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Last updated on 19 may 2024
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1
Entendiendo NumPy
2
Fragmentación de datos
3
Carga eficiente
4
Operaciones de matriz
5
Gestión de la memoria
6
Procesamiento paralelo
7
Esto es lo que hay que tener en cuenta
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Manejar grandes conjuntos de datos puede ser una tarea desalentadora, pero con las técnicas y herramientas adecuadas, puede administrarlos de manera eficiente. NumPy, un paquete fundamental para la computación científica en Python, proporciona soporte para matrices y matrices grandes y multidimensionales. Al aprovechar las matrices de NumPy, puede realizar operaciones de datos de una manera eficiente en la memoria, lo cual es crucial cuando se trata de grandes volúmenes de datos. Este artículo lo guiará a través de los pasos para manejar grandes conjuntos de datos de manera efectiva utilizando las poderosas funciones de NumPy.
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1 Entendiendo NumPy
Las matrices NumPy son fundamentales para la ciencia de datos de Python. A diferencia de las listas, que pueden almacenar diferentes tipos de datos, las matrices NumPy son hom*ogéneas y, por lo tanto, se pueden almacenar de manera más eficiente en la memoria. Esto es especialmente beneficioso cuando se trabaja con grandes conjuntos de datos, ya que minimiza el uso de memoria y facilita cálculos más rápidos. Para comenzar, asegúrese de que NumPy esté instalado y luego impórtelo a su entorno de Python usando Importar numpy como NP . Familiarícese con la creación de matrices usando np.array() y tenga en cuenta que las operaciones en matrices NumPy están vectorizadas, lo que significa que se aplican por elemento sin necesidad de bucles explícitos.
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The Versatile Backbone of Python Data ScienceNumPy arrays are the foundational data structures at the heart of the Python data science ecosystem. Beyond their hom*ogeneous nature, modern NumPy introduces advanced features like the N-dimensional ndarray to handle complex, multi-faceted data. The latest versions offer seamless integration with deep learning frameworks like TensorFlow and PyTorch, enabling efficient GPU acceleration for large-scale numerical computations. Leveraging NumPy's vectorized operations, you can now execute element-wise transformations orders of magnitude faster than traditional Python loops, making it the go-to choice for high-performance data manipulation and analysis.
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- Bhargava Krishna Sreepathi, PhD, MBA Director Data Science @ Syneos Health | Global Executive MBA | 3x LinkedIn Top Voice
Efficient Data Types: Choosing the right data type for your arrays can save significant memory. NumPy supports various data types such as int8, int16, int32, float32, etc. Using smaller data types when appropriate can reduce the memory footprint.Memory Mapping: For very large datasets that do not fit into memory, NumPy provides memory-mapped arrays. This allows you to work with large arrays stored on disk as if they were in memory.Chunking: Processing large arrays in chunks can help manage memory usage. This is useful for operations that can be performed independently on different parts of the array.
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NumPy arrays serve as the backbone of Python data science, offering hom*ogeneity and memory efficiency compared to lists. This uniformity ensures streamlined memory usage, especially crucial when handling large datasets, leading to quicker computations. To begin, install NumPy and import it into your Python environment using import numpy as np. Familiarize yourself with array creation using np.array(), and embrace the vectorized nature of NumPy operations, which apply element-wise without the need for explicit loops. It's akin to upgrading from scattered tools to a unified Swiss Army knife, streamlining data manipulation and analysis tasks with efficiency and precision.
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2 Fragmentación de datos
Cuando los conjuntos de datos son demasiado grandes para caber en la memoria, considere la posibilidad de dividirlos en fragmentos más pequeños. Esta técnica, conocida como fragmentación, le permite procesar datos en partes manejables. Mapeo de memoria de NumPy ( np.memmap ) es una herramienta valiosa para esto, ya que le permite leer y escribir pequeños segmentos de un archivo grande en el disco sin cargar toda la matriz en la memoria. Al acceder solo a las partes de los datos necesarias para el cálculo en un momento dado, puede manejar de manera eficiente conjuntos de datos que, de otro modo, serían demasiado grandes para procesarlos.
