6

Имеется произведение матриц a*b=c. Причем произведение матриц - это результат numpy.dot, а не поэлементное произведение. Известны матрицы a и c. Требуется найти матрицу b. Каким образом это можно сделать в python, не прибегая к решению системы уравнений с множеством неизвестных? Если просто делить numpy.matrix, то получается совсем не тот результат.

Вот пример:

import numpy as np
a = np.matrix([[ 1.,  2.],[ 3.,  4.]])
c = np.matrix([[ 2.],[ 1.]])
c/a
Out[201]: 
matrix([[ 2.        ,  1.        ],
        [ 0.33333333,  0.25      ]])

Решил письменно обратную задачу, получил ответ:

([[-3. ],
  [ 2.5]])

Проверяем:

b= np.matrix([[-3. ],[ 2.5]])
a*b
Out[207]: 
matrix([[ 2.],
        [ 1.]])

Если переводить в ndarray, то то же самое получается:

c.getA()/a.getA()
Out[213]: 
array([[ 2.        ,  1.        ],
       [ 0.33333333,  0.25      ]])
5
  • у меня получается тот результат. Вы можете привести воспроизводимый пример матриц? Commented 7 нояб. 2017 в 16:45
  • 1
    Лучше добавить пример матриц в вопрос - нажмите кнопку править Commented 7 нояб. 2017 в 16:51
  • @MaxU добавил пример. Может я что-то не так делаю? Commented 7 нояб. 2017 в 16:59
  • а вам обязательно matrix использовать? Чем не подходит 2D array? Commented 7 нояб. 2017 в 17:03
  • @MaxU ndarray то же самое выдаёт Commented 7 нояб. 2017 в 17:09

2 ответа 2

8

Воспользуйтесь обратной (inverse) матрицей:

In [224]: b = np.linalg.inv(a) * c

In [225]: b
Out[225]:
matrix([[-3. ],
        [ 2.5]])

Это будет работать для объектов типа numpy.matrix. Если a и c - объекты типа numpy.ndarray, то нужно использовать dot product (как в ответе @MarianD):

In [8]: np.linalg.inv(a).dot(c)
Out[8]:
matrix([[-3. ],
        [ 2.5]])

PS использование dot product (операции умножения матриц как это понимается в линейной алгебре) - является более универсальным решением, т.к. оно правильно работает как для объектов типа numpy.matrix так и для numpy.ndarray:

In [10]: np.linalg.inv(a.getA()).dot(c.getA())
Out[10]:
array([[-3. ],
       [ 2.5]])

Пояснение:

A * B = C | умножим обе части на A-1

умножение матриц операция некомутативная, т.е. A * B != B * A, поэтому чтобы получилась единичная матрица будем делать так:

A-1 * A * B = A-1 * C

=>

B = A-1 * C

UPDATE: во многих случаях гораздо выгоднее решить систему уравнений, по сравнению с нахождением обратной матрицы (спасибо @jfs за подсказку):

In [328]: b = np.linalg.solve(a, c)

In [329]: b
Out[329]:
matrix([[-3. ],
        [ 2.5]])

Вот некоторые из преимуществ подхода решения системы линейных уравнений по сравнению с нахождением обратной матрицы:

  • решение СЛУ (системы линейных уравнений) дает более точные численные результаты по сравнению с методами, использующими перемножение матриц. Пример скалярного произведения возвращающего неточный результат
  • при использовании разреженных матриц (sparse matrices) есть методы, позволяющие найти решение и возвращающие также разреженные матрицы (если это возможно), что существенно экономит использование памяти. Обратная же матрица в общем случае не будет разреженной и может занимать на несколько порядков больше памяти. Например разреженная матрица размерности 1.000.000 x 1.000.000 у которой всего 1.000.000 ненулевых элементов (например единичная матрица или такая, у которой в каждой строке/столбце по одному ненулевому элементу) легко поместится в памяти и займет приблизительно: объем памяти необходимый для данного типа (np.int8, np.int16, np.int32, np.int64, np.float64, etc.) плюс небольшие накладные расходы (информация о позиции ненулевых элементов в разреженной матрице). Если преобразовать такую матрицу в обычную или найти обратную ей то в результате надо будет хранить в памяти уже 1.000.000 x 1.000.000 = 1.000.000.000.000 (один триллион элементов, или около 3.6 TiB для 32-битных элементов)
3
  • 2
    a^(-1)*c выглядит как не лучший способ найти b из a*b=c. Лучше в сторону linalg.solve() и аналогов посмотреть (не смотря на то что автор говорит). johndcook.com/blog/2010/01/19/dont-invert-that-matrix
    – jfs
    Commented 8 нояб. 2017 в 12:17
  • @jfs, да, хорошая статья - спасибо! Сейчас добавлю в ответ... Commented 8 нояб. 2017 в 12:25
  • 1
    можно явно причины указать: 1- найти решение A@x=b быстрее чем A⁻¹@c 2- даже если для разных b решение нужно найти (в этом случае факторизацию A матрицы можно сохранить, вместо A⁻¹) 3- даже если уже известна A⁻¹, вычислительно более точный (accurate) результат решение A@x=b даёт, вместо A⁻¹@c (пример скалярного произведения неточный результат возвращающего) 4- если разреженная матрица A, c миллионом строк, то A@x=b можно быстро вычислить, но A⁻¹ может занимать терабайты памяти.
    – jfs
    Commented 8 нояб. 2017 в 13:08
4

Произведением матриц очевидно во вашем случае не разумеется код

a * b

что в numpy значит просто произведение элементов на согласных позициях,

но математическое произведение (скалярное произведение строк матрицы a со столбцами матрицы b, что в numpy записывают как

np.dot(a, b)

или - более просто -

a.dot(b)

(что нужно использовать для проверки результата).

Подобно этому, простое деление

c / a

делением элемент по элементу (с автоматическим расширением матрицы c на 2 x 2) на согласных позициях - и это опять нет тем, что вам требуется).


Из-за того решение вашего задания маленько сложнее:

Tак как a * b = c влечет за собой (после произведения обух страниц уравнения слева на а-1) b = а-1 * c. Это в numpy записывают как

np.dot(np.linalg.inv(a), c)

или - более просто -

np.linalg.inv(a).dot(c)

что результат вашего задания.

1
  • да, я забыл указать, что np.linalg.inv(a) * c - будет неправильно работать для NDArray Commented 7 нояб. 2017 в 19:26

Ваш ответ

Нажимая «Отправить ответ», вы соглашаетесь с условиями пользования и подтверждаете, что прочитали политику конфиденциальности.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.