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  • numpy中的行向量和列向量
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    2019-02-17 15:31:38
    import numpy as np
    a=np.array([1,2,3])
    #1.产生行向量的方法
    row_vector1=a.reshape(1,-1)
    row_vector2=np.array([[1,2,3]])
    row_vector3=np.expand_dims(a,0)
    print(row_vector1.shape,row_vector2.shape,row_vector3.shape)#(1, 3) (1, 3)
    
    #2.产生列向量的方法
    col_vector1=a.reshape(-1,1)
    col_vector2=np.array(
        [[1],
        [2],
        [3],]
    )
    col_vector3=row_vector1.T#向量转置
    col_vector4=np.expand_dims(a,axis=1)
    print(col_vector1.shape,col_vector2.shape,col_vector3.shape,col_vector4.shape)#(3, 1) (3, 1) (3, 1)
    '''
    需要注意的是:
    a=np.array([1,2,3])既不是行向量也不是列向量,它只是一个维度为(3,)的向量
    NG说过,写的时候最好别用这个,容易一不小心就写错了,要么写成(n,1)要么(1,n)
    '''
    addition=np.random.randint(0,10,size=(2,4))
    out=addition.T
    print(out.shape)#(4, 2)
    '''
    numpy ndarray 的T方法
    表示对于numpy数组进行转置
    '''
    a=np.array([1,2,3])
    print(a.shape,a.T.shape)#(3,) (3,)
    '''
    转置之前和转置之后的数组具有相同的shape,足以说明a并不是行向量或者列向量
    '''
    
    '''
    通过使用numpy.exp_dims(numpy.ndarray.axis)构造行向量或者列向量
    '''

    谢谢   https://blog.csdn.net/wintersshi/article/details/80489258

     

     

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    在之前的文章中,我们已经解释了向量可以写成[1 x 3]的矩阵(一行三列)。但是现在也可以写成[3 x 1](三行一列)的形式。从技术上来说,这两种表示点和向量的方式都是合理的,选用一种模式只是涉及到习惯的问题。

    向量写成[1 x 3]的矩阵 V = [x  y  z]

    向量写成[3 x 1]的矩阵

    在第一个例子中,我们写了一个[1 x 3]的矩阵,我们称之为行顺序(row-major order):向量被写作一行三个数据。在第二个例子中,我们称点或者是向量为列顺序(column-major order):点或者是向量的三个坐标被写成一列。

    记住我们表达点或者是向量使用矩阵去乘以一个[3 x 3]的变换矩阵(为了简单起见我们使用[3 x 3]的矩阵而不是[4 x 4]的矩阵)。我们也学习到只有左边矩阵的列数等于右边矩阵的行数的时候这两个矩阵才可以相乘。换句话说也就是[m x p][ p x n]的两个矩阵可以相乘,而[p x m][p x n]的两个矩阵不可以相乘。记住我们可以将一个向量写成[1 x 3],那么它可以和一个[3 x 3]的矩阵相乘,但是如果我们把这个向量写成[3 x 1]那么我们不能和一个[3 x 3]的矩阵相乘。这个道理会在下面的例子中显示。绿色的维数是一样的所以这个乘积是合法的(所得到的结果就是一个变换的点的坐标,它的形式是一个[1 x 3]的矩阵):

    里面的维数为(1和3)的两个矩阵在乘法中国因此这个成绩是不可能实现的:

    那么我们应该怎么办?这个问题的答案不在是向量或者点去乘以矩阵,而是矩阵M去乘以向量V。换句话说,我们将点移动,或者向量移动到乘法的右边:

    记住这个操作所得到的移动的点写成[3 x 1]的矩阵方式。因此我们可以用我们想要的方式去获得一个变换的点。问题解决了,总结一下,当习惯的时候我们表达点或者向量是用的行顺序[1 x 3],我们需要将点防止在乘法的左边,[3 x 3]的矩阵应该放置在乘法的右边。在数学上,这叫做左或者提前乘法(pre-multiplication).如果你决定将向量写成列顺序,那么点应该放置在乘法的右边,这个叫做右或者是后置乘法(post-multiplication).

