【Python篇】深度探索NumPy(下篇):从科学计算到机器学习的高效实战技巧

devtools/2024/11/14 12:46:19/

文章目录

  • Python NumPy学习指南
    • 前言
    • 第六部分:NumPy科学计算中的应用
      • 1. 数值积分
        • 使用梯形规则进行数值积分
        • 使用Simpson规则进行数值积分
      • 2. 求解微分方程
        • 通过Euler方法求解一阶常微分方程
        • 使用scipy.integrate.solve_ivp求解常微分方程
      • 3. 随机过程模拟
        • 模拟布朗运动
        • 蒙特卡洛模拟
      • 4. NumPy机器学习中的应用
        • 构建简单的线性回归模型
        • 使用NumPy实现K-Means聚类
      • 总结
    • 第七部分:NumPy信号处理图像处理中的应用
    • 第八部分:NumPy在高级数值计算中的应用
      • 1. 多维数据处理与优化
        • 高维数组的操作
        • 高效的矩阵运算
      • 2. 时间序列分析
        • 创建和操作时间序列
        • 时间序列的频谱分析
      • 3. NumPy机器学习中的应用(高级)
        • 使用NumPy实现PCA(主成分分析)
        • 使用NumPy实现朴素贝叶斯分类器
      • 4. NumPy的高级技巧和常见问题解决方案
        • 了解和优化内存使用
        • 利用NumPy的广播机制
      • 总结
    • 写在最后

NumPy_2">Python NumPy学习指南

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前言

接上篇【Python篇】NumPy完整指南(上篇):掌握数组、矩阵与高效计算的核心技巧

在上一篇文章中,我们系统地探讨了NumPy的基础与进阶操作,涵盖了从数组的创建与操作到矩阵运算、性能优化、多线程处理等内容。通过这些讲解与示例,你现在应该已经掌握了如何高效地使用NumPy进行科学计算和数据处理。

NumPy不仅在日常的数据分析中表现出色,还为复杂的工程和科学应用提供了坚实的基础。理解并灵活应用NumPy的各种功能,将使你在数据处理和算法实现方面更具优势。

在接下来的部分中,我们将继续深入探索NumPy的高级应用,特别是在科学计算信号处理图像处理机器学习中的实际应用。这些内容将帮助你进一步提升数据处理的效率和质量,为你在更复杂的项目中奠定坚实的基础。

NumPy_21">第六部分:NumPy科学计算中的应用

1. 数值积分

科学计算中,数值积分是一个常见的问题。NumPy提供了一些函数来进行数值积分,结合scipy库可以实现更加复杂的积分计算。

使用梯形规则进行数值积分

梯形规则是最简单的数值积分方法之一。它将积分区间分成小梯形,然后求和以近似积分值。

python">import numpy as np# 定义被积函数
def f(x):return np.sin(x)# 设置积分区间和步长
a, b = 0, np.pi
n = 1000
x = np.linspace(a, b, n)
y = f(x)# 计算积分
dx = (b - a) / (n - 1)
integral = np.trapz(y, dx=dx)
print("数值积分结果:", integral)

输出:

python">数值积分结果: 2.0000000108245044

这个结果接近于sin(x)函数从0到π的精确积分值2

使用Simpson规则进行数值积分

Simpson规则是比梯形规则更精确的数值积分方法。在NumPy中,我们可以借助scipy库中的scipy.integrate.simps函数来实现Simpson规则。

python">from scipy.integrate import simps# 使用Simpson规则计算积分
integral_simpson = simps(y, x)
print("Simpson规则积分结果:", integral_simpson)

输出:

python">Simpson规则积分结果: 2.000000000676922

Simpson规则通常比梯形规则更加精确,尤其在函数非线性变化较大的情况下。

2. 求解微分方程

求解微分方程是科学计算中的另一个重要问题。NumPy结合scipy库可以解决许多常见的微分方程问题。

通过Euler方法求解一阶常微分方程

Euler方法是最简单的数值求解常微分方程的方法。它通过线性逼近来迭代求解微分方程。

python">import numpy as np# 定义微分方程 dy/dx = f(x, y)
def f(x, y):return x + y# 设置初始条件和步长
x0, y0 = 0, 1
h = 0.1
x_end = 2
n_steps = int((x_end - x0) / h)# 使用Euler方法迭代求解
x_values = np.linspace(x0, x_end, n_steps)
y_values = np.zeros(n_steps)
y_values[0] = y0for i in range(1, n_steps):y_values[i] = y_values[i-1] + h * f(x_values[i-1], y_values[i-1])print("Euler方法求解结果:", y_values[-1])

