线性代数-Python-01:向量的基本运算 - 手写Vector及numpy的基本用法

该博客主要围绕Python实现线性代数向量运算展开。介绍了代码仓库地址,阐述向量的加法、数量乘法等基本运算及性质,还提及零向量、向量长度等概念。此外,详细说明了手写Vector代码的测试方法,并给出完整代码文件,如Vector.py等。

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一、代码仓库

https://github.com/Chufeng-Jiang/Python-Linear-Algebra-for-Beginner/tree/main

二、向量的基本运算

2.1 加法

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2.2 数量乘法

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2.3 向量运算的基本性质

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2.4 零向量

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2.5 向量的长度

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

2.6 单位向量

单位向量叫做 u hat
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2.7 点乘/内积:两个向量的乘法 --答案是一个标量

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三、手写Vector代码

3.1 在控制台测试__repr__和__str__方法

在这里插入图片描述

3.2 创建实例测试代码

from playLA.Vector import Vector

if __name__ == "__main__":

    vec = Vector([5, 2])
    print(vec)
    print("len(vec) = {}".format(len(vec)))
    print("vec[0] = {}, vec[1] = {}".format(vec[0], vec[1]))

在这里插入图片描述

3.3 完整代码

在这里插入图片描述

Vector.py

import math
from ._globals import EPSILON
class Vector:

    def __init__(self, lst):
        """
        __init__ 代表类的构造函数
        双下划线开头的变量 例如_values,代表类的私有成员
        lst是个引用,list(lst)将值复制一遍,防止用户修改值
        """
        self._values = list(lst)

    def dot(self, another):
        """向量点乘,返回结果标量"""
        assert len(self) == len(another), \
            "Error in dot product. Length of vectors must be same."
        return sum(a * b for a, b in zip(self, another))

    def norm(self):
        """返回向量的模"""
        return math.sqrt(sum(e**2 for e in self))

    def normalize(self):
        """
        归一化,规范化
        返回向量的单位向量
        此处设计到了除法: def __truediv__(self, k):
        """
        if self.norm() < EPSILON:
            raise ZeroDivisionError("Normalize error! norm is zero.")
        return Vector(self._values) / self.norm()
        # return 1 / self.norm() * Vector(self._values)
        # return Vector([e / self.norm() for e in self])

    def __truediv__(self, k):
        """返回数量除法的结果向量:self / k"""
        return (1 / k) * self

    @classmethod
    def zero(cls, dim):
        """返回一个dim维的零向量
        @classmethod 修饰符对应的函数不需要实例化,不需要 self 参数,但第一个参数需要是表示自身类的cls参数,可以来调用类的属性,类的方法,实例化对象等。
        """
        return cls([0] * dim)

    def __add__(self, another):
        """向量加法,返回结果向量"""
        assert len(self) == len(another), \
            "Error in adding. Length of vectors must be same."
        # return Vector([a + b for a, b in zip(self._values, another._values)])
        return Vector([a + b for a, b in zip(self, another)])

    def __sub__(self, another):
        """向量减法,返回结果向量"""
        assert len(self) == len(another), \
            "Error in subtracting. Length of vectors must be same."
        return Vector([a - b for a, b in zip(self, another)])

    def __mul__(self, k):
        """返回数量乘法的结果向量:self * k"""
        return Vector([k * e for e in self])

    def __rmul__(self, k):
        """
        返回数量乘法的结果向量:k * self
        self本身就是一个列表
        """
        return self * k

    def __pos__(self):
        """返回向量取正的结果向量"""
        return 1 * self

    def __neg__(self):
        """返回向量取负的结果向量"""
        return -1 * self

    def __iter__(self):
        """返回向量的迭代器"""
        return self._values.__iter__()

    def __getitem__(self, index):
        """取向量的第index个元素"""
        return self._values[index]

    def __len__(self):
        """返回向量长度(有多少个元素)"""
        return len(self._values)

    def __repr__(self):
        """打印显示:Vector([5, 2])"""
        return "Vector({})".format(self._values)

    def __str__(self):
        """打印显示:(5, 2)"""
        return "({})".format(", ".join(str(e) for e in self._values))

