机器学习、神经网络计算过程的矩阵化与向量化

为什么需要矩阵化向量化运算过程？

numpy在实现内部运算的时候，对矩阵运算过程进行了优化，且优化效果特别明显。如果我们使用的是原始的for循环虽然也可以完成任务，但是频繁的使用for循环将会大大的增加计算时间。我们应该尽量把运算向量化，交给numpy去完成。

举个例子：

一个输入样本X由1000000个特征组成的行向量，现在想计算

的值。

其中


那么有两种写法：

import  numpy as np
import  time

def mod1(X):
sum=0
l=np.shape(X)[1]
for i in range(l):
sum=sum+X[0][i]**2
return sum

def mod2(X):
return np.matmul(X,np.transpose(X))

x=np.random.rand(1,1000000)
start=time.clock()
r1=mod1(x)
end1=time.clock()
r2=mod2(x)
end2=time.clock()
print(r1,(end1-start)/1000.0)
print(r2,(end2-end1)/1000.0)

mod1(X)使用的是for循环，这是一种特别容易想到的实现方法。

mod2(X)则将输入看作一个行向量，通过公式X·X^T 来计算。

我们看运行结果：

333247.873178 0.0011849279121984469
[[ 333247.87317754]] 7.115206039483013e-07

可以看到，使用向量化后的方法是10^-7这个数量级，而使用for循环的是10^-3这个数量级。运算时间差别也是有点大。

如何进行矩阵化、向量化

首先我们先考虑如何让单个输入样本向量化。

举个例子：

其它

该方法同时与适用于tensorflow中，因为tensorflow里面的矩阵运算模块就是基于numpy实现。