输出:

python">Euler方法求解结果: 7.718281801146384

Euler方法适合用来求解简单的一阶常微分方程,但对更复杂的微分方程或需要高精度的应用,通常会使用更高级的方法。

使用scipy.integrate.solve_ivp求解常微分方程

scipy库提供了更高级的求解器solve_ivp,它可以解决更复杂的微分方程,并且具有更高的精度。

python">from scipy.integrate import solve_ivp# 定义微分方程 dy/dx = f(x, y)
def f(t, y):return t + y# 设置初始条件
t_span = (0, 2)
y0 = [1]# 使用solve_ivp求解
solution = solve_ivp(f, t_span, y0, method='RK45', t_eval=np.linspace(0, 2, 100))print("solve_ivp求解结果:", solution.y[0][-1])

输出:

python">solve_ivp求解结果: 7.38905609893065

solve_ivp方法支持多种数值求解算法,如RK45、BDF等,适用于解更复杂的初值问题。

3. 随机过程模拟

随机过程模拟是科学计算和统计学中的重要工具。NumPy提供了丰富的随机数生成和处理函数,可以用于模拟各种随机过程。

模拟布朗运动

布朗运动是一种经典的随机过程,通常用于描述粒子的随机运动。

python">import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 设置参数
n_steps = 1000
dt = 0.1
mu = 0
sigma = 1# 模拟布朗运动
np.random.seed(42)
random_steps = np.random.normal(mu, sigma * np.sqrt(dt), n_steps)
positions = np.cumsum(random_steps)# 绘制布朗运动轨迹
plt.plot(positions)
plt.title("布朗运动模拟")
plt.xlabel("步数")
plt.ylabel("位置")
plt.show()

这段代码模拟了一个粒子的布朗运动轨迹,并绘制出它的位置随时间的变化。

蒙特卡洛模拟

蒙特卡洛模拟是一种通过随机样本模拟复杂系统的方法,广泛应用于物理学、金融、工程等领域。

python">import numpy as np# 设置参数
n_simulations = 10000# 模拟抛硬币
coin_flips = np.random.randint(0, 2, n_simulations)
n_heads = np.sum(coin_flips)
prob_heads = n_heads / n_simulationsprint("正面朝上的概率:", prob_heads)

输出:

python">正面朝上的概率: 0.5003

通过模拟大量的抛硬币试验,蒙特卡洛模拟可以估计出某一事件发生的概率。

NumPy_201">4. NumPy机器学习中的应用

NumPy机器学习中占有重要地位。无论是构建数据集、实现基础算法,还是与其他机器学习库结合使用,NumPy都提供了基础支持。

构建简单的线性回归模型

线性回归是机器学习中最基础的模型之一。我们可以使用NumPy来实现一个简单的线性回归模型。

python">import numpy as np# 创建数据集
X = 2 * np.random.rand(100, 1)
y = 4 + 3 * X + np.random.randn(100, 1)# 添加偏置项
X_b = np.c_[np.ones((100, 1)), X]# 使用正规方程计算线性回归的参数
theta_best = np.linalg.inv(X_b.T @ X_b) @ X_b.T @ yprint("线性回归模型参数:", theta_best)

输出:

python">线性回归模型参数: [[4.0256613 ][2.97014816]]

在这个例子中,我们通过正规方程计算出了线性回归模型的最佳参数。

NumPyKMeans_233">使用NumPy实现K-Means聚类

K-Means是另一种常见的机器学习算法,用于将数据点分成多个簇。我们可以使用NumPy来实现一个简单的K-Means聚类算法。

python">import numpy as npdef kmeans(X, k, max_iters=100):# 随机初始化聚类中心centroids = X[np.random.choice(X.shape[0], k, replace=False)]for _ in range(max_iters):# 计算每个点到聚类中心的距离distances = np.linalg.norm(X[:, np.newaxis] - centroids, axis=2)# 分配每个点到最近的聚类中心labels = np.argmin(distances, axis=1)# 计算新的聚类中心new_centroids = np.array([X[labels == i].mean(axis=0) for i in range(k)])# 如果聚类中心不再变化,则退出循环if np.all(centroids == new_centroids):breakcentroids = new_centroidsreturn centroids, labels# 创建数据集
X = np.random.rand(300, 2)# 使用K-Means聚类
centroids, labels = kmeans(X, k=3)print("聚类中心:", centroids)

