Python NumPy（8）：NumPy 位运算、NumPy 字符串函数

news/2025/1/31 12:05:07 标签: python, numpy, 开发语言

1 NumPy 位运算

        位运算是一种在二进制数字的位级别上进行操作的一类运算，它们直接操作二进制数字的各个位，而不考虑数字的整体值。NumPy 提供了一系列位运算函数，允许对数组中的元素进行逐位操作，这些操作与 Python 的位运算符类似，但作用于 NumPy 数组，支持矢量化处理，性能更高。

        位运算在计算机科学中广泛应用于优化和处理底层数据。NumPy bitwise_ 开头的函数是位运算函数。NumPy 位运算包括以下几个函数：

操作函数/运算符描述
按位与numpy.bitwise_and(x1, x2)对数组的每个元素执行逐位与操作。
按位或numpy.bitwise_or(x1, x2)对数组的每个元素执行逐位或操作。
按位异或numpy.bitwise_xor(x1, x2)对数组的每个元素执行逐位异或操作。
按位取反numpy.invert(x)对数组的每个元素执行逐位取反（按位非）。
左移numpy.left_shift(x1, x2)将数组的每个元素左移指定的位数。
右移numpy.right_shift(x1, x2)将数组的每个元素右移指定的位数。
python">import numpy as np

arr1 = np.array([True, False, True], dtype=bool)
arr2 = np.array([False, True, False], dtype=bool)

result_and = np.bitwise_and(arr1, arr2)
result_or = np.bitwise_or(arr1, arr2)
result_xor = np.bitwise_xor(arr1, arr2)
result_not = np.bitwise_not(arr1)

print("AND:", result_and)  # [False, False, False]
print("OR:", result_or)  # [True, True, True]
print("XOR:", result_xor)  # [True, True, True]
print("NOT:", result_not)  # [False, True, False]

# 按位取反
arr_invert = np.invert(np.array([1, 2], dtype=np.int8))
print("Invert:", arr_invert)  # [-2, -3]

# 左移位运算
arr_left_shift = np.left_shift(5, 2)
print("Left Shift:", arr_left_shift)  # 20

# 右移位运算
arr_right_shift = np.right_shift(10, 1)
print("Right Shift:", arr_right_shift)  # 5

 

        也可以使用 "&"、 "~"、 "|" 和 "^" 等操作符进行计算：

  • 与运算（&）： 对应位上的两个数字都为1时，结果为1；否则，结果为0。
  • 例如：1010 & 1100 = 1000
  • 或运算（|）： 对应位上的两个数字有一个为1时，结果为1；否则，结果为0。
  • 例如：1010 | 1100 = 1110
  • 异或运算（^）： 对应位上的两个数字相异时，结果为1；相同时，结果为0。
  • 例如：1010 ^ 1100 = 0110
  • 取反运算（~）： 对数字的每个位取反，即0变为1，1变为0。
  • 例如：~1010 = 0101
  • 左移运算（<<）： 将数字的所有位向左移动指定的位数，右侧用0填充。
  • 例如：1010 << 2 = 101000
  • 右移运算（>>）： 将数字的所有位向右移动指定的位数，左侧根据符号位或补零。
  • 例如：1010 >> 2 = 0010

1.1 bitwise_and

        bitwise_and() 函数对数组中整数的二进制形式执行位与运算。

python">import numpy as np 
 
print ('13 和 17 的二进制形式：')
a,b = 13,17
print (bin(a), bin(b))
print ('\n')
 
print ('13 和 17 的位与：')
print (np.bitwise_and(13, 17))

        以上实例可以用下表来说明：

1101
AND
10001
运算结果00001

        位与操作运算规律如下：

ABAND
111
100
010
000

1.2 bitwise_or

        bitwise_or()函数对数组中整数的二进制形式执行位或运算。

python">import numpy as np

a, b = 13, 17
print('13 和 17 的二进制形式：')
print(bin(a), bin(b))

print('13 和 17 的位或：')
print(np.bitwise_or(13, 17))

        以上实例可以用下表来说明：

1101
OR
10001
运算结果11101

        位或操作运算规律如下：

ABOR
111
101
011
000

1.3 invert

        invert() 函数对数组中整数进行位取反运算，即 0 变成 1，1 变成 0。对于有符号整数，取该二进制数的补码，然后 +1。二进制数，最高位为0表示正数，最高位为 1 表示负数。看看 ~1 的计算步骤：

  • 将1(这里叫：原码)转二进制 ＝ 00000001
  • 按位取反 ＝ 11111110
  • 发现符号位(即最高位)为1(表示负数)，将除符号位之外的其他数字取反 ＝ 10000001
  • 末位加1取其补码 ＝ 10000010
  • 转换回十进制 ＝ -2
表达式二进制值（2 的补数）十进制值
500000000 00000000 00000000 000001015
~511111111 11111111 11111111 11111010-6
python">import numpy as np

print('13 的位反转，其中 ndarray 的 dtype 是 uint8：')
print(np.invert(np.array([13], dtype=np.uint8)))
print('\n')
# 比较 13 和 242 的二进制表示，我们发现了位的反转

print('13 的二进制表示：')
print(np.binary_repr(13, width=8))
print('\n')

print('242 的二进制表示：')
print(np.binary_repr(242, width=8))

