PyTorch线性代数

 

PyTorch线性代数¶

 

作者：凯鲁嘎吉 - 博客园 http://www.cnblogs.com/kailugaji/

 

所用版本：python 3.6.5，torch 1.6.0，torchvision 0.7.0

 

1. 标量运算¶

In [1]:

import torch

In [2]:

x = torch.tensor([3.0])

In [3]:

y = torch.tensor([2.0])

In [4]:

x + y, x * y, x / y, x**y

Out[4]:

(tensor([5.]), tensor([6.]), tensor([1.5000]), tensor([9.]))

 

2. 向量运算¶

In [5]:

x = torch.arange(12)

In [6]:

x

Out[6]:

tensor([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11])

In [7]:

x[3]

Out[7]:

tensor(3)

In [8]:

len(x)

Out[8]:

12

In [9]:

x.shape

Out[9]:

torch.Size([12])

In [10]:

y = torch.ones(12, dtype=torch.float32)

In [11]:

y

Out[11]:

tensor([1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1.])

 

转换数据类型

In [12]:

x = x.float()

In [13]:

x

Out[13]:

tensor([ 0.,  1.,  2.,  3.,  4.,  5.,  6.,  7.,  8.,  9., 10., 11.])

 

点积：给定两个向量$\mathbf{x},\mathbf{y}\in\mathbb{R}^d$，它们的点积（dotproduct）$\mathbf{x}^\top\mathbf{y}$（或$\langle\mathbf{x},\mathbf{y}\rangle$）是相同位置的按元素乘积的和：$\mathbf{x}^\top \mathbf{y} = \sum_{i=1}^{d} x_i y_i$。

In [14]:

torch.dot(x, y)

Out[14]:

tensor(66.)

In [15]:

torch.sum(x * y)

Out[15]:

tensor(66.)

 

向量所有元素相乘

In [16]:

torch.prod(x)

Out[16]:

tensor(0.)

In [17]:

torch.prod(y)

Out[17]:

tensor(1.)

In [18]:

x + y

Out[18]:

tensor([ 1.,  2.,  3.,  4.,  5.,  6.,  7.,  8.,  9., 10., 11., 12.])

 

向量所有元素相加

In [19]:

torch.sum(x)

Out[19]:

tensor(66.)

In [20]:

torch.sum(y)

Out[20]:

tensor(12.)

 

求均值

In [21]:

x.mean()

Out[21]:

tensor(5.5000)

In [22]:

x.numel()

Out[22]:

12

In [23]:

x_size = float(x.numel())

In [24]:

x.sum() / x_size

Out[24]:

tensor(5.5000)

 

将向量转化为矩阵

In [25]:

x.reshape(3, 4)

Out[25]:

tensor([[ 0.,  1.,  2.,  3.],
        [ 4.,  5.,  6.,  7.],
        [ 8.,  9., 10., 11.]])

 

3. 张量运算¶

In [26]:

X = torch.arange(12, dtype=torch.float32).reshape((3,4))

In [27]:

X

Out[27]:

tensor([[ 0.,  1.,  2.,  3.],
        [ 4.,  5.,  6.,  7.],
        [ 8.,  9., 10., 11.]])

 

axis=0时，返回矩阵X每一列最大元素所在下标

In [28]:

torch.argmax(X, dim = 0)

Out[28]:

tensor([2, 2, 2, 2])

 

axis=1时，返回矩阵X每一行最大元素所在下标

In [29]:

torch.argmax(X, dim = 1)

Out[29]:

tensor([3, 3, 3])

 

axis=0时，返回矩阵X每一列求和结果

In [30]:

X.sum(axis = 0)

Out[30]:

tensor([12., 15., 18., 21.])

 

axis=1时，返回矩阵X每一行求和结果

In [31]:

X.sum(axis = 1)

Out[31]:

tensor([ 6., 22., 38.])

 

axis=[0, 1]，先对列求和，再对行求和，即矩阵所有元素相加的结果

In [32]:

X.sum(axis = [0, 1])

Out[32]:

tensor(66.)

In [33]:

X.sum()

Out[33]:

tensor(66.)

In [34]:

Y = torch.tensor([[2.0, 1, 4, 3], [1, 2, 3, 4], [4, 3, 2, 1]])

In [35]:

Y

Out[35]:

tensor([[2., 1., 4., 3.],
        [1., 2., 3., 4.],
        [4., 3., 2., 1.]])

In [36]:

torch.argmax(Y, dim = 0)

Out[36]:

tensor([2, 2, 0, 1])

In [37]:

torch.argmax(Y, dim = 1)

Out[37]:

tensor([2, 3, 0])

 

axis=0时，X与Y按行连接

In [38]:

torch.cat((X, Y), dim=0)

Out[38]:

tensor([[ 0.,  1.,  2.,  3.],
        [ 4.,  5.,  6.,  7.],
        [ 8.,  9., 10., 11.],
        [ 2.,  1.,  4.,  3.],
        [ 1.,  2.,  3.,  4.],
        [ 4.,  3.,  2.,  1.]])

 

axis=1时，X与Y按列连接

In [39]:

torch.cat((X, Y), dim=1)

Out[39]:

tensor([[ 0.,  1.,  2.,  3.,  2.,  1.,  4.,  3.],
        [ 4.,  5.,  6.,  7.,  1.,  2.,  3.,  4.],
        [ 8.,  9., 10., 11.,  4.,  3.,  2.,  1.]])

