Python NumPy（8）：NumPy 位运算、NumPy 字符串函数

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。

import numpy as nparr1 = 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。

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：

		1	1	0	1
AND
	1	0	0	0	1
运算结果	0	0	0	0	1

        位与操作运算规律如下：

A	B	AND
1	1	1
1	0	0
0	1	0
0	0	0

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。

import numpy as npa, 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：

		1	1	0	1
OR
	1	0	0	0	1
运算结果	1	1	1	0	1

        位或操作运算规律如下：

A	B	OR
1	1	1
1	0	1
0	1	1
0	0	0

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
5	00000000 00000000 00000000 00000101	5
~5	11111111 11111111 11111111 11111010	-6

import numpy as npprint('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。

import numpy as npprint('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。

import numpy as npprint('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。

import numpy as npprint('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。

import numpy as npprint(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。

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：

import numpy as npprint(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：

import numpy as npprint (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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

import numpy as npprint(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。

import numpy as npa = 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。

import numpy as npa = np.char.encode('ywz', 'cp500')
print(a)
print(np.char.decode(a, 'cp500'))