深入理解NumPy数组维度与形状：从一维到多维的创建与转换-Python教程-PHP中文网

深入理解NumPy数组维度与形状：从一维到多维的创建与转换

花韻仙語

发布： 2025-11-12 12:56:30

原创

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深入理解NumPy数组维度与形状：从一维到多维的创建与转换

numpy数组的形状`(n,)`表示一个具有n个元素的一维数组，而非通常误解的`(1, n)`（一个包含n列的二维数组）。本文将深入探讨numpy数组维度（`ndim`）与形状（`shape`）的核心概念，详细阐述如何通过嵌套列表正确创建不同维度的数组，并介绍多种将一维数组转换为指定二维或更高维度数组的实用技巧，包括直接修改`shape`属性和利用`np.newaxis`。

在NumPy中，理解数组的维度（ndim）和形状（shape）是进行高效数据处理的基础。这两个属性决定了数组数据的组织方式和访问模式。ndim表示数组的轴数（或维度数），而shape则是一个元组，指示了每个维度上元素的数量。

NumPy数组维度与形状的核心概念

当使用np.array()创建数组时，输入的Python列表结构直接决定了数组的维度。

考虑以下示例：

import numpy as np

A = np.array([
        [-1, 3],
        [3, 2]
    ], dtype=np.dtype(float))

b = np.array([7, 1], dtype=np.dtype(float))

print(f"Shape of A: {A.shape}")
print(f"Shape of b: {b.shape}")
print(f"Dimensions of A (ndim): {A.ndim}")
print(f"Dimensions of b (ndim): {b.ndim}")

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输出结果为：

Shape of A: (2, 2)
Shape of b: (2,)
Dimensions of A (ndim): 2
Dimensions of b (ndim): 1

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从输出可以看出，A的形状是(2, 2)，表示它是一个2维数组，在第一个轴上有2个元素，在第二个轴上也有2个元素。而b的形状是(2,)，这表示它是一个1维数组，在唯一的轴上有2个元素。这里的关键在于，shape元组中的元素数量与ndim（维度数）是相等的。b的shape是(2,)，只有一个元素，因此它是一个一维数组。

创建不同维度的NumPy数组

正确创建具有特定维度的数组是避免混淆的关键。

1. 一维数组 (1D Array)

一维数组由一个简单的Python列表创建，其ndim为1，shape为一个包含单个元素的元组。

import numpy as np

# 创建一个一维数组
arr_1d = np.array([7, 1], dtype=float)
print(f"arr_1d: {arr_1d}")
print(f"Shape of arr_1d: {arr_1d.shape}") # Output: (2,)
print(f"Dimensions of arr_1d: {arr_1d.ndim}") # Output: 1

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2. 二维数组 (2D Array)

二维数组通常表示为矩阵，由嵌套的Python列表创建。最外层的列表代表第一个维度（通常是行），内层列表代表第二个维度（通常是列）。

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import numpy as np

# 创建一个二维数组 (1行2列)
arr_2d_row_vector = np.array([[7, 1]], dtype=float)
print(f"arr_2d_row_vector: {arr_2d_row_vector}")
print(f"Shape of arr_2d_row_vector: {arr_2d_row_vector.shape}") # Output: (1, 2)
print(f"Dimensions of arr_2d_row_vector: {arr_2d_row_vector.ndim}") # Output: 2

# 创建一个二维数组 (2行1列)
arr_2d_col_vector = np.array([[7], [1]], dtype=float)
print(f"arr_2d_col_vector: {arr_2d_col_vector}")
print(f"Shape of arr_2d_col_vector: {arr_2d_col_vector.shape}") # Output: (2, 1)
print(f"Dimensions of arr_2d_col_vector: {arr_2d_col_vector.ndim}") # Output: 2

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对比np.array([7, 1])和np.array([[7, 1]])，核心区别在于后者多了一层方括号，这层方括号定义了数组的第一个维度。

3. 三维及更高维数组 (3D and Higher-Dimensional Arrays)

创建更高维度的数组遵循相同的嵌套列表原则。每增加一层嵌套列表，就增加一个维度。

import numpy as np

# 创建一个三维数组
arr_3d = np.array([[[7, 1]]], dtype=float)
print(f"arr_3d: {arr_3d}")
print(f"Shape of arr_3d: {arr_3d.shape}") # Output: (1, 1, 2)
print(f"Dimensions of arr_3d: {arr_3d.ndim}") # Output: 3

