Scipy教程 - 距离计算库scipy.spatial.distance

本文详细介绍了scipy.spatial中的距离计算模块,包括各种距离和相似度计算函数的使用方法,以及如何进行矩阵距离计算和转换。通过示例演示了如何计算不同类型的向量之间的距离,并提供了检查距离矩阵有效性的方法。

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http://blog.youkuaiyun.com/pipisorry/article/details/48814183

在scipy.spatial中最重要的模块应该就是距离计算模块distance了。

from scipy import spatial

距离计算

矩阵距离计算函数

矩阵参数每行代表一个观测值,计算结果就是每行之间的metric距离。Distance matrix computation from a collection of raw observation vectors stored in a rectangular array.

向量距离计算函数Distance functions between two vectors u and v

Distance functions between two vectors u and v. Computingdistances over a large collection of vectors is inefficient for thesefunctions. Use pdist for this purpose.

输入的参数应该是向量,也就是维度应该是(n, ),当然也可以是(1, n)它会使用squeeze自动去掉维度为1的维度;但是如果是多维向量,至少有两个维度>1就会出错。

e.g. spatial.distance.correlation(u, v)    #计算向量u和v之间的相关系数(pearson correlation coefficient, Centered Cosine)

Note: 如果向量u和v元素数目都只有一个或者某个向量中所有元素相同(分母norm(u - u.mean())为0),那么相关系数当然计算无效,会返回nan。

braycurtis(u, v)Computes the Bray-Curtis distance between two 1-D arrays.
canberra(u, v)Computes the Canberra distance between two 1-D arrays.
chebyshev(u, v)Computes the Chebyshev distance.
cityblock(u, v)Computes the City Block (Manhattan) distance.
correlation(u, v)Computes the correlation distance between two 1-D arrays.
cosine(u, v)Computes the Cosine distance between 1-D arrays.
dice(u, v)Computes the Dice dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
euclidean(u, v)Computes the Euclidean distance between two 1-D arrays.
hamming(u, v)Computes the Hamming distance between two 1-D arrays.
jaccard(u, v)Computes the Jaccard-Needham dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
kulsinski(u, v)Computes the Kulsinski dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
mahalanobis(u, v, VI)Computes the Mahalanobis distance between two 1-D arrays.
matching(u, v)Computes the Matching dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
minkowski(u, v, p)Computes the Minkowski distance between two 1-D arrays.
rogerstanimoto(u, v)Computes the Rogers-Tanimoto dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
russellrao(u, v)Computes the Russell-Rao dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
seuclidean(u, v, V)Returns the standardized Euclidean distance between two 1-D arrays.
sokalmichener(u, v)Computes the Sokal-Michener dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
sokalsneath(u, v)Computes the Sokal-Sneath dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
sqeuclidean(u, v)Computes the squared Euclidean distance between two 1-D arrays.
wminkowski(u, v, p, w)Computes the weighted Minkowski distance between two 1-D arrays.
yule(u, v)Computes the Yule dissimilarity between two boolean 1-D arrays.
[ 距离和相似度计算 ]

scipy.spatial.distance.pdist(X, metric=’euclidean’, p=2, w=None, V=None, VI=None)

pdist(X[, metric, p, w, V, VI])Pairwise distances between observations in n-dimensional space.观测值(n维)两两之间的距离。Pairwise distances between observations in n-dimensional space.距离值越大,相关度越小。

注意,距离转换成相似度时,由于自己和自己的距离是不会计算的默认为0,所以要先通过dist = spatial.distance.squareform(dist)转换成dense矩阵,再通过1 - dist计算相似度。

metric:

1 距离计算可以使用自己写的函数。Y = pdist(X, f) Computes the distance between all pairs of vectors in Xusing the user supplied 2-arity function f.