 

矩阵对应元素相加

In [40]:

X + Y

Out[40]:

tensor([[ 2.,  2.,  6.,  6.],
        [ 5.,  7.,  9., 11.],
        [12., 12., 12., 12.]])

 

矩阵的转置

In [41]:

Z = X.T

In [42]:

Z

Out[42]:

tensor([[ 0.,  4.,  8.],
        [ 1.,  5.,  9.],
        [ 2.,  6., 10.],
        [ 3.,  7., 11.]])

 

矩阵对应元素相乘

In [43]:

X * Y

Out[43]:

tensor([[ 0.,  1.,  8.,  9.],
        [ 4., 10., 18., 28.],
        [32., 27., 20., 11.]])

 

矩阵相乘 A=Z*Z'

In [44]:

A = torch.mm(Z, Z.T)

In [45]:

A

Out[45]:

tensor([[ 80.,  92., 104., 116.],
        [ 92., 107., 122., 137.],
        [104., 122., 140., 158.],
        [116., 137., 158., 179.]])

 

构建对称矩阵，A_symm=(A+A')/2

In [46]:

A_symm = (A + A.T) / 2.0

In [47]:

A_symm

Out[47]:

tensor([[ 80.,  92., 104., 116.],
        [ 92., 107., 122., 137.],
        [104., 122., 140., 158.],
        [116., 137., 158., 179.]])

 

判断A_symm是否为对称阵，即A_symm=A_symm'

In [48]:

A_symm == A_symm.T

Out[48]:

tensor([[True, True, True, True],
        [True, True, True, True],
        [True, True, True, True],
        [True, True, True, True]])

 

计算总和或均值时保持轴数不变

In [49]:

sum_X = X.sum(axis=1, keepdims=True)

In [50]:

sum_X

Out[50]:

tensor([[ 6.],
        [22.],
        [38.]])

 

由于sum_X在对每行进行求和后仍保持两个轴，我们可以通过广播将X除以sum_X。

In [51]:

X / sum_X

Out[51]:

tensor([[0.0000, 0.1667, 0.3333, 0.5000],
        [0.1818, 0.2273, 0.2727, 0.3182],
        [0.2105, 0.2368, 0.2632, 0.2895]])

 

沿某个轴计算X元素的累积总和，比如axis=0（按行计算），我们可以调用cumsum函数。此函数不会沿任何轴降低输入张量的维度。

In [52]:

X.cumsum(axis=0)

Out[52]:

tensor([[ 0.,  1.,  2.,  3.],
        [ 4.,  6.,  8., 10.],
        [12., 15., 18., 21.]])

In [53]:

X.cumsum(axis=1)

Out[53]:

tensor([[ 0.,  1.,  3.,  6.],
        [ 4.,  9., 15., 22.],
        [ 8., 17., 27., 38.]])

In [54]:

Z = torch.arange(24).reshape(2, 3, 4)

In [55]:

Z

Out[55]:

tensor([[[ 0,  1,  2,  3],
         [ 4,  5,  6,  7],
         [ 8,  9, 10, 11]],

        [[12, 13, 14, 15],
         [16, 17, 18, 19],
         [20, 21, 22, 23]]])

 

标量乘以张量

In [56]:

a = 2

In [57]:

a + Z

Out[57]:

tensor([[[ 2,  3,  4,  5],
         [ 6,  7,  8,  9],
         [10, 11, 12, 13]],

        [[14, 15, 16, 17],
         [18, 19, 20, 21],
         [22, 23, 24, 25]]])

In [58]:

a * Z

Out[58]:

tensor([[[ 0,  2,  4,  6],
         [ 8, 10, 12, 14],
         [16, 18, 20, 22]],

        [[24, 26, 28, 30],
         [32, 34, 36, 38],
         [40, 42, 44, 46]]])

 

矩阵乘以向量 $$ \mathbf{X}\mathbf{b} = \begin{bmatrix} \mathbf{x}^\top_{1} \\ \mathbf{x}^\top_{2} \\ \vdots \\ \mathbf{x}^\top_m \\ \end{bmatrix}\mathbf{b} = \begin{bmatrix} \mathbf{x}^\top_{1} \mathbf{b} \\ \mathbf{x}^\top_{2} \mathbf{b} \\ \vdots\\ \mathbf{x}^\top_{m} \mathbf{b}\\ \end{bmatrix}. $$

In [59]:

b = torch.tensor([2.0, 1, 4, 3])

In [60]:

b

Out[60]:

tensor([2., 1., 4., 3.])

In [61]:

X

Out[61]:

tensor([[ 0.,  1.,  2.,  3.],
        [ 4.,  5.,  6.,  7.],
        [ 8.,  9., 10., 11.]])

In [62]:

torch.mv(X, b)

Out[62]:

tensor([18., 58., 98.])

 

4. 范数¶

 

2范数
$$\|\mathbf{x}\|_2 = \sqrt{\sum_{i=1}^n x_i^2},$$

In [63]:

u = torch.tensor([3.0, -4.0])

In [64]:

torch.norm(u, p=2)

Out[64]:

tensor(5.)

 

1范数
$$\|\mathbf{x}\|_1 = \sum_{i=1}^n \left|x_i \right|.$$

In [65]:

torch.abs(u).sum()

Out[65]:

tensor(7.)

In [66]:

torch.norm(u, p=1)

Out[66]:

tensor(7.)

 

$\infty $范数
$$\|\mathbf{x}\|_\infty = max(|x_{i}|).$$

In [67]:

import numpy as np

In [68]:

torch.norm(u, p=np.inf)

Out[68]:

tensor(4.)