Python程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目化教程- 課件 項(xiàng)目九 鳶尾花數(shù)據(jù)集分析-numpy

項(xiàng)目九鳶尾花數(shù)據(jù)集分析——numpytextbook教材Python程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目化教程孫海洋

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電子工業(yè)出版社ISBN:9787121477546項(xiàng)目描述【項(xiàng)目描述】下載鳶尾花數(shù)據(jù)集，并對(duì)其進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)缺失值及相關(guān)特征，篩選符合條件的相關(guān)樣本。Contents目錄01.numpy概覽—常見數(shù)組操作02.讀取文件—loadtxt函數(shù)03.寫入文件—savetxt函數(shù)04.實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)公式—數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)函數(shù)05.項(xiàng)目實(shí)施06.項(xiàng)目小結(jié)PartOnenumpy概覽—常見數(shù)組操作了解并安裝numpy創(chuàng)建numpy數(shù)組并掌握常見屬性和操作函數(shù)【任務(wù)描述】介紹使用numpy創(chuàng)建各種數(shù)組的方法，掌握numpy數(shù)組屬性和常見操作函數(shù)。numpy介紹1.概念numpy（NumericalPython）是開源的Python科學(xué)計(jì)算庫(kù)，使用numpy可高效地處理數(shù)組和矩陣，并提供了大量的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)函數(shù)。同時(shí)，numpy也是學(xué)習(xí)pandas、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。2.安裝pipinstallnumpy3.array函數(shù)【定義格式】array(object,dtype=None,*,copy=True,order='K',subok=False,ndmin=0,like=None)4.numpy

屬性ndim（維度）、shape（形狀）、size（數(shù)組大小或元素個(gè)數(shù)）、dtype（元素類型）和itemsize（每個(gè)元素的大小）創(chuàng)建numpy數(shù)組—array函數(shù)【定義格式】array(object,dtype=None,*,copy=True,order='K',subok=False,ndmin=0,like=None)參

數(shù)參

數(shù)

說(shuō)

