序言

什么是 NumPy 呢？

NumPy 这个词来源于两个单词 – Numerical和Python。其是一个功能强大的 Python 库，可以帮助程序员轻松地进行数值计算，通常应用于以下场景：

• 执行各种数学任务，如：数值积分、微分、内插、外推等。因此，当涉及到数学任务时，它形成了一种基于 Python 的 MATLAB 的快速替代。
• 计算机中的图像表示为多维数字数组。NumPy 提供了一些优秀的库函数来快速处理图像。例如，镜像图像、按特定角度旋转图像等。
• 在编写机器学习算法时，需要对矩阵进行各种数值计算。如：矩阵乘法、求逆、换位、加法等。NumPy 数组用于存储训练数据和机器学习模型的参数。

时间日期和时间增量

datetime64 基础

在 numpy 中，我们很方便的将字符串转换成时间日期类型 datetime64（datetime 已被 python 包含的日期时间库所占用）。

datatime64是带单位的日期时间类型，其单位如下：

注意：

• 1秒 = 1000 毫秒（milliseconds）
• 1毫秒 = 1000 微秒（microseconds）

【例】从字符串创建 datetime64 类型时，默认情况下，numpy 会根据字符串自动选择对应的单位。

import numpy as npa = np.datetime64('2020-03-01')
print(a, a.dtype)  # 2020-03-01 datetime64[D]a = np.datetime64('2020-03')
print(a, a.dtype)  # 2020-03 datetime64[M]a = np.datetime64('2020-03-08 20:00:05')
print(a, a.dtype)  # 2020-03-08T20:00:05 datetime64[s]a = np.datetime64('2020-03-08 20:00')
print(a, a.dtype)  # 2020-03-08T20:00 datetime64[m]a = np.datetime64('2020-03-08 20')
print(a, a.dtype)  # 2020-03-08T20 datetime64[h]

【例】从字符串创建 datetime64 类型时，可以强制指定使用的单位。

import numpy as npa = np.datetime64('2020-03', 'D')
print(a, a.dtype)  # 2020-03-01 datetime64[D]a = np.datetime64('2020-03', 'Y')
print(a, a.dtype)  # 2020 datetime64[Y]print(np.datetime64('2020-03') == np.datetime64('2020-03-01'))  # True

由上例可以看出，2019-03 和 2019-03-01 所表示的其实是同一个时间。
事实上，如果两个 datetime64 对象具有不同的单位，它们可能仍然代表相同的时刻。并且从较大的单位（如月份）转换为较小的单位（如天数）是安全的。

【例】从字符串创建 datetime64 数组时，如果单位不统一，则一律转化成其中最小的单位。

import numpy as npa = np.array(['2020-03', '2020-03-08', '2020-03-08 20:00'], dtype='datetime64')
print(a, a.dtype)
# ['2020-03-01T00:00' '2020-03-08T00:00' '2020-03-08T20:00'] datetime64[m]

【例】使用arange()创建 datetime64 数组，用于生成日期范围。

import numpy as npa = np.arange('2020-08-01', '2020-08-10', dtype=np.datetime64)
print(a)
# ['2020-08-01' '2020-08-02' '2020-08-03' '2020-08-04' '2020-08-05'
#  '2020-08-06' '2020-08-07' '2020-08-08' '2020-08-09']
print(a.dtype)  # datetime64[D]a = np.arange('2020-08-01 20:00', '2020-08-10', dtype=np.datetime64)
print(a)
# ['2020-08-01T20:00' '2020-08-01T20:01' '2020-08-01T20:02' ...
#  '2020-08-09T23:57' '2020-08-09T23:58' '2020-08-09T23:59']
print(a.dtype)  # datetime64[m]a = np.arange('2020-05', '2020-12', dtype=np.datetime64)
print(a)
# ['2020-05' '2020-06' '2020-07' '2020-08' '2020-09' '2020-10' '2020-11']
print(a.dtype)  # datetime64[M]

datetime64 和 timedelta64 运算

【例】timedelta64 表示两个 datetime64 之间的差。timedelta64 也是带单位的，并且和相减运算中的两个 datetime64 中的较小的单位保持一致。

import numpy as npa = np.datetime64('2020-03-08') - np.datetime64('2020-03-07')
b = np.datetime64('2020-03-08') - np.datetime64('202-03-07 08:00')
c = np.datetime64('2020-03-08') - np.datetime64('2020-03-07 23:00', 'D')print(a, a.dtype)  # 1 days timedelta64[D]
print(b, b.dtype)  # 956178240 minutes timedelta64[m]
print(c, c.dtype)  # 1 days timedelta64[D]a = np.datetime64('2020-03') + np.timedelta64(20, 'D')
b = np.datetime64('2020-06-15 00:00') + np.timedelta64(12, 'h')
print(a, a.dtype)  # 2020-03-21 datetime64[D]
print(b, b.dtype)  # 2020-06-15T12:00 datetime64[m]

【例】生成 timedelta64时，要注意年（‘Y’）和月（‘M’）这两个单位无法和其它单位进行运算（一年有几天？一个月有几个小时？这些都是不确定的）。

import numpy as npa = np.timedelta64(1, 'Y')
b = np.timedelta64(a, 'M')
print(a)  # 1 years
print(b)  # 12 monthsc = np.timedelta64(1, 'h')
d = np.timedelta64(c, 'm')
print(c)  # 1 hours
print(d)  # 60 minutesprint(np.timedelta64(a, 'D'))
# TypeError: Cannot cast NumPy timedelta64 scalar from metadata [Y] to [D] according to the rule 'same_kind'print(np.timedelta64(b, 'D'))
# TypeError: Cannot cast NumPy timedelta64 scalar from metadata [M] to [D] according to the rule 'same_kind'

