R 中的矩阵、列表和数组

2020-04-22 08:00:00 · 飞浪

介绍在本指南中，我们将学习R中三种最常见的数据结构。这些数据结构在您学习数学时应该很熟悉，它们也存在于每种编程语言中，在实现方面差别很小。这些数据结构是矩阵（二维向量）、列表（一维向量

介绍

在本指南中，我们将学习 R 中三种最常见的数据结构。这些数据结构在您学习数学时应该很熟悉，它们也存在于每种编程语言中，在实现方面差别很小。这些数据结构是矩阵（二维向量）、列表（一维向量或可以保存不同类型的项目的特殊对象）和数组（具有一个或多个维度的向量）。首先，我们将介绍每个数据容器的基本概念，然后我们将研究它们的实际用例。在每个数据结构的核心都隐藏着原子向量数据类型。

矩阵

矩阵只不过是二维矩形布局中排列的数据元素的集合。3x3 维矩阵的示例如下所示。

开始使用矩阵时，你需要记住的最重要的事情是matrix()函数。此函数具有以下框架。

      matrix( 
   c(), 
   nrow=,
   ncol=,
   byrow = )
    

第一个参数是一个向量，它定义矩阵中存在哪些原子值。第二个参数定义向量拆分成多少行，第三个参数指定多少列。向量中元素的数量应该是nrow * ncol的倍数或分数。最后一个参数定义是否要按行或列填充矩阵。默认情况下，byrow的参数为FALSE，这意味着矩阵从一列到另一列填充。

让我们尝试一下。您的矩阵定义如下所示。

      matrix(
c(1,2,3,4,5,6,7,8),
nrow = 4,
ncol = 2,
byrow = TRUE)
    

输出应如下所示。

如果省略byrow=TRUE参数，则会出现以下输出。

其余元素去哪儿了？问题是你的向量大于矩阵大小。如果你想从向量中获取所有值，ncol =4应该是你所做的修改。这样你就得到了以下输出。

现在您已经有了基础，接下来该如何进行呢？

转置

这个概念来自线性代数。基本上，矩阵的对角线被翻转。为了在 R 中执行此操作，您可以使用t()函数。让我们看看它是什么样子的，给定下面的矩阵。

      a <- matrix(
c(1,2,3,4,5,6,7,8),
nrow = 4,
ncol = 2,
byrow = TRUE)
    

转调之前，输出如下所示。

转置之后，输出如下所示。

合并矩阵

为了合并两个矩阵，需要使用cbind()函数。它以两个矩阵作为参数并生成它们的组合。合并矩阵时，需要确保它们具有相同的行数，否则会引发异常。

给定两个矩阵B和D。

      B <- matrix( 
c(2, 4, 3, 1, 5, 7), 
nrow=3, 
ncol=2) 

D <-  matrix( 
c(1, 3, 2), 
nrow=3, 
ncol=1)
    

它们的组合可以通过以下方式创建。

      cbind(B,D)

输出如下所示。

解构

这个概念允许你将矩阵分解为其原始向量，这在某些情况下非常有用。以下面的矩阵H为例。

      H <-  matrix( 
c(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10), 
nrow=5, 
ncol=2)
    

您可以使用c()函数对其进行解构。

      c(H)

输出如下所示。

      1]  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10

列表

列表是可能包含不同类型的元素的对象，类似于向量。这些不同类型的元素可以是字符串、数字、向量，甚至可以是另一个列表。您可以将矩阵作为列表中的不同元素。这个概念是特殊用例的通用容器。允许您创建列表的函数称为list()。

示例列表如下所示。

      data <- list("Server","Network Device",c(1,2,3,4), FALSE, list(1,2,3,4,5,6))

您的列表内容现在如下。

      [1]]
[1] "Server"

[[2]]
[1] "Network Device"

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

[[4]]
[1] FALSE

[[5]]
[[5]][[1]]
[1] 1

[[5]][[2]]
[1] 2

[[5]][[3]]
[1] 3

[[5]][[4]]
[1] 4

[[5]][[5]]
[1] 5

[[5]][[6]]
[1] 6
    

您可以看到，对于列表中可以存储的元素数量或类型，实际上没有任何限制。有一个称为names()的特殊函数，它允许您命名列表，从而产生一个特殊的类似字典的数据结构。字典数据结构由键值对组成。在这种情况下，键是名称列表，值是实际元素。

让我们给列表元素命名。

      names(data) <- c("Hardware", "Network", "vector", "boolean","nestedlist")

函数执行后，我们可以通过名称来引用列表中的元素。

      data$Hardware
[1] "Server"

data$Network
[1] "Network Device"

data$nestedlist
[[1]]
[1] 1

[[2]]
[1] 2

[[3]]
[1] 3

[[4]]
[1] 4

[[5]]
[1] 5

[[6]]
[1] 6
    

这允许您构建更复杂的函数并创建抽象，使用户能够更有效地理解和维护代码。与其他编程语言中的列表一样，您可以访问、操作和合并列表。索引从 1 开始。

为了访问元素，请使用其索引来引用它们。

让我们检索第一个和第二个元素。

      > data[1]
$Hardware
[1] "Server"

> data[2]
$Network
[1] "Network Device"
    

为了删除特定元素，请为其索引分配NULL值。这将减少列表的长度。

让我们删除嵌套列表。您可以通过两种方式执行此操作。第二种方法仅在您已命名列表元素时才有效。

      data[5] <- NULL

data$nestedlist <- NULL

假设您有两个来自不同数据源的列表，并且您有一个需要两个数据源的数据的函数。您可以选择合并这两个列表。

      monthids <- list(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12)
months <- list("Jan","Feb","Mar","Apr","May","June","July","Aug","Sep","Oct","Nov","Dec")
    

实现此目的的方法是使用c()函数。

      merged.list <- c(monthids,months)

这将产生以下结果。

      [1]]
[1] 1

[[2]]
[1] 2

[[3]]
[1] 3

[[4]]
[1] 4

[[5]]
[1] 5

[[6]]
[1] 6

[[7]]
[1] 7

[[8]]
[1] 8

[[9]]
[1] 9

[[10]]
[1] 10

[[11]]
[1] 11

[[12]]
[1] 12

[[13]]
[1] "Jan"

[[14]]
[1] "Feb"

[[15]]
[1] "Mar"

[[16]]
[1] "Apr"

[[17]]
[1] "May"

[[18]]
[1] "June"

[[19]]
[1] "July"

[[20]]
[1] "Aug"

[[21]]
[1] "Sep"

[[22]]
[1] "Oct"

[[23]]
[1] "Nov"

[[24]]
[1] "Dec"
    

unlist ()函数允许您将列表转换为向量。

      myvector <- unlist(merged.list)

此后，所有常见的算术运算符都可以应用于新创建的向量。

数组

数组是具有一个或多个维度的向量。一维数组可以视为向量，二维数组可以视为矩阵。在后台，数据以 n 维矩阵的形式存储。可以使用array()函数创建自己的数组。唯一的限制是数组只能存储数据类型。

您可以按照以下方式创建一个简单的数组。

      v1 <- c(1,2,3)
v2 <- c(4,5,6,7,8,9)
result <- array(c(v1,v2),dim = c(3,3,2))
    

现在结果包含一个包含两个矩阵、三行三列的数组。

      , , 1

     [,1] [,2] [,3]
[1,]    1    4    7
[2,]    2    5    8
[3,]    3    6    9

, , 2

     [,1] [,2] [,3]
[1,]    1    4    7
[2,]    2    5    8
[3,]    3    6    9
    

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R 中的矩阵、列表和数组

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