Python金融数据挖掘与分析实战课程教案教学教案

Python金融数据分析与挖掘实战课程教案

广西民族师范学院XXX

论

理

学

教实验

教学内容课外实验

时

序号学实验（实践）内容

学时

1第1章Python基本30本章练习

2第2章科学计算包Numpy52本章练习

3第3章数据处理包Pandas52本章练习

4第4章数据可视化包Malplollib52本章练习

5第5章机器学习包Scikit-leam168本章练习

6第6章关联规则基本知识52本章练习

7第7章基本案例154本章练习综合实训1

8第8章上市公司综合评价94本章练习综合实训2

9第9章股票价格涨跌趋势预测124本章练习综合实训3

第10章股票价格形态聚类与收益分

10124本章练习综合实训4

析

11第11章行业联动与轮动分析124本章练习综合实训5

合计10242

第1章Python基本

授课方式：机房数学,讲授+实验，

教学重点：Python发行版Anaconda地安装与启动,Spyder集成开发工具地使用与Python扩

展包地安装方法;Python基本语法，数据类型，数据结构与主要方法;循环，条件语句，函数定义与

应用。

教学难点：数据结构与主要方法，循环语句，条件语句

实验题目：本章课后练习

教学内容：

1.1Python概述（简要略讲）

1.21.2Python安装与启动（简要介绍，然后让学生自己动手搭建环境）

1.2.1Python安装

1.2.2Python启动与界面认识（教师边演示边讲解）

1.3Python扩展包安装

1.3.1在线安装（边演示边讲解）

1.3.2离线安装（学生自学）

1.4Python基本数据类型与数据结构

Python基本数据类型包含数值，字符串,而列表，元组，集合，字典称为数据容器或者数据结

构。

1.4.1数值地定义

数值在现实应用中最为广泛，常见地数值包含整型数据与浮点型数据。整型数据常用来

表示整数，如0,1,2,3,1002…;浮点型数据用来表示实数，如L014.24.3o布尔型数据可以看成

是一种特殊地整型，只有True与False,分别对应整型地1与0。示例代码如下：

nl=2¥整型

n2=1.3#浮点型

n3=float(2)#转换为浮点型

t=True¥布尔真

f=False#布尔假

n4=t==l

n5=f==0

1.4.2字符串地定义

字符串主要用来表示文本数据类型，字符串中地字符可以是数值,ASCII字符，各种符号。

字符串地定义可以用一对单引号或者一对三引号括起来。示例代码如下：

sl=,1234,

s2='''helloword!**'

s3=*ILikepython,

1.4.3列表地定义

列表作为Python中地一种数据结构，可以存放不同类型地数据，川中括号括起来进行定

义。示例代码如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

L2=[l,2,'HE',3,5]

L3=['KJ\'CK\'HELLO1]

1.4.4元组地定义

元组与列表类似，也是Python中一种常用地数据结构，不同之处在于元组中地元素不能

修改,元组采用圆括号括起来进行定义。示例代码如下：

11=（1,2,3,4,6）

t2=(l,2,'kl')

t3=(,hl,,'h2','h3')

1.4.5集合地定义

集合也是Python中地数据结构，它是一种不重复元素地序列,用大括号括起来进行定义。

示例代码如下：

Jl={l,«h',2,3r9}

J2={l,*h',2,3,9,2)

J3={'KR\'LY\'SE'}

J4={,KR,,'LY\'SE\'SE'}

print(JI)

print(J2)

print(J3)

print(J4)

执行结果如下：

{1,2,3,9}

{1,2,3,'h\9)

{'LY\•SE','KR'}

{•LY','KR')

从执行结果可以看出，集合保持了元素地唯一性，对于重复地元素只取一个。

1.4.6字典地定义

字典是Python中一种按键值定义地数据结构，其中键必须唯一，但值不必。字典用大括号

括起来进行定义。字典中地元素由键与值两部分组成，键在前值在后，键与值之间用冒号(:)来

区分，元素之间用逗号隔开。键可以是数值，字符，值可以是数值,字符或者其它Python数据结

构(比如列表，元组)。示例代码如下：

,,,

dl={l:h\2:[l,2,k],3:9)

,

d2={'a':2Z•b*:ky*}

d3-{'ql':[90,100],,k2,:,kkk')

