NumPy与Python：内置列表计算标准区别解析

89542767 发布于2022-09-19 17:31 / 266人阅读

　　小编写这篇文章的目的，主要是给大家来做一个比较详细的解答，解答一下其具体的相关知识，还有一些相关的代码解析，下面就给大家进行一个比较详细的解答。

　　什么是Numpy

　　NumPy，是Numerical Python的简称，用于性能比较高的基础分析数据包，可以对其进行用来进行数据分析，像数学科学工具（pandas）和框架（Scikit-learn）中都使用到了NumPy这个包。

　　NumPy中的基本数据结构是ndarray或者N维数值数组，在形式上来说，它的结构有点像Python的基础类型——Python列表。

　　但本质上，这两者并不同，可以看到一个简单的对比。

　　我们创建两个列表，当我们创建好了之后，可以使用+运算符进行连接:

　　list1=[i for i in range(1,11)]
　　list2=[i**2 for i in range(1,11)]
　　print(list1+list2)
　　#[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,4,9,16,25,36,49,64,81,100]

　　列表中元素的处理感觉像对象，不是很数字，不是吗？如果这些是数字向量而不是简单的数字列表，您会期望+运算符的行为略有不同，并将第一个列表中的数字按元素添加到第二个列表中的相应数字中。

　　接下来看一下Nympy的数组版本：

　　import numpy as np
　　arr1=np.array(list1)
　　arr2=np.array(list2)
　　arr1+arr2
　　#array([2,6,12,20,30,42,56,72,90,110])

　　通过numpy的np.array数组方法实现了两个列表内的逐个值进行相加。

　　我们通过dir函数来看两者的区别，先看Python内置列表list1的内置方法：

　　再用同样的方法看一下arr1中的方法：

　　NumPy数组对象还有更多可用的函数和属性。特别要注意诸如mean、std和sum之类的方法，因为它们清楚地表明重点关注使用这种数组对象的数值/统计计算。而且这些操作也很快。

　　NumPy数组和Python内置计算对比

　　NumPy的速度要快得多，因为它的矢量化实现以及它的许多核心例程最初是用C语言（基于CPython框架）编写的。NumPy数组是同构类型的密集排列的数组。相比之下，Python列表是指向对象的指针数组，即使它们都属于同一类型。因此，我们得到了参考局部性的好处。

　　许多NumPy操作是用C语言实现的，避免了Python中的循环、指针间接和逐元素动态类型检查的一般成本。特别是，速度的提升取决于您正在执行的操作。对于数据科学和ML任务，这是一个无价的优势，因为它避免了长和多维数组中的循环。

　　让我们使用timing计时装饰器来说明这一点。这是一个围绕两个函数std_dev和std_dev_python包装装饰器的代码，分别使用NumPy和本机Python代码实现列表/数组的标准差计算。

　　函数计算时间装饰器

　　我们可以使用Python装饰器和functools模块的wrapping来写一个时间装饰器timing:

　　def timing(func):
　　wraps(func)
　　def wrap(*args,**kw):
　　begin_time=time()
　　result=func(*args,**kw)
　　end_time=time()
　　print(f"Function'{func.__name__}'took{end_time-begin_time}seconds to run")
　　return result
　　return wrap

　　标准差计算公式

　　然后利用这个时间装饰器来看Numpy数组和Python内置的列表，然后计算他们的标准差，

　　公式如图：

　　定义Numpy计算标准差的函数std_dev()，numpy模块中内置了标准差公式的函数a.std()，我们可以直接调用

　　列表计算公式方法需要按照公式一步一步计算：

　　先求求出宗和s

　　然后求出平均值average

　　计算每个数值与平均值的差的平方，再求和sumsq

　　再求出sumsq的平均值sumsq_average

　　得到最终的标准差结果result

　　代码如下：

　　from functools import wraps
　　from time import time
　　import numpy as np
　　from math import sqrt
　　def timing(func):
　　wraps(func)
　　def wrap(*args,**kw):
　　begin_time=time()
　　result=func(*args,**kw)
　　end_time=time()
　　#print(f"Function'{func.__name__}'with arguments{args},keywords{kw}took{end_time-begin_time}seconds to run")
　　print(f"Function'{func.__name__}'took{end_time-begin_time}seconds to run")
　　return result
　　return wrap
　　timing
　　def std_dev(a):
　　if isinstance(a,list):
　　a=np.array(a)
　　s=a.std()
　　return s
　　timing
　　def std_dev_python(lst):
　　length=len(lst)
　　s=sum(lst)
　　average=s/length
　　sumsq=0
　　for i in lst:
　　sumsq+=(i-average)**2
　　sumsq_average=sumsq/length
　　result=sqrt(sumsq_average)
　　return result

　　运行结果，最终可以看到1000000个值得标准差的值为288675.13459，而Numpy计算时间为0.0080 s，而Python原生计算方式为0.2499 s：

　　由此可见，Numpy的方式明显更快。

　　5总结

　　NumPy是专门针对数组的操作和运算进行了设计，所以数组的存储效率和输入输出性能远优于Python中的嵌套列表，数组越大，NumPy的优势就越明显。

　　综上所述，相关内容解答就为大家介绍这里了，希望可以给各位读者带来帮助。

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