_globals.py

# 包中的变量,但是对包外不可见,因此使用“_”开头
EPSILON = 1e-8

main_vector.py

from playLA.Vector import Vector

if __name__ == "__main__":

    vec = Vector([5, 2])
    print(vec)
    print("len(vec) = {}".format(len(vec)))
    print("vec[0] = {}, vec[1] = {}".format(vec[0], vec[1]))

    vec2 = Vector([3, 1])
    print("{} + {} = {}".format(vec, vec2, vec + vec2))
    print("{} - {} = {}".format(vec, vec2, vec - vec2))

    print("{} * {} = {}".format(vec, 3, vec * 3))
    print("{} * {} = {}".format(3, vec, 3 * vec))

    print("+{} = {}".format(vec, +vec))
    print("-{} = {}".format(vec, -vec))

    zero2 = Vector.zero(2)
    print(zero2)
    print("{} + {} = {}".format(vec, zero2, vec + zero2))

    print("norm({}) = {}".format(vec, vec.norm()))
    print("norm({}) = {}".format(vec2, vec2.norm()))
    print("norm({}) = {}".format(zero2, zero2.norm()))

    print("normalize {} is {}".format(vec, vec.normalize()))
    print(vec.normalize().norm())

    print("normalize {} is {}".format(vec2, vec2.normalize()))
    print(vec2.normalize().norm())

    try:
        zero2.normalize()
    except ZeroDivisionError:
        print("Cannot normalize zero vector {}.".format(zero2))
    print("========点乘:========")
    print(vec.dot(vec2))

main_numpy_vector.py

import numpy as np

if __name__ == "__main__":

    print(np.__version__)

    # np.array 基础
    print("========np.array 基础========")
    lst = [1, 2, 3]
    lst[0] = "Linear Algebra"
    print(lst)
    print("========vec = np.array([1, 2, 3])========")
    vec = np.array([1, 2, 3])
    print(vec)
    # vec[0] = "Linear Algebra"
    # vec[0] = 666
    # print(vec)
    print("========np.array的创建========")
    # np.array的创建
    print(np.zeros(5))
    print(np.ones(5))
    print(np.full(5, 666))
    print("========np.array的基本属性========")
    # np.array的基本属性
    print(vec)
    print("size =", vec.size)
    print("size =", len(vec))
    print(vec[0])
    print(vec[-1])
    print(vec[0: 2])
    print(type(vec[0: 2]))
    print("========np.array的基本运算========")
    # np.array的基本运算
    vec2 = np.array([4, 5, 6])
    print("{} + {} = {}".format(vec, vec2, vec + vec2))
    print("{} - {} = {}".format(vec, vec2, vec - vec2))
    print("{} * {} = {}".format(2, vec, 2 * vec))
    print("没有数学意义的乘法:{} * {} = {}".format(vec, vec2, vec * vec2))
    print("{}.dot({}) = {}".format(vec, vec2, vec.dot(vec2)))
    print("========求模========")
    print(np.linalg.norm(vec))
    print("========归一化========")
    print(vec / np.linalg.norm(vec))
    print("========单位向量========")
    print(np.linalg.norm(vec / np.linalg.norm(vec)))
    print("========零向量会报错========")
    zero3 = np.zeros(3)
    print(zero3 / np.linalg.norm(zero3))

