[pytorch] 通过一个例子分析torch.matmul矩阵与向量相乘的维度

本文详细解析了PyTorch中torch.matmul()函数的使用方法,包括不同维度张量间的运算规则,并通过实例展示了如何进行矩阵乘法、向量乘法及批处理矩阵乘法,帮助读者深入理解该函数的运作机制。
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pytorch文档中关于torch.matmul()的维度说明如下:

 

  • If both tensors are 1-dimensional, the dot product (scalar) is returned.
  • If both arguments are 2-dimensional, the matrix-matrix product is returned.
  • If the first argument is 1-dimensional and the second argument is 2-dimensional, a 1 is prepended to its dimension for the purpose of the matrix multiply. After the matrix multiply, the prepended dimension is removed.
  • If the first argument is 2-dimensional and the second argument is 1-dimensional, the matrix-vector product is returned.
  • If both arguments are at least 1-dimensional and at least one argument is N-dimensional (where N > 2), then a batched matrix multiply is returned. If the first argument is 1-dimensional, a 1 is prepended to its dimension for the purpose of the batched matrix multiply and removed after. If the second argument is 1-dimensional, a 1 is appended to its dimension for the purpose of the batched matrix multiple and removed after. The non-matrix (i.e. batch) dimensions are broadcasted (and thus must be broadcastable).

最后一项可能光看文档难以理解,下面举个例子:

>>a = torch.arange(0,18).view(2,3,3)
>>b = torch.ones(3,dtype=torch.long)
>>c = torch.matmul(a,b)
>>d = torch.matmul(b,a)
>>a.size()
torch.Size([2, 3, 3])
>>b.size()
torch.Size([3])
>>c.size()
torch.Size([2, 3])
>>d.size()
torch.Size([2, 3])
>>a[0]
tensor([[0, 1, 2],
        [3, 4, 5],
        [6, 7, 8]])
>>a[1]
tensor([[ 9, 10, 11],
        [12, 13, 14],
        [15, 16, 17]])
>>c
tensor([[ 3, 12, 21],
        [30, 39, 48]])
>>d
tensor([[ 9, 12, 15],
        [36, 39, 42]])

通过分析上面的结果我们可以发现,c = torch.matmul(a,b)等价于将a[0]和a[1]这两个(3,3)维的矩阵与b这个3维向量相乘:a[0]×b和a[1]×b,而d = torch.matmul(b,a)只是相乘顺序相反:b×a[0]和b×a[1].