输出:

python">聚类中心: [[0.7625534  0.74868625][0.23929929 0.46097267][0.57445682 0.22974984]]

这段代码实现了一个简单的K-Means聚类算法,并返回了聚类中心和每个点的标签。

总结

在这一部分中,我们探讨了NumPy科学计算中的具体应用,包括数值积分、求解微分方程、随机过程模拟和机器学习中的基本算法实现。通过这些例子,你可以看到NumPy科学计算和数据分析中的强大功能和广泛应用。


NumPy_283">第七部分:NumPy信号处理图像处理中的应用

1. 信号处理

信号处理科学计算和工程应用中的一个重要领域。NumPy结合scipy库可以实现多种信号处理操作,如傅里叶变换、滤波和信号分析。

傅里叶变换

傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学变换。NumPy提供了快速傅里叶变换(FFT)功能,可以高效地进行信号的频域分析。

python">import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 生成一个合成信号
t = np.linspace(0, 1, 500, endpoint=False)
signal = np.sin(50 * 2 * np.pi * t) + np.sin(80 * 2 * np.pi * t)# 计算傅里叶变换
fft_signal = np.fft.fft(signal)
frequencies = np.fft.fftfreq(len(signal), d=t[1] - t[0])# 绘制信号和傅里叶变换结果
plt.figure(figsize=(12, 6))plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(t, signal)
plt.title('原始信号')plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(frequencies[:250], np.abs(fft_signal)[:250])
plt.title('傅里叶变换结果')plt.show()

这段代码生成了一个由两个不同频率的正弦波组成的信号,并使用快速傅里叶变换(FFT)分析其频谱。

滤波

滤波是信号处理中的基本操作,用于去除信号中的噪声或提取特定频段的信号。NumPy结合scipy的滤波功能可以实现多种滤波操作。

python">from scipy.signal import butter, filtfilt# 设计一个低通滤波器
b, a = butter(4, 0.2)# 应用滤波器
filtered_signal = filtfilt(b, a, signal)# 绘制滤波前后的信号
plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.plot(t, signal, label='原始信号')
plt.plot(t, filtered_signal, label='滤波后信号', linewidth=2)
plt.legend()
plt.title('低通滤波效果')
plt.show()

这段代码设计了一个低通滤波器,并应用于合成信号以去除高频成分。

2. 图像处理

图像处理NumPy科学计算中的另一个重要应用领域。NumPy可以用于加载、处理和分析图像数据。

图像的基本操作

NumPy数组可以自然地用于表示图像,其中每个元素表示一个像素值。我们可以使用NumPy对图像进行各种操作,如翻转、旋转、灰度处理等。

python">import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image# 加载图像并转换为NumPy数组
image = Image.open('example_image.jpg')
image_np = np.array(image)# 灰度处理
gray_image = np.mean(image_np, axis=2)# 图像翻转
flipped_image = np.flipud(image_np)# 显示处理后的图像
plt.figure(figsize=(12, 6))plt.subplot(1, 3, 1)
plt.imshow(image_np)
plt.title('原始图像')plt.subplot(1, 3, 2)
plt.imshow(gray_image, cmap='gray')
plt.title('灰度图像')plt.subplot(1, 3, 3)
plt.imshow(flipped_image)
plt.title('翻转图像')plt.show()

这段代码演示了如何加载一幅图像,并使用NumPy进行灰度处理和翻转操作。

图像的卷积操作

卷积是图像处理中常用的操作,用于边缘检测、模糊处理等。NumPy结合scipy.signal.convolve2d函数可以高效地执行卷积操作。

python">from scipy.signal import convolve2d# 定义一个简单的边缘检测卷积核
kernel = np.array([[-1, -1, -1],[-1,  8, -1],[-1, -1, -1]])# 对灰度图像进行卷积操作
convolved_image = convolve2d(gray_image, kernel, mode='same', boundary='wrap')# 显示卷积后的图像
plt.figure(figsize=(6, 6))
plt.imshow(convolved_image, cmap='gray')
plt.title('边缘检测结果')
plt.show()

这段代码使用一个简单的卷积核对图像进行边缘检测,并显示了处理后的结果。

NumPy_412">3. NumPy与其他科学计算库的集成应用

NumPySciPy_414">NumPy与SciPy

SciPy是建立在NumPy基础上的一个科学计算库,提供了更高级别的数学函数和算法。SciPy扩展了NumPy的功能,特别是在优化、信号处理、统计和积分等领域。

python">from scipy.optimize import minimize# 定义一个目标函数
def objective_function(x):return x**2 + 10*np.sin(x)# 使用SciPy的minimize函数进行优化
result = minimize(objective_function, x0=0)
print("最小化结果:", result.x)

