آموزش کتابخانه NumPy + کاربرد

کتابخانه NumPy  یک کتابخانه در زمینه آرایه ها در زبان برنامه نویسی پایتون است. در عملیات هایی که بر روی داده ها صورت می گیرد، مانند پردازش تصاویر، ویدئوها یا سایر پردازش ها، معمولا داده ها را به صورت آرایه ای از اعداد تصور می کنند. به همین دلیل باید از روشی استفاده کرد که قادر باشد به آسانی و با سرعت زیاد، بر روی اعداد و آرایه عملیات لازم را انجام دهد. پایتون با کتابخانه Numpy خود در این زمینه بسیار مفید است. برای آشنایی بیشتر با این کتابخانه تا پایان مطلب با ما همراه باشید.

کتابخانه NumPy چیست؟

اشخاصی که به دنبال یادگیری علم داده با استفاده از پایتون هستند، باید شیوه کار با کتابخانه‌ های پایتون را به صورت تخصصی که برای این منظور طراحی شده‌اند را بیاموزند. NumPy، Matplot، Pandas، Seaborn، SiPy، Tensorflow و … جزو مواردی از این پکیج‌ های نرم‌ افزاری برای انجام محاسبات ریاضی‌ هستند که هر فردی هنگام کار با داده‌ ها و پردازش‌، باید آن‌ ها را به کار ببرد. NumPy مخفف کلمه Numerical Python است، که برای انجام محاسبات عددی مختلف در پایتون مورد استفاده قرار می گیرد. محاسبات با استفاده از آرایه‌ ها در Numpy سرعت بسیار بالایی دارند و همچنین توابع در این پکیج برای تولید پکیج‌ های محاسباتی دیگر به کار می روند.

 تعداد توابع در این کتابخانه بسیار زیاد است و شما هنگام انجام پروژه‌ های بزرگ و متنوع خود به انواع مختلفی از توابع نیاز دارید. در این صورت می‌ توانید از گزینه های انتخابی بسیار زیادی که در این پکیج‌ ها قرار دارد، استفاده کنید. یادگیری نکات مورد نیاز Numpy بر خلاف سادگی بسیار زیادی که در مفاهیم آن وجود دارد، برای کار با سایر کتابخانه‌ های محاسباتی دیگر بسیار کارآمد است.

کتابخانه NumPy چه کاربردی دارد؟

 این کتابخانه در زمینه انجام محاسبات ریاضی به کار می رود. با توجه به سرعت بالایی که این نرم افزار دارد، در زمینه مباحث یادگیری کاربرد بسیار زیادی دارد و در این زمینه بسیار کارآمد است. این کتابخانه در زمینه علمی و برای کار با اعداد کاربرد فراوانی دارد. پایتون در اصل به شکل پیش‌ فرض فقط از آرایه‌ ها و متغیرها برای انجام عملیات ریاضی ساده استفاده می کند.

این نرم افزار کاربردی مخصوص کار با اعداد از راه ماتریس ها و آرایه های چند بعدی می باشد که به صورت هوشمندانه طراحی و اجرا شده است. از مزیت های مهم آرایه‌ ها در کتابخانه نام پای این است که شما می‌ توانید سایز آن‌‌ ها را به حالت پویا تغییر دهید که این کار جهت افزایش سرعت برنامه‌ نویسی بسیار ضروری است. این کتابخانه امروزه جزو بسته بنیادی پایتون برای محاسبات علمی محسوب می شود.

ویژگی های مهم کتابخانه NumPy

کتابخانه NumPy یکی از نرم افزارهای مهم در زبان برنامه نویسی است که با توجه به ویژگی های منحصر به فردی که دارد، امروزه افراد زیادی از آن استفاده می کنند. برخی از ویژگی های مهم این برنامه که موجب محبوبیت آن در بین مردم شده است، عبارت است از:

• قابلیت نصب در سیستم عامل های گوناگون: افرادی که دارای سیستم عامل های مک و لینوکس هستند، می توانند این کتابخانه در پایتون را به آسانی نصب کنند. همچنین افرادی که دارای سیستم عامل ویندوز هستند که آنالوگ های مدیریت پکیج مثل لینوکس و مک را ندارند، می توانند پیش سازه نام پای را از اینترنت تهیه کنند.
• وجود آرایه های پیش فرض: در این برنامه آرایه هایی وجود دارند که از قبل آماده شده اند. در این صورت شما با توجه به احتیاجات خود، می توانید آن ها را به کار ببرید.
• تغییر تایپ آرایه ها: زمانی که قصد دارید تایپ یک آرایه را تغییر دهید، می توانید از گزینه astype استفاده کنید. در این مواقع با توجه ورودی که شما در اختیار آن قرار می دهید، نوع تایپ را تغییر می دهد.

محاسبات ریاضی با استفاده از NumPy

در مسئله های ریاضی، محاسبات ماتریس‌ ها مانند محاسبات عادی انجام می شود. به غیر از ضرب که به شکل درایه به درایه یعنی هر درایه با درایه متناسب با خود ضرب می شود. یا به شکل ماتریسی، که دارای روش مخصوص به خود هستند. نکات مربوط به این زمینه عبارت است از:

• هنگام انجام عملیات جمع، هر دو دستورات جمع درایه با درایه را انجام می دهند. توجه داشته باشید که اگر shape دو طرف جمع برابر نباشد، با خطا مواجه می شوید.
• هنگام انجام عملیات تفریق، هر دو دستورات یک کار واحد را انجام می ‌دهند. یعنی تفریق درایه‌ های نظیر به نظیر صورت می گیرد. توجه داشته باشید که اگر shape دو طرف تفریق برابر نباشد، با ارور مواجه می شوید.
• هنگام انجام عملیات ضرب، در دو ردیف اول، ضرب درایه با درایه صورت می گیرد و در اصل باید اندازه‌ ها برابر باشند. ولی در ردیف سوم، تابع dot ضرب ماتریسی را بر عهده دارد که آن را با روش خاص خود انجام می دهد.
• هنگام انجام عملیات تقسیم، کاملا به شکل درایه به درایه محاسبات صورت می گیرد.
• در تابع جذر نیز از تمام اعضا به طور کامل جذر گرفته می شود.

مزیت های استفاده از Numpy چیست؟

در حالت کلی Numpy یک کتابخانه برای کار با اعداد، آرایه ها، ماتریس و سایر عملیات ریاضی است. این کتابخانه مزیت های بسیار زیادی در برنامه نویسی دارد؛ به همین دلیل روز به روز موارد استفاده از آن افزایش پیدا می کند. برخی از مزیت های استفاده از این کتابخانه عبارت است از:

• نسبت به سایر کتابخانه ها و لیست ها، سرعت و قدرت فوق العاده بالاتری دارد.
• این برنامه به کاربران این امکان را می دهد که حتی آرایه های چند بعدی را طراحی و اجرا کنند.
• این برنامه فضا ذخیره سازی بسیار کمی را اشغال می کند.
• در حالت کلی بر روی لیست های پایتون نمی توان عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و … را انجام داد. اما بر روی آرایه ها انجام این عملیات امکان پذیر است.

بیشتر بخوانید: 8 کتابخانه معروف جاوا اسکریپت را در بیشتر بشناسید!

انواع توابع مهم و پرکاربرد در Numpy

برای سهولت کار با کتابخانه NumPy، در ابتدا باید با توابع مهم که کاربرد بسیار زیادی دارند، آشنایی داشته باشید. برخی از این توابع مهم عبارت است از:

• تابع array: آرایه مورد نظر شما را با توجه به ورودی مورد نظر تولید می کند.
• تابع full: تمام آرایه ها را با یک عدد مشخص و از قبل تعیین شده، پر می کند.
• تابع insert: عنصر را در ایندکس مشخص در آرایه درج می کند.
• تابع delete: عنصر را از آرایه مورد نظر حذف می کند.
• تابع type: نوع آبجکت و تایپ آرایه ها را تغییر می دهد.
• تابع dtype: مدل عنصر موجود در یک آرایه را به شما نشان می دهد.
• تابع astype: عنصر موجود در یک آرایه را تغییر می دهد.
• تابع index: به شما امکان دسترسی به عناصر آرایه را فراهم می کند.
• تابع slicing: به شما این امکان را می دهد که به اعضا یک آرایه از یک ایندکس به ایندکس دیگر دسترسی داشته باشید.
• تابع view: از آرایه های مورد نظر شما کپی هایی را تهیه می کند.
• تابع for in: بر روی اعضا آرایه پیمایش انجام‌ می دهد.
• و …

