numpy的线性代数操作

Numpy中实现了线性代数中常用的各种操作

形成了numpy.linalg线性代数相关的模块。其中包括：
diag 以一维数组的形式返回方阵的对角线（或非对角线）元素，或将一维数组转换为方阵（非对角线元素为0）
dot 矩阵乘法
trace 计算对角线元素的和
det 计算矩阵行列式
eig 计算方阵的特征值和特征向量
inv 计算方阵的逆

# 矩阵相乘
a = np.arange(12)
b = a.reshape([3, 4])
c = a.reshape([4, 3])
# 矩阵b的第二维大小，必须等于矩阵c的第一维大小
d = b.dot(c) # 等价于 np.dot(b, c)
print('a: \n{}'.format(a))
print('b: \n{}'.format(b))
print('c: \n{}'.format(c))
print('d: \n{}'.format(d))

# numpy.linalg  中有一组标准的矩阵分解运算以及诸如求逆和行列式之类的东西
# np.linalg.diag 以一维数组的形式返回方阵的对角线（或非对角线）元素，
e = np.diag(d)
# 或将一维数组转换为方阵（非对角线元素为0）
f = np.diag(e)
# trace, 计算对角线元素的和
g = np.trace(d)
# det，计算行列式
h = np.linalg.det(d)
# eig，计算特征值和特征向量
i = np.linalg.eig(d)
# inv，计算方阵的逆
tmp = np.random.rand(3, 3)
j = np.linalg.inv(tmp)

Numpy保存和导入文件

# 使用np.fromfile从文本文件'housing.data'读入数据
# 这里要设置参数sep = ' '，表示使用空白字符来分隔数据
# 空格或者回车都属于空白字符，读入的数据被转化成1维数组
d = np.fromfile('./work/housing.data', sep = ' ')

Numpy还提供了save和load接口，直接将数组保存成文件(保存为.npy格式)，或者从.npy文件中读取数组

# 产生随机数组a
a = np.random.rand(3,3)
np.save('a.npy', a)

# 从磁盘文件'a.npy'读入数组
b = np.load('a.npy')

# 检查a和b的数值是否一样
check = (a == b).all()

Numpy应用举例

Numpy应用举例——计算激活函数

使用ndarray数组可以很方便的构建数学函数，而且能利用其底层的矢量计算能力快速实现计算。
Sigmoid激活函数

ReLU激活函数

# ReLU和Sigmoid激活函数示意图
import numpy as np
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patches as patches

#设置图片大小
plt.figure(figsize=(8, 3))

# x是1维数组，数组大小是从-10. 到10.的实数，每隔0.1取一个点
x = np.arange(-10, 10, 0.1)
# 计算 Sigmoid函数
s = 1.0 / (1 + np.exp(- x))

# 计算ReLU函数
y = np.clip(x, a_min = 0., a_max = None)
#########################################################
# 以下部分为画图程序

# 设置两个子图窗口，将Sigmoid的函数图像画在左边
f = plt.subplot(121)
# 画出函数曲线
plt.plot(x, s, color='r')
# 添加文字说明
plt.text(-5., 0.9, r'$y=\sigma(x)$', fontsize=13)
# 设置坐标轴格式
currentAxis=plt.gca()
currentAxis.xaxis.set_label_text('x', fontsize=15)
currentAxis.yaxis.set_label_text('y', fontsize=15)
# 将ReLU的函数图像画在左边
f = plt.subplot(122)
# 画出函数曲线
plt.plot(x, y, color='g')
# 添加文字说明
plt.text(-3.0, 9, r'$y=ReLU(x)$', fontsize=13)
# 设置坐标轴格式
currentAxis=plt.gca()
currentAxis.xaxis.set_label_text('x', fontsize=15)
currentAxis.yaxis.set_label_text('y', fontsize=15)

plt.show()

Numpy应用举例——图像翻转和裁剪

图像是由像素点构成的矩阵，其数值可以用ndarray来表示。可以将上面章节中介绍的操作用在图像数据对应的ndarray上，并且通过图像直观的展示出它的效果来

# 导入需要的包
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image

# 读入图片
image = Image.open('.jpg')
image = np.array(image)
# 查看数据形状，其形状是[H, W, 3]，
# 其中H代表高度， W是宽度，3代表RGB三个通道
image.shape

# 垂直方向翻转
# 这里使用数组切片的方式来完成，
# 相当于将图片最后一行挪到第一行，
# 倒数第二行挪到第二行，..., 
# 第一行挪到倒数第一行
# 对于行指标，使用::-1来表示切片，
# 负数步长表示以最后一个元素为起点，向左走寻找下一个点
# 对于列指标和RGB通道，仅使用:表示该维度不改变
image2 = image[::-1, :, :]
plt.imshow(image2)

# 水平方向翻转
image3 = image[:, ::-1, :]
plt.imshow(image3)

#  高度方向裁剪
H, W = image.shape[0], image.shape[1]
# 注意此处用整除，H_start必须为整数
H1 = H // 2 
H2 = H
image4 = image[H1:H2, :, :]
plt.imshow(image4)

#  宽度方向裁剪
W1 = W//6
W2 = W//3 * 2
image5 = image[:, W1:W2, :]
plt.imshow(image5)

# 两个方向同时裁剪
image5 = image[H1:H2, \
               W1:W2, :]
plt.imshow(image5)

# 调整亮度
image6 = image * 0.5
plt.imshow(image6.astype('uint8'))

#高度方向每隔一行取像素点
image8 = image[::2, :, :]
plt.imshow(image8)

#宽度方向每隔一列取像素点
image9 = image[:, ::2, :]
plt.imshow(image9)

#间隔行列采样，图像尺寸会减半，清晰度变差
image10 = image[::2, ::2, :]
plt.imshow(image10)
image10.shape