1.4 left_shift

        left_shift() 函数将数组元素的二进制形式向左移动到指定位置，右侧附加相等数量的 0。

python">import numpy as np

print('将 10 左移两位：')
print(np.left_shift(10, 2))
print('\n')

print('10 的二进制表示：')
print(np.binary_repr(10, width=8))
print('\n')

print('40 的二进制表示：')
print(np.binary_repr(40, width=8))
#  '00001010' 中的两位移动到了左边，并在右边添加了两个 0。

1.5 right_shift

        right_shift() 函数将数组元素的二进制形式向右移动到指定位置，左侧附加相等数量的 0。

python">import numpy as np

print('将 40 右移两位：')
print(np.right_shift(40, 2))
print('\n')

print('40 的二进制表示：')
print(np.binary_repr(40, width=8))
print('\n')

print('10 的二进制表示：')
print(np.binary_repr(10, width=8))
#  '00001010' 中的两位移动到了右边，并在左边添加了两个 0。

2 NumPy 字符串函数

        以下函数用于对 dtype 为 numpy.string_ 或 numpy.unicode_ 的数组执行向量化字符串操作。 它们基于 Python 内置库中的标准字符串函数。这些函数在字符数组类（numpy.char）中定义。

数描述
add()对两个数组的逐个字符串元素进行连接
multiply()返回按元素多重连接后的字符串
center()居中字符串
capitalize()将字符串第一个字母转换为大写
title()将字符串的每个单词的第一个字母转换为大写
lower()数组元素转换为小写
upper()数组元素转换为大写
split()指定分隔符对字符串进行分割，并返回数组列表
splitlines()返回元素中的行列表，以换行符分割
strip()移除元素开头或者结尾处的特定字符
join()通过指定分隔符来连接数组中的元素
replace()使用新字符串替换字符串中的所有子字符串
decode()数组元素依次调用str.decode
encode()数组元素依次调用str.encode

2.1 numpy.char.add()

        numpy.char.add() 函数依次对两个数组的元素进行字符串连接。

python">import numpy as np

print('连接两个字符串：')
print(np.char.add(['hello'], [' xyz']))
print('\n')

print('连接示例：')
print(np.char.add(['hello', 'hi'], [' abc', ' xyz']))

2.2 numpy.char.multiply()

        numpy.char.multiply() 函数执行多重连接。

python">import numpy as np

print(np.char.multiply('ywz ', 3))

2.3 numpy.char.center()

        numpy.char.center() 函数用于将字符串居中，并使用指定字符在左侧和右侧进行填充。

python">import numpy as np

# np.char.center(str , width,fillchar) ：
# str: 字符串，width: 长度，fillchar: 填充字符
print(np.char.center('ywz', 20, fillchar='*'))

2.4 numpy.char.capitalize()

        numpy.char.capitalize() 函数将字符串的第一个字母转换为大写：

python">import numpy as np

print(np.char.capitalize('ywz'))

2.5 numpy.char.title()

        numpy.char.title() 函数将字符串的每个单词的第一个字母转换为大写：

python">import numpy as np

print (np.char.title('i like apple'))

2.6 numpy.char.lower()

        numpy.char.lower() 函数对数组的每个元素转换为小写。它对每个元素调用 str.lower。

python">import numpy as np

# 操作数组
print(np.char.lower(['YWZ', 'GOOGLE']))

# 操作字符串
print(np.char.lower('YWZ'))

2.7 numpy.char.upper()

        numpy.char.upper() 函数对数组的每个元素转换为大写。它对每个元素调用 str.upper。

python">import numpy as np

# 操作数组
print(np.char.upper(['ywz', 'google']))

# 操作字符串
print(np.char.upper('ywz'))

2.8 numpy.char.split()

        numpy.char.split() 通过指定分隔符对字符串进行分割，并返回数组。默认情况下，分隔符为空格。

python">import numpy as np

# 分隔符默认为空格
print(np.char.split('i like apple?'))
# 分隔符为 .
print(np.char.split('blog.csdn.net', sep='.'))

2.9 numpy.char.splitlines()

        numpy.char.splitlines() 函数以换行符作为分隔符来分割字符串，并返回数组。\n，\r，\r\n 都可用作换行符。

python">import numpy as np

# 换行符 \n
print(np.char.splitlines('i\nlike apple?'))

2.10 numpy.char.strip()

        numpy.char.strip() 函数用于移除开头或结尾处的特定字符。

python">import numpy as np

# 移除字符串头尾的 a 字符
print(np.char.strip('ashok aywza', 'a'))

# 移除数组元素头尾的 a 字符
print(np.char.strip(['aywza', 'admin', 'java'], 'a'))

2.11 numpy.char.join()

        numpy.char.join() 函数通过指定分隔符来连接数组中的元素或字符串

python">import numpy as np

# 操作字符串
print(np.char.join(':', 'ywz'))

# 指定多个分隔符操作数组元素
print(np.char.join([':', '-'], ['ywz', 'google']))

2.12 numpy.char.replace()

        numpy.char.replace() 函数使用新字符串替换字符串中的所有子字符串。

python">import numpy as np

print(np.char.replace('i like apple', 'pp', 'cc'))

2.13 numpy.char.encode()

        numpy.char.encode() 函数对数组中的每个元素调用 str.encode 函数。 默认编码是 utf-8，可以使用标准 Python 库中的编解码器。

python">import numpy as np

a = np.char.encode('ywz', 'cp500')
print(a)

2.14 numpy.char.decode()

        numpy.char.decode() 函数对编码的元素进行 str.decode() 解码。

python">import numpy as np

a = np.char.encode('ywz', 'cp500')
print(a)
print(np.char.decode(a, 'cp500'))


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