量化分析师的Python日记【第3天：一大波金融Library来袭之numpy篇】

接下来要给大家介绍的系列中包含了Python在量化金融中运用最广泛的几个Library:

numpy

scipy

pandas

matplotlib

会给初学者一一介绍

NumPy 简介

一、NumPy是什么？

量化分析的工作涉及到大量的数值运算，一个高效方便的科学计算工具是必不可少的。Python语言一开始并不是设计为科学计算使用的语言，随着越来越多的人发现Python的易用性，逐渐出现了关于Python的大量外部扩展，NumPy (Numeric Python)就是其中之一。NumPy提供了大量的数值编程工具，可以方便地处理向量、矩阵等运算，极大地便利了人们在科学计算方面的工作。另一方面，Python是免费，相比于花费高额的费用使用Matlab，NumPy的出现使Python得到了更多人的青睐。

我们可以简单看一下如何开始使用NumPy：

In [1]:

import numpy
numpy.version.full_version

Out[1]:

'1.8.0'

我们使用了"import"命令导入了NumPy，并使用numpy.version.full_version查出了量化实验室里使用的NumPy版本为1.8.0。在往后的介绍中，我们将大量使用NumPy中的函数，每次都添加numpy在函数前作为前缀比较费劲，在之前的介绍中，我们提及了引入外部扩展模块时的小技巧，可以使用"from numpy import *"解决这一问题。

那么问题解决了？慢！Python的外部扩展成千上万，在使用中很可能会import好几个外部扩展模块，如果某个模块包含的属性和方法与另一个模块同名，就必须使用import module来避免名字的冲突。即所谓的名字空间（namespace）混淆了，所以这前缀最好还是带上。

那有没有简单的办法呢？有的，我们可以在import扩展模块时添加模块在程序中的别名，调用时就不必写成全名了，例如，我们使用"np"作为别名并调用version.full_version函数：

In [2]:

import numpy as np
np.version.full_version

Out[2]:

'1.8.0'

二、初窥NumPy对象：数组¶

NumPy中的基本对象是同类型的多维数组（homogeneous multidimensional array），这和C++中的数组是一致的，例如字符型和数值型就不可共存于同一个数组中。先上例子：

In [3]:

a = np.arange(20)

这里我们生成了一个一维数组a，从0开始，步长为1，长度为20。Python中的计数是从0开始的，R和Matlab的使用者需要小心。可以使用print查看：

In [4]:

print a

[ 0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19]

我们可以通过"type"函数查看a的类型，这里显示a是一个array：

In [5]:

type(a)

Out[5]:

numpy.ndarray

通过函数"reshape"，我们可以重新构造一下这个数组，例如，我们可以构造一个4*5的二维数组，其中"reshape"的参数表示各维度的大小，且按各维顺序排列（两维时就是按行排列，这和R中按列是不同的）：

In [6]:

a = a.reshape(4, 5)
print a

[[ 0  1  2  3  4][ 5  6  7  8  9][10 11 12 13 14][15 16 17 18 19]]

构造更高维的也没问题:

In [7]:

a = a.reshape(2, 2, 5)
print a

[[[ 0  1  2  3  4][ 5  6  7  8  9]][[10 11 12 13 14][15 16 17 18 19]]]

既然a是array，我们还可以调用array的函数进一步查看a的相关属性："ndim"查看维度；"shape"查看各维度的大小；"size"查看全部的元素个数，等于各维度大小的乘积；"dtype"可查看元素类型；"dsize"查看元素占位（bytes）大小。

In [8]:

a.ndim

Out[8]:

In [9]:

a.shape

Out[9]:

(2, 2, 5)

In [10]:

a.size

Out[10]:

In [11]:

a.dtype

Out[11]:

dtype('int64')

三、创建数组¶

数组的创建可通过转换列表实现，高维数组可通过转换嵌套列表实现：

In [12]:

raw = [0,1,2,3,4]
a = np.array(raw)
a

Out[12]:

array([0, 1, 2, 3, 4])

In [13]:

raw = [[0,1,2,3,4], [5,6,7,8,9]]
b = np.array(raw)
b

Out[13]:

array([[0, 1, 2, 3, 4],[5, 6, 7, 8, 9]])

一些特殊的数组有特别定制的命令生成，如4*5的全零矩阵：

In [14]:

d = (4, 5)
np.zeros(d)

Out[14]:

array([[ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.],[ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.],[ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.],[ 0.,  0.,  0.,  0.,  0.]])

