线性代数-Python-02:矩阵的基本运算 - 手写Matrix及numpy中的用法

本文介绍了Python中矩阵的基本操作,包括矩阵加法、数量乘法、向量和矩阵乘法以及矩阵转置。手写代码示例展示了如何使用自定义Matrix类实现这些操作,同时介绍了利用numpy库进行更高效矩阵计算的方法。
部署运行你感兴趣的模型镜像

一、代码仓库

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

二、矩阵的基本运算

在这里插入图片描述

2.1 矩阵的加法

在这里插入图片描述

2.2 矩阵的数量乘法

在这里插入图片描述

2.3 矩阵和向量的乘法

在这里插入图片描述

2.4 矩阵和矩阵的乘法

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.5 矩阵的转置

在这里插入图片描述

三、手写Matrix代码

Matrix.py

from .Vector import Vector


class Matrix:
    """参数二:是一个二维列表"""
    def __init__(self, list2d):
        self._values = [row[:] for row in list2d]

    @classmethod
    def zero(cls, r, c):
        """返回一个r行c列的零矩阵"""
        return cls([[0] * c for _ in range(r)])

    def T(self):
        """返回矩阵的转置矩阵"""
        return Matrix([[e for e in self.col_vector(i)]
                       for i in range(self.col_num())])

    def __add__(self, another):
        """返回两个矩阵的加法结果"""
        assert self.shape() == another.shape(), \
            "Error in adding. Shape of matrix must be same."
        return Matrix([[a + b for a, b in zip(self.row_vector(i), another.row_vector(i))]
                       for i in range(self.row_num())])

    def __sub__(self, another):
        """返回两个矩阵的减法结果"""
        assert self.shape() == another.shape(), \
            "Error in subtracting. Shape of matrix must be same."
        return Matrix([[a - b for a, b in zip(self.row_vector(i), another.row_vector(i))]
                       for i in range(self.row_num())])

    def dot(self, another):
        """返回矩阵乘法的结果"""
        if isinstance(another, Vector):
            # 矩阵和向量的乘法
            assert self.col_num() == len(another), \
                "Error in Matrix-Vector Multiplication."
            return Vector([self.row_vector(i).dot(another) for i in range(self.row_num())])

        if isinstance(another, Matrix):
            # 矩阵和矩阵的乘法
            assert self.col_num() == another.row_num(), \
                "Error in Matrix-Matrix Multiplication."
            return Matrix([[self.row_vector(i).dot(another.col_vector(j)) for j in range(another.col_num())]
                           for i in range(self.row_num())])

    def __mul__(self, k):
        """返回矩阵的数量乘结果: self * k"""
        return Matrix([[e * k for e in self.row_vector(i)]
                       for i in range(self.row_num())])

    def __rmul__(self, k):
        """返回矩阵的数量乘结果: k * self"""
        return self * k

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

    def __pos__(self):
        """返回矩阵取正的结果"""
        return 1 * self

    def __neg__(self):
        """返回矩阵取负的结果"""
        return -1 * self

    def row_vector(self, index):
        """返回矩阵的第index个行向量"""
        return Vector(self._values[index])

    def col_vector(self, index):
        """返回矩阵的第index个列向量"""
        return Vector([row[index] for row in self._values])

    def __getitem__(self, pos):
        """返回矩阵pos位置的元素"""
        r, c = pos
        return self._values[r][c]

    def size(self):
        """返回矩阵的元素个数"""
        r, c = self.shape()
        return r * c

    def row_num(self):
        """返回矩阵的行数"""
        return self.shape()[0]

    __len__ = row_num

    def col_num(self):
        """返回矩阵的列数"""
        return self.shape()[1]

    def shape(self):
        """返回矩阵的形状: (行数, 列数)"""
        return len(self._values), len(self._values[0])

    def __repr__(self):
        return "Matrix({})".format(self._values)

    __str__ = __repr__

main_matrix.py

from playLA.Vector import Vector
from playLA.Matrix import Matrix


if __name__ == "__main__":

    matrix = Matrix([[1, 2], [3, 4]])
    print(matrix)
    print("matrix.shape = {}".format(matrix.shape()))
    print("matrix.size = {}".format(matrix.size()))
    print("len(matrix) = {}".format(len(matrix)))
    print("matrix[0][0] = {}".format(matrix[0, 0]))

    matrix2 = Matrix([[5, 6], [7, 8]])
    print(matrix2)
    print("add: {}".format(matrix + matrix2))
    print("subtract: {}".format(matrix - matrix2))
    print("scalar-mul: {}".format(2 * matrix))
    print("scalar-mul: {}".format(matrix * 2))
    print("zero_2_3: {}".format(Matrix.zero(2, 3)))

    T = Matrix([[1.5, 0], [0, 2]])
    p = Vector([5, 3])
    print("T.dot(p) = {}".format(T.dot(p)))

    P = Matrix([[0, 4, 5], [0, 0, 3]])
    print("T.dot(P) = {}".format(T.dot(P)))

    print("A.dot(B) = {}".format(matrix.dot(matrix2)))
    print("B.dot(A) = {}".format(matrix2.dot(matrix)))

    print("P.T = {}".format(P.T()))


