Python 矩阵使用

第一次看见Python的运行感觉就让我想起了matlab,于是就上网嗖嗖他在矩阵方面的运算如何,如果不想安装Matlab那么大的软件,而你又只是想计算些矩阵,python绝对够用!尤其在Linux下太方便了
Python使用NumPy包完成了对N-维数组的快速便捷操作。使用这个包,需要导入numpy。SciPy包以NumPy包为基础,大大的扩展了numpy的能力。为了使用的方便,scipy包在最外层名字空间中包括了所有的numpy内容,因此只要导入了scipy,不必在单独导入numpy了!但是为了明确哪些是numpy中实现的,哪些是scipy中实现的,本文还是进行了区分。以下默认已经:import numpy as np 以及 impor scipy as sp
下面简要介绍Python和MATLAB处理数学问题的几个不同点。1.MATLAB的基本是矩阵,而numpy的基本类型是多为数组,把matrix看做是array的子类。2.MATLAB的索引从1开始,而numpy从0开始。
1.建立矩阵
a1=np.array([1,2,3],dtype=int)   #建立一个一维数组,数据类型是int。也可以不指定数据类型,使用默认。几乎所有的数组建立函数都可以指定数据类型,即dtype的取值。
a2=np.array([[1,2,3],[2,3,4]])   #建立一个二维数组。此处和MATLAB的二维数组(矩阵)的建立有很大差别。
同样,numpy中也有很多内置的特殊矩阵:
b1=np.zeros((2,3))    #生成一个2行3列的全0矩阵。注意,参数是一个tuple:(2,3),所以有两个括号。完整的形式为:zeros(shape,dtype=)。相同的结构,有ones()建立全1矩阵。empty()建立一个空矩阵,使用内存中的随机值来填充这个矩阵。
b2=identity(n)   #建立n*n的单位阵,这只能是一个方阵。
b3=eye(N,M=None,k=0)    #建立一个对角线是1其余值为0的矩阵,用k指定对角线的位置。M默认None。
此外,numpy中还提供了几个like函数,即按照某一个已知的数组的规模(几行几列)建立同样规模的特殊数组。这样的函数有zeros_like()、empty_like()、ones_like(),它们的参数均为如此形式:zeros_like(a,dtype=),其中,a是一个已知的数组。
c1=np.arange(2,3,0.1)   #起点,终点,步长值。含起点值,不含终点值。
c2=np.linspace(1,4,10)    #起点,终点,区间内点数。起点终点均包括在内。同理,有logspace()函数
d1=np.linalg.companion(a)    #伴随矩阵
d2=np.linalg.triu()/tril()   #作用同MATLAB中的同名函数
e1=np.random.rand(3,2)    #产生一个3行2列的随机数组。同一空间下,有randn()/randint()等多个随机函数
fliplr()/flipud()/rot90()    #功能类似MATLAB同名函数。
xx=np.roll(x,2)   #roll()是循环移位函数。此调用表示向右循环移动2位。
2.数组的特征信息
先假设已经存在一个N维数组X了,那么可以得到X的一些属性,这些属性可以在输入X和一个.之后,按tab键查看提示。这里明显看到了Python面向对象的特征。
X.flags    #数组的存储情况信息。
X.shape    #结果是一个tuple,返回本数组的行数、列数、……
X.ndim   #数组的维数,结果是一个数
X.size    #数组中元素的数量
X.itemsize    #数组中的数据项的所占内存空间大小
X.dtype    #数据类型
X.T   #如果X是矩阵,发挥的是X的转置矩阵
X.trace()    #计算X的迹
np.linalg.det(a)   #返回的是矩阵a的行列式
np.linalg.norm(a,ord=None)    #计算矩阵a的范数
np.linalg.eig(a)    #矩阵a的特征值和特征向量
np.linalg.cond(a,p=None)    #矩阵a的条件数
np.linalg.inv(a)    #矩阵a的逆矩阵
3.矩阵分解
常见的矩阵分解函数,numpy.linalg均已经提供。比如cholesky()/qr()/svd()/lu()/schur()等。某些算法为了方便计算或者针对不同的特殊情况,还给出了多种调用形式,以便得到最佳结果。
4.矩阵运算
np.dot(a,b)用来计算数组的点积;vdot(a,b)专门计算矢量的点积,和dot()的区别在于对complex数据类型的处理不一样;innner(a,b)用来计算内积;outer(a,b)计算外积。
专门处理矩阵的数学函数在numpy的子包linalg中定义。比如np.linalg.logm(A)计算矩阵A的对数。可见,这个处理和MATLAB是类似的,使用一个m后缀表示是矩阵的运算。在这个空间内可以使用的有cosm()/sinm()/signm()/sqrtm()等。其中常规exp()对应有三种矩阵形式:expm()使用Pade近似算法、expm2()使用特征值分析算法、expm3()使用泰勒级数算法。在numpy中,也有一个计算矩阵的函数:funm(A,func)。