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数组维度转换技巧

在实际应用中，我们经常需要将现有数组的维度进行转换，例如将一维数组转换为二维数组。NumPy提供了多种灵活的方法来实现这一点。

1. 直接修改 shape 属性

可以直接为数组的shape属性赋值，将其修改为新的形状。需要注意的是，这种方法会就地（in-place）修改数组，并且新形状的元素总数必须与原数组的元素总数保持一致。

import numpy as np

b_original = np.array([7, 1], dtype=float)
print(f"Original b: {b_original}, Shape: {b_original.shape}")

# 将一维数组转换为 (1, 2) 的二维数组
b_original.shape = (1, 2)
print(f"Modified b: {b_original}, Shape: {b_original.shape}") # Output: array([[7., 1.]]), Shape: (1, 2)

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2. 使用 np.newaxis 或 None 增加维度

np.newaxis（或其别名None）是一个非常有用的工具，可以在数组的指定位置插入一个新轴（维度）。这通常用于在不改变数据顺序的情况下，增加数组的维度。

import numpy as np

b = np.array([7, 1], dtype=float)
print(f"Original b: {b}, Shape: {b.shape}")

# 在第一个轴（行）之前插入一个新轴，将 (2,) 变为 (1, 2)
b_reshaped_none = b[None, :]
print(f"Reshaped with None (row vector): {b_reshaped_none}, Shape: {b_reshaped_none.shape}") # Output: array([[7., 1.]]), Shape: (1, 2)

# 等效于 b[np.newaxis, :]
b_reshaped_newaxis = b[np.newaxis, :]
print(f"Reshaped with np.newaxis (row vector): {b_reshaped_newaxis}, Shape: {b_reshaped_newaxis.shape}")

# 在第二个轴（列）之后插入一个新轴，将 (2,) 变为 (2, 1)
b_reshaped_col = b[:, None]
print(f"Reshaped with None (column vector): {b_reshaped_col}, Shape: {b_reshaped_col.shape}") # Output: array([[7.], [1.]]), Shape: (2, 1)

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3. 使用 reshape() 方法

reshape()方法是NumPy中最常用的数组形状转换方法。它返回一个具有新形状的数组（通常是原数组的一个视图，但在某些情况下可能是副本），而不会就地修改原数组。

import numpy as np

b = np.array([7, 1], dtype=float)
print(f"Original b: {b}, Shape: {b.shape}")

# 使用 reshape 将 (2,) 转换为 (1, 2)
b_reshaped_method = b.reshape(1, 2)
print(f"Reshaped with reshape(): {b_reshaped_method}, Shape: {b_reshaped_method.shape}") # Output: array([[7., 1.]]), Shape: (1, 2)

# 使用 reshape 将 (2,) 转换为 (2, 1)
b_reshaped_col_method = b.reshape(2, 1)
print(f"Reshaped with reshape() (column vector): {b_reshaped_col_method}, Shape: {b_reshaped_col_method.shape}") # Output: array([[7.], [1.]]), Shape: (2, 1)

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总结与最佳实践

理解 shape 元组： shape元组中的元素数量等于数组的维度（ndim）。例如，(2,)表示1维数组，(1, 2)表示2维数组。
创建数组： 使用嵌套列表来精确控制数组的初始维度。一层列表创建一维数组，两层列表创建二维数组，以此类推。
维度转换：
- 对于简单的维度增加（例如将一维向量转换为行向量或列向量），np.newaxis或None是简洁且推荐的方式。
- reshape()方法是通用且灵活的，适用于各种复杂的形状转换，它返回一个新的数组对象。
- 直接修改shape属性 (array.shape = new_shape) 是一种就地修改方式，适用于确定不会改变元素总数的情况，但使用时需谨慎，以免影响其他引用该数组的地方。

掌握这些概念和技巧，将使您在NumPy中进行数据操作时更加得心应手，避免常见的维度混淆问题。

以上就是深入理解NumPy数组维度与形状：从一维到多维的创建与转换的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！