1.5Python相关地公有方法

Python地公有方法是指Python中大部分地数据结构均可以通用地一种数据操作方法。

下面主要介绍索引，切片，求长度，统计，成员身份确认，变量删除常用地数据操作方法

1.5.1索引

索引即通过下标位置定位来访问指定数据类型变量地值，示例代脩如下：

s3=*ILikepython,

Ll=[l,2,3,4,5,6]

t2=(l,2,«kl')

dl={l:'h',2:[1,2Jk，],3:9}

d3={•ql*:[90,100],^2*:'kkk*)

Print(s3[0],s3[l],Ll[0],t2[2],dl[3]/d3['k2'])

print(*-**40)

执行结果如下：

I1kl9kkk

事实上，字符串，列表，元组均可以通过其下标地位置访问元素，注意下标从0开始。字典则

是通过其键值来访问元素。printC」*40)表示输出40个符号，注意print函数输出内容要

用小括号括起来。需求说明地是，集合类型数据结构，不支持索引访问。

1.5.2切片

切片是指定索引位置，对数据实现分块访问或提取地一种数据操作方式，在数据处理中具

有广泛地应用。下面简单介绍字符串，列表，元组地切片方法，示例代码如下：

s2=,''helloword!*1'

L2=[l,2,'HE«,3,5]

t2=(lz2/*kl')

s21=s2[0:]

s22=s2[0:4]

s23=s2[:]

s24=s2[l:6:2]

L21=L2[1:3]

L22-L2[2:]

L23=L2[:]

t21=t2[0:2]

t22=t2[:]

print(s21)

print(s22)

print(s23)

print(524)

print(L21)

print(L22)

print(L23)

print(t21)

print(t22)

执行结果如下：

helloword!

hell

helloword!

el

[2,'HE']

['HE',3,5]

[b2,'HE\3,5]

32)

(1,2,1kl1)

字符串地切片，针对字符串中地每个字符进行操作;列表，元组地切片，则是针对其中地元

素。切片地方式为：开始索引位置一结束索引位置+1。注意开始索引从。开始，如果省掉开

始索引位置或结束索引位置，则默认为0或者最后地索引位置。

1.5.3长度

字符串地长度为字符串中所有字符地个数，空格也算一个字符;列表，元组，集合地长度，即

为元素地个数;字典地长度为犍地个数。求变量数据地长度在程序编写中经常用到,Python中

提供了一个函数len()来实现，示例代码如下：

s3=*ILikepython,

—23,4,5,6]

t2=(l,2,«kl')

J2={1Jh，，2,3,9}

dl={l:'h',2:[1,2

kl=len(s3)

k2=len(Ll)

k3=len(t2)

k4=len(J2)

k5=len(dl)

1.5.4统计

统计包含求最大值,最小值，求与，可以是列表，元组，字符串，示例代码如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

tl=(l,2,3,4,6)

s2=*''helloword!**'

ml=max(LI)

m2=max(tl)

m3=min(LI)

m4=sum(tl)

m5=max(s2)

1.5.5成员身份

成员身份地确认，使用in命令用来判断某个元素是否属于指定地数据结构变量。示例代

码如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

tl=(l,2,3,4,6)

S2=«''helloword!'•'

J2={1,,hl2,3,9JSE，}

zl='I'ins2

z2=，kj'inLI

z3=2intl

z4=,SE,inJ2

1.5.6变量删除

程序运行过程中,存在大量地中间变量，这些变量一来占用空间，二来影响可读性,可以使

用del命令删除不必要地中间变量。示例代码如下：

a=(l,2,3,4];

b='srt'

C={1:4Z2:7,3:8Z4:9}

dela,b

执行该程序代码,删除了a,b两个变量,而变量c保留。

1.6列表，元组，字符串与字典方法

1.6.1列表方法

这里主要介绍列表中一些常用地方法，包含空列表地产生，向列表中添加元素，列表扩展,

列表中元素地统计,返回列表中地index下标，删除列表元素，对列表进行排序。为方便说明相

关方法地应用，下面定义几个列表，示例代码如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

L2=[l,2,•HE1,3,5)

L3=['KJ\'CK\'HELLO']

14=[1,4,2,3,8,4,7]

1.创建空列表：list()

在Python中，用list函数创建空地列表，也可以用“口”来定义。在程序编写过程中，预定

义变量是常见地，其中列表就是其中一种常见地方式。示例代码如下：

L=list()#产生空列表L

L=[]#也可以用〔)来产生空列表

2.添加元素：append()

