稀疏矩陣在python中如何使用？

本文和大家分享的主要是機器學(xué)習中的稀疏矩陣相關(guān)內(nèi)容，圍繞稀疏矩陣的基本概念、存在的問題及其在python中的使用展開，希望對大家有所幫助，一起來看看吧。

稀疏矩陣

　　稀疏矩陣是由大部分為 零 的矩陣組成的矩陣，這是和稠密矩陣有所區(qū)別的主要特點。

　　如果它的許多元素為 零 ，則矩陣是稀疏的。對稀疏性感興趣的原因是利用好這一特性能夠大幅降低計算量，并且在實踐中發(fā)現(xiàn)很多大型矩陣問題也是稀疏的。

　　矩陣的稀疏性可以用一個分數(shù)來量化，即矩陣中 零 元素的個數(shù)除以矩陣中元素的總數(shù)。

　　sparsity = count zero elements / total elements

　　下面是一個小的3x6的稀疏矩陣例子

　　1, 0, 0, 1, 0, 0

　　A = (0, 0, 2, 0, 0, 1)

　　0, 0, 0, 2, 0, 0

　　上面這個矩陣中總共有18個元素，其中有13個元素為0，則該矩陣的稀疏分數(shù)為0.722或72%左右。

　　稀疏存在的問題

　　稀疏矩陣會導(dǎo)致空間和時間復(fù)雜度方面的問題。

　　空間復(fù)雜度

　　大 型 矩陣需要大量的內(nèi)存 來 存儲，我們希望使用的一些大型矩陣是稀疏的。

　　實際上，大多數(shù)大型矩陣都是稀疏的，幾乎所有的條目都是 零

　　一個例子是大型矩陣太大以至于不能存儲在內(nèi)存中，這個矩陣就是鏈接矩陣，它表示的從一個網(wǎng)站到另一個網(wǎng)站的鏈接。一個較小的稀疏矩陣例子可能是一本書中針對所有已知單詞或術(shù)語出現(xiàn)矩陣。這兩種情況所包含的矩陣都是稀疏的，其 零 值比非 零 數(shù)據(jù)值多，將這些矩陣表示為稠密矩陣的問題是需要內(nèi)存，并且在矩陣中必須分配32位或64位 零 值。這顯然是對內(nèi)存資源的一種浪費，因為這些 零 值不包含任何信息。

　　時間復(fù)雜度

　　假設(shè)一個非常大型的稀疏矩陣可以存儲在內(nèi)存中，之后將在這個矩陣上執(zhí)行一些操作。簡單來說，若矩陣主要包含的是 零 值，即沒有多少數(shù)據(jù)，那么對這個矩陣執(zhí)行操作可能需要 花費 很長 的 時間，其中執(zhí)行的大部分計算將涉及 零 值相加或相乘。

　　在這樣的問題上使用線性代數(shù)的方法是浪費的，因為大多數(shù)O(N^3)的算術(shù)運算致力于求解方程組或矩陣求逆涉及的零操作數(shù)。

　　矩陣運算的時間復(fù)雜度隨著矩陣大小增加而增加。對于機器學(xué)習而言，即使是最簡單的方法也可能需要對每一行、每一列甚至整個矩陣進行許多操作運算， 這會 導(dǎo)致執(zhí)行時間會變得很長，上述問題會 變得 更加復(fù)雜。

　　機器學(xué)習中的稀疏矩陣

　　稀疏矩陣在機器學(xué)習應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)。本節(jié)將討論一些常見的示例，以便讀者對其有個直觀的了解，并深入的理解稀疏性問題。

　　數(shù)據(jù)

