sinanmu · 2020年05月13日

2个规则弄懂numpy的broadcast广播机制

作者: @Ai酱

首先介绍下什么是维度数量,什么是维度大小。

A=np.zeros((2,3,2))
将A打印出来是这样
array([[[0., 0.],
        [0., 0.],
        [0., 0.]],

       [[0., 0.],
        [0., 0.],
        [0., 0.]]])

维度数量

numpy中指定维度都是用元组来的,比如np.zeros((2,3,2))的维度数量是三维的。np.zeros((3,))维度数量这是1维的,因为(3)不是元组它只能算3加个括号而已, 加个逗号(3,)才是元组。

某个维度大小

比如np.zeros((2,3,4))的维度数量是三维的。这个数组第一维的维度大小是2,第二维的维度大小是3,第三维的维度大小是4.

广播(broadcasting)

通常只在对多个数组进行对应元素操作形状不同时,才会发生广播。
那什么是对应元素进行操作呢?比如:

a = np.array([1,2,3])
b = np.array([2,2,2])
a*b # a和b对应元素相乘
# a*b的结果是: [1*2,2*2,3*2]
'''
np.dot(a,b) # 这就不是对应元素操作,这是矩阵相乘。
# np.dot(a,b)的结果是a,b的点积。
'''

什么叫做形状不同呢?

a = np.array([1,2,3])
b = 2
a*b #a是1维向量,b是标量,这就是形状不同
# 结果也是:[1*2,2*2, 3*2]
'''
这是因为发生了广播。b被填充为[2,2,2]
然后a*b的效果变成了,[1,2,3]*[2,2,2]
'''

前面的两个例子输入不同但运行结果相同的原因就是发生的广播(broadcast)。

可以广播的几种情况

假定只有两个数组进行操作,即A+B、A*B这种情况。

1. 两个数组各维度大小从后往前比对均一致

举个例子:

A = np.zeros((2,5,3,4))
B = np.zeros((3,4))
print((A+B).shape) # 输出 (2, 5, 3, 4)

A = np.zeros((4))
B = np.zeros((3,4))
print((A+B).shape) # 输出(3,4)

举个反例:

A = np.zeros((2,5,3,4))
B = np.zeros((3,3))
print((A+B).shape)
报错:
ValueError: operands could not be broadcast together with shapes (2,5,3,4) (3,3)
为啥呢?因为最后一维的大小A是4,B是3,不一致。

2. 两个数组存在一些维度大小不相等时,有一个数组的该不相等维度大小为1

这是对上面那条规则的补充,虽然存在多个维大小不一致,但是只要不相等的那些维有一个数组的该大小是1就可以。

举个例子:

A = np.zeros((2,5,3,4))
B = np.zeros((3,1))
print((A+B).shape) # 输出:(2, 5, 3, 4)

A = np.zeros((2,5,3,4))
B = np.zeros((2,1,1,4))
print((A+B).shape) # 输出:(2, 5, 3, 4)

A = np.zeros((1))
B = np.zeros((3,4))
print((A+B).shape) # 输出(3,4)


# 下面是报错案例
A = np.zeros((2,5,3,4))
B = np.zeros((2,4,1,4))
print((A+B).shape)
ValueError: operands could not be broadcast together with shapes (2,5,3,4) (2,4,1,4)
为啥报错?因为A和B的第2维不相等。并且都不等于1.

额外不相干的小知识:

数组新增一维的方法

a = np.array([0.0, 10.0, 20.0, 30.0])
a[:, np.newaxis] #新增一维

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