可以利用append函数依次向列表中添加元素。示例代码如下：

Ll-appendCH1)#向L1列表增加元素<H>

print(LI)

fortinL2:#利用循球,将L2中地元素,依次顺序添加到前面新建地空列表L中

L.append(t)

print(L)

执行结果如下：

[b2,3,4,5,6,'H'J

[1,2,'HE\3,5]

3.扩展列表：extend()

与append函数不同,extend函数在列表后面添加整个列表。示例代码如下：

Ll.extend(L2)#在前面地L1基本上,添加整个L2至其后面

print(L1)

执行结果如下：

[1,2,3,4,5,6,'Hl1,2,'HE\3,5]

4.元素数：count()

可以利用count函数统计列表中某个元素出现地次数，示例代码如下：

print「元素2出现地次数为：\L1.count(2))

执行结果如下：

元素2出现地次数为：2

需求说明地是，这里地L1是在添加了L2列表之后更新地列表。

5.返回下标:index()

在列表中，可以通过index函数返回元素地下标。示例代码如下：

print地索引下标为：\LI.index('H»))

执行结果如下：

H地索引下标为:6

6.删除元素:remove()

在列表中，可以通过remove函数删除某个元素。示例代码如下：

Ll.removeCHE*)#删除HE兀素

print(Ll)

执行结果如下：

[1,2,3,4,5,6,'Hl1,2,3,5]

7.元素排序：sort()

可以通过sort函数而列表元素进行排序,按升序排序。示例代码如下：

L4.sort()

print(L4)

执行结果如下：

L2,3,4,4,1,8]

特别说明地是，列表中地元素可以修改，但是元组中地元素不能修改。示例代码如下:

L4[2]=10

print(L4)

执行结果如下：

[1,2,10,4,4,1,8]

而以下示例程序则会报错：

t=(l,2,3,4)

t[2]=104报错

1.6.2元组方法

元组作为Python地一种数据结构，与列表有相似之处，其最大地区别是列表地元素可以

修改,而元组中地元素不能修改。本节主要介绍元组中几个常用地方法,包含空元组地产生,

元组元素统计，返回元组元素index下标与元组地连接。下面通过定义两个元组T1与T2,对元

组中地常用方法进行说明。

Tl=(l,2,2,4,5)

T2=('H2\3,,KL,)

1.创建空元组：tuple()

通过tuple函数，可以创建空元组。示例代码如下：

tl=tuple()#产生空元组

t=()4产生空元组

2.元素计数：count()

通过count困数，可以统计兀组中某个兀素出现地次数。示例代码如卜：

print「元素2出现地次数为：•,T1.count(2))

执行结果如下：

元素2出现地次数为：2

3.返回下标：index。

与列表类似，通过index函数，可以返回元组某个元素地索引下标。示例代码如下：

print「KL地下标索引为：',T2.index(•KL*))

执行结果如下：

KL地下标索引为：2

4.元组连接

两个元组地连接，可以直接用“+”号来完成。示例代码如下：

T3=T1+T2

print(T3)

执行结果如下：

32,2,4,5,'H2'z3,'KL')

1.6.3字符串方法

字符串作为基本地数据类型，也可以看作一种特殊地数据结构。在字符串地操作,是数据

处理,编程过程中必不可少地环节,下面介绍几种常见地字符串处理方法，包含空字符串地产

生，字符串地查找,字符串地替换，字符串地连接与比较。

1.创建空字符串：str()

通过str函数，可以创建空地字符串。示例代码如下：

S=str()#产生空字符串

2.查找子串：find()

用find函数查找子串出现地开始索引位置，如果没有找到则返回-1。示例代码如下：

st=*helloword!*

zl=st.find(1he1,0,len(st))会返回包含子串地开始索引位置，否则T

z2=st.find(*he,,1,len(st))

print(zl,z2)

执行结果为：

0-1

其中find函数第一个参数为需求查找地子串，第二个参数是待查字符串指定地开始位置,

第三个参数为指定待查字符串地长度。

3.替换子串：replace()

通过replace函数，可以替换指定地子串。示例代码如下：

stt=st.replace('or*,*kl1)#原来地st不变

print(stt)

print(st)

执行结果如下：

hellowkld!

helloword!

其中replace函数第一参数为被替换子串，第二个参数为替换子串，

4.字符串连接

字符串地连接，可以通过来实现.示例代码如下：

stl='joh*

st2=stl+‘*+st

print(st2)

执行结果如下：

johhelloword!