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- Bhargava Krishna Sreepathi, PhD, MBA Director Data Science @ Syneos Health | Global Executive MBA | 3x LinkedIn Top Voice
Creating a Memory-Mapped File: If you don't already have a memory-mapped file, you can create one as follows:filename = 'large_dataset.dat'large_array = np.memmap(filename, dtype=dtype, mode='w+', shape=shape)# Load the memory-mapped filelarge_array = np.memmap(filename, dtype=dtype, mode='r', shape=shape)Advantages of Memory Mapping:Efficient Memory Usage: Only a small part of the file is loaded into memory at any time.Large Dataset Handling: Suitable for datasets that are too large to fit into RAM.File Persistence: The data remains on disk, so it can be accessed and processed in future sessions without reloading it into memory.
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- Gokilan Raja Data Analyst @ Infosys | Master's in Physical Sciences, Professional Data Scientist
Indeed, when faced with datasets too large to fit into memory, adopting a chunking approach becomes indispensable. Chunking involves breaking the dataset into smaller, manageable pieces for processing. NumPy's memory mapping functionality, specifically np.memmap, proves invaluable for this purpose. It allows for reading and writing small segments of a large file on disk without loading the entire array into memory. By accessing only the necessary parts of the data for computation at any given time, you can efficiently handle datasets that would otherwise overwhelm memory resources. It's akin to paging through a massive book - by focusing on one section at a time, you can digest the content without feeling overwhelmed by its size.
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3 Carga eficiente
La carga eficiente de datos es crucial cuando se trabaja con grandes conjuntos de datos. NumPy proporciona funciones como np.loadtxt() y np.genfromtxt() para leer archivos de texto, pero para datos grandes, np.fromfile() o np.load() (para archivos binarios) son más eficientes en cuanto a memoria. Estas funciones le permiten cargar datos directamente en una matriz NumPy, evitando la sobrecarga de las estructuras de datos intermedias. Recuerde especificar el tipo de datos correcto ( dtype ) para asegurarse de que la matriz utiliza la cantidad óptima de memoria.
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- Bhargava Krishna Sreepathi, PhD, MBA Director Data Science @ Syneos Health | Global Executive MBA | 3x LinkedIn Top Voice
Use numpy.loadtxt and numpy.genfromtxt for Text Files: For large text files, these functions can load data directly into NumPy arrays, with options to handle memory usage efficiently. numpy.genfromtxt is more flexible and can handle missing values.# Efficiently load a large text filedata = np.loadtxt('large_dataset.txt', delimiter=',')data = np.genfromtxt('large_dataset.txt', delimiter=',', filling_values=0)Use numpy.load and numpy.save for Binary Files:When working with binary files, numpy.load and numpy.save are efficient for storing and loading NumPy arrays.# Load the large array from the binary fileloaded_array = np.load('large_array.npy')
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- Gokilan Raja Data Analyst @ Infosys | Master's in Physical Sciences, Professional Data Scientist
Efficient data loading is paramount when dealing with large datasets. While NumPy offers functions like np.loadtxt() and np.genfromtxt() for reading text files, np.fromfile() or np.load() (for binary files) are more memory-efficient choices for large data. These functions directly load data into a NumPy array, bypassing intermediate data structures and reducing memory overhead. It's crucial to specify the correct data type (dtype) to ensure optimal memory usage for the array. Think of it as fitting puzzle pieces together - choosing the right loading method ensures a seamless and efficient assembly of your dataset, enabling smooth data processing and analysis.
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4 Operaciones de matriz
Optimice las operaciones en matrices grandes utilizando las funciones integradas de NumPy, que están diseñadas para ser rápidas y eficientes en la memoria. Operaciones como el filtrado, la agregación y los cálculos matemáticos se benefician de la base de código C y Fortran optimizada de NumPy. En lugar de recorrer en bucle los elementos de la matriz, utilice operaciones vectorizadas y difusión. Por ejemplo, para agregar dos matrices por elemento, simplemente use matriz1 + matriz2 . Este enfoque reduce el tiempo de ejecución y conserva la memoria, lo cual es esencial cuando se trata de grandes conjuntos de datos.
