[Rust] ベクトルが並んだ ndarray から各ベクトルのノルムをまとめて計算 [Python/numpy]

d 次元ベクトルが N 個並んだ ndarray x が与えられたとします. 例えば d=3 次元空間ならこんな感じ.

>>> x = np.random.normal(size=(8,3))
>>> x
array([[-0.35165099,  0.75272535,  0.2327542 ],
[ 0.1591356 , -0.42135054, -0.47746836],
[-0.65012207,  0.42038207,  1.46586837],
[ 1.89249086, -0.9594884 ,  1.49124505],
[-2.04557264, -1.00044391, -3.70700719],
[-0.53573469, -0.91952356,  0.02255211],
[ 1.19644064,  0.13071411, -1.80561646],
[-0.68594263, -0.53059182, -0.47844146]])
>>> 
>>> x.shape
(8, 3)

本記事ではこの N 個のデータに対して一斉に Euclid ノルムを計算するといった問題を扱います. 従って欲しいものは shape (N,) の ndarray になります. なお以下では x, y は同じ shape (N, d) の 2 つのベクトルを表します.

Python (numpy) 版

for i in range(N) みたいな感じで順番に処理するのはとても遅いのでやめましょう. そのための numpy です. 要点は np.sum または np.max するときに axis=1 と指定することです.

Euclid 距離

$$\left| x, y \right| = \left[ \sum_{i=0}^{d-1} (x_i - y_i)^2 \right]^\frac{1}{2}$$

Euclid 距離

euclid = np.sqrt(np.sum( (x-y)**2, axis=1)) 

Euclid ノルム

euclid = np.sqrt(np.sum( (x**2, axis=1)) 

マンハッタン距離

$$\left| x, y \right| = \sum_{i=0}^{d-1} \left| x_i - y_i \right|$$

マンハッタン距離

manhattan = np.sum(np.fabs(x-y), axis=1)) 

マンハッタンノルム

manhattan = np.sum(np.fabs(x), axis=1)) 

Chebyshev 距離

$$\left| x, y \right| = \max ( | x - y | )$$

Chebyshev 距離

chebyshev = np.amax(np.fabs(x - y), axis=1)

Chebyshev ノルム

chebyshev = np.amax(np.fabs(x), axis=1)

Minkowski 距離 (L^p ノルム)

$$\left| x, y \right| = \left[ \sum_{i=0}^{d-1} \left| x_i - y_i \right|^p \right]^\frac{1}{p}$$

Minkowski 距離

minkowski = (np.sum( np.fabs(x-y)**p, axis=1))**(1./p)

$L^p$ ノルム

minkowski = (np.sum( np.fabs(x)**p, axis=1))**(1./p)

Rust 版

D: usize をコンパイル時定数として x: Vec<[f64;D]> に対して同じことをしてみます. 書くのが面倒になってきたのでノルムだけ.

Euclid 距離

let euclid = x.iter()
    .map(|v| v.iter().map(|&u| u*u).sum::<f64>().sqrt())
    .collect::<Vec<_>>();

マンハッタン距離

let manhattan = x.iter()
    .map(|v| v.iter().map(|&u| u.abs()).sum::<f64>())
    .collect::<Vec<_>>();

Chebyshev 距離

let chebyshev = x.iter()
    .map(|v| v.iter().map(|&u| u.abs()).fold(0.0/0.0, f64::max))
    .collect::<Vec<_>>();

参考: Rustでf32やf64の配列の最大値を得る方法

Minkowski 距離

let minkowski = x.iter()
    .map(|v| v.iter().map(|&u| u.abs().powf(p)).sum::<f64>().powf(1./p))
    .collect::<Vec<_>>();

Rust - ndarray 版

let euclid = (&x*&x).sum_axis(Axis(1))
    .mapv_into(|v| v.sqrt());
let manhattan = &x.mapv_into(|v| v.abs())
    .sum_axis(Axis(1));
let chebyshev = &x.mapv_into(|v| v.abs())
    .fold_axis(Axis(1), 0.0 / 0.0, |&p, &u| { f64::max(p,u)});
let minkowski = &x.mapv_into(|v| v.abs().powf(p))
    .sum_axis(Axis(1))
    .mapv_into(|v| v.powf(1./p));

関連項目

• Rubyでミンコフスキー距離
• ミンコフスキー距離を絵にしてみた