5.字符串比较

字符串地比较也很简单，可以直接通过号或不号“=="，"!=”来进行判断。示例代码如

下：

strl='jo,

str2='qb'

str3='qb'

sl=5trl!»str2

s2=str2==str3

print(si,s2)

执行结果如下：

TrueTrue

1.6.4字典方法

字典作为Python中非常重要地一种数据结构，在编程中应用极为广泛，特别是与第3章中

地数据框进行灵活转换并实现数据处理是一种非常重要地编程技能。不小节主要介绍字典中

几个常用地方法，包含字典地定义，字典取值，字典赋值。

1.创建字典：dict()

通过diet函数,可以创建字典，也可以将嵌套列表转换为字典。示例代码如下：

d=dict()¥产生空字典

D={}#产生空字典

#嵌套色素为元组

list2=[['a'/-ok'],['b'z'Ik']/[3,'1k']]#嵌套元素为列表

dl=dict(listl)

d2=dict(list2)

print(*d=：\d)

print(1D=:',D)

print('dl=:*,dl)

print(*d2=:*,d2)

执行结果如下：

d={}

D=()

11,,

dl={0:'ok,'I:•lk'z'0011:lk)

d2={'a':'ok','b1:'lk‘，3:'Ik'}

2.获取字典值：get()

通过get方法，可以获取对应键地值。示例代码如下：

print(d2.get('b*))

输出结果如下：

1k

3.字典赋值：setdefault()

通过setdefault方法,可以对预定义地空字典进行赋值。示例代码如下:

d.setdefault('a*,0)

D.setdefault('b*,[1,2,3,4,5])

print(d)

print(D)

执行结果如下：

{0:0}

Cb':[1,2,3,4,5]}

1.7条件语句

条件判断语句，是指满足某些条件，才能做某件事情，而不满足条件时是不允许做地。条件

语句在各类编程语言中均作为基本地语法或者基本语句使用,Python语言也不例外。这里主

要介绍if…卅…else…,if…elif…else…3种条件语句形式。

1.7.1if…语句

条件语句if…，其使用方式如下：

if条件：

执行代码块

注意条件后面地冒号（英文格式输入），同时执行代码块均需求缩进并对齐。示例代码

如下：

x=10

importmath¥导入数学函数库

ifx>0:芋冒号

s=math.sqrt(x)#求平方根，缩进

print(*s=',s)去打印结果，缩进

执行结果如下：

s=3.1622776601683795

1.7.2if…else…语句

条件分支语句if…else…，其使用方式如下:

if条件：

执行语句块

else:

执行语句块

同样需求注意冒号与缩进对齐语法。示例代码如下:

x=-10

importmath^导入数学函数库

ifx>0:*冒号

s=math.sqrt(x)#求平方根，缩进

print('s=',s)#打印结果，缩进

else:

s=，负数不能求平方根，*提示语，缩进

print(*s=',s)#打印结果，缩进

执行结果如下：

s=负数不能求平方根

1.7.3if•••eIif…eIse…语句

条件分支语句if…elif…else…用法如下：

if条件：

执行语句块

elif条件：

执行语句块

else:

执行语句块

同样，需求注意冒号与缩进对齐这两种语法。示例代码如下:

weather=•sunny1

ifweather=='sunny':

print(11shopping'1)

elifweather==*cloudy':

print("playingfootball")

else:

print("donothing")

执行结果如下：

shopping

1.8循环语句

循环语句，即循环地执行某一个过程或者一段程序代码地语句.与其它语言类似，在

Python语言中，主要有while与for两种循环语句方式。与其它语言不同地是,Python中地循

环语句也通过缩进语法来区分执行地循环语句块。

1.8.1while语句

循环语句while,其使用方式如下：

while条件：

执行语句块

注意执行语句块中地程序全部都要缩进并对齐。一般while循环需求预定义条件变量,

当满足条件地时候，循环执行语句块地内容。以求1到100地与为例，兴用while循环实现，示

例代码如下：

t=100

s=0

whilet:

s=s+t

t=t-l

print('s=1,s)

执行结果如下：

s=5050

1.8.2for循环

循环语句for使用方式如下：

for变量in序列：

执行语句块

注意执行语句块中地程序全部需求缩进并对齐,其中序列为任意序列，可以是数组，列表,

元组。示例代码如下：

listl=list()

list2=list0

list3=list()

forainrange(10):

listl.append(a)

fortin['a1,'b',1c*,'d']:

list2.append(t)

forqin(*k*,*j',*p'):

list3.append(q)

print(listl)

print(list2)

print(list3)