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- Bhargava Krishna Sreepathi, PhD, MBA Director Data Science @ Syneos Health | Global Executive MBA | 3x LinkedIn Top Voice
Vectorization refers to performing operations on entire arrays without the need for explicit loops. NumPy operations are implemented in C and optimized for performance.Broadcasting allows you to perform operations on arrays of different shapes without creating redundant copies of the data.Use of np.einsum for Complex Operations: np.einsum provides a powerful way to express complex array operations without intermediate steps, often leading to more efficient computation.Leveraging np.lib.stride_tricks.as_strided: For advanced operations, np.lib.stride_tricks.as_strided can be used to create views of the array with different strides without copying data.
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The true strength of NumPy lies in its ability to perform highly optimized, vectorized operations on arrays. The latest releases introduced new functions and enhancements to capitalize on this. Use np.einsum() for efficient tensor contractions, np.take_along_axis() for advanced indexing, and np.apply_along_axis() for applying functions along array dimensions. These routines can greatly outperform naive Python loops, especially with large, multi-dimensional datasets. Additionally, NumPy's integration with accelerated linear algebra libraries like Intel MKL and OpenBLAS optimizes computations for your hardware, unlocking the full potential of your resources.
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5 Gestión de la memoria
La administración de memoria es clave para manejar grandes conjuntos de datos. NumPy proporciona herramientas para controlar el uso de la memoria, como np.vacío() para preasignar el almacenamiento de la matriz sin inicializarlo. Uso array.nbytes para supervisar la superficie de memoria de las matrices y np.copy() para evitar el uso compartido involuntario de memoria entre matrices. Cuando ya no se necesita una matriz, puede liberar memoria eliminando la matriz mediante Del array . Tenga siempre en cuenta las limitaciones de memoria y limpie las matrices que ya no estén en uso.
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- Bhargava Krishna Sreepathi, PhD, MBA Director Data Science @ Syneos Health | Global Executive MBA | 3x LinkedIn Top Voice
Avoid Unnecessary Copies: Use slicing and views to avoid creating unnecessary copies of the data.# Create a view, not a copysub_array = large_array[:5000, :5000]Garbage Collection: Explicitly delete large arrays that are no longer needed and invoke garbage collection to free up memory.import gc# Delete the large arraydel large_array# Invoke garbage collectiongc.collect()Use Efficient I/O Operations: Load and save data efficiently using binary formats like .npy and .npz.# Save multiple arrays to a compressed .npz filenp.savez_compressed('large_arrays.npz', array1=large_array, array2=another_large_array)
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Efficient memory management is crucial for handling large datasets with NumPy. The latest versions offer tools to control array memory usage. Use np.empty() and np.zeros_like() to preallocate storage for intermediate results, reducing overhead from repeated allocations. Monitor array memory footprints with the array.nbytes attribute and use np.copy() to create independent copies, preventing unintended memory sharing. For memory-intensive tasks, consider the np.lib.recarray module for a compact representation of structured data. Mastering these memory management techniques allows you to push the limits of large-scale data processing and analysis with NumPy.
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6 Procesamiento paralelo
Para mejorar aún más la eficiencia, aproveche el procesamiento paralelo con NumPy. Bibliotecas como Dask o Joblib pueden trabajar junto con NumPy para distribuir cálculos en múltiples núcleos o máquinas. Estas bibliotecas dividen las operaciones de matrices NumPy grandes en tareas más pequeñas que se pueden ejecutar en paralelo, lo que acelera significativamente los tiempos de procesamiento de grandes conjuntos de datos. Si bien NumPy en sí no proporciona capacidades de procesamiento paralelo, su compatibilidad con estas bibliotecas le permite aprovechar las arquitecturas de múltiples núcleos sin cambiar drásticamente su base de código.
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- Mahdi Abdolahi Data Scientist at blu Bank
Handling large datasets efficiently with NumPy arrays involves leveraging parallel processing as well as other optimization techniques. Here's a comprehensive approach to manage and process large datasets using NumPy arrays efficiently:- Parallel Processing with Dask:Dask provides a parallel computing library that integrates with NumPy. It breaks down large arrays into smaller chunks and processes them in parallel.- Parallel Processing with JoblibJoblib can be used to parallelize the computation of NumPy operations, especially useful for embarrassingly parallel tasks.By integrating these techniques, you can handle large datasets efficiently with NumPy arrays, taking full advantage of multi-core CPUs and GPUs.
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7 Esto es lo que hay que tener en cuenta
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