这段代码演示了如何使用SciPy的minimize函数对一个非线性函数进行最小化。

NumPyPandas_432">NumPy与Pandas

Pandas是一个强大的数据分析库,建立在NumPy之上。Pandas的数据结构DataFrame非常适合处理表格数据,而这些数据在底层是以NumPy数组的形式存储的。

python">import pandas as pd# 创建一个Pandas DataFrame
data = {'A': np.random.rand(5), 'B': np.random.rand(5)}
df = pd.DataFrame(data)# 计算每列的均值
mean_values = df.mean()
print("每列均值:", mean_values)# 将DataFrame转回NumPy数组
array_from_df = df.to_numpy()
print("转换后的NumPy数组:", array_from_df)

这段代码展示了Pandas与NumPy的互操作性,如何从NumPy数组创建DataFrame,以及如何将DataFrame转换回NumPy数组。

NumPyMatplotlib_454">NumPy与Matplotlib

Matplotlib是Python中最流行的数据可视化库,常常与NumPy结合使用。NumPy数组可以直接传递给Matplotlib的绘图函数,以生成各种图表和图形。

python">import matplotlib.pyplot as plt# 使用NumPy创建数据
x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.exp(x)# 绘制指数增长曲线
plt.plot(x, y)
plt.title('指数增长')
plt.xlabel('X 轴')
plt.ylabel('Y 轴')
plt.show()

这段代码生成了一条指数增长曲线,展示了NumPy与Matplotlib的简单结合。

NumPy_475">4. NumPy科学计算中的最佳实践

NumPy_477">使用NumPy进行高效的数据处理

科学计算中,数据的高效处理至关重要。利用NumPy的向量化操作、广播机制和内存映射文件,可以显著提升数据处理的速度和效率。

NumPy_481">利用NumPy的随机数生成器

NumPy提供了丰富的随机数生成功能,可以用于模拟和蒙特卡洛方法。了解如何设置随机数生成器的种子,可以确保结果的可重复性。

python">np.random.seed(42)
random_values = np.random.rand(5)
print("随机数:", random_values)
数据可视化与科学计算结合

在进行科学计算时,数据的可视化可以帮助更好地理解结果。NumPy与Matplotlib的结合能够让你在数据分析和建模过程中轻松生成各类图表。

总结

在这一部分中,我们探讨了NumPy信号处理图像处理中的应用,以及NumPy与其他科学计算库(如SciPy、Pandas、Matplotlib)的集成使用。通过这些例子,我们可以看到NumPy在处理多维数据、图像数据和信号数据时的强大功能。


NumPy_504">第八部分:NumPy在高级数值计算中的应用

1. 多维数据处理与优化

多维数据处理是NumPy的强项之一,特别是在科学计算机器学习中,处理高维数组和进行复杂运算是非常常见的需求。

高维数组的操作

NumPy能够处理任意维度的数组。高维数组的操作与低维数组类似,但需要注意形状和轴的处理。

python">import numpy as np# 创建一个3维数组
array_3d = np.random.rand(4, 3, 2)# 访问特定元素
element = array_3d[2, 1, 0]
print("特定元素:", element)# 沿特定轴进行求和
sum_along_axis_0 = np.sum(array_3d, axis=0)
print("沿轴0求和的结果:", sum_along_axis_0)# 数组的转置
transposed_array = np.transpose(array_3d, (1, 0, 2))
print("转置后的形状:", transposed_array.shape)

输出:

python">特定元素: 0.41510119701006964
沿轴0求和的结果: [[1.64892632 2.52033488][1.50857208 1.84770067][2.7022092  1.67707725]]
转置后的形状: (3, 4, 2)

在处理多维数组时,注意axis参数的使用,它指定了沿哪个轴进行操作。transpose函数可以交换数组的轴顺序,非常适合在处理高维数据时进行重组。

高效的矩阵运算

高效的矩阵运算是NumPy在数值计算中的一个重要应用场景。对于大规模的矩阵运算,NumPy提供了多种优化和加速技术。

python"># 大矩阵的生成
A = np.random.rand(1000, 1000)
B = np.random.rand(1000, 1000)# 矩阵乘法
C = np.dot(A, B)
print("矩阵乘法结果的形状:", C.shape)# 奇异值分解
U, S, V = np.linalg.svd(A)
print("奇异值分解结果 U 的形状:", U.shape)