    我们应该对这些东西的使用格外的小心。比如,在Maya中,矩阵是后置乘法的,比如将一个点p从物体坐标系中移动到世界坐标系中,你需要的是后置的乘法P = P x WM.这是很迷惑人的,因为他实际上是提前乘法,但是他们说这个是以矩阵的位置来确定这个乘法的。在术语上这个实际上是不准确的。在Maya中,点和向量应该表达称行顺序,因此它们是属于提前乘法的(意味着点和向量出现在矩阵的之前)。

    下面的这个表格总结了这两种惯例的不同之处(P表示点,V表示向量,M代表矩阵)。

    行顺序  P / V = [x y z] 左或者前置乘法  P / V * M

    列顺序 右或者是后置乘法  M x P / V

    现在我们学习了两种常规表达方式,你可能会问,为什么不把它们写在纸上?我们知道如何计算两个向量的乘积:A向量的当前行乘以相对应的B向量的当前列然后将这些结果相加。让我们运用这个公司去比较它们的结果:

    行顺序(row-major order)

    列顺序(column-major order)

    点或者是向量和矩阵相乘不论是用行顺序还是列顺序我们都应该得到相同的结果。如果你在一个3D应用中,我们将一个点绕Z轴旋转一定的角度,你期望通过旋转之后的点在确定的位置上,不论开发者是用什么样的的方式表达点或者向量。但是,当你看到上面的表格之后,乘以一个行顺序或者是列顺序的矩阵我们不会得到相同的结果。回到我们的原点中,我们需要转置一个[3 x 3]的矩阵使它用在列向量中,从而确保x', y', z'是一样的结(如果你需要知道矩阵的转置是什么,请看矩阵操作章节),这里我们得到的:

    行顺序

    列顺序

    总结来说,从行顺序到列顺序中不仅仅是变换了点和向量相对于乘法的位置而且将[3 x 3]的矩阵转置,这样做确保两个得到的结果是一样的。

    从这些观察中可以得到,你可以将一系列的变换应用于一个点,当你使用行顺序的时候它们可以被写成一个阅读的顺序。比如你想将点P通过点T平移,然后绕Z轴旋转,然后绕y轴旋转。你可以写成下面的样式:

    如果你使用一个列顺序的话,你需要调用这些变换使用相反的顺序,如下面的样子:

    因此你可能回想,这里肯定有一个原因更会喜欢一种。实际上,这两种习惯都是正确的,会给我们相同的答案,但是因为一些技术上的原因,数学和物理偏向于使用列向量。

    使用列向量进行变换个何如我们写的数学公式。

    行矩阵可以使得我们的矩阵更简单,因此对于这个教学网站来说我们使用它(和Maya, DirectX是一样的它们也在标准手册中定义了相关习惯)。但是对于另外一些3D的api,比如opengl, 使用的是列顺序习惯。

    (1)隐式编程:它影响性能吗?

    这里有一个潜在的很重要的需要考虑的当你使用行顺序或者是列顺序的时候,但是这个对于真正的习惯并没有什么用处,哪个更实用。它有跟多的使用电脑的工作方式。记住我们将会处理[4 x 4]的矩阵,典型的C++实现的矩阵是下面这个样子:

    class Matrix44 {
        float m[4][4]
    }
    你可以看到16个矩阵的参数存储在二维数组里面(如果你想选用双精度的,你可以使用模板类)。那么16个参数会以下面的方式进行排列:c00, c01, c02, c03, c10, c11, c12, c13, c20, c21, c22, c23, c30, c31, c32, c33.换句话说,他们在内存里是连续的。让我们来看看这些向量和矩阵的乘法是怎么样在行顺序中获取的:

    // row-major order
    x' = x * c00 + y * c10 + z * c20
    y' = x * c01 + y * c11 + z * c21
    z' = x * c02 + y * c12 + z * c22 
    你可以看到这些x'的元素不是线性获取的。换句话说,为了计算x'的值,我们需要第1, 5, 9个矩阵的数值。为了计算y'我们需要获取第2, 6, 10的数值。计算z'我们需要3, 7, 11的数值。在计算的世界里,不是线性第获取数组的元素不是一件好的事情。它实际上利用了cpu的缓存技术。我们不会去深入地研究,但是我们想说的是离cpu最近的缓存获取最快,但是它只能存储有限的数据。当cpu需要获取数据的时候,它首先检出数据是否存在缓存中。如果它存在,cpu就会马上获取他们,如果它不存在,首先cpu需要穿件一个缓存的入口,然后把内存中的数据复制到这里来。这个过程很显然地要比从缓存中直接读取数据花费更多的时间。cpu不仅会复制需要的数据,而且会复制一连串的数据,比如24个字节的数据。因为硬件工程师理解如果你的代码需要获取数组的元素,你更倾向于连续地获取。确实,在程序中,我们经常循环遍历玩数组的元素,这个假设因此是正确的。应用到我们的矩阵问题上,不连续地获取数组中元素当然是个问题。如果cpu允许三个浮点数的缓存,那么我们当前的实现就可能导致缓存没法命中。因为我们用于计算x', y', z'的参数是有5个分离。另一方面说,如果你使用的是列顺序,计算x'的值值需要获取1, 2,3个数值。

    // column-major order
    x' = c00 * x + c01 * y + c02 * z
    y' = c10 * x + c11 * y + c12 * z
    z' = c20 * x + c21 * y + c22 * z 
    矩阵的参数可以按顺序获取说明我们可以使用cpu的缓存技术。因此从编码的角度来说的话,进行点或者向量矩阵相乘的时候使用列顺序会比使用行向量更好。实际的,我们并没有展示这个例子(当你使用你优先级标志-O -O2 -O3编译你的程序的时候,编译器可以最优化你的循环),我们成功使用了行顺序的版本没有丢失任何的性能,相比较列向量来说。

    template<typename T>
    class Vec3 {
    public:
        Vec3(T xx, T yy, T zz) : x(xx), y(yy), z(zz) { }
        T x, y, z, w;
    };
    
    #include <iostream>
    
    #define ROWMAJOR 1
    
    template<typename T>
    class Matrix44 {
    public:
        T m[4][4];
        Vec3<T> multVecMatrix(const Vec3<T> &v) {
            #ifdef ROWMAJOR
                return Vec3<T>(v.x * m[0][0] + v.y * m[1][0] + v.z * m[2][0],
                                v.x * m[0][1] + v.y * m[1][1] + v.z * m[2][1],
                                v.x * m[0][2] + v.y * m[1][2] + v.z * m[2][2]);
            #else
                return Vec3<T>(v.x * m[0][0] + v.y * m[0][1] + v.z * m[0][2],
                                v.x * m[1][0] + v.y * m[1][1] + v.z * m[1][2],
                                v.x * m[2][0] + v.y * m[2][1] + v.z * m[2][2]);
                #endif
        }
    };
    
    #include <cmath>
    #include <cstdlib>
    #include <cstdio>
    #include <ctime>
    
    #define MAX_ITER 10e8
    
    int main(int argc, char **argv) {
        clock_t start = clock();
        Vec3<float> v(1, 2, 3);
        Matrix44<float> M;
        float *tmp = &M.m[0][0];
        for (int i = 0; i < 16; i++) 
            *(tmp + i) = drand48();
        for (int i = 0; i < MAX_ITER; ++i) {
            Vec3<float> vt = M.multVecMatrix(v);
        }
        fprintf(stderr, "Clock time %f\n", (clock() - start) / float(CLOCKS_PER_SEC));
        return 0;
    }
    如果运行的话就会走row分支,因为ROWMAJOR之前已经有定义。

