02-numpy.tex

\documentclass{beamer}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[czech]{babel}
\usepackage{palatino}
\usepackage{verbatim}
\usetheme{Warsaw}
\title{Programování 2: Knihovna NumPy}
\author[Martin Mareš]{Martin Mareš\\\texttt{mj@ucw.cz}}
\institute{Katedra Aplikované Matematiky\\MFF UK Praha}
\date{2020}
\setbeamersize{text margin left=5mm}
\setbeamersize{text margin right=5mm}
\begin{document}
\setbeamertemplate{navigation symbols}{}
\setbeamertemplate{footline}{}
\setbeamerfont{title page}{family=\rmfamily}
\shorthandoff{"}

\begin{frame}
\titlepage
\end{frame}

\input ../slidemac.tex

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Jak si pořídit matici}

\py{%
import numpy as np\\
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])\\
a  \cmt{(np.array je libovolně-rozměrné homogenní pole)}
}{%
array([[1, 2, 3],\\
~~~~~~~[4, 5, 6]])
}

\py{%
a.ddim  \cmt{(kolikarozměrné je naše pole)}
}{%
2
}

\py{%
a.shape  \cmt{(tvar pole)}
}{%
(2, 3)
}

\py{%
a.size  \cmt{(celkový počet prvků)}
}{%
(2, 3)
}

\py{%
a.dtype  \cmt{(typ dat společný pro všechny prvky)}
}{%
dtype('int64')  \cmt{(můžeme zvolit při vytváření pole)}
}

\py{%
a.itemsize  \cmt{(velikost jednoho prvku v~paměti)}
}{%
8
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Nuly a jedničky}

\py{%
np.zeros((2, 2))
}{%
array([[0., 0.],\\
~~~~~~~[0., 0.]])
}

\py{%
np.zeros((2, 2), dtype=np.int8)
}{%
array([[0, 0],\\
~~~~~~~[0, 0]], dtype=int8)
}

\py{%
np.ones((2, 2))
}{%
array([[1., 1.],\\
~~~~~~~[1., 1.]])
}

\py{%
a = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])\\
np.zeros\_like(a)
}{%
array([[0, 0, 0],\\
~~~~~~~[0, 0, 0]])
}

\py{%
np.identity(2)  \cmt{(nebo také {\tt np.eye})}
}{%
array([[1., 0.],\\
~~~~~~~[0., 1.]])
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Generátory polí}

\py{%
np.arange(10)
}{%
array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
}

\py{%
np.arange(1, 2, 0.1)
}{%
array([1. , 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9])
}

\py{%
np.linspace(1, 2, 10)
}{%
array([1.        , 1.11111111, 1.22222222, 1.33333333, 1.44444444,
       1.55555556, 1.66666667, 1.77777778, 1.88888889, 2.        ])
}

\py{%
np.arange(6).reshape((2, 3))
}{%
array([[0, 1, 2],\\
~~~~~~~[3, 4, 5]])
}

\py{%
np.random.random((2, 2))  \cmt{(mezi 0 a~1)}
}{%
array([[0.3530976 , 0.32314115],\\
~~~~~~~[0.04913276, 0.86769289]])
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Aritmetika s~poli}

\py{%
a = np.arange(4).reshape((2,2))\\
a
}{%
array([[0, 1],\\
~~~~~~~[2, 3]])
}

\py{%
a + a  \cmt{(sčítání po složkách)}
}{%
array([[0, 2],\\
~~~~~~~[4, 6]])
}

\py{%
a * a  \cmt{(násobení po složkách)}
}{%
array([[0, 1],\\
~~~~~~~[4, 9]])
}

\py{%
a @ a  \cmt{(maticové násobení)}
}{%
array([[ 2,  3],\\
~~~~~~~[ 6, 11]])
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Rozšiřování argumentů (broadcasting)}

\py{%
a = np.ones((2, 3))\\
a*3
}{%
array([[3., 3., 3.],
       [3., 3., 3.]])
}

\py{%
a * np.array([1, 2, 3])
}{%
array([[1., 2., 3.],\\
~~~~~~~[1., 2., 3.]])
}

\py{%
a * np.array([[6], [7]])
}{%
array([[6., 6., 6.],\\
~~~~~~~[7., 7., 7.]])
}