如欧式距离计算可以这样:

dm = pdist(X, lambda u, v: np.sqrt(((u-v)**2).sum()))

但是如果scipy库中有相应的距离计算函数的话,就不要使用dm = pdist(X, sokalsneath)这种方式计算,sokalsneath调用的是python自带的函数,会调用c(n, 2)次;而应该使用scipy中的optimized C version,使用dm = pdist(X, 'sokalsneath')。

再如矩阵行之间的所有cause effect值的计算可以这样:

def causal_effect(m):
    effect = lambda u, v: u.dot(v) / sum(u) - (1 - u).dot(v) / sum(1 - u)
    return spatial.distance.squareform(spatial.distance.pdist(m, metric=effect))

2 这里计算的是两两之间的距离,而不是相似度,如计算cosine距离后要用1-cosine才能得到相似度。从下面的consine计算公式就可以看出。

Y = pdist(X, ’euclidean’)    #d=sqrt((x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2)

Y = pdist(X, ’minkowski’, p)


scipy.spatial.distance.cdist(XA, XB, metric=’euclidean’, p=2, V=None, VI=None, w=None)

cdist(XA, XB[, metric, p, V, VI, w])Computes distance between each pair of the two collections of inputs.

当然XA\XB最简单的形式是一个二维向量(也必须是,否则报错ValueError: XA must be a 2-dimensional array.),计算的就是两个向量之间的metric距离度量。

scipy.spatial.distance.squareform(X, force=’no’, checks=True)

squareform(X[, force, checks])Converts a vector-form distance vector to a square-form distance matrix, and vice-versa.

将向量形式的距离表示转换成dense矩阵形式。Converts a vector-form distance vector to a square-form distance matrix, and vice-versa.

注意:Distance matrix 'X' must be symmetric&diagonal must be zero.

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矩阵距离计算示例

示例1

x
array([[0, 2, 3],
       [2, 0, 6],
       [3, 6, 0]])
y=dis.pdist(x)
Iy
array([ 4.12310563,  5.83095189,  8.54400375])
z=dis.squareform(y)
z
array([[ 0.        ,  4.12310563,  5.83095189],
       [ 4.12310563,  0.        ,  8.54400375],
       [ 5.83095189,  8.54400375,  0.        ]])
type(z)
numpy.ndarray
type(y)
numpy.ndarray

示例2

print(sim)
print(spatial.distance.cdist(sim[0].reshape((1, 2)), sim[1].reshape((1, 2)), metric='cosine'))
print(spatial.distance.pdist(sim, metric='cosine'))
[[-2.85 -0.45]
 [-2.5   1.04]]

[[ 0.14790689]]

[ 0.14790689]

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检验距离矩阵有效性Predicates for checking the validity of distance matrices

Predicates for checking the validity of distance matrices, bothcondensed and redundant. Also contained in this module are functionsfor computing the number of observations in a distance matrix.

is_valid_dm(D[, tol, throw, name, warning])Returns True if input array is a valid distance matrix.
is_valid_y(y[, warning, throw, name])Returns True if the input array is a valid condensed distance matrix.
num_obs_dm(d)Returns the number of original observations that correspond to a square, redundant distance matrix.
num_obs_y(Y)Returns the number of original observations that correspond to a condensed distance matrix.
from: http://blog.youkuaiyun.com/pipisorry/article/details/48814183

ref: Distance computations (scipy.spatial.distance)

Spatial algorithms and data structures (scipy.spatial)