执行结果如下：

[0,1,2,3,4,5,6,1,Sz9]

[•a\3,，c',d)

['k\少，|p']

示例程序首先创建了3个空列表listl,Iist2与Iist3,通过for循环地方式，依次将循环序列

中地元素添加到预定义地空列表中。

1.9函数

在实际开发应用中,如果若干段程序代码实现逻辑相同，那么可以考虑将这些代码定义为

函数地形式。下面我们介绍无返回值函数，有一个返回值函数与有多个返回值函数地定义与

调用方法。

1.9.1无返回值函数地定义与调用

无返回值函数地定义格式如下：

def函数名(输入参数)：

函数体

注意冒号与缩进，函数体中地程序均需求缩进并对齐。示例代码如下：

#定义函数

defsumt(t):

s=0

whilet:

s=s+t

t=t-l

#调用函数并打印结果

s=sumt(50)

print(s)

执行结果如下：

None

执行结果为None,表示没有任何结果，因为该函数没有任何返回值。

1.9.2有返回值函数地定义与调用

有返回俏地函数定义如下：

def函数名称(输入参数)：

函数体

return返回变量

示例代码如下：

#定义函数

defsumt(t):

s=0

whilet:

s=s+t

t=t-l

returns

#调用函数并打印结果

s=sumt(50)

print(s)

执行结果如下：

1275

该示例程序仅仅是在第191小节无返叵I值函数定义地基本上，增加了返回值。

1.9.3有多返回值函数地定义与调用

多返回值函数，可以用一个元组来存放返回结果，元组中地元素数据类型可以不相同，其

定义如下：

def函数名称(输入参数)：

函数体

return(返回变量1,返回变量2,…)

示例代码如下：

#定义函数

deftest(r):

importmath

s=math.pi*r**2

c=2*math.pi*r

L»(s,c)

D=[s,czL]

return(s,c,L,D)

件调用函数并打印结果

v=test(10)

s=v[0]

c=v[1]

L=v[2]

D=v[3]

print(s)

print(c)

print(L)

print(D)

执行结果如下：

314.1592653589793

62.83185307179586

(314.1592653589793,62.83185307179586)

[314.1592653589793,62.83185307179586,(314.1592653589793,62.83185307179586)]

本章小结

本章作为Python地基本知识部分，首先介绍了Python与其发行版Anaconda地安装与启

动,集成开发工具Spyder地基本使用方法与查看Anaconda集成地Python包与安装新扩展包

地方法;其次介绍了Python基本语法，包含数值,字符串，列表，元组，字典与集合Python基本数

据类型，以与其公有方法与私有方法;在流程控制语句方面，介绍了条件语句与循环语句;在

Python自定义函数方面,介绍了无返回值函数，有一个返回值与多个返回值函数地定义与调用

方法。

本章练习

1.创建一个Python脚本,命名为testl.py,实现以下功能：

（1）定义一个元组tl=（l,2尔;py/Matlab，）与一个空列表listl;

（2）以while循环地方式，用append。函数依次向listl中添加tl中地元素；

（3）定义一个空字典,命名为dictl;

<4）定义个嵌套列表口工牝[3,4,5],（1,2,6）,18,50],采用for循环地方式，用setdefault（）函

数依次将Li中地元素添加到dictl中，其中Li元素对应地键依次为a,b,c,d,e。

2.创建一个Python脚本,命名为test2.py,实现以下功能：

（1）定义一个函数，用于计算圆柱体地表面积，体积，函数名为put,输入参数为r（底半

径），h（高），返回值为S（表面积），V（体积），返回多值地函数,可以用元组来表示。

（2）调用定义地函数put,计算底半径（r）=10,高（h）=11地圆柱体表面积与体积，并输

出其结果。

第2章科学计算包Numpy

授课方式：机房教学,讲授+实验，

教学重点：数组地创建，运算，切片，连接与存取。

教学难点：数组切片地理解

实验题目：本章课后练习

教学内容：

2.1Numpy简介(简要介绍)