明object必需的輸入，可以是多種類型，用于創(chuàng)建數(shù)組。如果輸入是標(biāo)量，則創(chuàng)建0維數(shù)組。dtype可選參數(shù)，用于指定數(shù)組的數(shù)據(jù)類型。如果不指定，將根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)推斷最小所需類型。copy可選參數(shù)，布爾值，默認(rèn)為True，決定是否復(fù)制輸入對(duì)象的數(shù)據(jù)到新數(shù)組。order｛'K'，'A'，'C'，'F'｝，可選參數(shù)，指定數(shù)組的存儲(chǔ)方式，可以是'K'（保持原順序）、'A'（任意）、'C'（C語(yǔ)言順序，行主序）、'F'（Fortran順序，列主序）。默認(rèn)為'K'。subok可選參數(shù)，布爾值，如果為True，則允許返回?cái)?shù)組的子類實(shí)例。默認(rèn)為False，返回基礎(chǔ)數(shù)組類。ndmin可選參數(shù)，int型，指定結(jié)果數(shù)組的最小維度數(shù)。like可選參數(shù)，如果提供，允許創(chuàng)建與給定數(shù)組類似的數(shù)組，但不必是NumPy數(shù)組。創(chuàng)建numpy數(shù)組—array函數(shù)通過(guò)一維列表或元組創(chuàng)建一維numpy數(shù)組。通過(guò)二維列表或元組創(chuàng)建二維numpy數(shù)組。運(yùn)行結(jié)果：運(yùn)行結(jié)果：創(chuàng)建numpy數(shù)組—array函數(shù)通過(guò)ndmin參數(shù)可生成指定維度的數(shù)組。通過(guò)dtype參數(shù)可指定數(shù)組元素類型。運(yùn)行結(jié)果：運(yùn)行結(jié)果：創(chuàng)建numpy數(shù)組—array函數(shù)類型提升，若元素中含有字符串，通常其他元素也自動(dòng)提升為字符串型。類型提升，若數(shù)值型元素中含有浮點(diǎn)型，則其他元素也自動(dòng)提升為浮點(diǎn)型。運(yùn)行結(jié)果：運(yùn)行結(jié)果：<U11中的<為小端表示法，U11表示長(zhǎng)度為11的字符串型numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建1．全零數(shù)組—zeros函數(shù)【格式】zeros(shape,dtype=float,order='C',*,like=None)【示例1】使用zeros函數(shù)生成一維全零數(shù)組。運(yùn)行結(jié)果如下：numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【示例2】使用zeros函數(shù)生成2行3列的二維全零數(shù)組。運(yùn)行結(jié)果如下：【說(shuō)明】以此類推，np.zeros((2,3,4))將生成如下三維全零數(shù)組。numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建2．全一數(shù)組—ones函數(shù)【格式】ones(shape,dtype=None,order='C',*,like=None)【示例1】使用ones函數(shù)生成含5個(gè)元素的一維全一數(shù)組，數(shù)組元素為整型。運(yùn)行結(jié)果如下：numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【示例2】使用ones函數(shù)生成含3行4列的二維全一數(shù)組，數(shù)組元素為整型。運(yùn)行結(jié)果如下：numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建3．填充值數(shù)組—full函數(shù)【格式】full(shape,fill_value,dtype=None,order='C',*,like=None)【函數(shù)功能】返回一個(gè)給定形狀和類型的新數(shù)組，原始值用“fill_value”填充?！臼纠?】分析如下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果如圖：(2,3)指定了數(shù)組的形狀為2行3列，5是填充數(shù)組的值numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【分析】fill_value填充值為一維列表[1,2,3]，形狀為2行3列，要求形狀的列數(shù)與類數(shù)組的列數(shù)（一維列表的元素個(gè)數(shù)）相同，即把類數(shù)組重復(fù)2行?！臼纠?】分析如下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果如圖：numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建4．eye數(shù)組—eye函數(shù)【格式】eye(N,M=None,k=0,dtype=<class'float'>,order='C',*,like=None)【函數(shù)功能】返回一個(gè)對(duì)角線上為1、其他位置為0的二維數(shù)組?！痉治觥縦是對(duì)角線索引：0（默認(rèn)），表示主對(duì)角線，正值表示上對(duì)角線，負(fù)值表示下對(duì)角線。N和M分別表示輸出的行數(shù)和列數(shù)?！臼纠?】使用eye函數(shù)生成如下numpy矩陣?！痉治觥糠疥嚕蔔=3，而M=3或省略；主對(duì)角線為1，故k=0或省略。numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【參考代碼1】【參考代碼2】【示例2】使用eye函數(shù)生成如下numpy矩陣。【分析】值全為1的對(duì)角線是相對(duì)于主對(duì)角線向上平移了2個(gè)單位，故k=2。運(yùn)行結(jié)果如圖：numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建5．