Python使用Sympy求导并转换为NumPy数值计算的完整指南

江岸

发布时间：2026-10-13 | 5人浏览过

原创

本文介绍如何在Python中结合Sympy与NumPy库处理函数求导问题。Sympy生成的符号导数无法直接用于数值运算，需通过evalf()和float()进行转换。文章提供了单点赋值与数组批量计算的代码示例，展示如何将符号结果代入具体数值或数组，并利用NumPy完成后续计算与绘图。

Python Sympy求导与NumPy数值计算示例

直接展示相关代码实现。


import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sympy import * #用于求导积分等科学计算
 
 
def dif(left,right,step):#求导 左右区间以及间隔
 x,y = symbols('x y')#引入x y变量
 expr = pow(x,5)#计算表达式
 x_value = [] #save x value
 y_value = [] #save x f(x) value
 y_value_dif = [] #save x f(x)_dot value
 y_value_dif2 = [] #save x f(x)_dot2 value
 y_value_dif3 = [] #save x f(x)_dot3 value
 y_value_dif4 = [] #save x f(x)_dot4 value
 #print(expand(exp(I*x), complex=True))#将复指数展开成实部虚部形式
 expr_dif = diff(expr,x,1)
 expr_dif2 = diff(expr,x,2)
 expr_dif3 = diff(expr,x,3)
 expr_dif4 = diff(expr,x,4)
 for i in np.arange(left,right,step):
  x_value.append(i)
  y_value.append(expr.subs('x',i))#将i值代入表达式
  y_value_dif.append(expr_dif.subs('x',i))#将i值代入求导表达式
  y_value_dif2.append(expr_dif2.subs('x',i))#将i值代入2阶求导表达式
  y_value_dif3.append(expr_dif3.subs('x',i))#将i值代入3阶求导表达式
  y_value_dif4.append(expr_dif4.subs('x',i))#将i值代入4阶求导表达式
 draw_plot_set()#设置画图格式
 plt.plot(x_value,y_value,"b-",linewidth=1,label='f(x)='+str(expr)) #画图
 plt.plot(x_value,y_value_dif,"r-",linewidth=1,label='f(x)_prim') #画图
 plt.plot(x_value,y_value_dif2,"y-",linewidth=1,label='f(x)_prim2') #画图
 plt.plot(x_value,y_value_dif3,"g-",linewidth=1,label='f(x)_prim3') #画图
 plt.plot(x_value,y_value_dif4,"b-",linewidth=1,label='f(x)_prim4') #画图
 
 plt.legend()#显示图例
 plt.show()#显示图像
 
 
def draw_plot_set():#设置画图格式
 plt.figure()
 ax = plt.gca()
 #改变坐标轴位置
 ax.spines['right'].set_color('none')#删除原来轴
 ax.spines['top'].set_color('none')#删除原来轴
 ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')#在0点处增加轴
 ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))
 ax.yaxis.set_ticks_position('left')#在0点处增加轴
 ax.spines['left'].set_position(('data',0))
 #设置坐标名
 plt.ylabel('f(x)')
 plt.xlabel('x')
 
 plt.grid(True)#打开网格
 
 
 
 
if __name__ == '__main__':
 dif(-5,5,0.01)

Sympy求导结果转换为NumPy数值计算的方法

补充内容：基于Python利用sympy库对特定函数求导，并使用numpy库执行该求导结果计算的程序示例。

在Python数据处理流程中，常遇到需要对函数表达式求偏导，并将具体数值代入导数公式进行计算的情况。

Python中用于函数求导的主要工具是sympy库提供的diff()函数。

然而，diff()函数返回的通常仅是符号表达式，无法直接代入数据进行数值运算。

参考以下示例：


import sympy as sp
import numpy as np
x,y = sp.symbols('x y')
z = sp.sin(2*sp.pi*x+2*y/5)
zx = sp.diff(z,x)
zy = sp.diff(z,y)
print(zx)
print(zy)

其输出结果为：


2*pi*cos(2*pi*x + 2*y/5)
2*cos(2*pi*x + 2*y/5)/5

针对上述问题，解决方法如下：

需对变量x和y分别使用evalf()函数赋值，并通过float()进行类型转换，随后才能利用numpy进行数值计算。

参考以下示例：


import sympy as sp
import numpy as np
x,y = sp.symbols('x y')
z = sp.sin(2*sp.pi*x+2*y/5)
zx = sp.diff(z,x)
zy = sp.diff(z,y)
x1 = 10
y1 = 5
z_x1 = float(zx.evalf(subs={x:x1,y:y1}))
z_y1 = float(zy.evalf(subs={x:x1,y:y1}))
print(z_x1)
print(z_y1)

其输出结果如下：


-2.61472768902227
-0.16645873461885696

处理数组形式的变量输入

若x或y并非单一数值，而是数组形式，该如何处理？

可通过循环结构完成计算。

参考以下示例：


import sympy as sp
import numpy as np
x,y = sp.symbols('x y')
z = sp.sin(2*sp.pi*x+2*y/5)
zx = sp.diff(z,x)
zy = sp.diff(z,y)
x_array = np.linspace(-5, 5, 10)
y_array = np.linspace(-5, 5, 10)
temp_x = []#先定义一个用于存储x偏导的空列表
temp_y = []#先定义一个用于存储y偏导的空列表
for i in range(10):
  z_x = float(zx.evalf(subs={x:x_array[i],y:y_array[i]}))
  temp_x.append(z_x)#将计算得到的偏导值一一添加到列表中
  z_y = float(zy.evalf(subs={x:x_array[i],y:y_array[i]}))
  temp_y.append(z_y)
zx_array = np.array(temp_x)#将列表转换为数组
zy_array = np.array(temp_y)
print(zx_array)
print(zy_array)

输出结果如下：


[-2.61472769 4.11163864 6.02946289 0.89585862 -5.2854481 -5.2854481
 0.89585862 6.02946289 4.11163864 -2.61472769]
[-0.16645873 0.26175505 0.38384753 0.05703213 -0.33648208 -0.33648208
 0.05703213 0.38384753 0.26175505 -0.16645873]

至此，实现了从sympy获取求导结果到numpy库进行数值计算的完整流程。

以上关于Python计算导数并绘图的实例即为全部内容，供参考，欢迎支持。