Numpy是Python用于科学计算地基本包，也是大量Python数学与科学计算包地基本，不

少数据处理与分析包都是在Numpy基本上开发地，如后面介绍地Pandas包。Numpy地核心

基本是ndarray(N-dimensionalarray,N维数组)，即由数据类型相同地元素组成地N维数组。

本章主要介绍一维数组与二维数纽，包含数组地创建，运算，切片，连接，数据存取与矩阵与线性

代数运算，它与Matlab地向量与矩阵使用非常相似。

在Anaconda发行版中,Numpy包已集成在系统中，无须另外安装。

2.2创建数组

本节主要介绍两种创建数组地方法，一种是利用Numpy中地array函数将特定地数据类

型转换为数组，另种是利用内置函数创建指定尺寸地数组。

2.2.1利用array。函数创建数组

基于array。函数，可以将列表，元组，嵌套列表，嵌套元组给定地数据结构转化为数组。值得

注意地是，利用array函数之前,要导入Numpy。示例代码如下:

#1.先预定义列表dl,元组d2,嵌套列表d3,d4与嵌套元组d5

dl=(l,2,3,4,0.1,7]例表

d2-(l,2,3,4,2.3)中元组

#嵌套列表，元素为列表

d3=[(l/2/3,4]r[5,6,7,8]]

d4=[(l,2,3,4),(5,6,7,8)]#嵌套列表，元素为元组

d5=((l,2,3,4),(5,6,7,8))林湎

#2.导入Numpy,并调用其中地arrya函数，创建数组

importnumpyasnp

dll=np.array(dl)

d21»np.array(d2)

d31=np.array(d3)

d41=np.array(d4)

d51=np.array(d5)

#3.fflj除dl,d2,d3,d4,d5变量

deldl,d2,d3,d4,d5

2.2.2利用内置函数创建数组

利用内置函数，可以创建一些特殊地数组。例如，可以利用ones(n,m)函数创建n行m列

元素全为1地数组，利用zeros(n,m)函数创建n行m列元素全为0地数组，利用arange(a,b,c)

创建以a为初始值,b-1为末值,c为步长地一维数组。其中a与c参数可省，这时a取默认值

为0,c取默认值为1。示例代码如下:

zl=np.ones((3,3))件创建3行3列元素全为1地数组

z2=np.zeros((3,4))#创建3行4列元素全为0地数组

z3=np.arange(10)会创建默认初始值为0，默认步长为1，末值为9地一维数组

z4=np.arange(2,10),创建默认初始值为2，默认步长为1,末值为9地一维数组

z5=np.arange(2,10,2)#创建默认初始值为2,步长为2,末值为9地一维数组

2.3数组尺寸

数组尺寸，也称为数组地大小，通过行数与列数来表现。通过数组中地shape属性,可以返

回数组地尺寸，其返回值为元组。如果是一维数组，返回地元组中仅一个元素，代表这个数组地

长度。如果是二维数组，元组中有两个值，第一个值代表数组地行数，第二个值代表数组地列

数。示例代码如下：

#列表

d3=Ul,2,3,4J,[5,6,7,8”#嵌套列表，元素为列表

importnumpyasnp

dll=np.array(dl)#将dl列表转换为一维数组，结果赋值给变量dll

d31=np.array(d3)#将d3嵌套列表转换为二维数组，结果赋值给变量d31

deldlzd3#删除dl,d3

sll=dll.shape¥返回一维数组dl1地尺寸,结果赋值给变量s11

s31=d31.shape#返回二维数组d31地尺寸，结果赋值给变量s31

在程序应用过程中,有时候需求将数组进行重排，可以通过reshape。函数来实现。示例代

码如下：

r=np.array(range(9))#一维数组

rl=r.reshape((3,3))¥重排为3行3列

2.4数组运算

数组地运算主要包含数组之间地加，减，乘,除运算，数组地乘方运算,以与数组地数学函数

运算。示例代码如下：

importnumpyasnp

A=np.array([[1,2],[3,4]])8定义二维数组A

B=np.array(([5,6],[7,8]])#定义二维数组B

C1=A-BB两个数组元素之间相减,结果赋给变量C1

C2=A+B#,AB两个数组元素之间相加,结果赋给变量C2

C3=A*BB两个数组元素之间相乘,结果赋给变量C3

C4=A/B#,AB两个数组元素之间相除,结果赋给变量C4

C5=A/3#A数组所有元素除以3,结果赋给变量C5

C6=l/A#1除以A数组所有元素，结果赋给变量C6

C7=A**2#A数组所有元素取平方，结果赋给变量C7

C8-np.array([1,2,3,3,1,4.5,6,7,8,9])#定义数组C8

C9=(CR-min(Cft))/(m^x(CR)-min(CA))#对CR中地元素做极差化处理，结果赋给变量工

D=np.array([[1,2,3,4],[5,€,7,8J,[9,10,11,12],[13,14,15,16：])芋定义数组D

年数学运算

El=np.sqrt(D)¥对数组D中所有元素取平方根，结果赋给变量E1

E2=np.abs([l,-2r-100])¥取绝对值

E3=np.cos((1,2,3])#取cos值

E4=np.sin(D)斗取sin值

E5=np.exp(D)¥取指数函数值

2.5数组切片

数组切片即抽取数组中地部分元素构成新地数组，那么如何抽取妮？主要通过指定数组

中地行下标与列下标来抽取其元素，从而组成新地数组。下面介绍直接利用数组本身地索引

机制来切片与利用函数ix_()构建索引器进行切片地两种方法。

2.5.1常见地数组切片方法

一般地，假设D为待访问或切H地数据变量，则访问或者切片地数据=D[①,②]。其中①

为对D地行下标控制，②为对D地列下标控制，行与列下标控制通过整数列表来实现。但是需

求注意①整数列表中地元素不能超出D中地最大行数，而②不能超过D中地最大列数。为了

更灵活地操作数据，取所有地行或考列，可以用“：”来实现。同时，行控制还可以通过逻辑列

表来实现。示例代码如下：

importnumpyasnp

D=np.array([[l,2,3,4],(5,€,7,8],[9,10,11,12],[13,14,15,16：])¥定义数组D

件访问D中行为1,列为2地数据，注意下标是从0开始地

D12=D[1,2]

#访问D中第1,3列数据

D1=D[:Z[1,3]]

#访问D中第1,3行数据

D2=D[[1,3],:]

#取D中满足第0列大于5地所有列数据，本质上行控制为逻辑列表

Dtl=D[D[:,0]>5,:]

#取D中满足第0列大于5地2,3列数据,本质上行控制为逻辑列表

#Dt2=D[D[:,0]>5,[2,3]]

TF=[True,False,False,True]

#取D中第0,3行地所有列数据，本质上行控制为逻辑列表，取逻辑值为真地行

Dt3=D[TFz:]

#取口中第0,3行地2,3列数据

#Dt4=D[TF,[2,3]]

中大于4地所有元素

D5=D[D>4]

2.5.2利用ix_()函数进行数组切片

数组地切片也可以通过ix_()函数构造行,列下标索引器实现。示例代码如下：

importnumpyasnp

D=np.array([[l/2,3,4],[5,£,7,8],[9,10,11,12],(13,14,15,16：])#定义数组D

什提取D中行数为1,2,列数为1,3地所有元素

D3=D[np.ix_([l,2]/[1,3])]

#提取D中行验为0,1,列数为1,3地所有元素

D4=D[np.ix_(np.arange(2),[1,3])]

#提取以D中重1列小于11得到地逻辑数组作为行索引，列数为1,2地所有元素

D6=D[np.ix_(D[:,l]<llr[1,2])]

#提取以D中重1列小于11得到地逻辑数组作为行索引，列数为2地所有元素

D7=D[np.ix_(D[:,l]<ll,[2])]

#提取以第2.5.1节中地TF=[TruezFalse,False,TrueJ逻辑列表为行索弓列数为2地所有元素

TF=[True,False,False,True]

D8=D[np.ix_(TFz[2])]

#提取以第2.5.1节中地TF=[True,Fa1se,Fa1se,True】逻辑列表为行索弓I,列数为1,3地所有元素

D9=D(np.ix_(TF,[1,3])]

2.6数组连接

在数据处理中，多个数据源地集成整合是经常发生地。数组间地集成.与整合主要体现在

数组间地连接，包含水平连接与垂直连接两种方式。水平连接函数用hstack()实现，垂直连接函

数用vstack()实现。注意输入参数为两个待连接数组组成地元组。示例代码如下：

importnumpyasnp

A=np.array([[1,2],[3,4]])#定义二维数组A

B=np.array([[5,6],[7,8]])#定义二维数组B

C_s=np.hstack((A,B))#水平连接要求行数相同

C_v=np.vstack((A,B))¥垂直连接要求列数相同

2.7数据存取

利用Numpy包中地save函数，可以将数据集保存为二进制数据文件，数据文件后缀名

为.npy。示例代码如下:

importnumpyasnp

A=np.array([[lz2b[3,4]])#定义二维数组A

B=np.array([(5,6],[7,8]])手定义二维数组B

C_s=np.hstack((A,B))¥水平连接

np.save('data',C_s)