等差數(shù)列數(shù)組—arange函數(shù)【定義格式】arange([start,]stop[,step,],dtype=None,*,like=None)區(qū)間的起點(diǎn)（包含），默認(rèn)為0。步長(zhǎng)（間隔），默認(rèn)為1。區(qū)間的終點(diǎn)（不包含）（1）arange(stop):在左閉右開的區(qū)間[0，stop）中，按步長(zhǎng)step=1生成等差數(shù)列值對(duì)應(yīng)的數(shù)組。（2）arange(start,stop):在左閉右開的區(qū)間[start,stop)中，按步長(zhǎng)step=1生成等差數(shù)列值對(duì)應(yīng)的數(shù)組。（3）arange(start,stop,step):在左閉右開的區(qū)間[start,stop)中，按指定步長(zhǎng)值step生成等差數(shù)列值對(duì)應(yīng)的數(shù)組。numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【示例1】分析如下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果如圖：表示生成從0開始到3（不包括3）的整數(shù)序列，步長(zhǎng)默認(rèn)為1。numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【示例2】分析如下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果?！臼纠?】分析如下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果如圖：運(yùn)行結(jié)果如圖：表示生成從3開始到7（不包括7）的整數(shù)序列，步長(zhǎng)為1。表示生成從3開始到9（不包括9）的整數(shù)序列，步長(zhǎng)為2。numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建6．等差數(shù)列數(shù)組—linspace函數(shù)【定義格式】linspace(start,stop,num=50,endpoint=True,retstep=False,dtype=None,axis=0)整型，要生成的樣本數(shù)，默認(rèn)為50默認(rèn)值為True。若為True，則“stop”是最后一個(gè)樣點(diǎn)；否則，不包括在內(nèi)。默認(rèn)False。如果為True，同時(shí)返回numpy數(shù)組和數(shù)組元素間隔組成的元組（'samples'，'step'），其中'step'是樣點(diǎn)之間的間距。輸出數(shù)組的類型該參數(shù)用來(lái)指定在哪個(gè)軸上用linspacenumpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【示例1】分析以下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果?！痉治觥吭赱2.0,3.0]閉區(qū)間內(nèi)生成等間隔的5個(gè)浮點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的numpy數(shù)組。運(yùn)行結(jié)果如圖：【示例2】分析以下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果。numpy特殊數(shù)組的創(chuàng)建【分析】當(dāng)retstep為True時(shí)，同時(shí)返回numpy的ndarray數(shù)組和數(shù)組元素間隔組成的元組（'samples'，'step'），其中'step'是元素之間的間距運(yùn)行結(jié)果如圖：【分析】num=5表示生成的序列中數(shù)字的個(gè)數(shù)為5，不包括區(qū)間的結(jié)束點(diǎn)。endpoint=False參數(shù)表示不包括結(jié)束點(diǎn)在內(nèi)，即3.0不會(huì)包含在生成的序列中?！臼纠?】分析以下代碼，輸出其運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果如圖：改變numpy數(shù)組形狀1．通過(guò)修改shape屬性值改變【調(diào)用格式】ndarr.shape=new_shape生成的是一維數(shù)組將一維數(shù)組變?yōu)樗男形辶羞\(yùn)行結(jié)果如圖：改變numpy數(shù)組形狀2．通過(guò)reshape函數(shù)改變【調(diào)用格式】ndarr.reshape(new_shape)。其中，new_shape通常為整數(shù)、元組或列表形式。其功能為在不改變?cè)瓟?shù)組的基礎(chǔ)上，返回指定形狀的新數(shù)組?！臼纠?】閱讀以下程序，輸出其運(yùn)行結(jié)果。reshape()函數(shù)返回給定shape的數(shù)組副本b，不會(huì)修改原數(shù)組a。改變numpy數(shù)組形狀運(yùn)行結(jié)果如下：改變numpy數(shù)組形狀3．通過(guò)resize函數(shù)改變【調(diào)用格式1】ndarr.resize(new_shape)，功能為對(duì)原數(shù)組進(jìn)行改變?！菊{(diào)用格式2】ndarr_new=numpy.resize(ndarr,new_shape)，功能為在不改變?cè)瓟?shù)組的基礎(chǔ)上，返回指定形狀的新數(shù)組。【示例1】閱讀以下程序，輸出其運(yùn)行結(jié)果。利用a.resize(new_shape)改變?cè)瓟?shù)組a改變numpy數(shù)組形狀運(yùn)行結(jié)果如下：改變numpy數(shù)組形狀【示例2】閱讀以下程序，輸出其運(yùn)行結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果：b=np.resize(a,new_shape)返回指定形狀的數(shù)組b，但數(shù)組a本身并不會(huì)改變。PartTwo讀取文件——loadtxt函數(shù)了解loadtxt加載函數(shù)靈活使用loadtxt函數(shù)【任務(wù)描述】靈活使用loadtxt函數(shù)讀取CSV及TXT文件。讀取文件—loadtxt