在这里插入图片描述

main_numpy_matrix.py

import numpy as np

if __name__ == "__main__":

    # 矩阵的创建
    A = np.array([[1, 2], [3, 4]])
    print(A)

    # 矩阵的属性
    print(A.shape)
    print(A.T)

    # 获取矩阵的元素
    print(A[1, 1])
    print(A[0])
    print(A[:, 0])
    print(A[1, :])

    # 矩阵的基本运算
    B = np.array([[5, 6], [7, 8]])
    print(A + B)
    print(A - B)
    print(10 * A)
    print(A * 10)
    print(A * B)
    print(A.dot(B))

    p = np.array([10, 100])
    print(A + p)
    print(A + 1)

    print(A.dot(p))

在这里插入图片描述

您可能感兴趣的与本文相关的镜像

Python3.11

Python3.11

Conda
Python

Python 是一种高级、解释型、通用的编程语言,以其简洁易读的语法而闻名,适用于广泛的应用,包括Web开发、数据分析、人工智能和自动化脚本

<think>根据用户需求,我们需要提供使用NumPy创建数组并进行基本操作的示例代码。代码需要手写格式(使用Markdown代码块),并确保正确缩进。我们将包括以下内容:1.导入NumPy2.创建数组(使用np.array,np.zeros,np.ones,np.arange,np.linspace等)3.数组属性(形状、维度、数据类型)4.数组索引与切片5.广播机制示例6.向量化计算示例(如矩阵加法、乘法)注意:引用[1]中提到了NumPy基础,包括创建数组、数组属性、索引与切片、广播机制等。引用[2]提到了Python在科学计算中的优势。引用[3]和[4]提供了其他相关信息,但与本问题相关度不高。我们将按照以下结构组织:-简要介绍NumPy数组-提供示例代码(手写格式,正确缩进)-解释关键操作同时,根据系统指令,生成相关问题。</think>### NumPy数组创建与基本操作示例 以下是使用PythonNumPy创建数组并进行基本操作的代码示例(已正确缩进): ```python import numpy as np # 导入NumPy库 # === 1. 创建数组 === # 从列表创建 arr1 = np.array([1, 2, 3, 4]) # 一维数组 arr2 = np.array([[1.5, 2.2, 3], [4.1, 5, 6]]) # 二维数组 # 特殊数组创建 zeros_arr = np.zeros((2, 3)) # 2x3全零数组 ones_arr = np.ones((3,)) # 长度为3的全1数组 range_arr = np.arange(0, 10, 2) # [0,2,4,6,8] random_arr = np.random.rand(2, 2) # 2x2随机数组 # === 2. 数组属性操作 === print("arr2形状:", arr2.shape) # 输出: (2, 3) print("arr2维度:", arr2.ndim) # 输出: 2 print("arr2数据类型:", arr2.dtype) # 输出: float64 # 重塑形状 reshaped = arr1.reshape(2, 2) # 将4元素数组转为2x2矩阵 # === 3. 索引与切片 === print("arr2首行:", arr2[0]) # 输出: [1.5 2.2 3.0] print("arr2第二列:", arr2[:, 1]) # 输出: [2.2 5.0] print("子矩阵:\n", arr2[0:2, 1:3]) # 截取2x2子矩阵 # === 4. 广播机制示例 === # 向量与标量运算(广播标量到整个数组) vector = np.array([1, 2, 3]) result = vector * 5 # 输出: [5, 10, 15] # 矩阵加法(广播小矩阵matrix = np.ones((3, 3)) small_matrix = np.array([[1], [2], [3]]) broadcasted_add = matrix + small_matrix # 每列加[1,2,3] # === 5. 向量化计算 === # 矩阵乘法(避免Python循环) mat_a = np.array([[1, 2], [3, 4]]) mat_b = np.array([[5, 6], [7, 8]]) mat_multiply = np.dot(mat_a, mat_b) # 向量化矩阵乘法 ``` ### 关键说明: 1. **创建方法** - `np.array()` 从Python列表创建 - `np.zeros()`/`np.ones()` 初始化固定值数组 - `np.arange()` 生成等差数列(类似Python的`range`) 2. **广播机制** 允许不同形状数组运算(如标量与向量),NumPy自动扩展较小数组维度[^1] 3. **向量化优势** 使用`np.dot()`等函数替代循环,显著提升计算效率(尤其适合科学计算)[^2] 4. **索引规则** - 多维索引 `arr[row, col]` - 切片 `start:stop:step` 语法 - 布尔索引 `arr[arr > 3]` > 注意:NumPy数组要求**同质数据类型**,混合类型(如`[1, 2.5]`)会自动向上转型(此处转为`float64`)
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包

打赏作者

大大枫

你的鼓励将是我创作的最大动力

¥1 ¥2 ¥4 ¥6 ¥10 ¥20
扫码支付:¥1
获取中
扫码支付

您的余额不足,请更换扫码支付或充值

打赏作者

实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值