通过load函数，可以将该数据集加载，示例代码如下:

importnumpyasnp

C_s=np.load('data.npyr)

救据地存取机制，提供了数据传递与使用地便利，特别是在有些程序运行结果需求花费大

量时间地时候，保存其结果以便后续使用是非常有必要地。

2.8数组形态变换

Numpy提供了reshape方法用于改变数组地形状,reshape方法仅改变原始数据地形状,

不改变原始数据地值。示例代码如下：

importnumpyasnp

arr=np.arange(12)#创建一维ndarray

arrl=arr.reshape(3Z4)#设置ndarray地维度，改变其形态

以上示例代码将一维数组形态变换为二维数组，事实上也可以将二维数组形态展平变换

为一维数组，通过ravel。函数即可实现。示例代码如下：

importnumpyasnp

arr=np.arange(12).reshape(3,4)

arrl=arr.ravel()

2.9数组排序与搜索

通过Numpy提供地sort函数，可以对数组元素值按从小到大进行直接排序，示例代码如

下：

importnumpyasnp

arr=np.array([5,2,3,3/1,9,8,6,7])

arrl=np.sort(arr)

通过Numpy提供地argmaxHargmin函数，可以返回待搜索数组最大值与最小值元素地

索引值，如果存在多个最大值或最小值,则返回第一次出现地索引。对于二维数组，可以通过设

置axis=0或1返回各列或各行最大值或最小值索引。需求注意地是索引从0开始。示例代码

如下：

importnumpyasnp

arr=np.array([5,2,3,3,1,1,9,8,6,7,8,8))

arrl=arr.reshape(3,4)

maxindex=np.argmax(arr)

minindex=np.argmin(arr)

maxindexl=np.argmax(arrl,cxis=0)#返回各列最大值索引

minindexl=np.argmin(arrl,axis=l)#返回各彳^^小值索弓|

2.10矩阵与线性代数运算

2.10.1创建Numpy矩阵

在Numpy中可使用mat,matrix或bmat函数来创建矩阵。使用mat函数创建矩阵时，若

输入或对象，则不会为它们创建副本。因此，调用函数与调用

matrixndarraymatmatrix(dataz

copy=False)价，示例代码如下：

importnumpyasnp

matl=np.mat("123;456;789")

mat2=np.matrix([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])

在矩阵地日常使用过程中,将小矩阵组合成大矩阵是一种频率极高地操作。在Numpy中

可以使用bmat分块矩阵函数实现，示例代码如下：

importnumpyasnp

arrl=np.eye(3)

arr2=3*arrl

mat=np.bmat("arrlarr2;arrlarr2")

2.10.2矩阵地属性与基本运算

矩阵有其特有地属性，如表2-1所示。

表2-1矩阵特有属性与其说明

属性说明

T返回自身地转置

H返回自身地共挽转置

I返回自身地逆矩阵

矩阵属性地具体查看方法，示例代码如下：

importnumpyasnp

mat=np.matrix(np.arange(4).reshape(2,2))

mT=mat.T

mH=mat.H

ml=mat.I

在NumPy中，矩阵计算与ndarray计算类似，都可以作用于每个元素，比起使用for循环进

行计算，在速度上更加高效，示例代码如下：

importnumpyasnp

matl=np.mat(M123;456;789")

mat2=matl*3

mat3=matl+mat2

mat4=matl-mat2

mat5=matl*mat2

mat6=np.multiply(matl/mat2)打点乘

2.10.3线性代数运算

线性代数是数学地,个重要分支。Numpy包含numpy.linalg模块,提供线性代数所需地

功能,如计算逆矩阵，求解线性方程组，求特征值，奇异值分解以与求解行列式。numpy.linalg模

块中地一些常用函数如表2-2所示。

表2-2常用地numpy.linalg函数

函数名称说明

dot矩阵相乘

inv求逆矩阵

solve求解线性方程组Av=6

eig求特征值与特征向量

eigvals求特征值

svd计算奇异值分解

det求行列式

1.计算逆矩阵

在线性代数中，矩阵A与其逆矩阵A-1相乘得到一个单位矩阵人即AxAi=/。使用

numpy.linalg模块中地inv函数可以计算逆矩阵，示例代码如下：

importnumpyasnp

mat=np.mat('111;123;136')

inverse=np.linalg.inv(mat)

A=np.dot(mat,inverse)

2.求解线性方程组