【例】timedelta64 的运算。

import numpy as npa = np.timedelta64(1, 'Y')
b = np.timedelta64(6, 'M')
c = np.timedelta64(1, 'W')
d = np.timedelta64(1, 'D')
e = np.timedelta64(10, 'D')print(a)  # 1 years
print(b)  # 6 months
print(a + b)  # 18 months
print(a - b)  # 6 months
print(2 * a)  # 2 years
print(a / b)  # 2.0
print(c / d)  # 7.0
print(c % e)  # 7 days

【例】numpy.datetime64 与 datetime.datetime 相互转换

import numpy as np
import datetimedt = datetime.datetime(year=2020, month=6, day=1, hour=20, minute=5, second=30)
dt64 = np.datetime64(dt, 's')
print(dt64, dt64.dtype)
# 2020-06-01T20:05:30 datetime64[s]dt2 = dt64.astype(datetime.datetime)
print(dt2, type(dt2))
# 2020-06-01 20:05:30 <class 'datetime.datetime'>

datetime64 的应用

为了允许在只有一周中某些日子有效的上下文中使用日期时间，NumPy包含一组“busday”（工作日）功能。

• numpy.busday_offset(dates, offsets, roll='raise', weekmask='1111100', holidays=None, busdaycal=None, out=None) First adjusts the date to fall on a valid day according to the roll rule, then applies offsets to the given dates counted in valid days.

参数roll：{‘raise’, ‘nat’, ‘forward’, ‘following’, ‘backward’, ‘preceding’, ‘modifiedfollowing’, ‘modifiedpreceding’}

• ‘raise’ means to raise an exception for an invalid day.
• ‘nat’ means to return a NaT (not-a-time) for an invalid day.
• ‘forward’ and ‘following’ mean to take the first valid day later in time.
• ‘backward’ and ‘preceding’ mean to take the first valid day earlier in time.

【例】将指定的偏移量应用于工作日，单位天（‘D’）。计算下一个工作日，如果当前日期为非工作日，默认报错。可以指定 forward 或 backward 规则来避免报错。（一个是向前取第一个有效的工作日，一个是向后取第一个有效的工作日）

import numpy as np# 2020-07-10 星期五
a = np.busday_offset('2020-07-10', offsets=1)
print(a)  # 2020-07-13a = np.busday_offset('2020-07-11', offsets=1)
print(a)
# ValueError: Non-business day date in busday_offseta = np.busday_offset('2020-07-11', offsets=0, roll='forward')
b = np.busday_offset('2020-07-11', offsets=0, roll='backward')
print(a)  # 2020-07-13
print(b)  # 2020-07-10a = np.busday_offset('2020-07-11', offsets=1, roll='forward')
b = np.busday_offset('2020-07-11', offsets=1, roll='backward')
print(a)  # 2020-07-14
print(b)  # 2020-07-13

可以指定偏移量为 0 来获取当前日期向前或向后最近的工作日，当然，如果当前日期本身就是工作日，则直接返回当前日期。

• numpy.is_busday(dates, weekmask='1111100', holidays=None, busdaycal=None, out=None) Calculates which of the given dates are valid days, and which are not.

【例】返回指定日期是否是工作日。

import numpy as np# 2020-07-10 星期五
a = np.is_busday('2020-07-10')
b = np.is_busday('2020-07-11')
print(a)  # True
print(b)  # False

【例】统计一个 datetime64[D] 数组中的工作日天数。

import numpy as np# 2020-07-10 星期五
begindates = np.datetime64('2020-07-10')
enddates = np.datetime64('2020-07-20')
a = np.arange(begindates, enddates, dtype='datetime64')
b = np.count_nonzero(np.is_busday(a))
print(a)
# ['2020-07-10' '2020-07-11' '2020-07-12' '2020-07-13' '2020-07-14'
#  '2020-07-15' '2020-07-16' '2020-07-17' '2020-07-18' '2020-07-19']
print(b)  # 6

【例】自定义周掩码值，即指定一周中哪些星期是工作日。

import numpy as np# 2020-07-10 星期五
a = np.is_busday('2020-07-10', weekmask=[1, 1, 1, 1, 1, 0, 0])
b = np.is_busday('2020-07-10', weekmask=[1, 1, 1, 1, 0, 0, 1])
print(a)  # True
print(b)  # False

• numpy.busday_count(begindates, enddates, weekmask='1111100', holidays=[], busdaycal=None, out=None)Counts the number of valid days between begindates and enddates, not including the day of enddates.

【例】返回两个日期之间的工作日数量。

import numpy as np# 2020-07-10 星期五
begindates = np.datetime64('2020-07-10')
enddates = np.datetime64('2020-07-20')
a = np.busday_count(begindates, enddates)
b = np.busday_count(enddates, begindates)
print(a)  # 6
print(b)  # -6

参考图文

• https://www.jianshu.com/p/336cd77d9914
• https://www.cnblogs.com/gl1573/p/10549547.html#h2datetime64
• https://www.numpy.org.cn/reference/arrays/datetime.html#%E6%97%A5%E6%9C%9F%E6%97%B6%E9%97%B4%E5%8D%95%E4%BD%8D

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我是 终身学习者“老马”，一个长期践行“结伴式学习”理念的 中年大叔。

我崇尚分享，渴望成长，于2010年创立了“LSGO软件技术团队”，并加入了国内著名的开源组织“Datawhale”，也是“Dre@mtech”、“智能机器人研究中心”和“大数据与哲学社会科学实验室”的一员。

愿我们一起学习，一起进步，相互陪伴，共同成长。

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