　　稀疏矩陣一般出現(xiàn)在一些特定類型的數(shù)據(jù)中，比如常見的記錄活動發(fā)生的次數(shù)等。

　　這里有三個例子：

　　1.用戶是否在電影目錄中觀看過電影 ；

　　2.用戶是否購買產(chǎn)品目錄中的產(chǎn)品 ；

　　3.歌曲目錄中收聽歌曲的次數(shù) ；

　　數(shù)據(jù)準備

　　稀疏矩陣出現(xiàn)在用于編寫數(shù)據(jù)的編碼方案中。三個常見的例子如下：

　　1.獨熱編碼，用于將分類數(shù)據(jù)表示為稀疏二元向量 ；

　　2.計數(shù)編碼，用于表示文檔詞匯表中單詞的頻率 ；

　　3.TF-IDF編碼，用于表示詞匯表中詞頻逆文檔頻數(shù) ；

　　研究領(lǐng)域

　　機器學(xué)習中一些研究領(lǐng)域必須開發(fā)專門的方法來直接解決稀疏性問題，這是因為輸入數(shù)據(jù)幾乎總是稀疏的。以下是三個例子：

　　1.處理文本文檔的自然語言處理 ；

　　2.用于處理目錄中的產(chǎn)品使用的推薦系統(tǒng) ；

　　3.處理包含大量黑色像素圖像時的計算機視覺問題 ；

　　若語言模型中有100000個單詞，那么特征向量的長度為100000，但對于簡短的電子郵件消息而言，幾乎所有的特征計數(shù)為 零 。

　　使用稀疏矩陣

　　表示和使用稀疏矩陣的解決方案是使用替代的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示稀疏矩陣。 零元素 值可以被忽略，只有稀疏矩陣中的非零元素值需要被存儲或使用。有多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能有效地構(gòu)造稀疏矩陣，下面列出三個常見示例：

　　1.字典：一個字典使用行和列索引映射出一個值 ；

　　2.列表的列表：矩陣的每一行都以列表形式存儲，每個子列表包含列的索引和其值 ；

　　3.坐標列表：元組列表存儲在包含行索引、列索引和其值的每個元組中 ；

　　還有一些更適合執(zhí)行有效操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如以下兩個常見示例：

　　1.CSR（Compressed Sparse Row）：稀疏矩陣用非零值的三個一維數(shù)組、行的范圍和列索引表示 ；

　　2.CSC（Compressed Sparse Column)：與CSR方法相同，只是列索引在行索引之前被壓縮并首先被讀取 ；

　　Python中的稀疏矩陣

　　SciPy使用多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為創(chuàng)建稀疏矩陣提供了工具，以及將稠密矩陣轉(zhuǎn)化為稀疏矩陣的工具。許多在Numpy數(shù)組上運行的線性代數(shù)Numpy和SciPy函數(shù)可以在SciPy稀疏數(shù)組上操作。此外，使用Numpy數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的機器學(xué)習庫也可以在Scipy稀疏數(shù)組上操作，例如，用于機器學(xué)習的scikit-learning和用于深度學(xué)習的Keras。

　　通過調(diào)用scr_matrix()函數(shù)，可以使用CSR表示將存儲在Numpy數(shù)組中的稠密矩陣轉(zhuǎn)換為稀疏矩陣。在下面的例子中，定義一個3x6稀疏矩陣作為一個密集數(shù)組，并將其轉(zhuǎn)換為CSR稀疏表示，然后通過調(diào)用todense()函數(shù)將其轉(zhuǎn)換回密集數(shù)組。

　　# dense to sparsefrom numpy import arrayfrom scipy.sparse import csr_matrix# create dense matrix

　　A = array([[1, 0, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 2, 0, 0, 1], [0, 0, 0, 2, 0, 0]])

　　print(A)# convert to sparse matrix (CSR method)

　　S = csr_matrix(A)

　　print(S)# reconstruct dense matrix

　　B = S.todense()

　　print(B)

　　運行該示例后，首先打印 出 定義的密集數(shù)組，然后打印 出 CSR表示，最后打印出重建的密集矩陣。

　　[[1 0 0 1 0 0]

　　[0 0 2 0 0 1]

　　[0 0 0 2 0 0]]

　　(0, 0) 1

　　(0, 3) 1

　　(1, 2) 2

　　(1, 5) 1

　　(2, 3) 2

　　[[1 0 0 1 0 0]

　　[0 0 2 0 0 1]

　　[0 0 0 2 0 0]]

　　Numpy不提供函數(shù)來計算矩陣的稀疏性 。 不過，可以通過首先找到矩陣的密度并從中減去 相關(guān)值 來輕松地計算出來。Numpy數(shù)組中的非零元素的數(shù)量可以由count_nonzero()函數(shù)給出，數(shù)組中的元素總個數(shù)可以由數(shù)組的size屬性給出。因此，可以將數(shù)組稀疏度計算為：

　　sparsity = 1.0 - count_nonzero(A) / A.size

　　下面的示例演示如何計算數(shù)組的稀疏度：

　　# calculate sparsityfrom numpy import arrayfrom numpy import count_nonzero# create dense matrix

　　A = array([[1, 0, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 2, 0, 0, 1], [0, 0, 0, 2, 0, 0]])

　　print(A)# calculate sparsity

　　sparsity = 1.0 - count_nonzero(A) / A.size

　　print(sparsity)

　　運行示例后，首先打印定義的稀疏矩陣，然后是矩陣的稀疏度。

　　[[1 0 0 1 0 0]

　　[0 0 2 0 0 1]

　　[0 0 0 2 0 0]]

　　0.7222222222222222

 

 

 

來源：網(wǎng)絡(luò)