默认生成的类型是浮点型，可以通过指定类型改为整型：

In [15]:

d = (4, 5)
np.ones(d, dtype=int)

Out[15]:

array([[1, 1, 1, 1, 1],[1, 1, 1, 1, 1],[1, 1, 1, 1, 1],[1, 1, 1, 1, 1]])

[0, 1)区间的随机数数组：

In [16]:

np.random.rand(5)

Out[16]:

array([ 0.29527786,  0.5790265 ,  0.80226103,  0.8242678 ,  0.4318122 ])

四、数组操作¶

简单的四则运算已经重载过了，全部的'+'，'-'，'*'，'/'运算都是基于全部的数组元素的，以加法为例：

In [17]:

a = np.array([[1.0, 2], [2, 4]])
print "a:"
print a
b = np.array([[3.2, 1.5], [2.5, 4]])
print "b:"
print b
print "a+b:"
print a+b

a:
[[ 1.  2.][ 2.  4.]]
b:
[[ 3.2  1.5][ 2.5  4. ]]
a+b:
[[ 4.2  3.5][ 4.5  8. ]]

这里可以发现，a中虽然仅有一个与元素是浮点数，其余均为整数，在处理中Python会自动将整数转换为浮点数（因为数组是同质的），并且，两个二维数组相加要求各维度大小相同。当然，NumPy里这些运算符也可以对标量和数组操作，结果是数组的全部元素对应这个标量进行运算，还是一个数组：

In [18]:

print "3 * a:"
print 3 * a
print "b + 1.8:"
print b + 1.8

3 * a:
[[  3.   6.][  6.  12.]]
b + 1.8:
[[ 5.   3.3][ 4.3  5.8]]

类似C++，'+='、'-='、'*='、'/='操作符在NumPy中同样支持：

In [19]:

a /= 2
print a

[[ 0.5  1. ][ 1.   2. ]]

开根号求指数也很容易：

In [20]:

print "a:"
print a
print "np.exp(a):"
print np.exp(a)
print "np.sqrt(a):"
print np.sqrt(a)
print "np.square(a):"
print np.square(a)
print "np.power(a, 3):"
print np.power(a, 3)

a:
[[ 0.5  1. ][ 1.   2. ]]
np.exp(a):
[[ 1.64872127  2.71828183][ 2.71828183  7.3890561 ]]
np.sqrt(a):
[[ 0.70710678  1.        ][ 1.          1.41421356]]
np.square(a):
[[ 0.25  1.  ][ 1.    4.  ]]
np.power(a, 3):
[[ 0.125  1.   ][ 1.     8.   ]]

需要知道二维数组的最大最小值怎么办？想计算全部元素的和、按行求和、按列求和怎么办？for循环吗？不，NumPy的ndarray类已经做好函数了：

In [21]:

a = np.arange(20).reshape(4,5)
print "a:"
print a
print "sum of all elements in a: " + str(a.sum())
print "maximum element in a: " + str(a.max())
print "minimum element in a: " + str(a.min())
print "maximum element in each row of a: " + str(a.max(axis=1))
print "minimum element in each column of a: " + str(a.min(axis=0))

a:
[[ 0  1  2  3  4][ 5  6  7  8  9][10 11 12 13 14][15 16 17 18 19]]
sum of all elements in a: 190
maximum element in a: 19
minimum element in a: 0
maximum element in each row of a: [ 4  9 14 19]
minimum element in each column of a: [0 1 2 3 4]

科学计算中大量使用到矩阵运算，除了数组，NumPy同时提供了矩阵对象（matrix）。矩阵对象和数组的主要有两点差别：一是矩阵是二维的，而数组的可以是任意正整数维；二是矩阵的'*'操作符进行的是矩阵乘法，乘号左侧的矩阵列和乘号右侧的矩阵行要相等，而在数组中'*'操作符进行的是每一元素的对应相乘，乘号两侧的数组每一维大小需要一致。数组可以通过asmatrix或者mat转换为矩阵，或者直接生成也可以：