<think>好的,我现在要回答用户关于在Python中进行向量运算的问题。首先,我需要理解用户的具体需求。用户提到了几个引用链接,都是关于向量运算Python实现,包括手写Vector类和使用numpy库的方法。我需要结合这些参考资料,给出清晰、结构化的回答,并且按照用户的要求生成相关问题。 首先,我应该分两部分来回答:手写实现向量运算和使用numpy库。用户提供的引用中,引用[1]和[2]提到了手写Vector类,包括加法和减法的实现。引用[3]则展示了如何使用运算符重载来实现向量减法。同时,用户可能也想知道更高效的库如numpy的使用方法,所以需要涵盖这一点。 接下来,我需要确保回答中的数学表达式符合格式要求,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$。例如,向量的加法公式应该写成$\mathbf{a} + \mathbf{b} = (a_1 + b_1, a_2 + b_2, \dots, a_n + b_n)$。此外,代码示例需要正确展示,比如手写Vector类的代码片段,以及numpy的使用示例。 然后,生成相关问题需要考虑用户可能进一步想知道的内容,比如性能比较、应用场景或者更复杂的运算方法。这样可以帮助用户深入学习和解决问题。 需要注意的是,用户提供的引用链接可能涉及到具体的实现细节,比如加法、减法的运算符重载,所以在回答时要正确引用这些内容,例如在代码示例后添加[^2]或[^3]的引用标识。同时,numpy部分的引用可能来自引用[1],但原引用中主要讲的是手写Vectornumpy基本用法,可能需要补充numpy相关的通用知识,但因为用户给的引用中没有更多numpy的细节,所以可能需要简要说明而不直接引用。 最后,确保整个回答结构清晰,分点说明,并且语言简洁,符合中文表达习惯。避免使用Markdown格式,但按照用户的要求,代码块需要用三个反引号包裹,并注明语言类型。 现在,我需要检查是否有遗漏的部分,比如点乘、叉乘等其他向量运算是否应该包含,但根据用户提供的引用,主要涉及加减法,所以可能先集中在这些基础运算,再提到numpy的更多功能。同时,注意不要加入用户未提及的内容,除非是必要的补充,如点乘作为常见运算之一。 总结步骤: 1. 介绍两种方法:手写Vector类和numpy库。 2. 分别给出代码示例,正确引用提供的资料。 3. 确保数学公式格式正确。 4. 生成相关问题,覆盖实现方法、性能、应用等。</think>在Python中实现向量运算主要有两种方式:手动实现向量类或使用`numpy`库。以下是具体方法及实现示例: --- ### 一、手动实现向量类 通过定义`Vector`类并重载运算符实现基本运算: ```python class Vector: def __init__(self, components): self.components = components # 向量分量,如[1, 2, 3] # 加法:$\mathbf{a} + \mathbf{b} = (a_1 + b_1, a_2 + b_2, \dots, a_n + b_n)$ def __add__(self, other): return Vector([a + b for a, b in zip(self.components, other.components)]) [^2] # 减法:$\mathbf{a} - \mathbf{b} = (a_1 - b_1, a_2 - b_2, \dots, a_n - b_n)$ def __sub__(self, other): return Vector([a - b for a, b in zip(self.components, other.components)]) # 标量乘法:$c \cdot \mathbf{a} = (c \cdot a_1, c \cdot a_2, \dots, c \cdot a_n)$ def __mul__(self, scalar): return Vector([a * scalar for a in self.components]) # 示例 vec1 = Vector([1, 2, 3]) vec2 = Vector([4, 5, 6]) print(vec1 + vec2) # 输出 [5, 7, 9] print(vec1 - vec2) # 输出 [-3, -3, -3] ``` --- ### 二、使用`numpy`库 `numpy`提供高效的向量运算,支持广播机制和复杂数学函数: ```python import numpy as np # 定义向量 a = np.array([1, 2, 3]) b = np.array([4, 5, 6]) # 加法 print(a + b) # 输出 [5 7 9] # 点乘:$\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = \sum_{i=1}^n a_i b_i$ print(np.dot(a, b)) # 输出 32 # 标量乘法 print(3 * a) # 输出 [3 6 9] # 范数:$\|\mathbf{a}\| = \sqrt{\sum_{i=1}^n a_i^2}$ print(np.linalg.norm(a)) # 输出 3.7417 ``` `numpy`还支持矩阵运算、特征值计算等高级操作[^1]。 --- ### 三、两种方法对比 | **方法** | **优点** | **缺点** | |----------------|--------------------------|-----------------------| | 手动实现 | 理解底层逻辑,适合教学 | 性能低,功能有限 | | `numpy` | 高效,功能全面 | 需要学习库的API | ---
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