公众号:尤而小屋作者:Peter编辑:Peter
大家好,我是Peter~
小屋里面一直在输出关于数据科学领域的文章,绝大部分都是基于Python,少量的MySQL(MySQL存储数据用)。本文重点给大家介绍Python中科学领域常用的20个库。
数据科学首选Python
Python是当今使用最广泛的编程语言,其在数据科学领域表现出色,原因主要有以下几点:
小编带领大家快速认识下20个最适合数据科学的Python库,它们主要涉及:数值计算、数据预处理、数据可视化、机器学习建模、深度学习建模、模型可解释性等:
- NumPy
- SciPy
- Pandas
- Matplotlib
- SciKit-Learn
- TensorFlow
- Keras
- PyTorch
- Scrapy
- BeautifulSoup
- LightGBM
- plolty
- ELI5
- Theano
- NuPIC
- Ramp
- Bob
- PyBrain
- Caffe2
- Chainer
1、SciPy
SciPy(Scientific Python)是一个免费和开源的Python库,用于数据科学,广泛用于高级计算。它广泛用于科学和技术计算,因为它扩展了NumPy,并为科学计算提供了许多用户友好且高效的例程。
特点:
主要应用:
- 多维图像操作
- 解决微分方程和傅里叶变换
- 优化算法
- 线性代数、积分、插值等
2、Numpy
NumPy(Numeric Python)是Python中用于数值计算的基本软件包;它包含一个功能强大的N维数组对象。
NumPy的由来可以追溯到Python语言的一个扩展程序库,即Numeric,它代表“Numeric Python”。Numeric最早是由Jim Hugunin与其它协作者共同开发的。2005年,Travis Oliphant在Numeric中结合了另一个同性质的程序库Numarray的特色,并加入了其它扩展而开发了NumPy。
它是一个通用的数组处理软件包,提供高性能的多维数组对象(称为数组)以及用于处理它们的工具。NumPy还通过提供这些多维数组以及提供在这些数组上高效操作的函数和运算符来解决速度慢的问题。
特点:
主要应用:
- 在数据分析中广泛使用
- 创建功能强大的N维数组
- 形成其他库(如SciPy和scikit-learn)的基础
- 与SciPy和matplotlib一起使用时可以替代MATLAB
3、Pandas
Pandas的名字来自于面板数据(panel data)和数据分析(data analysis)库。它是数据科学领域最流行和广泛使用的Python库之一,与NumPy和matplotlib一起使用,一起被称之为"数据分析三剑客"。
它在GitHub上有大约1700条评论和一个由1200个贡献者组成的活跃社区,主要用于数据分析和清理。Pandas提供快速、灵活的数据结构,例如数据帧,旨在非常轻松直观地处理结构化数据。
主要特点:
- 流利的语法和丰富的功能让您自由处理缺失数据
- 可以在一系列数据上创建自己的函数并运行它
- 高层次对象的应用:包含高层次的数据结构和操作工具
主要应用:
4、matplotlib
Matplotlib拥有功能强大且美观的可视化效果。它是最为广泛使用的Python静态绘图库。因为它产生的图形和图表,它被广泛应用于数据可视化。它还提供了一个面向对象的API,可以用来将这些图形嵌入到应用程序中。
特点:
- 可以作为MATLAB的替代品使用,具有免费和开源的优点
- 支持数十种后端和输出类型
- Pandas本身可以用作包装器,以驱动MATLAB API,使其更简洁
- 低内存消耗和更好的运行时性能
主要应用:
5、Scikit-Learn
最为经典的机器学习库,几乎提供了所有用户需要的机器学习算法。Scikit-learn旨在融入NumPy和SciPy中。
主要应用:
- 聚类分群
- 分类
- 回归预测
- 模型选择
- 数据降维
6、TensorFlow
TensorFlow是Google开发的一个基于数据流图的开源机器学习框架。它支持多种机器学习和深度学习算法,包括神经网络、卷积神经网络、循环神经网络等,被广泛应用于语音识别、图像识别等多项机器学习和深度学习领域。
特点:
TensorFlow对于以下应用特别有用:
- 语音和图像识别
- 基于文本的应用
- 时间序列分析