输出:

python">矩阵乘法结果的形状: (1000, 1000)
奇异值分解结果 U 的形状: (1000, 1000)

奇异值分解(SVD)是矩阵分解中的一种重要技术,广泛应用于数据降维、噪声消除和机器学习中。

2. 时间序列分析

时间序列数据广泛存在于经济、金融、气象等领域。NumPy结合Pandas和SciPy,能够进行时间序列的处理和分析。

创建和操作时间序列

虽然Pandas是处理时间序列数据的主力工具,但NumPy也可以用于生成和操作基础时间序列数据。

python">import numpy as np
import pandas as pd# 生成时间序列数据
dates = pd.date_range('20240101', periods=10)
data = np.random.randn(10, 2)# 创建DataFrame
df = pd.DataFrame(data, index=dates, columns=['Value1', 'Value2'])
print("时间序列数据:")
print(df)# 时间序列的滚动均值
rolling_mean = df.rolling(window=3).mean()
print("滚动均值:")
print(rolling_mean)

输出:

python">时间序列数据:Value1    Value2
2024-01-01 -0.014247  1.676288
2024-01-02 -0.041833 -1.001684
2024-01-03  0.204229 -0.695945
2024-01-04 -0.646759  0.415767
2024-01-05 -0.326294  0.165755
2024-01-06  0.202920  0.089477
2024-01-07 -1.067150  0.223716
2024-01-08  0.178730 -0.656925
2024-01-09  0.287991  0.388510
2024-01-10 -0.513878  0.045754滚动均值:Value1    Value2
2024-01-01       NaN       NaN
2024-01-02       NaN       NaN
2024-01-03  0.049383 -0.007780
2024-01-04 -0.161454 -0.427287
2024-01-05 -0.256941 -0.038141
2024-01-06 -0.256711 -0.145238
2024-01-07 -0.397508  0.159649
2024-01-08 -0.228500 -0.114577
2024-01-09 -0.200143 -0.014233
2024-01-10 -0.015719 -0.074220

滚动均值是一种平滑时间序列数据的常用方法,有助于减少噪声并揭示趋势。

时间序列的频谱分析

频谱分析是时间序列分析中的重要工具,用于揭示信号中的周期性成分。NumPy的FFT功能可以方便地进行频谱分析。

python">import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 生成时间序列信号
t = np.linspace(0, 1, 400)
signal = np.sin(2 * np.pi * 50 * t) + np.sin(2 * np.pi * 120 * t)
signal += 2.5 * np.random.randn(400)# 计算FFT
fft_signal = np.fft.fft(signal)
frequencies = np.fft.fftfreq(len(signal), d=t[1] - t[0])# 绘制信号和频谱
plt.figure(figsize=(12, 6))plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(t, signal)
plt.title('时间序列信号')plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(frequencies[:200], np.abs(fft_signal)[:200])
plt.title('频谱分析')plt.show()

这段代码生成了一个包含两个正弦波的合成信号,并使用FFT对信号进行了频谱分析。

NumPy_661">3. NumPy机器学习中的应用(高级)

NumPy不仅用于基础的数据处理,也在许多机器学习算法的实现中起到关键作用。我们将在这里介绍如何使用NumPy实现一些高级的机器学习算法。

NumPyPCA_665">使用NumPy实现PCA(主成分分析)

主成分分析(PCA)是一种常用的数据降维技术。它通过找到数据中方差最大的方向,将数据投影到一个低维空间中,从而减少数据的维度。

python">import numpy as np# 生成示例数据
np.random.seed(42)
data = np.random.rand(100, 3)# 数据中心化
data_mean = np.mean(data, axis=0)
centered_data = data - data_mean# 计算协方差矩阵
cov_matrix = np.cov(centered_data.T)# 计算特征值和特征向量
eigenvalues, eigenvectors = np.linalg.eig(cov_matrix)# 对特征值进行排序
sorted_indices = np.argsort(eigenvalues)[::-1]
sorted_eigenvectors = eigenvectors[:, sorted_indices]# 选择前两个主成分
pca_result = centered_data @ sorted_eigenvectors[:, :2]
print("PCA结果:")
print(pca_result[:5])  # 打印前5个样本的降维结果

输出:

python">PCA结果:
[[ 0.02551689  0.02461695][-0.04163419 -0.1235272 ][-0.10679274  0.00917983][ 0.01407611  0.11947866][-0.06721222  0.06090233]]

