NumPy - 数组减法

NumPy 数组减法

NumPy 数组减法允许您在数组之间执行逐元素减法。此运算将一个数组的对应元素从另一个相同形状的数组中减去，从而生成一个具有相同形状的新数组，并包含减去后的值。

如果两个数组的形状不同，NumPy 会在特定条件下广播较小的数组以匹配较大数组的形状。

NumPy 中的逐元素减法

逐元素减法是 NumPy 中最基本的数组减法形式，即将两个数组的对应元素相减，从而生成一个新数组。

这种减法运算针对相同形状的数组，对两个数组中的每对元素分别执行减法运算。

示例

在下面的示例中，我们将数组 a 中的每个元素从数组 a 的对应元素中减去 -

import numpy as np

# 创建两个数组
a = np.array([5, 6, 7])
b = np.array([1, 2, 3])

# 执行逐元素减法
result = a - b
print(result)

以下是得到的输出 -

[4 4 4]

从 NumPy 数组中减去标量

从数组中减去标量(单个值)时，标量会被广播以匹配数组的形状。这意味着标量实际上被当作与原始数组形状相同的数组来处理，所有元素都等于标量值。

广播解释了 NumPy 如何管理涉及不同形状数组的算术运算。当计算中使用不同形状的数组时，NumPy 会根据广播规则自动调整它们的形状以使其相互兼容。

示例

在此示例中，我们从数组"a"的每个元素中减去标量"10"-

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([5, 6, 7])

# 减去标量
result = a - 2
print(result)

这将产生以下结果-

[3 4 5]

对不同形状的 NumPy 数组进行减法

NumPy 中的广播允许通过调整维度使不同形状的数组彼此匹配，从而实现减法运算。

NumPy 通过从最右侧比较并向左移动来对齐维度以进行广播。如果维度相等，或者一个维度为 1，则维度兼容，然后扩展该维度以匹配另一个维度。

当维度不直接对齐时，NumPy 会根据需要沿着不匹配的维度扩展较小的数组，以适应较大数组的形状。

示例

在下面的示例中，数组"b"被广播以匹配数组"a"的形状，然后执行逐元素减法 -

import numpy as np

# 创建不同形状的数组
a = np.array([[5, 6, 7], [8, 9, 10]])
b = np.array([1, 2, 3])

# 使用广播对数组进行减法运算
result = a - b
print(result)

以下是上述代码的输出 -

[[4 4 4]
[7 7 7]]

使用广播对多维数组进行减法运算

在 NumPy 中，广播允许在不同形状的多维数组之间进行算术运算(例如减法)，方法是自动扩展较小数组的维度以匹配较大数组的形状。

示例

在下面的示例中，我们广播一维数组数组"b"的维度与二维数组"a"的维度一致 -

import numpy as np

# 创建多维数组
a = np.array([[10, 20, 30], [40, 50, 60]])
b = np.array([5, 15, 25])

# 使用广播对多维数组进行减法
result = a - b[np.newaxis, :]
print(result)

输出结果如下 -

[[ 5 15 25]
[25 35 45]]

使用广播函数进行减法

广播NumPy 不仅允许直接进行逐元素算术运算，而且还支持将函数应用于不同形状的数组。通过广播，您可以对不同形状的数组使用各种数学函数。

示例

在此示例中，我们从数组"a"的每个元素中减去标量"5"，然后逐个元素应用"sine"函数 -

import numpy as np

# 创建数组
a = np.array([10, 20, 30])

# 使用广播应用函数
result = np.sin(a - 5)
print(result)

执行上述代码后，我们得到以下输出 -

[-0.95892427 -0.7568025 0.14112001]

减去不兼容的数组

如果我们尝试在 NumPy 中减去不兼容的数组，操作将失败并引发 ValueError。 NumPy 使用广播来处理不同形状数组之间的运算，但这只有在形状根据特定规则兼容的情况下才可行。

示例

在本例中，数组"a"和"b"的形状不兼容广播，导致错误 -

import numpy as np

# 创建形状不兼容的数组
a = np.array([10, 20, 30])
b = np.array([[1, 2], [3, 4]])

# 对不兼容的数组进行减法运算
result = a - b
print(result)

生成的结果如下 -

Traceback (most recent call last):File "/home/cg/root/66a1de2fae52f/main.py", line 8, in <module>result = a - bValueError: operands could not be broadcast together with shapes (3,) (2,2)