函數(shù)【定義格式】loadtxt(fname,dtype=<class'float'>,comments='#',delimiter=None,converters=None,skiprows=0,usecols=None,unpack=False,ndmin=0,encoding='bytes',max_rows=None,*,quotechar=None,like=None)?！竟δ堋客ǔＳ糜赥XT及CSV文件的讀取。讀取文件—loadtxt函數(shù)參

數(shù)參

數(shù)

說(shuō)

明fname必需的文件名或文件對(duì)象。dtype可選的數(shù)據(jù)類型，默認(rèn)為浮點(diǎn)型(float)。comments可選的注釋標(biāo)識(shí)符，默認(rèn)為'#'，表示以該字符開頭的行將被視為注釋。delimiter可選的字段分隔符，默認(rèn)為空格。converters可選的轉(zhuǎn)換函數(shù)或字典，用于自定義數(shù)據(jù)解析。skiprows可選的跳過(guò)文件開頭的行數(shù)，默認(rèn)為0。usecols可選的列索引序列，指定要讀取的列，默認(rèn)讀取所有列。unpack可選的布爾值，如果為True，將返回一個(gè)解包的數(shù)組。ndmin可選的最小維度數(shù)，默認(rèn)為0，表示結(jié)果至少是0維數(shù)組。encoding可選的文件編碼方式，默認(rèn)為'bytes'。max_rows可選的讀取的最大行數(shù)，默認(rèn)讀取所有行。quotechar可選的引用字符，用于處理CSV文件中的字符串，默認(rèn)為None。like可選的參考數(shù)組，用于創(chuàng)建非NumPy數(shù)組的數(shù)組。任務(wù)實(shí)施【任務(wù)】假設(shè)在當(dāng)前工作目錄下有文本文件stu.csv，內(nèi)容如圖所示，使用loadtxt讀取文件并輸出其內(nèi)容。【分析1】由于loadtxt函數(shù)默認(rèn)dtype是float類型，而文件中的數(shù)據(jù)有字符串也有數(shù)值。若采用默認(rèn)的dtype類型讀取文件，會(huì)導(dǎo)致讀取失敗并報(bào)錯(cuò)，故把dtype改為str字符串類型。數(shù)據(jù)間隔符為逗號(hào)，即delimiter=','。運(yùn)行結(jié)果：任務(wù)實(shí)施【分析2】如果跳過(guò)第一行，則skiprows=1。第1列“學(xué)號(hào)”即0列，若篩選“姓名”（1列）和“等級(jí)”（3列），則usecols=[1,3]?！痉治?】若將當(dāng)前工作目錄下的文本文件stu.csv改為stu.txt，在使用loadtxt讀取TXT文本文件時(shí)，encoding采用默認(rèn)值，通常會(huì)報(bào)UnicodeDecodeError錯(cuò)誤，可設(shè)置encoding='utf-8'。PartThree寫入文件—savetxt函數(shù)了解savetxt加載函數(shù)靈活使用savetxt函數(shù)【任務(wù)描述】靈活使用savext函數(shù)保存數(shù)據(jù)。寫入文件—savetxt函數(shù)【定義格式】savetxt(fname,X,fmt='%.18e',delimiter='',newline='\n',header='',footer='',comments='#',encoding=None,)。其功能為保存數(shù)組到txt文本文件。參

數(shù)參

數(shù)

說(shuō)

明fname文件名或文件句柄。X一維或二維類數(shù)組，即要保存到文本文件中的數(shù)據(jù)。fmt格式format的英文縮寫，表示需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的格式，可以自行設(shè)置。delimiter加載分隔符，默認(rèn)是空格。newline行分隔符，默認(rèn)是換行符\n。header寫入文件開頭的字符串。footer寫入文件末尾的字符串。comments文中的注釋，與header使用，若未設(shè)置header參數(shù)，即使設(shè)置了comments參數(shù)也無(wú)效。encoding｛None，str｝，設(shè)置輸出文件的編碼。任務(wù)實(shí)施1【任務(wù)1】使用savetxt函數(shù)把數(shù)值數(shù)組以整數(shù)形式存儲(chǔ)到當(dāng)前目錄下的文本文件out1中，用空格作為間隔符。【分析】可使用numpy中的arange函數(shù)生成numpy一維數(shù)組，然后使用reshape函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組。數(shù)據(jù)格式為整型，故fmt='%d'。數(shù)據(jù)間隔符為空格，即delimiter=''。運(yùn)行結(jié)果如圖：任務(wù)實(shí)施2【任務(wù)2】把數(shù)值數(shù)組以小數(shù)點(diǎn)后3位的浮點(diǎn)數(shù)形式存儲(chǔ)到當(dāng)前目錄下的文本文件out2中，用逗號(hào)作間隔符。文件開頭信息為“#以下是浮點(diǎn)數(shù)形式”?！痉治觥坑胣umpy的linspace函數(shù)生成指定元素?cái)?shù)量的numpy一維數(shù)組，通過(guò)shape屬性修改為3行3列的二維數(shù)組。保存數(shù)據(jù)格式為浮點(diǎn)型，保留小數(shù)點(diǎn)后3位，故fmt='%.3f'。數(shù)據(jù)間隔符為逗號(hào)，即delimiter=','。開頭信息使用header參數(shù)，comments默認(rèn)是'#'運(yùn)行結(jié)果如圖：任務(wù)實(shí)施3【任務(wù)】使用savetxt函數(shù)把數(shù)值數(shù)組以小數(shù)點(diǎn)后3位的科學(xué)計(jì)數(shù)法形式存儲(chǔ)到當(dāng)前目錄下的文本文件out3中，用空格作為間隔符。文件開頭和結(jié)尾分別顯示“//這是header”及“//這是footer”【分析】使用ndarr.resize(new_shape)更改原數(shù)組ndarr的形狀。文件開頭和結(jié)尾的信息分別用header和footer參數(shù)指定，注釋符不再是默認(rèn)的'#'了，故設(shè)置參數(shù)comments='//'。運(yùn)行結(jié)果如圖：PartFour實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)公式—數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)函數(shù)掌握numpy的常見數(shù)學(xué)函數(shù)掌握numpy的常見統(tǒng)計(jì)函數(shù)【任務(wù)描述】靈活使用numpy數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)函數(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。numpy模塊常見的數(shù)學(xué)函數(shù)函

