[Python] NumPy配列に行や列を挿入・追加する方法を解説

NumPy配列に行や列を挿入・追加するには、主にnumpy.insert()やnumpy.append()を使用します。

numpy.insert()は指定した位置に要素を挿入でき、numpy.append()は配列の末尾に要素を追加します。

行や列を挿入する場合、axis引数を指定します。

axis=0で行、axis=1で列を操作します。

例えば、numpy.insert(arr, index, values, axis=0)で指定した位置に行を挿入できます。

NumPy配列に行や列を挿入・追加する基本操作

NumPy配列の基本構造

NumPy配列は、同じデータ型の要素を持つ多次元の配列です。

NumPyを使用することで、効率的に数値計算を行うことができます。

基本的な配列の作成は以下のように行います。

import numpy as np
# 1次元配列の作成
array_1d = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

行や列を操作する際の注意点

• 配列の次元を理解することが重要です。

1次元配列と2次元配列では、操作方法が異なります。

• 行や列を挿入・追加する際は、配列の形状が一致している必要があります。
• NumPy配列は不変(immutable)であるため、元の配列は変更されず、新しい配列が返されます。

numpy.insert()の基本的な使い方

numpy.insert()関数は、指定した位置に要素を挿入するために使用します。

基本的な構文は以下の通りです。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 1行目に新しい行を挿入
new_array = np.insert(array_2d, 0, [7, 8, 9], axis=0)

numpy.append()の基本的な使い方

numpy.append()関数は、配列の末尾に要素を追加するために使用します。

基本的な構文は以下の通りです。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 新しい行を追加
new_array = np.append(array_2d, [[7, 8, 9]], axis=0)

axis引数の役割と使い方

axis引数は、挿入や追加を行う方向を指定します。

以下のように使います。

• axis=0: 行方向に挿入・追加
• axis=1: 列方向に挿入・追加

例えば、列を追加する場合は次のようにします。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 新しい列を追加
new_array = np.append(array_2d, [[7], [8]], axis=1)

このように、axis引数を使うことで、行や列の挿入・追加を柔軟に行うことができます。

numpy.insert()を使った行や列の挿入

行を挿入する方法

numpy.insert()を使用して、指定した位置に行を挿入することができます。

以下の例では、2次元配列の1行目に新しい行を挿入します。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 1行目に新しい行を挿入
new_array = np.insert(array_2d, 0, [7, 8, 9], axis=0)

列を挿入する方法

列を挿入する場合も、numpy.insert()を使用します。

以下の例では、2次元配列の末尾に新しい列を挿入します。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 末尾に新しい列を挿入
new_array = np.insert(array_2d, 3, [7, 8], axis=1)

複数の行や列を挿入する方法

複数の行や列を同時に挿入することも可能です。

以下の例では、2行を挿入します。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 1行目に2行を挿入
new_array = np.insert(array_2d, 0, [[7, 8, 9], [10, 11, 12]], axis=0)

挿入位置を指定する方法

挿入位置は、numpy.insert()の第2引数で指定します。

例えば、2行目に挿入する場合は次のようにします。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 2行目に新しい行を挿入
new_array = np.insert(array_2d, 1, [7, 8, 9], axis=0)

numpy.insert()の注意点と制約

• 不変性: NumPy配列は不変であるため、numpy.insert()は新しい配列を返し、元の配列は変更されません。
• 形状の一致: 挿入する行や列の形状は、元の配列の次元に一致している必要があります。
• パフォーマンス: 大きな配列に対して頻繁に挿入を行うと、パフォーマンスが低下する可能性があります。

必要に応じて、配列のサイズを事前に確保することを検討してください。

numpy.append()を使った行や列の追加

行を追加する方法

numpy.append()を使用して、配列の末尾に行を追加することができます。

以下の例では、2次元配列の末尾に新しい行を追加します。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 新しい行を追加
new_array = np.append(array_2d, [[7, 8, 9]], axis=0)

列を追加する方法

列を追加する場合も、numpy.append()を使用します。

以下の例では、2次元配列の末尾に新しい列を追加します。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 新しい列を追加
new_array = np.append(array_2d, [[7], [8]], axis=1)

複数の行や列を追加する方法

複数の行や列を同時に追加することも可能です。

以下の例では、2行を追加します。

import numpy as np
# 2次元配列の作成
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 末尾に2行を追加
new_array = np.append(array_2d, [[7, 8, 9], [10, 11, 12]], axis=0)

numpy.append()の注意点と制約

• 不変性: NumPy配列は不変であるため、numpy.append()は新しい配列を返し、元の配列は変更されません。
• 形状の一致: 追加する行や列の形状は、元の配列の次元に一致している必要があります。

例えば、2次元配列に追加する場合、追加する行は元の配列の列数と一致する必要があります。

• パフォーマンス: 大きな配列に対して頻繁に追加を行うと、パフォーマンスが低下する可能性があります。

必要に応じて、配列のサイズを事前に確保することを検討してください。

応用例：NumPy配列の操作を活用する

配列のサイズを動的に変更する

NumPy配列は不変ですが、numpy.append()やnumpy.insert()を使用することで、配列のサイズを動的に変更することができます。

以下の例では、初期の配列に新しい行を追加してサイズを変更します。

import numpy as np
# 初期の2次元配列
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 新しい行を追加してサイズを変更
new_array = np.append(array_2d, [[7, 8, 9]], axis=0)

特定の条件に基づいて行や列を挿入・追加する

条件に基づいて行や列を挿入することも可能です。

以下の例では、特定の条件を満たす行を追加します。

import numpy as np
# 初期の2次元配列
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 条件に基づいて新しい行を追加
if np.sum(array_2d) > 10:
    new_array = np.append(array_2d, [[7, 8, 9]], axis=0)
else:
    new_array = array_2d

2次元配列を3次元配列に拡張する

2次元配列を3次元配列に拡張することもできます。

以下の例では、2次元配列に新しい次元を追加します。

import numpy as np
# 初期の2次元配列
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 新しい次元を追加して3次元配列に拡張
new_array = np.expand_dims(array_2d, axis=2)

配列の一部を置き換える方法

NumPyでは、配列の一部を簡単に置き換えることができます。

以下の例では、特定のインデックスの要素を新しい値に置き換えます。

import numpy as np
# 初期の2次元配列
array_2d = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
# 特定の要素を置き換え
array_2d[0, 1] = 99

他のライブラリとの連携での活用例

NumPyは他のライブラリと連携して使用することが多いです。

例えば、Pandasを使用してデータフレームを操作し、その後NumPy配列に変換することができます。

import numpy as np
import pandas as pd
# データフレームの作成
df = pd.DataFrame({'A': [1, 2], 'B': [3, 4]})
# データフレームをNumPy配列に変換
array_2d = df.to_numpy()

このように、NumPy配列の操作は多様な応用が可能であり、他のライブラリと組み合わせることで、より強力なデータ処理が実現できます。

まとめ

この記事では、NumPy配列に行や列を挿入・追加する方法について詳しく解説しました。

具体的には、numpy.insert()やnumpy.append()を使用した基本的な操作から、配列のサイズを動的に変更する応用例まで幅広く取り上げました。

これらの技術を活用することで、データ処理や分析の効率を向上させることが可能ですので、ぜひ実際のプロジェクトに取り入れてみてください。