انواع اشکال آرایه در Numpy

آرایه ها در Numpy انواع مختلفی دارند که این اشکال با استفاده از shape در دسترس قرار می گیرند. همچنین با استفاده از dtype، می توان مدل آرایه و فضا در دست آن را مشاهده کرد. انواع اشکال آرایه در Numpy عبارت است از:

• آرایه‌ های دو بعدی: بعد دوم را می‌ توان با اضافه کردن یک کاما “,” معرفی کرد. البته دقت داشته باشید که داده‌ های پس از کاما هم در درون براکت باز و بسته یا باید در پرانتز () که اگر تاپل باشد، قرار بگیرد.
• آرایه‌ های سه بعدی: آرایه‌ ها با ابعاد بزرگتر به این صورت هستند که دوباره یک کاما و یک براکت باز و بسته دیگر اضافه می شود.
• آرایه با مقادیر صفر و یا با مقادیر یک در NumPy: شما می توانید با دستورات np.zeros و np.ones ماتریس‌ هایی را تولید کنید که همه عناصر آن صفر و یک باشند. این ماتریس‌ ها قادر هستند که برای مقدار دهی اولیه‌ ماتریس وزن‌ ها در شبکه‌ عصبی به کار بروند.

 آموزش نحوه نصب کتابخانه Numpy

آناکوندا یک پکیج کاربردی است که دارای تعدادی از ماژول‌ ها و کتابخانه‌ های پایتون است. این نرم افزار IDE های متنوع را برای تولید کد در اختیار کاربران قرار می‌ دهد. با نصب برنامه آناکوندا اکثر کتابخانه‌ های محاسباتی پایتون مانند NumPy، Pandas، Matplotlib و … به صورت خودکار نصب و راه اندازی می‌ شوند. برای دانلود و راه اندازی آناکوندا مناسب سیستم خود و همچنین نسخه‌ پایتونی که بر روی سیستم شما نصب شده است، می‌ توانید به سایت اصلی آناکوندا مراجعه کنید و اگر به علت بروز هر نوع مشکلاتی موفق نشدید که سایت مورد نظر خود را باز کنید، می‌ توانید در اینترنت آناکوندای مناسب سیستم عامل خود را جستجو کنید و آن را بر روی سیستم خود اجرا کنید.برای اطلاعات بیشتر در مورد دوره Python + دوره آموزش Python ( آموزش پایتون ) کلیلک کنید.

نصب و راه اندازی این نرم ‌افزار سختی چندان زیادی ندارد و کار بسیار آسانی است. فقط باید به موضوعی مهم توجه داشته باشید که شما پس از دانلود فایل و راه اندازی آن در طول نصب دو پنجره‌ برای شما نشان داده می شود. در این مرحله پنجره‌ سمت چپ زودتر از پنجره سمت راست به شما نمایش داده می شود. توجه داشته باشید که در پنجره‌ سمت چپ، تیک گزینه‌ اول را بر اساس راهنمایی های موجود در خود نرم‌افزار، علامت گذاری کنید. پنجره‌ سمت راست مرحله‌ پایانی نصب است، و دو گزینه‌ آخر موجود در آن را علامت نزنید.

سخن پایانی

Numpy یک کتابخانه برای پایتون است که از عملیات اصولی و ریاضیاتی را با آرایه‌ ها و ماتریس ها، عملیات های جبر خطی و سایر عملیات ریاضی را در کمترین زمان ممکن انجام می دهد. این نرم افزار سرعت فوق العاده بالایی دارد و کارایی آسان است. شما می توانید این نرم افزار را بر روی سیستم خود راه اندازی کنید و تمام عملیات ریاضی را با استفاده از آن در کمترین زمان ممکن انجام دهید.