5.索引
numpy中的数组索引形式和Python是一致的。如:
x=np.arange(10)
print x[2]    #单个元素,从前往后正向索引。注意下标是从0开始的。
print x[-2]    #从后往前索引。最后一个元素的下标是-1
print x[2:5]    #多个元素,左闭右开,默认步长值是1
print x[:-7]    #多个元素,从后向前,制定了结束的位置,使用默认步长值
print x[1:7:2]   #指定步长值
x.shape=(2,5)    #x的shape属性被重新赋值,要求就是元素个数不变。2*5=10
print x[1,3]    #二维数组索引单个元素,第2行第4列的那个元素
print x[0]   #第一行所有的元素
y=np.arange(35).reshape(5,7)    #reshape()函数用于改变数组的维度
print y[1:5:2,::2]    #选择二维数组中的某些符合条件的元素
<think>嗯,用户想了解在Python中如何使用矩阵,特别是用NumPy的例子。首先,我需要回忆一下NumPy的基本操作,因为它是处理矩阵的主要库。用户可能已经知道Python本身的列表,但NumPy提供了更高效的数组和矩阵运算。不过要注意,NumPy中推荐使用ndarray而不是matrix类,因为后者可能在未来的版本中被移除。所以,我应该先说明这一点,然后分别介绍ndarray和matrix的使用方法,但强调推荐使用ndarray。 接下来,我需要涵盖如何创建矩阵,比如使用np.array()和np.matrix()。然后展示基本的操作,比如加减乘除,特别是矩阵乘法,因为这是矩阵运算中的重点。对于ndarray,矩阵乘法需要用@运算符或者dot方法,而matrix类则直接使用*。需要明确区分两者的不同,避免用户混淆。 然后,可能需要提到一些常用函数,比如转置、逆矩阵、行列式、特征值等。这些是矩阵运算中常见的操作,用户可能需要这些例子。同时,生成随机矩阵也是一个常见需求,可以给出示例。 用户可能还关心性能问题,所以需要指出ndarray相比列表的优势,比如内存效率和运算速度。此外,应用场景方面,可以提到科学计算、机器学习、图像处理等领域,这样用户能明白为什么要用NumPy而不是普通列表。 需要检查是否有遗漏的关键点,比如安装NumPy的方法,或者是否需要导入库的示例代码。另外,错误处理可能不需要详细说明,但基本的创建和操作必须覆盖。最后,生成相关问题时要围绕矩阵操作、性能优化、应用场景等,帮助用户进一步学习。</think>### 在Python中操作和使用矩阵(NumPy示例) #### 1. 创建矩阵 **使用`ndarray`(推荐方式)**: ```python import numpy as np # 通过列表创建二维数组(等效矩阵) matrix_nd = np.array([[1, 2], [3, 4]]) print("ndarray矩阵:\n", matrix_nd) ``` **使用`matrix`类(旧版方法)**: ```python matrix_m = np.matrix([[1, 2], [3, 4]]) print("matrix对象:\n", matrix_m) ``` > **注意**:官方推荐优先使用`ndarray`,因为`np.matrix`未来可能被移除[^1]。 #### 2. 基本运算 ```python a = np.array([[1, 2], [3, 4]]) b = np.array([[5, 6], [7, 8]]) # 矩阵加法 print("加法结果:\n", a + b) # 矩阵乘法(注意运算符区别) print("ndarray乘法:\n", a @ b) # 等价于np.dot(a, b) print("matrix类乘法:\n", np.matrix(a) * np.matrix(b)) ``` #### 3. 常用矩阵操作 ```python # 转置矩阵 print("转置:\n", a.T) # 求逆矩阵 print("逆矩阵:\n", np.linalg.inv(a)) # 计算行列式 print("行列式:", np.linalg.det(a)) # 生成单位矩阵 identity = np.eye(3) ``` #### 4. 高级功能 ```python # 解线性方程组 A = np.array([[3, 1], [1, 2]]) B = np.array([9, 8]) print("方程解:", np.linalg.solve(A, B)) # 特征值分解 eigenvalues, eigenvectors = np.linalg.eig(a) ``` #### 5. 性能优势对比 ```python # 创建10^6维数组的对比 list_data = list(range(10**6)) ndarray_data = np.arange(10**6) # 向量化运算速度优势明显 %timeit [x*2 for x in list_data] # 约100ms %timeit ndarray_data * 2 # 约1ms ```
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