- 视频检测
7、Keras
Keras类似于TensorFlow,是另一个广泛用于深度学习和神经网络模块的流行库。Keras支持TensorFlow和Theano后端,因此如果您不想深入了解TensorFlow的细节,Keras是一个不错的选择。
主要特点:
应用:
Keras最重要的应用之一是深度学习模型,这些模型提供预训练权重。您可以直接使用这些模型进行预测或提取其特征,而无需创建或训练自己的新模型。
8、PyTorch
PyTorch是一个开源的机器学习框架,基于Torch库,主要用于计算机视觉和自然语言处理等领域的应用。由于其优秀的灵活性和速度,PyTorch已在全球范围内广受数据科学家和研究者的欢迎,成为深度学习研究和应用的首选框架之一。
PyTorch的主要特点和优点包括:
PyTorch的应用非常广泛,包括但不限于以下几个方面:
9、Scrapy
Scrapy是一个用于Python的快速、高层次的屏幕抓取和Web抓取框架,主要用于抓取Web站点并从页面中提取结构化的数据。
它被设计为一个框架,可以根据需求方便地进行修改,因此,它也提供了多种类型爬虫的基类,如BaseSpider、sitemap爬虫等,甚至最新版本提供了web2.0爬虫的支持。Scrapy用途广泛,可以用于数据挖掘、监测和自动化测试等,它也可以用来访问API来提取数据。
Scrapy的主要特点如下:
Scrapy的应用非常广泛,例如:
主要的流程图:
10、BeautifulSoup
Beautiful Soup是一个Python库,用于从网页中提取和操作数据。它具有以下特点:
应用方面,Beautiful Soup可以用于网页爬取、数据提取、数据分析、自动化测试等多种场景。它使得从网页中提取结构化数据变得更加简单,可以轻松地爬取网页中的数据并进行分析和处理。同时,Beautiful Soup也支持通过代理进行爬取,可以轻松实现分布式爬取等高级功能。
11、LightGBM
LightGBM(Light Gradient Boosting Machine)是一种基于梯度提升决策树(GBDT)算法的分布式梯度提升框架,由微软DMTK团队于2017年开源。它在传统机器学习算法中属于对真实分布拟合的最好的算法之一,被广泛应用于分类与回归比赛,也是工业界中常用的模型之一。
相较于传统的GBDT算法,LightGBM主要解决了GBDT在处理海量数据时遇到的问题,使其可以更快、更有效地应用于工业实践。具体来说,LightGBM通过采用高效的数据结构和分布式计算策略,实现了高效率的并行训练和更低的内存消耗,同时支持快速处理海量数据。
在模型训练方面,LightGBM采用了一种基于叶子节点生长的梯度提升决策树算法,通过迭代地训练弱分类器并组合多个弱分类器,最终得到一个强分类器。每个叶子节点都是一个弱分类器,通过对数据的拟合残差进行分析和优化,不断生长出新的决策树,直到达到预设的迭代次数或收敛条件。
此外,LightGBM还具有多种实用功能和优点。例如,它可以轻松地与其他机器学习算法集成,支持多分类和二分类任务,并且具有很好的可扩展性和稳定性。在竞赛和实际应用中,LightGBM也表现出极佳的性能和准确率,成为了机器学习中一种非常受欢迎的算法。
总之,LightGBM是一种高效、可扩展、易用的梯度提升决策树算法,适用于各种机器学习任务,尤其是处理大规模数据集和工业界应用。
12、Plolty
Plotly是一个功能强大的Python可视化库,它提供了丰富的绘图类型和高度定制的选项,因此可以创建各种类型的交互式图表。然而,使用Plotly需要一定的编程经验和知识,因为它需要理解绘图对象、图形布局、坐标轴、颜色面板等概念。
Plotly_express是Plotly的一个高级封装,专门为复杂的图表提供了一个简单的语法。它通过简洁、一致且易于学习的API,使得用户可以仅通过一次导入就可以在一个函数调用中创建丰富的交互式绘图。这大大降低了使用Plotly的门槛,对于初学者和快速入门者来说非常友好。
对于使用过Seaborn和ggplot2等库的用户来说,Plotly_express的API风格可能会让人感到熟悉和舒适。它支持分面绘图(faceting)、地图、动画和趋势线等高级功能,同时也可以处理数据集、颜色面板和主题等选项。
13、ELI5
ELI5(Explain Like I'm Five,解释给五岁小孩听)是一个Python库,它可以帮助调试机器学习分类器并解释它们的预测。
