使用NumPy快速創建矩陣

一、前言

在Python程序中，處理數值計算是一項重要的工作，而矩陣計算是數值計算中的重頭戲。

在Python中，常用的科學計算庫NumPy提供了豐富的矩陣操作函數，其中包括了矩陣的創建、變形、運算、比較等。這篇文章將詳細介紹如何使用NumPy快速創建矩陣。

二、創建矩陣

1. 使用numpy.array創建矩陣

在NumPy中，可以使用numpy.array函數快速創建矩陣。

import numpy as np

# 創建一個2行3列的矩陣
matrix = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[1 2 3]
 [4 5 6]]

2. 使用numpy.zeros創建矩陣

numpy.zeros函數可以創建指定形狀的矩陣，並將所有元素初始化為0。

import numpy as np

# 創建一個3行3列的全0矩陣
zeros_matrix = np.zeros((3, 3))
print(zeros_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[0. 0. 0.]
 [0. 0. 0.]
 [0. 0. 0.]]

3. 使用numpy.ones創建矩陣

numpy.ones函數可以創建指定形狀的矩陣，並將所有元素初始化為1。

import numpy as np

# 創建一個2行2列的全1矩陣
ones_matrix = np.ones((2, 2))
print(ones_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[1. 1.]
 [1. 1.]]

4. 使用numpy.eye創建矩陣

numpy.eye函數可以創建指定大小的單位矩陣，即對角線上的元素都是1，其餘元素都是0。

import numpy as np

# 創建一個3行3列的單位矩陣
eye_matrix = np.eye(3)
print(eye_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[1. 0. 0.]
 [0. 1. 0.]
 [0. 0. 1.]]

5. 使用numpy.random生成隨機矩陣

numpy.random函數可以生成指定形狀的隨機矩陣。

import numpy as np

# 創建一個2行2列的隨機矩陣
random_matrix = np.random.rand(2, 2)
print(random_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[0.48261515 0.57560039]
 [0.45862375 0.40582673]]

三、矩陣操作

1. 矩陣加法

使用numpy.add函數可以進行矩陣加法運算。

import numpy as np

# 創建兩個2行2列的矩陣
matrix1 = np.array([[1, 2], [3, 4]])
matrix2 = np.array([[2, 3], [4, 5]])

# 矩陣加法
add_matrix = np.add(matrix1, matrix2)
print(add_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[3 5]
 [7 9]]

2. 矩陣減法

使用numpy.subtract函數可以進行矩陣減法運算。

import numpy as np

# 創建兩個2行2列的矩陣
matrix1 = np.array([[1, 2], [3, 4]])
matrix2 = np.array([[2, 3], [4, 5]])

# 矩陣減法
subtract_matrix = np.subtract(matrix1, matrix2)
print(subtract_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[-1 -1]
 [-1 -1]]

3. 矩陣數乘

使用NumPy提供的乘法符號以及矩陣與標量相乘即可對矩陣進行數乘。

import numpy as np

# 創建一個2行2列的矩陣
matrix = np.array([[1, 2], [3, 4]])

# 矩陣數乘
mul_matrix = matrix * 2
print(mul_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[2 4]
 [6 8]]

4. 矩陣乘法

使用numpy.dot函數可以進行矩陣乘法運算。

import numpy as np

# 創建兩個2行3列的矩陣
matrix1 = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
matrix2 = np.array([[2, 3], [4, 5], [6, 7]])

# 矩陣乘法
dot_matrix = np.dot(matrix1, matrix2)
print(dot_matrix)

上述代碼將輸出如下結果：

[[28 34]
 [64 79]]

四、結論

本文介紹了使用NumPy快速創建矩陣的方法，並對常用的矩陣運算進行了講解。在實際的數據分析過程中，這些操作經常被用到，希望本文能對讀者有所幫助。