numpy 点乘_玩转张量点乘和变形

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上一讲荟荟讲了一下张量切片、逐元素运算、广播，这一讲再说说张量点积和张量变形，集齐这五种装备，基本可以开始愉快地玩耍了。

张量点积

前面我们说过逐元素运算，要将两个张量进行逐元素相乘，我们使用“*“运算符，比如将两个矩阵A和B进行逐元素相乘

而在神经网络中，经常需要类似图1的乘法方式，我们将输入向量和权值向量的对应元素进行相乘后再求和，这种方式我们称之为张量点积。

如图2所示，如果有多个神经元需要输出，则可以把输入X写成一个列向量，它的转置为

输入权值矩阵可写为

该矩阵的每一列，代表输入到中间层某一个神经元的权值向量，如下图中输入到z2的权值正是上述矩阵的第二列。从图中可以看出，我们得到的中间层神经元的输出(这里为了简单起见省略了非线性激活函数，如ReLU)也是一个列向量，如下：

其中的第n个元素正是输入的每个元素和W的第n列对应元素一一相乘并相加的结果。如果向更高维度扩展，输入不是一个向量，而是一个矩阵，比如我们将100个输入样本向量输入刚才讨论的神经网络，那么X^T的形状就是(100，3)，Z^T的形状就是(100，4)。

看到这里，学过线性代数的童鞋可能已经看出，这不就是我们学过的矩阵乘法嘛，没错，这里说的张量点积，如果是2d张量(矩阵)，就是我们最常见的矩阵乘法，语法如下。

只不过它还可以继续拓展，比如要在神经网络里处理视频数据，形状通常是(帧，长，宽，颜色),如果需要进行点积(对应元素相乘相加)，这时候如果有一个底层优化过的张量点积运算，我们就可以保持其他维度不变，直接用一次dot把所有帧和颜色的张量都进行相同的点积运算，而按照传统方法我们则需要进行多重循环。

在Numpy中，如果A为M维张量，B为N为张量，两个张量的点积就是将A张量的最后一个轴中的所有元素，与B张量中倒数第二个轴的所有元素对应相乘后相加的结果，也就是dot(a, b)[i,j,k,m] = sum(a[i,j,:] * b[k,:,m])。有点晕菜对不对，下面用矩阵来解释一下，如图3所示，矩阵x的第一个轴是行，第二个轴是列，矩阵一共就两个轴，所以x的最后一个轴就是列，同理y的倒数第二个轴是行。可见矩阵x和y的点积就是将x第i行中的所有列(x的最后一个轴)和y第j列中的所有行(y的倒数第二个轴)对应相乘并相加的结果返回给z(i,j)。从这个例子中也可以发现，这就要求x的列数必须等于y的行数，也就是A张量最后一个轴的元素数量必须等于B张量倒数第二个轴中的元素数量。

那么张量点积后的形状和输入张量形状的关系又是什么呢，以一个例子来说明一下，如果A的形状为(a,b,c,d)，B的形状为(d,e)，那么numpy.dot(A,B)的形状为(a,b,c,e)。如果A的形状为(a,b,c,d), B的形状为(c,d)，那么就呵呵了，因为A的最后一个轴元素数量为d，而B的倒数第二个轴元素数量为c，不匹配，会报错。

下面给出了一个矩阵乘法的实际案例，小伙伴们去仔细研究一下吧。

此外，Numpy还提供了一种更为灵活的张量点乘函数numpy.tensordot(a,b,axes),可以指定需要和并的轴，但是不太容易理解，这里就不写出来混淆试听了，有兴趣的朋友们可以看看Chenxiao Ma的博客，写的还挺清楚的https://www.machenxiao.com/blog/tensordot

对于初学者来说知道numpy.dot就是求矩阵乘法也基本够用了。

张量变形

• reshape

张量变形其实咱们在第二讲中已经见过，当时我们需要把一个形状为(60000,28,28)的手写字符图像张量输入一个中间层为784个神经元的密集连接型神经网络。所以需要将这个张量变形为(60000,28*28)的形状，才好和后面的全连接神经网络进行加权点乘。当时我们的预处理代码是：

train_images =train_images.reshape((60000, 28 * 28))

reshape函数很简单，输入参数就是你想要的新形状，只要新张量中的元素个数和原始张量中的元素个数是一样的即可。元素的安排顺序默认和c语言是一致的，即依次进行排列。下面两个例子可以让你清楚地理解这一操作。

• 转置Transpose

另一种常见的张量变形就是转置了，即把矩阵的行换成列，列换成行，也就是x[i,:]变为x[:,i]，语法为np.transpose(x)。

到这里，张量最常见的几种常见的操作和运算算是告一段落，总结一下本讲的内容：1. 张量点积(相乘相加，2D张量就是矩阵乘法)；2. 张量变形(张量在神经网络逐层传播，每一层的输入和输出形状有可能发生变化，需要变形加以适应)。下一讲我们会从卷积神经网络开始正式进入深度学习的实际操作，过程中我们会反复操练这些张量操作方法。

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