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详解Numpy中的数组拼接、合并操作(concatenate, append, stack, hstack, vstack, r_, c_等)
来源:jb51  时间:2019/5/28 8:56:21  对本文有异议

Numpy中提供了concatenate,append, stack类(包括hsatck、vstack、dstack、row_stack、column_stack),r_和c_等类和函数用于数组拼接的操作。

各种函数的特点和区别如下标:

concatenate 提供了axis参数,用于指定拼接方向
append 默认先ravel再拼接成一维数组,也可指定axis
stack 提供了axis参数,用于生成新的维度
hstack 水平拼接,沿着行的方向,对列进行拼接
vstack 垂直拼接,沿着列的方向,对行进行拼接
dstack 沿着第三个轴(深度方向)进行拼接
column_stack 水平拼接,沿着行的方向,对列进行拼接
row_stack 垂直拼接,沿着列的方向,对行进行拼接
r_ 垂直拼接,沿着列的方向,对行进行拼接
c_ 水平拼接,沿着行的方向,对列进行拼接

0. 维度和轴

在正确理解Numpy中的数组拼接、合并操作之前,有必要认识下维度和轴的概念:

ndarray(多维数组)是Numpy处理的数据类型。多维数组的维度即为对应数据所在的空间维度,1维可以理解为直线空间,2维可以理解为平面空间,3维可以理解为立方体空间。

轴是用来对多维数组所在空间进行定义、描述的一组正交化的直线,根据数学惯例可以用i,j,ki, j ,ki,j,k来表示。

在一维空间中,用一个轴就可以表示清楚,numpy中规定为axis 0,空间内的数可以理解为直线空间上的离散点 (x iii, )。

在二维空间中,需要用两个轴表示,numpy中规定为axis 0和axis 1,空间内的数可以理解为平面空间上的离散点(x iii,y jjj)。

在三维空间中,需要用三个轴才能表示清楚,在二维空间的基础上numpy中又增加了axis 2,空间内的数可以理解为立方体空间上的离散点(x iii,y jjj,z kkk)。

Python中可以用numpy中的ndim和shape来分别查看维度,以及在对应维度上的长度。直观上可以根据符号“[ ]”的层数来判断,有m层即为m维,最外面1层对应axis0, 依次为axis1,axis2…

  1. >>> a = np.array([1,2,3])
  2. >>> a.ndim # 一维数组
  3. 1
  4. >>> a.shape # 在这个维度上的长度为3
  5. (3,)
  6.  
  7. >>> b = np.array([[1,2,3], [4,5,6]])
  8. >>> b.ndim # 二维数组
  9. 2
  10. >>> b.shape # 在axis 0 上的长度为2, 在axis 1上的长度为3.或者可以感性的理解为2行3列
  11. (2, 3)
  12.  
  13. >>> c = np.array([[[1,2,3], [4,5,6]]])
  14. >>> c.ndim # 三维数组
  15. 3
  16. >>> c.shape # 在axis 0 上的长度为1,在axis 1上的长度为2, 在axis 2上的长度为3. 或者可以感性的理解为1层2行3列
  17. (1, 2, 3)

1. np.concatenate()

  1. concatenate(a_tuple, axis=0, out=None)
  2. """
  3. 参数说明:
  4. a_tuple:对需要合并的数组用元组的形式给出
  5. axis: 沿指定的轴进行拼接,默认0,即第一个轴
  6. """

示例

  1. >>> import numpy as np
  2. >>> ar1 = np.array([[1,2,3], [4,5,6]])
  3. >>> ar2 = np.array([[7,8,9], [11,12,13]])
  4. >>> ar1
  5. array([[1, 2, 3],
  6. [4, 5, 6]])
  7. >>> ar2
  8. array([[ 7, 8, 9],
  9. [11, 12, 13]])
  10.  
  11. >>> np.concatenate((ar1, ar2)) # 这里的第一轴(axis 0)是行方向
  12. array([[ 1, 2, 3],
  13. [ 4, 5, 6],
  14. [ 7, 8, 9],
  15. [11, 12, 13]])
  16.  
  17. >>> np.concatenate((ar1, ar2),axis=1) # 这里沿第二个轴,即列方向进行拼接
  18. array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
  19. [ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])
  20.  
  21. >>> ar3 = np.array([[14,15,16]]) # shape为(1,3)的2维数组
  22. >>> np.concatenate((ar1, ar3)) # 一般进行concatenate操作的array的shape需要一致,当然如果array在拼接axis方向的size不一样,也可以完成
  23. >>> np.concatenate((ar1, ar3)) # ar3虽然在axis0方向的长度不一致,但axis1方向上一致,所以沿axis0可以拼接
  24. array([[ 1, 2, 3],
  25. [ 4, 5, 6],
  26. [14, 15, 16]])
  27. >>> np.concatenate((ar1, ar3), axis=1) # ar3和ar1在axis0方向的长度不一致,所以报错

