4 приема Python NumPy, которые должен знать каждый новичок

NumPy является одной из самых популярных библиотек в Python, и, учитывая ее преимущества, почти каждый программист Python использовал данную библиотеку для арифметических вычислений. Массивы Numpy более компактны, чем списки Python. Эта библиотека также очень удобна, так как многие обычные матричные операции выполнены очень эффективным вычислительным способом. 

Помогая коллегам и друзьям с трудностями в NumPy, мы пришли к 4 приемам, которые должен знать каждый новичок Python. Эти фишки помогут вам написать более аккуратные и читаемые коды. 

1. Arg-функции — позиции

Для массива функции arr, np.argmax(arr), np.argmin(arr) и np.argwhere(condition(arr)) возвращают показатели максимальных значений, минимальных значений и значений, которые удовлетворяют определенным условиям пользователя соответственно. Хотя эти функции arg широко используются, мы часто игнорируем функцию np.argsort(), возвращающую показатели, которые сортируют массив.

Мы можем использовать np.argsort для сортировки значений массивов по другому массиву. Ниже представлен пример сортировки имен студентов с использованием их результатов экзамена. Отсортированный массив имен также можно преобразовать обратно в исходный порядок, используя np.argsort(np.argsort(score)).

1. score = np.array([70, 60, 50, 10, 90, 40, 80])
2. name = np.array(['Ada', 'Ben', 'Charlie', 'Danny', 'Eden', 'Fanny', 'George'])
3. sorted_name = name[np.argsort(score)] # an array of names in ascending order of their scores
4. print(sorted_name) # ['Danny' 'Fanny' 'Charlie' 'Ben' 'Ada' 'George' 'Eden']
5.
6. original_name = sorted_name[np.argsort(np.argsort(score))]
7. print(original_name) # ['Ada' 'Ben' 'Charlie' 'Danny' 'Eden' 'Fanny' 'George']
8.
9.
10. %timeit name[np.argsort(score)] 
11. # 1.83 µs ± 182 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000 loops each)
12. %timeit sorted(zip(score, name))
13. # 3.2 µs ± 76.7 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000 loops each)

Эффективность данной функции выше, нежели результат использования встроенной функции Python sorted(zip()). Кроме того, она, пожалуй, более читабельна.

2. Бродкастинг — формы

Бродкастинг - это то, что новичок numpy мог уже невольно попробовать сделать. Многие арифметические операции numpy применяются к парам массивов одинаковой формы для каждого элемента. Бродкастинг векторизует операции с массивами без создания ненужных копий данных. Это приводит к эффективной реализации алгоритма и более высокой читаемости кода.

Например, вы можете использовать приращение всех значений в массиве на 1, используя arr + 1 независимо от измерения arr. Вы также можете проверить, все ли значения в массиве больше, чем 2, с помощью arr > 2.

Но как мы узнаем, совместимы ли два массива с бродкастинг?

Argument 1 (4D array): 7 × 5 × 3 × 1
Argument 2 (3D array): 1 × 3 × 9
Output (4D array): 7 × 5 × 3 × 9

Измерение одного массива должно быть либо равно измерению другого массива, либо одно из них равно 1. Массивы необязательно должны иметь одинаковое количество измерений, что продемонстрировано в примере выше.

3. Параметры Ellipsis и NewAxis

Синтаксис для нарезки массива numpy - это i:j где i, j - начальный индекс и индекс остановки соответственно. Например, для массива numpy arr = np.array(range(10)) команда arr[:3] дает [0, 1, 2]. 

При работе с массивами с более высокими размерностями мы используем  :  для выбора индекса по каждой оси. Мы также можем использовать ... для выбора индексов по нескольким осям. Точное количество осей выводится. 

1. arr = np.array(range(1000)).reshape(2,5,2,10,-1)
2. print(arr[:,:,:,3,2] == arr[...,3,2])
3. # [[[ True, True],
4. # [ True, True],
5. # [ True, True],
6. # [ True, True],
7. # [ True, True]],
8. # [[ True, True],
9. # [ True, True],
10. # [ True, True],
11. # [ True, True],
12. # [ True, True]]])
13. 
14. print(arr.shape) # (2, 5, 2, 10, 5)
15. print(arr[...,np.newaxis,:,:,:].shape) # (2, 5, 1, 2, 10, 5)

С другой стороны, использование, np.newaxis, как показано выше, вставляет новую ось в заданное пользователем положение оси. Эта операция расширяет форму массива на одну единицу измерения. Хотя это также можно сделать с помощью np.expand_dims(), использование np.newaxis гораздо более читабельно и, пожалуй, изящно. 

4. Замаскированный массив - селекция

Наборы данных несовершенны. Они всегда содержат массивы с отсутствующими или неверными записями, и мы часто хотим игнорировать эти элементы. Например, измерения на метеостанции могут содержать пропущенные значения из-за сбоя датчика.

У Numpy есть подмодуль numpy.ma, который поддерживает массивы данных с масками. Маскированный массив содержит обычный массив numpy и маску, которая указывает положение недопустимых записей. 

np.ma.MaskedArray(data=arr, mask=invalid_mask)

Недопустимые записи в массиве иногда помечаются с использованием отрицательных значений или строк. Если мы знаем замаскированное значение, скажем -999, мы можем также создать замаскированный массив, используя np.ma.masked_values(arr, value=-999). Любая операция numpy, принимающая замаскированный массив в качестве аргумента, автоматически игнорирует эти недействительные записи, как показано ниже.

1. import math
2. def is_prime(n):
3. assert n > 1, 'Input must be larger than 1'
4. if n % 2 == 0 and n > 2:
5. return False
6. return all(n % i for i in range(3, int(math.sqrt(n)) + 1, 2))
7. 
8. arr = np.array(range(2,100))
9. non_prime_mask = [not is_prime(n) for n in a]
10. prime_arr = np.ma.MaskedArray(data=arr, mask=non_prime_mask)
11. print(prime_arr)
12. # [2 3 -- 5 -- 7 -- -- -- 11 -- 13 -- -- -- 17 -- 19 -- -- -- 23 -- -- -- --
13. # -- 29 -- 31 -- -- -- -- -- 37 -- -- -- 41 -- 43 -- -- -- 47 -- -- -- --
14. # -- 53 -- -- -- -- -- 59 -- 61 -- -- -- -- -- 67 -- -- -- 71 -- 73 -- --
15. # -- -- -- 79 -- -- -- 83 -- -- -- -- -- 89 -- -- -- -- -- -- -- 97 -- --]
16. 
17. arr = np.array(range(11))
18. print(arr.sum()) # 55
19. 
20. arr[-1] = -999 # indicates missing value
21. masked_arr = np.ma.masked_values(arr, -999)
22. print(masked_arr.sum()) # 45
23.

Источник