\smallskip

Pravidla rozšiřování -- pro každý index {\bf od konce}:

\begin{itemize}
\item Pokud jsou rozměry stejné, nedělej nic.
\item Pokud je jeden roven~1, rozšiř ho podle druhého.
\item Pokud jsou jinak různé, vyhlaš chybu.
\item Pokud už jednomu poli došly indexy, domysli si rozměr~1.
\end{itemize}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Další aritmetika}

\py{%
a = (2**np.arange(12)\%11).reshape((3,4))\\
a
}{%
array([[~1,~~2,~~4,~~8],\\
~~~~~~~[~5,~10,~~9,~~7],\\
~~~~~~~[~3,~~6,~~1,~~2]])
}

\py{%
a.max()
}{%
10
}

\py{%
a.max(axis=0)  \cmt{(maximum po řádcích)}
}{%
array([ 5, 10,  9,  8])
}

\py{%
a.max(axis=1)  \cmt{(maximum po sloupcích)}
}{%
array([ 8, 10,  6])
}

\py{%
a.sum(axis=0)  \cmt{(součet po řádcích)}
}{%
array([ 9, 18, 14, 17])
}

U~vícerozměrných polí může být {\bf axis} i tuple více indexů.

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Indexování a řezy}

\py{%
a = np.arange(12).reshape((2,2,3))
}{%
array([[[~0,~~1,~~2],\\
~~~~~~~~[~3,~~4,~~5]],\\
~~~~~~~[[~6,~~7,~~8],\\
~~~~~~~~[~9,~10,~11]]])
}

\py{%
a[0,1,2]
}{%
5
}

\py{%
a[0,1]
}{%
array([3, 4, 5])
}

\py{%
a[0,1,1:3]
}{%
array([4, 5])
}

\py{%
a[:,:,0]  \cmt{(zkratka: {\tt a[..., 0]})}
}{%
array([[0, 3],\\
~~~~~~~[6, 9]])
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Transpozice a spol.}

\py{%
a = np.arange(6).reshape((2, 3))\\
a
}{%
array([[0, 1, 2],\\
~~~~~~~[3, 4, 5]])
}

\py{%
a.T  \cmt{(transpozice, obecněji: {\tt a.swapaxes(0, 1)})}
}{%
array([[0,~3],\\
~~~~~~~[1,~4],\\
~~~~~~~[2,~5]])
}

\py{%
a[:,np.newaxis,:]
}{%
array([[[0,~1,~2]],\\
~~~~~~~[[3,~4,~5]]])
}

\py{%
np.arange(1,4)[:,np.newaxis] * np.arange(1,5)
}{%
array([[~1,~~2,~~3,~~4],\\
~~~~~~~[~2,~~4,~~6,~~8],\\
~~~~~~~[~3,~~6,~~9,~12]])
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Vybírání prvků}

\py{%
b = 2**np.arange(10) % 13\\
b
}{%
array([ 1,  2,  4,  8,  3,  6, 12, 11,  9,  5])
}

\py{%
b[np.array([2, 3, 4])] \hskip-5mm\cmt{(indexování číselným vektorem)}
}{%
array([4, 8, 3])
}

\py{%
b < 7
}{%
array([~True,~~True,~~True,~False,~~True,~~True,\\
~~~~~~~False,~False,~False,~True])
}

\py{%
b[b < 7]  \cmt{(indexování booleovským vektorem)}
}{%
array([1, 2, 4, 3, 6, 5])
}

\py{%
b[b < 7] = 0\\
b
}{%
array([ 0,  0,  0,  8,  0,  0, 12, 11,  9,  0])
}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\begin{frame}{Slepování polí}

\py{%
a = np.ones((2, 2))\\
b = np.zeros((2, 2))\\
np.vstack((a, b))
}{%
array([[1.,~1.],\\
~~~~~~~[1.,~1.],\\
~~~~~~~[0.,~0.],\\
~~~~~~~[0.,~0.]])
}

\py{%
np.hstack((a, b))
}{%
array([[1., 1., 0., 0.],\\
~~~~~~~[1., 1., 0., 0.]])
}

Obecněji: {\tt np.concatenate}, {\tt np.stack}

\end{frame}

% ----------------------------------------------------------------------

\end{document}