サイトアイコン 【TechGrowUp】

Python開発入門36 PythonのNumPyを使った科学計算

Daichi Mizuno

はじめに

Pythonで科学計算やデータ分析を行う際に欠かせないライブラリがNumPyです。NumPy（Numerical Python）は、効率的な配列操作や数値計算の機能を提供するPythonライブラリで、データ処理や機械学習、統計分析などさまざまな分野で活用されています。

この記事では、NumPyの基本的な使い方から、配列操作や計算機能の応用例をわかりやすく解説します。

NumPyとは

NumPyの概要

NumPyは、多次元配列（ndarray）を中心とした数値計算のためのライブラリです。
Python標準のリストに比べて、以下のような利点があります：

NumPyの主な特徴

  1. 多次元配列（ndarray）のサポート
    一次元、二次元、さらに高次元の配列を簡単に扱えます。
  2. 高速な数値計算
    C言語で実装されており、Python標準のリストよりも数十倍高速です。
  3. 便利な数学関数
    線形代数、フーリエ変換、乱数生成など、幅広い機能が利用可能。
  4. エコシステムとの統合
    PandasやMatplotlibなど、他のデータ分析ツールとの連携がスムーズ。

NumPyのインストール

NumPyはPyPIからインストール可能です。以下のコマンドを実行してください：

pip install numpy

インストール確認：
インストール後、バージョンを確認するには以下を実行します：

import numpy as np
print(np.__version__)

NumPyの基本操作

配列の作成

NumPyの中心となるのは多次元配列（ndarray）です。以下の方法で配列を作成できます。

1-1. 配列を手動で作成
import numpy as np

# 一次元配列
array1 = np.array([1, 2, 3, 4])

# 二次元配列
array2 = np.array([[1, 2], [3, 4]])

print(array1)
print(array2)
1-2. 特殊な配列の作成

NumPyには、特殊な配列を簡単に作成する関数が用意されています。

# ゼロで初期化された配列
zeros = np.zeros((2, 3))

# 全て1の配列
ones = np.ones((3, 3))

# ランダムな値を持つ配列
random_array = np.random.rand(2, 2)

print(zeros)
print(ones)
print(random_array)

配列の基本操作

NumPy配列は、柔軟な操作が可能です。

2-1. 配列の形状を確認
array = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(array.shape)  # 出力: (2, 3)
2-2. 配列のデータ型を確認
print(array.dtype)  # 出力: int32 または int64
2-3. 配列の要素にアクセス
print(array[0, 1])  # 出力: 2 （1行目の2列目）

配列の計算

NumPyでは、配列全体に対する演算が簡単に行えます。

array1 = np.array([1, 2, 3])
array2 = np.array([4, 5, 6])

# 要素ごとの加算
result = array1 + array2

# 要素ごとの乗算
result = array1 * array2

print(result)

応用操作

配列の形状変更

配列の形状を変更するにはreshape()を使用します。

array = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 6])
reshaped = array.reshape(2, 3)
print(reshaped)

配列の結合と分割

結合
array1 = np.array([1, 2])
array2 = np.array([3, 4])

# 配列の結合
result = np.concatenate((array1, array2))
print(result)
分割
array = np.array([1, 2, 3, 4])
split = np.array_split(array, 2)
print(split)

乱数の生成

乱数を生成するための関数も豊富に用意されています。

random_integers = np.random.randint(0, 10, size=(3, 3))
print(random_integers)

NumPyの活用例

行列の計算

matrix1 = np.array([[1, 2], [3, 4]])
matrix2 = np.array([[5, 6], [7, 8]])

# 行列の積
result = np.dot(matrix1, matrix2)
print(result)

統計の計算

array = np.array([1, 2, 3, 4, 5])

# 平均
mean = np.mean(array)

# 標準偏差
std_dev = np.std(array)

print(mean, std_dev)

NumPyを使う際の注意点

  1. Pythonリストとの違いに注意
    NumPy配列は固定されたデータ型を持つため、異なる型を混在させると予期しない結果になる場合があります。
  2. メモリ効率を意識
    高次元配列や大規模データを扱う際は、メモリ消費量を考慮しましょう。
  3. 適切なデータ型の選択
    必要に応じてデータ型を指定することで、パフォーマンスを最適化できます。

まとめ

NumPyは、Pythonでの科学計算やデータ処理を効率化するための必須ツールです。高速かつ柔軟な配列操作機能を備えており、初心者から上級者まで幅広い用途で利用されています。この記事を参考に、NumPyの基本操作から応用までをマスターして、Pythonでのデータ処理スキルをさらに向上させましょう！

モバイルバージョンを終了