scipy-ref-0.14.0-p933


<think>我们被要求详细讲解scipy.spatial.distance模块。这个模块提供了计算距离的函数,包括各种向量之间的距离、空间距离等。主要功能:计算输入数据之间的距离,支持多种距离度量方式。常见函数:1.pdist:计算一组向量中两两之间的距离,返回一个压缩的距离矩阵(上三角部分)。2.cdist:计算两个输入集合中每对之间的距离。3.squareform:将pdist返回的压缩距离矩阵转换为方阵,或者将方阵转换为压缩矩阵。4.各种具体的距离函数,如欧几里得距离(euclidean)、曼哈顿距离(cityblock)、余弦距离(cosine)等。使用步骤:1.导入模块:fromscipy.spatialimportdistance2.使用具体函数计算距离。示例:示例1:使用cdist计算两个点集之间的距离示例2:使用pdist计算一个点集内两两之间的距离示例3:使用具体的距离函数(如euclidean)计算两个向量之间的距离注意:在引用中并没有直接关于distance模块的内容,但我们可以根据模块的官方文档和使用经验来编写。由于要求生成相关问题,我们将在最后提出几个相关问题。现在开始详细讲解。</think>### Scipy.spatial.distance 模块详解 `scipy.spatial.distance` 是 SciPy 中用于计算距离的核心模块,提供高效的向量距离计算函数和工具函数。主要功能包括: #### 核心功能 1. **两向量距离计算** 提供 20+ 种距离度量函数,直接计算两个向量间的距离: ```python from scipy.spatial import distance # 欧氏距离 euclidean = distance.euclidean([1, 2], [4, 6]) # 结果:5.0 # 余弦相似度 cosine_dist = distance.cosine([1, 0], [0, 1]) # 结果:1.0 (完全无关) ``` 2. **成对距离矩阵计算** - `pdist()`: 计算单数据集内所有向量两两之间的距离,返回压缩矩阵 ```python import numpy as np points = np.array([[0, 0], [1, 1], [2, 2]]) dist_matrix = distance.pdist(points, 'euclidean') # 返回 array([1.414, 2.828, 1.414]) ``` - `cdist()`: 计算两个数据集间的交叉距离矩阵 ```python setA = np.array([[0, 0], [1, 1]]) setB = np.array([[2, 2], [3, 3]]) cross_dist = distance.cdist(setA, setB) # 返回 2x2 距离矩阵 ``` 3. **矩阵格式转换** `squareform()` 在压缩矩阵和标准方阵间转换: ```python # 将pdist结果转为方阵 full_matrix = distance.squareform(dist_matrix) ''' 输出: [[0. 1.414 2.828] [1.414 0. 1.414] [2.828 1.414 0. ]] ''' ``` #### 常用距离度量 | 距离类型 | 函数名 | 公式 | 适用场景 | |------------------|-------------------|--------------------------|----------------------| | 欧氏距离 | `euclidean` | $d = \sqrt{\sum{(u_i-v_i)^2}}$ | 空间距离 | | 曼哈顿距离 | `cityblock` | $d = \sum{|u_i-v_i|}$ | 网格路径 | | 余弦距离 | `cosine` | $d = 1 - \frac{u·v}{||u||_2||v||_2}$ | 文本相似度 | | 闵可夫斯基距离 | `minkowski` | $d = (\sum{|u_i-v_i|^p})^{1/p}$ | 可调参数的距离 | | 汉明距离 | `hamming` | $d = \frac{\text{不同位置数}}{\text{总维度}}$ | 二进制数据 | #### 完整使用示例 ```python from scipy.spatial.distance import pdist, squareform import numpy as np # 创建三维空间点集 points = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]) # 计算所有点对的曼哈顿距离 manhattan_dists = pdist(points, 'cityblock') # 转换为完整距离矩阵 dist_matrix = squareform(manhattan_dists) print("曼哈顿距离矩阵:\n", dist_matrix) ``` **输出**: ``` 曼哈顿距离矩阵: [[ 0. 9. 18.] [ 9. 0. 9.] [18. 9. 0.]] ``` #### 性能优化建议 1. 对大型数据集优先使用 `pdist` 而非双重循环,速度提升 10-100 倍[^1] 2. 使用 `metric='euclidean'` 参数而非自定义函数,内部使用 C 优化 3. 二进制数据采用 `jaccard` 或 `hamming` 距离可避免浮点运算开销 该模块广泛应用于聚类分析(如 K-Means)、分类算法(如 KNN)、图像处理和推荐系统中[^2]。 --- ### 相关问题 1. 如何选择适合不同数据类型的距离度量方法? 2. `pdist` 和 `cdist` 在处理大规模数据集时的性能差异是什么? 3. 余弦距离和欧氏距离在文本向量表示中的效果有何不同? 4. 如何利用 `squareform` 函数优化距离矩阵的存储效率? [^1]: 在 Numpy 中,数据类型和结构的理解是构建复杂科学计算应用的基础。通过上述示例,我们了解了如何创建和操作 Numpy 数组,并深入到数据类型及其结构的细节中,为后续的章节内容打下了坚实的基础。 [^2]: 对于复杂的 3D 模型,原始的几何数据可能包含数百万甚至数十亿的顶点。直接渲染这些模型会消耗大量的计算资源。通过 Tessellation,可以将模型简化为更少的顶点,从而减少渲染时的计算负担。
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