    两者运行时间基本上一致

    wang@wang:~/workspace/graphic$ ./multiMatrix
    Clock time 14.660049
    wang@wang:~/workspace/graphic$ g++ -std=c++11 multiMatrix.cpp -o multiMatrix
    wang@wang:~/workspace/graphic$ ./multiMatrix
    Clock time 14.597244
    列顺序稍微快那么一点点,不到0.1秒的差距。

    (2)计算中的行顺序和列顺序

    为了完整性,行顺序和列顺序可以用于计算中,用来描述多维数组的元素在内存中的分布。在行顺序中,多维数组的元素排列从左到右,从上到下。可以使用C/c++表示他们。比如,矩阵

    可以写成代码的方式:

    float m[2][3]={{1, 2, 3}, {4, 5, 6}}; 
    然后这些元素会在内存中线性排列:

    1 2 3 4 5 6

    在列向量中,它用在Fortran和matlab中,元素的在内存中的排列方式是从上到下,从左到右的。使用上面的矩阵,那么矩阵按照下面的方式存储:

    1 4 2 5 3 6

    知道矩阵中的元素在内存中是如何存放的是很重要的,因为有时候你会使用指针的偏移去获取他们。对于循环的优化(之前的小节中我们已经讲到它会影响到cpu的缓存性能)。但是,因为我们只考虑c/c++作为我们的编程语言,列顺序我们没有多大的兴趣。我们仅仅只是在计算中提到它们是什么,因此你可能会根据具体的语义去描述它们。你应该不能将它们混合。在数学上,它们描述你是用行向量,还是列向量。在计算上,它们描述了数据的储存或者获取方式。

    Opengl是一个很有趣的例子,当GL初始化的时候,开发者选用行向量。开发者开发新功能的时候又要回到列向量中。但是,为了兼容性,它们不想改变点和矩阵的成绩,而是去改变矩阵在内存中存储的顺序。换句话说,opengl存储参数使用的列顺序, 参数m03, m13, m23,使用列向量会有13, 14, 14的下标识,而在行向量中有m30, m31, m32的标识。

    (3)总结

    下面对行向量和列向量这两种用法进行总结:

    上面的英语不难,应该能看懂。

    一个肚子在Stackoverflow上提了一个上面表格的问题,认为它很容易使人迷惑。这个话题是迷惑的,尽管我们已经尽了最大的努力,许多人对于它们还是感到迷惑。我们希望我们在Stackoverflow上的回答可以让读者从另一个视角来看待这个问题。

    你已经有理论,你现在要做的是用C++实现它,这里有两个不同的问题。

    数学上的:你可以些两种方式,可以是列顺序也可以是行顺序,如果使用行顺序,你应该将向量和矩阵的乘法写成vM,这里的表示(1 x 4)的向量,M表示(4 x 4)的矩阵。因为只有写成[1 x 4]*[4 x 4]才能进行矩阵的计算。相似地如果你想使用列顺序,你的向量应该写成竖直的,[4 x 1],因此矩阵的乘法应该写成这种样式:[4 x 4] *[4 x 1].矩阵防止在向量的前面Mv.前面一种方式叫做后置乘法,后面一种Mv叫做前置乘法(矩阵在前面)。

    现在,你需要编一个一个向量或者是点,你需要注意矩阵乘法的顺序,当你把它们写在纸上的时候。如果你使用矩阵T进行平移,然后使用矩阵R进行旋转,然后使用S进行缩放变换,如果使用列矩阵的话,应该写成下面这个样式: v' = S * R * T * v。在行矩阵中你应该写成v' = v * T * R * S.