數(shù)用

途add(x,y)

subtract(x,y)

multiply(x,y)

divide(x,y)數(shù)組對(duì)應(yīng)元素的相加、減、乘、除sqrt(x)數(shù)組各元素的平方根square(x)數(shù)組各元素的平方exp(x)

exp2(x)數(shù)組各元素以e、2為底數(shù)的指數(shù)值random.rand(shape)根據(jù)給定形狀（維度）生成[0,1)之間的隨機(jī)數(shù)random.rand(m,n)生成m行n列的隨機(jī)數(shù)數(shù)組random.randn()返回一個(gè)或一組樣本，具有標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布random.randn(m,n)返回m行n列的隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)數(shù)組random.randint(low,high=None,size=None,dtype=int)返回[low,high）范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，參數(shù)：low為最小值，high為最大值，size為數(shù)組維度大小，dtype為數(shù)據(jù)類型，默認(rèn)為int。high未填寫時(shí)，默認(rèn)生成隨機(jī)數(shù)的范圍是[0,low)random.choice(a,size=None,replace=True,p=None)從給定的一維數(shù)組生成隨機(jī)樣本a為一維數(shù)組類似數(shù)據(jù)或整數(shù)；size為數(shù)組維度；p為當(dāng)數(shù)組中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率a為整數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的一維數(shù)組為np.arange(a)numpy常見統(tǒng)計(jì)函數(shù)函

數(shù)用

途max

min最大和最小值mean平均值sum計(jì)算數(shù)組中元素的方差和標(biāo)準(zhǔn)差var

std

計(jì)算數(shù)組中元素的方差和標(biāo)準(zhǔn)差argmax

argmin返回?cái)?shù)組中最大、最小元素的索引cumsumcumprod數(shù)組中所有元素的累加和累乘PartFive項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施【步驟1】加載文件查看樣本設(shè)當(dāng)前目錄下有鳶尾花數(shù)據(jù)集文件iris_data.txt，使用numpy中的loadtxt函數(shù)讀取，打印樣本數(shù)。iris_data.txt文件部分內(nèi)容如圖所示：項(xiàng)目實(shí)施【步驟2】查看數(shù)據(jù)樣本數(shù)【分析】使用長(zhǎng)度函數(shù)len查看數(shù)據(jù)文件的總行數(shù)，文件內(nèi)容包含了表頭行，總行數(shù)減1即是數(shù)據(jù)樣本數(shù)。運(yùn)行結(jié)果如圖：【步驟3】查看數(shù)據(jù)樣本的形狀【分析】使用numpy數(shù)組的shape屬性運(yùn)行結(jié)果如圖：項(xiàng)目實(shí)施【步驟4】選擇除標(biāo)題行之外的所有樣本數(shù)據(jù)【分析】采用切片，行標(biāo)號(hào)從0開始，第2行標(biāo)號(hào)為1，即d[1:]表示除首行之外的所有行。標(biāo)題行之外的所有樣本部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖所示：項(xiàng)目實(shí)施【步驟5】統(tǒng)計(jì)山鳶尾setosa的樣本數(shù)量【分析】選擇數(shù)據(jù)集d1的最后一列，即d1[:,-1]→使用np.where函數(shù)找出所有分類為‘setosa’的樣本索引→將找到的索引保存到變量d2中→使用.size屬性確定d2[0]數(shù)組的長(zhǎng)度，即山鳶尾樣本的數(shù)量→打印出山鳶尾樣本的數(shù)量。運(yùn)行結(jié)果如圖：PartSix項(xiàng)目小結(jié)項(xiàng)目小結(jié)知

識(shí)

點(diǎn)示例說(shuō)明numpy數(shù)組創(chuàng)建a=np.array([1,2,3,4,5])

#一維a=np.array([[1,2,3],[4,5,6]])

#二維參數(shù)可以為列表或元組numpy數(shù)組屬性ndim（維度）、shape（形狀）、size（數(shù)組大小或元素個(gè)數(shù)）、dtype（元素類型）和itemsize（每個(gè)元素的大?。?/p>