2. pd.append()

  1. append(arr, values, axis=None)
  2. """
  3. 参数说明:
  4. arr:array_like的数据
  5. values: array_like的数据,若axis为None,则先将arr和values进行ravel扁平化,再拼接;否则values应当与arr的shape一致,或至多
  6. 在拼接axis的方向不一致
  7. axis:进行append操作的axis的方向,默认无
  8. """

示例

  1. >>> np.append(ar1, ar2) # 先ravel扁平化再拼接,所以返回值为一个1维数组
  2. array([ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13])
  3.  
  4. >>> np.append(ar1, ar2, axis=0) # 沿第一个轴拼接,这里为行的方向
  5. array([[ 1, 2, 3],
  6. [ 4, 5, 6],
  7. [ 7, 8, 9],
  8. [11, 12, 13]])
  9.  
  10. >>> np.append(ar1, ar2, axis=1) # 沿第二个轴拼接,这里为列的方向
  11. array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
  12. [ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])

3. np.stack()

  1. stack(arrays, axis=0, out=None)
  2. """
  3. 沿着指定的axis对arrays(每个array的shape必须一样)进行拼接,返回值的维度比原arrays的维度高1
  4. axis:默认为0,即第一个轴,若为-1即为第二个轴
  5. """

示例

  1. >>> np.stack((ar1, ar2)) # 增加第一个维度(axis0,之后的axis向后顺延:0—>1, 1—>2)
  2. array([[[ 1, 2, 3],
  3. [ 4, 5, 6]],
  4. [[ 7, 8, 9],
  5. [11, 12, 13]]])
  6.  
  7. >>> np.stack((ar1, ar2), axis=1) # 增加第二个维度(axis1,之后的axis向后顺延, 1—>2)
  8. array([[[ 1, 2, 3],
  9. [ 7, 8, 9]],
  10. [[ 4, 5, 6],
  11. [11, 12, 13]]])
  12.  
  13. >>> np.stack((ar1, ar2), axis=2) # 增加第三个维度(axis2,和axis=-1的效果一样,原来的axis0和axis1保持不变)
  14. array([[[ 1, 7],
  15. [ 2, 8],
  16. [ 3, 9]],
  17. [[ 4, 11],
  18. [ 5, 12],
  19. [ 6, 13]]])

关于维度增加的一种理解方式

4. hstack、vstack和vstack

  1. >>> np.hstack((ar1,ar2)) # 水平拼接,沿着行的方向,对列进行拼接
  2. array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
  3. [ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])
  4.  
  5. >>> np.vstack((ar1,ar2)) # 垂直拼接,沿着列的方向,对行进行拼接
  6. array([[ 1, 2, 3],
  7. [ 4, 5, 6],
  8. [ 7, 8, 9],
  9. [11, 12, 13]])
  10. >>> np.dstack((ar1,ar2)) # 对于2维数组来说,沿着第三轴(深度方向)进行拼接, 效果相当于stack(axis=-1)
  11. array([[[ 1, 7],
  12. [ 2, 8],
  13. [ 3, 9]],
  14. [[ 4, 11],
  15. [ 5, 12],
  16. [ 6, 13]]])

5. column_stack和row_stack

  1. >>> np.column_stack((ar1,ar2)) # 水平拼接,沿着行的方向,对列进行拼接
  2. array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
  3. [ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])
  4.  
  5. >>> np.row_stack((ar1,ar2)) # 垂直拼接,沿着列的方向,对行进行拼接
  6. array([[ 1, 2, 3],
  7. [ 4, 5, 6],
  8. [ 7, 8, 9],
  9. [11, 12, 13]])

6. np.r_ 和np.c_

常用于快速生成ndarray数据

  1. >>> np.r_[ar1,ar2] # 垂直拼接,沿着列的方向,对行进行拼接
  2. array([[ 1, 2, 3],
  3. [ 4, 5, 6],
  4. [ 7, 8, 9],
  5. [11, 12, 13]])
  6. >>> np.c_[ar1,ar2] # 水平拼接,沿着行的方向,对列进行拼接
  7. array([[ 1, 2, 3, 7, 8, 9],
  8. [ 4, 5, 6, 11, 12, 13]])

7. 总结

对于两个shape一样的二维array来说:

增加行(对行进行拼接)的方法有:

  1. np.concatenate((ar1, ar2),axis=0)
  2. np.append(ar1, ar2, axis=0)
  3. np.vstack((ar1,ar2))
  4. np.row_stack((ar1,ar2))
  5. np.r_[ar1,ar2]

增加列(对列进行拼接)的方法有:

  1. np.concatenate((ar1, ar2),axis=1)
  2. np.append(ar1, ar2, axis=1)
  3. np.hstack((ar1,ar2))
  4. np.column_stack((ar1,ar2))
  5. np.c_[ar1,ar2]

相关代码可见:https://github.com/guofei1989/python_func_cases/tree/master/numpy_demos

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持w3xue。

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