    这是理论上的,我们把它叫做行/列矩阵常用习惯。

    计算机上的:这关系到你如果用C++实现它们。好的消息是C++不会给你增加任何的显示。你可以将你的矩阵的参数用你想的方式放置它们,你可以自己些代码表示矩阵的乘法。相似的,你获取向量矩阵乘法的参数的操作也是取决于你。你应该做出一个清晰的区别你的矩阵参数如何放在内存中,以及你将使用那种数学习惯看待你的向量。这两个独立的问题,我们把这个叫做行/列分布。

    比如,你可以定义个矩阵类有16个连续的浮点数据。那是好的,这里的参数,m14, m24, m34表示的矩阵平移的(Tx, Ty, Tz).因此这是一种列矩阵,尽然你被告知Opengl使用的矩阵是列矩阵。这里有一个很容易迷惑的就是将参数放置在内存中,不同于你实际想要表达的列矩阵。你写成行的形式,但实际上它们是列的,因此你不知道你时候在做正确的事情。

    这里很重要的是,矩阵表示一个坐标系统的三根轴。哪里以及如何存储这些数据完全取决于你。想象一些三个向量表示坐标系统的三根轴,其中它们命名AX(x, y, z), AY(x, y, z), AZ(x, y,z)已经它们的平移向量表达称(Tx, Ty, Tz),那么从数学上你可以使用列向量表示

    这些轴被写成竖直的形式。现在你如果使用行向量,那么可以写成如下的形式:

    它的坐标系统的轴是横向的。因此接下来的问题是你的电脑如何存储这些数据的问题。你可以用下面的形式:

    float m[16] = {
    AXx, AXy, AXz, 0,
    AYx, AYy, AYz, 0,
    AZx, AZy, AZz, 0,
    Tx, Ty, Tz, 1};
    你也可以写成下面这样:

    float m[16] = {
    AXx, AXy, AXz, Tx,
    AYx, AYy, AYz, Ty,
    AZx, AZy, AZz, Tz,
    0, 0, 0, 1}; 
    或者这样:

    float m[16] = {
    AXx, AYx, AZx, Tx,
    AXy, AYy, AZy, Ty,
    AXz, AYz, AZz, Tz,
    0, 0, 0, 1}; 
    再次地高数你,选择什么的数学习惯你随便选择。你仅仅只是将16个参数通过不同的方式存储在内存中,只要你准确地知道它们是什么,因此你可以在后面获取它们。记在心里的是一个向量和一句矩阵相乘应该给你一个相同的行或者是列的数学表达。因此,(x, y, z)和右边矩阵相乘,你需要的知识是怎么存储这些参数在内存中:

    Vector3 vecMatMult (
    Vector3 v,
    float AXx, float AXy, float AXz, float Tx,
    float AYx, float AYy, float AYz, float Ty,
    float AZx, float AZy, float AZz, float Tz)
    {
    return Vector3(
    v.x * AXx + v.y * AYx + v.z * AZx + Tx,
    v.x * AXy + v.y * AYy + v.z * AZy + Ty,
    v.x * AXz + v.y * AZz + v.z * AZz + Tz
    } 
    我们写这个函数的目的是要告诉你不论你用什么的习惯方式,最后你得到的向量和矩阵相乘最终都是向量的输入坐标和坐标系统轴的AX, AY, AZ的相乘之后的叠加(不管你用什么方式,也不管你怎么存储它们),如果你使用:

    float m[16] = {
    AXx, AXy, AXz, 0,
    AYx, AYy, AYz, 0,
    AZx, AZy, AZz, 0,
    Tx, Ty, Tz, 1}; 
    你应该调用

    vecMatMult(v, m[0], m[1], m[2], m[12], m[4], m[5], m[6], m[13], ... 

