一、numpy的背景介绍
NumPy 是 Python 语言的一个扩展程序库，支持大量的维度数组与矩阵运算。此外，NumPy 也提供很多数学函数库。Numpy的主要对象是同种元素的多维数组。这是一个所有的元素都是一种类型、通过一个正整数元组索引的元素表格（通常元素为数字），元素个数是元组各维度大小的乘积。
类似于列表（List）的数据结构， NumPy可以帮助程序员处理数组、矩阵和其他类型的数学元素。NumPy可以理解为 Python 的大型软件包，该软件包种类丰富，功能齐全，被广泛应用于科学和工程领域的数值计算、数据分析和数据可视化。
NumPy常常与SciPy（Scientific Python）和Matplotlib（绘图库）一同使用，这些软件包的目的是为Python提供一个强大的科学计算环境。在程序员广泛使用的统计Python库pandas中，也使用了NumPy数据结构。
二、numpy的主要功能
1、NumPy包包含的功能如下：
1.1、快速高效的多维数组对象ndarray；
1.2、用于对数组执行元素级运算及直接对数组执行数学运算的函数；
1.3、用于读写硬盘上基于数组的数据集的工具；
1.4、线性代数运算、傅里叶变换以及随机数生成；
1.5、广播功能用于对多个数组进行操作。
2、numpy中的对象是多维数组对象，即ndarray对象（N维数组对象），数组中的元素是同质的（同一类型），其下标从0开始。
3、numpy中的数组可以进行各种数据运算，包括简单的元素运算（如加、减、乘、除等）和复杂的矩阵运算（如广义矩阵乘法、转置等）。
三、numpy基本操作示例
下面的代码展示了NumPy数组的一些基本操作，如创建ndarray对象，数组的属性和方法，以及元素级运算：
import numpy as np
# 创建一个 ndarray 对象
a = np.array([1, 2, 3])
b = np.array([[1, 2], [3, 4],[5,6]])
# 输出数组a和b的属性
print("数组a的维数：", a.ndim)
print("数组b的维数：", b.ndim)
print("数组a的形状：", a.shape)
print("数组b的形状：", b.shape)
print("数组a的元素个数：", a.size)
print("数组b的元素个数：", b.size)
print("数组a的数据类型：", a.dtype)
print("数组b的数据类型：", b.dtype)
# 数组的元素级运算
print("a+2=", a+2)
print("b*2=n", b*2)
print("a**2=", a**2)
print("b+b=n", b+b)四、numpy与pandas的应用
NumPy常与pandas（Python数据分析库）一同使用，形成一套高效的数据分析环境。pandas主要用于数据的导入和处理，NumPy主要实现数据的计算和分析。例如，我们可以用pandas将数据从不同的数据源（如csv文件、数据库等）中导入到内存中，然后使用NumPy进行计算和分析。
下面的代码示例展示了pandas和NumPy库在计算收益率方面的应用：
import pandas as pd
import numpy as np
# 读取收益率数据
df = pd.read_csv('returns.csv')
df.dropna(inplace=True)
returns = df.values
# 计算平均收益率和标准差
mean = np.mean(returns, axis=0)
std = np.std(returns, axis=0)
# 输出平均收益率和标准差
print("平均收益率：", mean)
print("收益率标准差：", std)五、numpy与matplotlib的应用
NumPy和matplotlib（Python绘图库）一同使用，可以实现数据分析与可视化的完美结合。例如，我们可以使用NumPy进行数据计算和分析，然后使用matplotlib绘制出相应的图表。
下面的代码展示了NumPy和matplotlib库的应用，绘制出了正态分布的概率密度曲线：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成正态分布随机数
mu, h, n = 100, 20, 10000
x = mu + h * np.random.randn(n)
# 绘制直方图
plt.hist(x, 50, density=True, alpha=0.5, color='b')
# 绘制概率密度曲线
x1 = np.linspace(mu - 3*h, mu + 3*h, 100)
y = np.exp(-(x1 - mu) ** 2 / (2*h**2)) / np.sqrt(2*np.pi*h**2)
plt.plot(x1, y, 'r--', linewidth=2)
# 显示图形
plt.show()六、总结
本文介绍了NumPy的背景和主要功能，并给出了NumPy的基本操作示例及其与pandas、matplotlib等其他Python库的应用示例。NumPy的底层用C语言编写，能够高效地进行数组计算和数据分析，并且功能非常强大。NumPy已经成为科学计算和数据分析领域的一个必备的工具，程序员必须掌握它的使用方法。