它使机器学习模型更具可解释性,允许使用统一的API可视化和调试各种机器学习模型。它内置了对几种ML框架的支持,并提供了一种解释黑盒模型的方法。
特点:
- ELI5提供了一系列解释机器学习模型的技术,如特征重要性、排列重要性和SHAP值。
- ELI5提供了调试机器学习模型的工具,如可视化误分类的例子和检查模型的权重和偏差。
- ELI5可以生成人类可读的解释,解释模型是如何做出预测的,这可以帮助与非技术利益相关者进行沟通。
主要应用:
14、Theano
Theano是一个强大的Python库,被广泛用于深度学习和机器学习领域,特别是处理多维数组的数学表达式。
以下是关于Theano的更详细介绍:
- 与Numpy紧密集成:Theano使用了Numpy的ndarray对象进行操作,这使得在处理多维数组时非常高效。
- GPU的透明使用:Theano可以在GPU上运行计算,这使得处理大规模数据时速度更快。
- 高效的象征性差异:Theano提供高效的符号性差异功能,这使得我们能够对函数进行自动微分和优化。
- 优化和稳定性:Theano进行了大量的优化和稳定性测试,确保计算结果的正确性和可靠性。
- 动态C代码生成:Theano能够生成动态C代码,这使得计算速度更快。
- 深度学习:作为深度学习框架的重要组成部分,Theano被广泛应用于深度神经网络的训练和推理。
- 机器学习:Theano也被广泛应用于各种机器学习算法的开发和优化。
- 数据科学:Theano可以帮助数据科学家进行数据分析和处理,以及构建复杂的数据分析模型。
- 科学计算:Theano还被广泛应用于科学计算领域,例如物理模拟、图像处理等领域。
总的来说,Theano是一个功能强大、稳定可靠的Python库,它被广泛应用于深度学习、机器学习、数据科学和科学计算等领域,是这些领域中不可或缺的工具之一。
15、NuPIC
Numenta Platform for Intelligent Computing(NuPIC)是一种基于分层式即时记忆(HTM)理论的开源项目,由Numenta公司开发。HTM理论是关于大脑神经元如何处理和记忆信息的理论,NuPIC以此为基础来模拟大脑活动,进而实现智能化计算。
NuPIC可以应用于多种领域,如异常检测、预测、降维与模式识别等。它被设计为处理实时流数据,可以学习和响应不断输入的数据流,适用于实时应用。
NuPIC具有灵活和可扩展的网络API,使得开发者可以轻松地构建自定义的HTM网络,用于处理特定应用的任务。其应用实例包括图像识别和简单的预测等。
应用:
16、Ramp
Ramp是一个在Python语言下制定机器学习中加快原型设计的解决方案的库程序。它是一个轻型的pandas-based机器学习中可插入的框架,它现存的Python语言下的机器学习和统计工具(比如scikit-learn,rpy2等)Ramp提供了一个简单的声明性语法探索功能从而能够快速有效地实施算法和转换。
主要应用:
17、Bob
Bob是一个集成了多种Python数据科学库的集合,它提供了用于机器学习、计算机视觉和信号处理的各种工具和算法。
以下是对Bob的一些特点和应用的更详细介绍:
特点:
应用:
18、PyBrain
PyBrain确实是一个功能强大的Python机器学习库,它提供了许多工具和算法来构建和训练神经网络,适用于多种机器学习任务。
您提到了一些PyBrain的特点和应用领域,以下是您提到的内容的一些简要概述:
特点:
应用领域:
19、Caffe2
Caffe2是Facebook于2017年4月18日发布的深度学习框架,它是一个轻量级和模块化的深度学习框架,主要面向产品级别的深度学习算法设计。
Caffe2的特点如下:
Caffe2的应用领域非常广泛,例如自然语言处理、计算机视觉、语音识别等。在移动端,Caffe2主要为实时计算做了很多优化,使得其可以在移动设备上快速运行深度学习算法。在服务器端,Caffe2可以支持大规模的分布式计算,使得其可以处理更大规模的数据。此外,Caffe2还可以应用于一些新兴的领域,如自动驾驶、智能家居等。
20、Chainer
Chainer是一款强大的深度学习框架,由日本著名机器学习研究所公司PFI所开发,以Python编写。
Chainer具有以下特点:
如果你也想往数据科学的方向发展,希望本文对你有所帮助。