    如果矩阵为

    float m[16] = {
    AXx, AYx, AZx, Tx,
    AXy, AYy, AZy, Ty,
    AXz, AYz, AZz, Tz,
    0, 0, 0, 1}; 
    你应该调用

    vecMatMult(v, m[0], m[4], m[8], m[3], m[1], m[5], m[9], m[10], ... 
    那告诉你用那种常规形式呢吗?没有,你知识在合适的地方调用了正确的参数当你做向量和矩阵相乘的时候。这是你要知道的所有的,现在到提及到向量和矩阵相乘的时候有些不同,你乘以矩阵的时候,顺序既不是R *S * T, 也不是T * S * R.顺序很重要,现在你用行顺序表达它们:

    mt11 = ml11 * mr11 + ml12 * mr21 + ml13 * mr31 + ml14 * mr41
    当ml表示左手向量,mr表示右手向量的时候, mt = ml * mr.到那会记住的是我们没有使用[]去获取下标,因为我们不建议去获取存储在1维空间的数组。我们仅仅是讨论写在书本上的矩阵参数。如果你想把这个写成C++,它只取决你怎么像上面那样储存数据。

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    1.一维数组
    一维数组既不是行向量,也不是列向量。

    import numpy as np
    a=np.array([1,2,3])
    print(np.shape(a))
    

    (3,)

    2.行向量

    import numpy as np
    a=np.array([[1,2,3]])
    print(np.shape(a))
    

    (1,3)

    3.列向量

    import numpy as np
    a=np.array([[1],[2],[3]])
    print(np.shape(a))
    

    (3,1)

    4.矩阵

    import numpy as np
    a=np.array([[1,2,3],[4,5,6]])
    print(np.shape(a))
    

    (2,3)

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    import numpy as np x = np.array([[1,2,3],[4,5,6]]) 输出x [[1 2 3] [4 5 6]] 转为行向量 x=x.reshape(-1) 输出行向量 [1 2 3 4 5 6] 转为列向量 x=x.reshape((-1,1)) 输出列向量 [[1] [2] [3] [4] [5] [6]]
  • Tensor 数组、列向量行向量

    千次阅读 2020-07-28 18:34:49
    数组就是一个数组而已,不等同于行向量或者列向量。 但是它有转化成行/列向量的潜质(通过特定函数如unsqueeze增加维度)。 举个例子 x1 = torch.Tensor([1, 2, 3, 4, 5]) x2 = torch.unsqueeze(x1, dim=1) # 打印...
  • matlab行向量,列向量

    万次阅读 2017-02-27 00:11:14
    matlab行向量,列向量
  • 在Numpy中将行向量转换为列向量

    千次阅读 2021-07-16 13:27:52
    Let's say I have a row vector of the shape (1, 256). I want to transform it into a column vector of the shape (256, 1) instead. How would you do it in Numpy?解决方案you can use theExample:In [2]: a = ...
  • 许久以来都有一个疑问,numpy中的一维向量究竟是行向量还是列向量呢?...如果2不报错,将b转置,再使a点乘b,如果ab的点乘np.dot(a,b)还不报错,就说明一维向量b既可以当做列向量也可以当做行向量。 代码测试 思.
  • 行向量组指的是矩阵每行构成一个向量,所有行构成的向量的整体称为一个行向量列向量组指的是矩阵每列构成一个向量,所有列构成的向量的整体称为一个列向量组例如: 给你一个矩阵AA =1 2 34 5 6则A的行向量组为: (1,2...
  • 1D arrays 在二维数组中被当作行向量,所以在矩阵乘中 (n,) 与 (1, n) 的结果是相同的。 1D arrays 经过转置是不能得到列向量的,即 (n,).T => (n,1) 不成立。 想要的到列向量,可以使用一个新轴 newaxis 在a[:...
  • 一个列向量乘以一个行向量,常规思路是np.dot(a.T,a),就是a它的转置相乘,先看一下a.T长啥样: 这里发现aa.T形状竟然一样,都是(3,) 看一下计算结果: 本来以为是一个3*3的矩阵,结果是一个数...
  • 使用的通用方式是:a = a(:).' 这就控制了不管是行向量还是列向量都转换成行向量,有助于多项式的运算。

空空如也

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行向量和列向量

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