NumPy — это библиотека Python, которую применяют для математических вычислений: начиная с базовых функций и заканчивая линейной алгеброй. Полное название библиотеки — Numerical Python extensions, или «Числовые расширения Python».
У этой библиотеки есть несколько важных особенностей, которые сделали ее популярным инструментом. Во-первых, исходный ее код в свободном доступе хранится на GitHub, поэтому NumPy называют open-source модулем для Python.
Во-вторых, библиотека написана на языках C и Fortran. Это компилируемые языки (языки программирования, текст которых преобразуется в машинный код — набор инструкций для конкретного типа процессора. Преобразование происходит с помощью специальной программы-компилятора, благодаря нему вычисления на компилируемых языках происходят быстрее), на которых вычисления производятся гораздо быстрее и эффективнее, чем на интерпретируемых языках (языки программирования, которые не заточены под конкретный тип процессора и могут быть запущены на разных типах устройств). К этим языкам относится и сам Python.
Где используется NumPy
- Научные вычисления. NumPy пользуются ученые для решения многомерных задач в математике и физике, биоинформатике, вычислительной химии и даже когнитивной психологии.
- Создание новых массивных библиотек. На основе NumPy появляются новые типы массивов, возможности которых выходят за рамки того, что предлагает библиотека. Например, библиотеки Dask, CuPy или XND.
- Data Science. В основе экосистемы для анализа данных лежит NumPy. Библиотека используется на всех этапах работы с данными: извлечение и преобразование, анализ, моделирование и оценка, репрезентация.
- Machine Learning. Библиотеки для машинного обучения scikit-learn и SciPy тоже работают благодаря вычислительным мощностям NumPy.
- Визуализация данных. По сравнению непосредственно с Python возможности NumPy позволяют исследователям визуализировать наборы данных, которые гораздо больше по размеру. Например, библиотека лежит в основе системы PyViz, которая включает в себя десятки программ для визуализации.
Как работает NumPy
Для начала разберемся в устройстве массивов, которые обрабатывает NumPy. Рассмотрим однородный двумерный массив. Он выглядит как простая таблица — две оси значений и ячейки внутри (элементы массива). Если появится третья ось, то массив станет трехмерным. Важное условие — все элементы должны иметь единый тип данных, например только целые числа.
Конечно, кроме двумерных массивов, библиотека NumPy обрабатывает и другие, с различным количеством осей. Эту вариативность обозначают числом N, как любую переменную в математической задаче. Поэтому обычно говорят, что NumPy работает с N-мерными массивами данных.
С этими данными NumPy производит вычисления, используя математические функции, генераторы случайных чисел, линейные уравнения или преобразования Фурье. Например, можно решить систему уравнений методом linalg.solve:
import numpy as np
left = np.array( [ [1, 3], [2, -4] ] )
right = np.array( [9, 8] )
np.linalg.solve(left, right)
Ответ: array([6., 1.])
Как и сам Python, библиотека NumPy отличается простотой в изучении и использовании. Для начала работы достаточно освоить концепцию массивов. Например, в базовых арифметических вычислениях есть способ обработки массивов, который называют трансляцией или broadcasting.
Если в массиве величины указаны в милях, а результат нужно получить в километрах, можно умножить его на простое число 1,6 (скалярную величину). NumPy принимает самостоятельное решение умножить на заданное число каждый элемент в массиве, и пользователю не приходится прописывать для этого отдельную команду.
Подробной документации NumPy на русском языке до сих пор нет, а в рунете можно найти только краткие выжимки, в которых упущены многие моменты. Поэтому, чтобы стать специалистом высокого уровня в Data Science или Machine Learning, придется подтянуть английский. Начать можно с информации на официальном сайте.
Как загрузить библиотеку?
Для загрузки NumPy просто введите в командной строке: import numpy as np. Не удивляйтесь, если библиотека окажется установленной, ведь модуль NumPy входит в состав множества пакетов и других библиотек.
Конечно, можно написать просто import numpy, ошибки в этом не будет. Но np — это общепринятое название, которое стало правилом и упростило процесс написания кода, поэтому, один раз прописав import numpy as np, в последующих строках можно использовать np вместо numpy.
0 комментариев