In [22]:

a = np.arange(20).reshape(4, 5)
a = np.asmatrix(a)
print type(a)b = np.matrix('1.0 2.0; 3.0 4.0')
print type(b)

<class 'numpy.matrixlib.defmatrix.matrix'>
<class 'numpy.matrixlib.defmatrix.matrix'>

再来看一下矩阵的乘法，这使用arange生成另一个矩阵b，arange函数还可以通过arange(起始，终止，步长)的方式调用生成等差数列，注意含头不含尾。

In [23]:

b = np.arange(2, 45, 3).reshape(5, 3)
b = np.mat(b)
print b

[[ 2  5  8][11 14 17][20 23 26][29 32 35][38 41 44]]

有人要问了，arange指定的是步长，如果想指定生成的一维数组的长度怎么办？好办，"linspace"就可以做到：

In [24]:

np.linspace(0, 2, 9)

Out[24]:

array([ 0.  ,  0.25,  0.5 ,  0.75,  1.  ,  1.25,  1.5 ,  1.75,  2.  ])

回到我们的问题，矩阵a和b做矩阵乘法：

In [25]:

print "matrix a:"
print a
print "matrix b:"
print b
c = a * b
print "matrix c:"
print c

matrix a:
[[ 0  1  2  3  4][ 5  6  7  8  9][10 11 12 13 14][15 16 17 18 19]]
matrix b:
[[ 2  5  8][11 14 17][20 23 26][29 32 35][38 41 44]]
matrix c:
[[ 290  320  350][ 790  895 1000][1290 1470 1650][1790 2045 2300]]

五、数组元素访问¶

数组和矩阵元素的访问可通过下标进行，以下均以二维数组（或矩阵）为例：

In [26]:

a = np.array([[3.2, 1.5], [2.5, 4]])
print a[0][1]
print a[0, 1]

1.5
1.5

可以通过下标访问来修改数组元素的值：

In [27]:

b = a
a[0][1] = 2.0
print "a:"
print a
print "b:"
print b

a:
[[ 3.2  2. ][ 2.5  4. ]]
b:
[[ 3.2  2. ][ 2.5  4. ]]

现在问题来了，明明改的是a[0][1]，怎么连b[0][1]也跟着变了？这个陷阱在Python编程中很容易碰上，其原因在于Python不是真正将a复制一份给b，而是将b指到了a对应数据的内存地址上。想要真正的复制一份a给b，可以使用copy：

In [28]:

a = np.array([[3.2, 1.5], [2.5, 4]])
b = a.copy()
a[0][1] = 2.0
print "a:"
print a
print "b:"
print b

a:
[[ 3.2  2. ][ 2.5  4. ]]
b:
[[ 3.2  1.5][ 2.5  4. ]]

若对a重新赋值，即将a指到其他地址上，b仍在原来的地址上：

In [29]:

a = np.array([[3.2, 1.5], [2.5, 4]])
b = a
a = np.array([[2, 1], [9, 3]])
print "a:"
print a
print "b:"
print b

a:
[[2 1][9 3]]
b:
[[ 3.2  1.5][ 2.5  4. ]]

利用':'可以访问到某一维的全部数据，例如取矩阵中的指定列：

In [30]:

a = np.arange(20).reshape(4, 5)
print "a:"
print a
print "the 2nd and 4th column of a:"
print a[:,[1,3]]

a:
[[ 0  1  2  3  4][ 5  6  7  8  9][10 11 12 13 14][15 16 17 18 19]]
the 2nd and 4th column of a:
[[ 1  3][ 6  8][11 13][16 18]]

稍微复杂一些，我们尝试取出满足某些条件的元素，这在数据的处理中十分常见，通常用在单行单列上。下面这个例子是将第一列大于5的元素（10和15）对应的第三列元素（12和17）取出来：

In [31]:

a[:, 2][a[:, 0] > 5]

Out[31]:

array([12, 17])

