NumPy - Ndarray 物件

NumPy ndarray

NumPy 中定義的最重要的物件是稱為ndarray的 N 維陣列型別。它描述了一個相同型別項的集合，可以使用基於零的索引訪問這些項。

ndarray 中的每個項在記憶體中佔用相同大小的塊，並由稱為dtype的資料型別物件表示。

從 ndarray 物件（透過切片）提取的任何項都由陣列標量型別之一的 Python 物件表示。

ndarray、dtype 和陣列標量型別之間的關係

下圖顯示了ndarray、資料型別物件dtype和陣列標量型別之間的關係：

建立 ndarray

可以使用不同的陣列建立例程構造 ndarray 類的例項。基本的 ndarray 使用 NumPy 中的array()函式建立。

numpy.array()函式從公開陣列介面的任何物件或從返回陣列的任何方法建立 ndarray。以下是語法：

numpy.array(object, dtype = None, copy = True, order = None, subok = False, ndmin = 0)

上述建構函式採用以下引數：

序號	引數和描述
1	object 任何公開陣列介面方法並返回陣列的物件，或任何（巢狀的）序列。
2	dtype 所需的陣列資料型別，可選
3	copy 可選。預設情況下（true），物件會被複制
4	order C（行主序）或 F（列主序）或 A（任意）（預設）
5	subok 預設情況下，返回的陣列強制為基類陣列。如果為 true，則子類將被傳遞
6	ndmin 指定結果陣列的最小維度

請檢視以下示例以更好地理解。

示例：建立一維陣列

在以下示例中，我們使用 NumPy 中的 array() 函式建立了一個一維陣列：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3])
print(a)

獲得的輸出如下：

[1, 2, 3]

示例：建立多維陣列

在這裡，我們使用 NumPy 中的 array() 函式建立了一個二維陣列：

import numpy as np
a = np.array([[1, 2], [3, 4]])
print(a)

這將產生以下結果：

[[1 2]
 [3 4]]

示例：指定最小維度

現在，我們透過將“ndmin”作為引數傳遞給 array() 函式來指定結果陣列的最小維度：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3, 4, 5], ndmin=2)
print(a)

以下是上述程式碼的輸出：

[[1 2 3 4 5]]

示例：指定資料型別

在下面的示例中，我們將 array() 函式中的“dtype”引數設定為 complex：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3], dtype=complex)
print(a)

執行上述程式碼後，我們得到以下輸出：

[1.+0.j 2.+0.j 3.+0.j]

ndarray 的記憶體佈局

一個ndarray物件由一個連續的記憶體塊組成。這意味著陣列中的所有元素都儲存在記憶體的單個連續段中。這種連續的記憶體佈局允許輕鬆訪問和運算元組元素。

索引方案

索引方案將 ndarray 中的每個項對映到記憶體塊中的特定位置。ndarray 使用形狀和步長的組合來確定每個元素的位置。

形狀 - 陣列的形狀是一個整數元組，表示陣列沿每個維度的尺寸。例如，2x3 陣列的形狀為 (2, 3)。
步長 - 步長是在遍歷陣列時每個維度需要跳過的位元組數。步長決定如何在每個維度上從一個元素移動到下一個元素。

行主序和列主序

ndarray 中的元素可以以兩種主要順序儲存。它們是：

行主序（C 樣式） - 在行主序中，最後一個索引變化最快。這意味著同一行中的元素在記憶體中彼此相鄰儲存。NumPy 預設使用行主序。例如，在 2x3 陣列中：
```
[[1, 2, 3],
 [4, 5, 6]]
```
元素在記憶體中儲存為：1、2、3、4、5、6。
列主序（FORTRAN 樣式） - 在列主序中，第一個索引變化最快。這意味著同一列中的元素在記憶體中彼此相鄰儲存。例如，在 2x3 陣列中：
```
[[1, 2, 3],
 [4, 5, 6]]
```
元素在記憶體中儲存為：1、4、2、5、3、6。

示例

以下是一個基本示例，演示了記憶體佈局的使用：

import numpy as np

# Creating a 2x3 array in row-major order
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print("Array:")
print(a)
print("Shape:", a.shape)
print("Strides:", a.strides)

陣列的形狀為 (2, 3)，表示它有 2 行 3 列。步長為 (24, 8)，這意味著要移動到下一行，我們需要跳過 24 個位元組（因為每個元素都是一個 8 位元組整數，並且有 3 列），要移動到下一列，我們需要跳過 8 個位元組（一個整數的大小），如以下輸出所示：

Array:
[[1 2 3]
 [4 5 6]]
Shape: (2, 3)
Strides: (24, 8)

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