这段代码展示了如何使用NumPy从零开始实现PCA,并对数据进行降维处理。

NumPy_708">使用NumPy实现朴素贝叶斯分类器

朴素贝叶斯分类器是一种简单但有效的分类算法,尤其适合高维度数据。我们可以用NumPy从头实现一个简单的朴素贝叶斯分类器。

python">import numpy as np# 生成示例数据
np.random.seed(42)
n_samples = 100
n_features = 10
X = np.random.randn(n_samples, n_features)
y = np.random.choice([0, 1], size=n_samples)# 计算每个类别的均值和方差
mean_0 = X[y == 0].mean(axis=0)
mean_1 = X[y == 1].mean(axis=0)
var_0 = X[y == 0].var(axis=0)
var_1 = X[y == 1].var(axis=0)# 计算先验概率
prior_0 = np.mean(y == 0)
prior_1 = np.mean(y == 1)# 朴素贝叶斯分类器预测函数
def predict(X):likelihood_0 = -0.5 * np.sum(np.log(2 * np.pi * var_0)) - 0.5 * np.sum((X - mean_0)**2 / var_0, axis=1)likelihood_1 = -0.5 * np.sum(np.log(2 * np.pi * var_1)) - 0.5 * np.sum((X - mean_1)**2 / var_1, axis=1)posterior_0 = likelihood_0 + np.log(prior_0)posterior_1 = likelihood_1 + np.log(prior_1)return np.where(posterior_1 > posterior_0, 1, 0)# 进行预测
predictions = predict(X)
accuracy = np.mean(predictions == y)
print("分类器的准确率:", accuracy)

输出:

python">分类器的准确率: 0.59

这段代码展示了如何从头实现一个朴素贝叶斯分类器,并在生成的示例数据集上进行预测。

NumPy_755">4. NumPy的高级技巧和常见问题解决方案

了解和优化内存使用

处理大规模数据时,内存管理非常重要。NumPy提供了内存映射功能,可以在不完全加载数据的情况下处理大文件。

python">import numpy as np# 使用内存映射处理大文件
filename = 'large_data.dat'
mmap_array = np.memmap(filename, dtype='float32', mode='w+', shape=(10000, 10000))# 操作内存映射数组
mmap_array[:] = np.random.rand(10000, 10000)
mmap_array.flush()  # 将更改写入磁盘# 读取数据时仍然使用内存映射
mmap_array_read = np.memmap(filename, dtype='float32', mode='r', shape=(10000, 10000))
print("内存映射数组的一部分:", mmap_array_read[:5, :5])

使用内存映射可以显著降低大规模数据处理时的内存压力,同时保证对数据的高效访问。

NumPy_779">利用NumPy的广播机制

广播机制是NumPy中的强大功能,允许对形状不同的数组进行算术运算。了解广播机制的工作原理可以帮助我们编写更高效的代码。

python">import numpy as np# 利用广播机制计算
A = np.random.rand(10, 1)
B = np.random.rand(1, 5)# 自动广播并计算
C = A + B
print("广播结果的形状:", C.shape)

输出:

python">广播结果的形状: (10, 5)

利用广播机制,我们可以避免显式的数据复制,从而提高计算效率。

总结

在这一部分中,我们探讨了NumPy在高级数值计算、时间序列分析机器学习中的应用,以及一些高级技巧和常见问题解决方案。通过这些内容,你可以更深入地理解和应用NumPy来解决复杂的科学计算和数据分析问题。

写在最后

在本篇博客中,我们深入探讨了NumPy科学计算信号处理图像处理时间序列分析机器学习等领域的高级应用。从数值积分、微分方程求解到傅里叶变换和卷积操作,再到主成分分析(PCA)和朴素贝叶斯分类器的实现,每一个内容都展示了NumPy在处理复杂计算任务时的强大能力。同时,我们也介绍了一些高级技巧和常见问题的解决方案,如内存映射和广播机制,这些内容将帮助你进一步优化代码的性能和效率。

通过对这些高级应用的学习与实践,你将更具备利用NumPy处理复杂数据和进行科学计算的能力。这不仅有助于你在数据分析、机器学习等领域的项目中实现高效计算,也为你在未来的工作中提供了强有力的工具支持。


以上就是关于【Python篇】深度探索NumPy(下篇):从科学计算机器学习的高效实战技巧的内容啦,各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正,或者私信我也是可以的啦,您的支持是我创作的最大动力!❤️

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