简介的剩余部分，我们将不使用存储字符串的 ndarray，但是请注意，ndarray 也可以存储字符串。
现在看看如何利用嵌套 Python 列表创建秩为 2 的 ndarray。
# We create a rank 2 ndarray that only contains integers
Y = np.array([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9], [10,11,12]])
# We print Y
print()
print('Y = \n', Y)
print()
# We print information about Y
print('Y has dimensions:', Y.shape)
print('Y has a total of', Y.size, 'elements')
print('Y is an object of type:', type(Y))
print('The elements in Y are of type:', Y.dtype)
Y =
[[ 1 2 3]
[ 4 5 6]
[ 7 8 9]
[10 11 12]]
Y has dimensions: (4, 3)
Y has a total of 12 elements Y is an object of type: class 'numpy.ndarray'
The elements in Y are of type: int64
可以看出，现在 shape 属性返回元组 (4,3)，告诉我们 Y 的秩为 2，有 4 行 3 列。.size 属性告诉我们 Y 共有 12 个元素。
注意，当 NumPy 创建 ndarray 时，它会自动根据用于创建 ndarray 的元素的类型为其分配 dtype。到目前为止，我们只创建了包含整数和字符串的 ndarray。我们发现，当我们创建只有整数的 ndarray 时，NumPy 将自动为其元素分配 dtype int64。我们来看看当我们创建具有浮点数和整数的 ndarray 时，会发生什么。
# We create a rank 1 ndarray that contains integers
x = np.array([1,2,3])
# We create a rank 1 ndarray that contains floats
y = np.array([1.0,2.0,3.0])
# We create a rank 1 ndarray that contains integers and floats
z = np.array([1, 2.5, 4])
# We print the dtype of each ndarray
print('The elements in x are of type:', x.dtype)
print('The elements in y are of type:', y.dtype)
print('The elements in z are of type:', z.dtype)
The elements in x are of type: int64
The elements in y are of type: float64
The elements in z are of type: float64
可以看出，当我们创建只有浮点数的 ndarray 时，NumPy 将元素当做* 64 位浮点数 (float64)* 存储在内存中。但是，当我们创建同时包含浮点数和整数的 ndarray 时，就像上面的 z ndarray，NumPy 也会为其元素分配 float64dtype。这叫做向上转型。因为 ndarray 的所有元素都必须类型相同，因此在这种情况下，NumPy 将 z 中的整数向上转型为浮点数，避免在进行数学计算时丢失精度。
虽然 NumPy 自动为 ndarray 选择 dtype，但是 NumPy 也允许你指定要为 ndarray 的元素分配的特定 dtype。当你在 np.array() 函数中创建 ndarray 时，可以使用关键字 dtype 指定 dtype。我们来看一个示例：
# We create a rank 1 ndarray of floats but set the dtype to int64
x = np.array([1.5, 2.2, 3.7, 4.0, 5.9], dtype = np.int64)
# We print x
print()
print('x = ', x)
print()
# We print the dtype x
print('The elements in x are of type:', x.dtype)
x = [1 2 3 4 5]
The elements in x are of type: int64
可以看出，虽然用浮点数创建了 ndarray，但是通过将 dtype 指定为 int64，NumPy 通过去除小数将浮点数转换成了整数。如果你不希望 NumPy 意外地选择错误的数据类型，或者你只希望达到一定的计算精度，从而节省内存，则指定 ndarray 的数据类型很有用。
创建 ndarray 后，你可能需要将其保存到文件中，以便以后读取该文件或供另一个程序使用。NumPy 提供了一种将数组保存到文件中以供日后使用的方式。我们来看看操作方式。
# We create a rank 1 ndarray
x = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
# We save x into the current directory as
np.save('my_array', x)
上述代码将 x ndarray 保存到叫做 my_array.npy 的文件中。你可以使用 load() 函数将保存的 ndarray 加载到变量中。
# We load the saved array from our current directory into variable y
y = np.load('my_array.npy')
# We print y
print()
print('y = ', y)
print()
# We print information about the ndarray we loaded
print('y is an object of type:', type(y))
print('The elements in y are of type:', y.dtype)
y = [1 2 3 4 5]
y is an object of type: class 'numpy.ndarray' The elements in y are of type: int64
从文件中加载数组时，确保包含文件名和扩展名 .npy，否则将出错。