可使用where函数查找特定值在数组中的位置：

In [32]:

loc = numpy.where(a==11)
print loc
print a[loc[0][0], loc[1][0]]

(array([2]), array([1]))
11

六、数组操作¶

还是拿矩阵（或二维数组）作为例子，首先来看矩阵转置：

In [33]:

a = np.random.rand(2,4)
print "a:"
print a
a = np.transpose(a)
print "a is an array, by using transpose(a):"
print a
b = np.random.rand(2,4)
b = np.mat(b)
print "b:"
print b
print "b is a matrix, by using b.T:"
print b.T

a:
[[ 0.73405579  0.26554639  0.35149432  0.55072272][ 0.24976217  0.1432836   0.02280897  0.96363208]]
a is an array, by using transpose(a):
[[ 0.73405579  0.24976217][ 0.26554639  0.1432836 ][ 0.35149432  0.02280897][ 0.55072272  0.96363208]]
b:
[[ 0.50191358  0.43575713  0.21853438  0.35257304][ 0.73577449  0.57833658  0.65631312  0.91946705]]
b is a matrix, by using b.T:
[[ 0.50191358  0.73577449][ 0.43575713  0.57833658][ 0.21853438  0.65631312][ 0.35257304  0.91946705]]

矩阵求逆：

In [34]:

import numpy.linalg as nlg
a = np.random.rand(2,2)
a = np.mat(a)
print "a:"
print a
ia = nlg.inv(a)
print "inverse of a:"
print ia
print "a * inv(a)"
print a * ia

a:
[[ 0.24986812  0.64203429][ 0.68509577  0.89203528]]
inverse of a:
[[-4.11144764  2.95917709][ 3.15765019 -1.15165815]]
a * inv(a)
[[  1.00000000e+00  -1.11022302e-16][  0.00000000e+00   1.00000000e+00]]

求特征值和特征向量

In [35]:

a = np.random.rand(3,3)
eig_value, eig_vector = nlg.eig(a)
print "eigen value:"
print eig_value
print "eigen vector:"
print eig_vector

eigen value:
[-0.32257267  1.51331428  0.71559965]
eigen vector:
[[-0.23964687  0.65384676 -0.42020057][ 0.88862492  0.47277525 -0.1893484 ][-0.39104365  0.59073512  0.88745629]]

按列拼接两个向量成一个矩阵：

In [36]:

a = np.array((1,2,3))
b = np.array((2,3,4))
print np.column_stack((a,b))

[[1 2][2 3][3 4]]

在循环处理某些数据得到结果后，将结果拼接成一个矩阵是十分有用的，可以通过vstack和hstack完成：

In [37]:

a = np.random.rand(2,2)
b = np.random.rand(2,2)
print "a:"
print a
print "b:"
print a
c = np.hstack([a,b])
d = np.vstack([a,b])
print "horizontal stacking a and b:"
print c
print "vertical stacking a and b:"
print d

a:
[[ 0.35141277  0.54723877][ 0.39645303  0.88763732]]
b:
[[ 0.35141277  0.54723877][ 0.39645303  0.88763732]]
horizontal stacking a and b:
[[ 0.35141277  0.54723877  0.42007564  0.80002737][ 0.39645303  0.88763732  0.3000728   0.61844297]]
vertical stacking a and b:
[[ 0.35141277  0.54723877][ 0.39645303  0.88763732][ 0.42007564  0.80002737][ 0.3000728   0.61844297]]

七、缺失值¶

缺失值在分析中也是信息的一种，NumPy提供nan作为缺失值的记录，通过isnan判定。

In [38]:

a = np.random.rand(2,2)
a[0, 1] = np.nan
print np.isnan(a)

[[False  True][False False]]

nan_to_num可用来将nan替换成0，在后面会介绍到的更高级的模块pandas时，我们将看到pandas提供能指定nan替换值的函数。

In [39]:

print np.nan_to_num(a)

[[ 0.18218581  0.        ][ 0.26662401  0.05607354]]

NumPy还有很多的函数，想详细了解可参考链接http://wiki.scipy.org/Numpy_Example_List 和http://docs.scipy.org/doc/numpy

最后献上NumPy SciPy Pandas Cheat Sheet

http://q.datayes.com