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<think>好的,我现在需要向用户解释torch.matmultorch.bmm这两个PyTorch函数的区别和用法。首先,我得确认自己对这两个函数的理解是否正确,然后组织语言,确保用简单明了的中文表达出来。 首先,torch.matmul矩阵乘法,对吧?它应该可以处理不同维度的张量,比如向量矩阵相乘,或者两个矩阵相乘,甚至更高维的张量。比如当输入是两个1D向量时,返回点积;如果是一个2D矩阵一个1D向量,结果就是矩阵乘以向量得到一个1D结果。而对于两个2D矩阵,就是标准的矩阵乘法。当处理更高维的张量时,比如3D,它会进行批量矩阵乘法,对吧?这时候会广播前面的维度,只在最后两个维度矩阵相乘。 然后是torch.bmm,这个函数专门用于批量矩阵乘法。输入必须是3D张量,第一个维度是批量大小,后面两个是矩阵的行和列。也就是说,每个样本单独做矩阵乘法,不会有广播行为。比如形状为(b, n, m)和(b, m, p)的张量相乘,得到(b, n, p)。 接下来需要比较两者的区别。首先,维度要求不同,matmul更灵活,可以处理不同维度,而bmm必须输入3D。然后是广播行为,matmul在批量处理时会自动广播前面的维度,而bmm不会,要求批量大小必须相同。另外,性能方面,bmm可能针对批量操作优化过,所以在处理3D张量时可能效率更高。 然后需要举例子。比如当使用matmul处理两个3D张量时,如果它们的批量维度不同但可以广播,比如一个(2, 1, 3,4)和一个(3,4,5),可能会得到(2,3,3,5)。而bmm则严格要求批量维度相同,无法广播。这时候如果输入是(2,3,4)和(2,4,5),结果就是(2,3,5)。 还要提醒用户什么时候选择哪个函数。如果确定是批量矩阵乘法且批量维度一致,用bmm可能更好;如果维度不确定或有广播需求,用matmul更灵活。 检查是否有错误,比如确认matmul是否真的支持广播,以及不同维度的处理方式是否正确。比如,当输入是3D和2D时,matmul可能会将2D张量广播到3D,然后进行乘法。而bmm不接受这种情况。 最后用中文组织回答,结构清晰,分点说明,并给出示例。确保术语准确,比如“张量”、“批量维度”、“广播机制”等。</think>在PyTorch中,`torch.matmul`和`torch.bmm`都是用于矩阵乘法的函数,但它们的应用场景和行为有所不同。以下是它们的对比说明: --- ### 1. **torch.matmul**(通用矩阵乘法) - **功能**:支持多种维度的张量乘法,自动适配不同维度组合。 - **特性**: - 支持**向量矩阵、高维张量**的乘法 - 自动处理广播(Broadcasting) - 灵活处理批量维度 #### 常见用法示例: - **向量向量** → 点积 ```python a = torch.randn(3) # 形状 [3] b = torch.randn(3) # 形状 [3] result = torch.matmul(a, b) # 标量输出 ``` - **矩阵向量** → 矩阵乘法 ```python a = torch.randn(3, 4) # 形状 [3,4] b = torch.randn(4) # 形状 [4] result = torch.matmul(a, b) # 输出形状 [3] ``` - **批量矩阵乘法**(自动广播): ```python a = torch.randn(2, 3, 4) # 形状 [2,3,4] b = torch.randn(4, 5) # 形状 [4,5] result = torch.matmul(a, b) # 输出形状 [2,3,5] ``` --- ### 2. **torch.bmm**(批量矩阵乘法) - **功能**:专门用于**批量3D张量**的矩阵乘法,无广播。 - **特性**: - 输入必须是**两个3D张量** - 严格按批量维度逐元素相乘 - 比`matmul`在批量计算时更高效 #### 使用条件: ```python a.shape = (b, n, m) b.shape = (b, m, p) → 输出形状 = (b, n, p) ``` #### 示例: ```python batch_size = 5 a = torch.randn(batch_size, 3, 4) # 形状 [5,3,4] b = torch.randn(batch_size, 4, 2) # 形状 [5,4,2] result = torch.bmm(a, b) # 输出形状 [5,3,2] ``` --- ### 🔑 **核心区别** | 特性 | `torch.matmul` | `torch.bmm` | |---------------------|-------------------------|--------------------------| | **输入维度** | 支持1D/2D/3D+张量 | 仅接受两个3D张量 | | **广播机制** | ✅ 自动广播 | ❌ 要求批量维度完全一致 | | **性能优化** | 通用场景 | 针对批量3D乘法优化 | | **典型用途** | 灵活处理不同维度组合 | 严格的批量矩阵乘法 | --- ### 📝 **使用建议** - 当需要处理**批量3D张量且维度严格对齐**时,优先用`torch.bmm`(性能更优)。 - 当涉及**不同维度组合或广播需求**时,选择`torch.matmul`。 - 若输入为2D矩阵,两者行为一致(但更推荐`matmul`)。 #### 错误示例(`bmm`): ```python a = torch.randn(2, 3, 4) b = torch.randn(3, 4, 5) # 批量维度不匹配(2 vs 3) torch.bmm(a, b) # 报错! ``` #### 正确替代(`matmul`): ```python torch.matmul(a, b) # 自动广播(如果可能) ```
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