『機械学習のエッセンス(http://isbn.sbcr.jp/93965/)』のPythonサンプルをJuliaで書き換えてみる。（第04章03配列の基本計算）

はじめに

『機械学習のエッセンス(http://isbn.sbcr.jp/93965/)』のPythonサンプルをJuliaで書き換えてみる。（第04章02NumPyの基本）の続きです。

いろいろな集計関数

• 合計（sum）
• 最大値（maximum）
• 最小値（minimum）

Juliaでは配列の最大値、最小値はmax、minではなくそれぞれmaximum、minimumでした。

julia> a = collect(0:4)
5-element Array{Int64,1}:
 0
 1
 2
 3
 4

julia> sum(a)
10.0

julia> maximum(a)
4.0

julia> minimum(a)
0.0

• 平均（mean）

meanはBaseモジュールではなくStatisticsモジュールで定義されています。

julia> using Statistics

julia> mean(a)
2.0

2次元配列の合計

julia> b = reshape(collect(0.:8.), 3, 3)
3×3 Array{Float64,2}:
 0.0  3.0  6.0
 1.0  4.0  7.0
 2.0  5.0  8.0

julia> sum(b)
36.0

• 列ごとの合計
• 行ごとの合計

JuliaのreshapeはPythonと見た目が転置状態なので、それぞれ本とは値が逆になっています。またaxisではなくdimsで指定するようです。

julia> sum(b, dims=1)
1×3 Array{Float64,2}:
 3.0  12.0  21.0

julia> sum(b, dims=2)
3×1 Array{Float64,2}:
  9.0
 12.0
 15.0

ブロードキャスト

julia> a = collect(3.:7.)
5-element Array{Float64,1}:
 3.0
 4.0
 5.0
 6.0
 7.0

julia> exp(a)
ERROR: MethodError: no method matching exp(::Array{Float64,1})
Closest candidates are:
  exp(::BigFloat) at mpfr.jl:558
  exp(::Missing) at math.jl:1070
  exp(::Complex{Float16}) at math.jl:1019

Juliaでは直接関数を指定してもブロードキャストしないようです。明示的に指定するbroadcast(Base.Broadcast.broadcast )という関数がありました。
あるいは、もっと簡単に関数に.（ドット）を付けるとできます。

julia> broadcast(exp, a)
5-element Array{Float64,1}:
   20.085536923187668
   54.598150033144236
  148.4131591025766  
  403.4287934927351  
 1096.6331584284585

julia> exp.(a)
5-element Array{Float64,1}:
   20.085536923187668
   54.598150033144236
  148.4131591025766  
  403.4287934927351  
 1096.6331584284585 

julia> broadcast(log, a)
5-element Array{Float64,1}:
 1.0986122886681098
 1.3862943611198906
 1.6094379124341003
 1.791759469228055 
 1.9459101490553132

julia> log.(a)
5-element Array{Float64,1}:
 1.0986122886681098
 1.3862943611198906
 1.6094379124341003
 1.791759469228055 
 1.9459101490553132

julia> broadcast(sqrt, a)
5-element Array{Float64,1}:
 1.7320508075688772
 2.0               
 2.23606797749979  
 2.449489742783178 
 2.6457513110645907

julia> sqrt.(a)
5-element Array{Float64,1}:
 1.7320508075688772
 2.0               
 2.23606797749979  
 2.449489742783178 
 2.6457513110645907

julia> b = reshape(collect(0.:8.), 3, 3)
3×3 Array{Float64,2}:
 0.0  3.0  6.0
 1.0  4.0  7.0
 2.0  5.0  8.0

julia> broadcast(exp, b)
3×3 Array{Float64,2}:
 1.0       20.0855   403.429
 2.71828   54.5982  1096.63 
 7.38906  148.413   2980.96 

julia> exp.(b)
3×3 Array{Float64,2}:
 1.0       20.0855   403.429
 2.71828   54.5982  1096.63 
 7.38906  148.413   2980.96 

配列とスカラの演算

やはり+でも直接はダメですね。

julia> a = collect(0:4)
5-element Array{Int64,1}:
 0
 1
 2
 3
 4

julia> a + 3
ERROR: MethodError: no method matching +(::Array{Int64,1}, ::Int64)
Closest candidates are:
  +(::Any, ::Any, ::Any, ::Any...) at operators.jl:502
  +(::Complex{Bool}, ::Real) at complex.jl:292
  +(::Missing, ::Number) at missing.jl:93
  ...
Stacktrace:
 [1] top-level scope at none:0

下記のようにbroadcastに演算子と引数を指定するか、演算子に.（ドット）を付けるとできます。

julia> broadcast(+, 3, a)
5-element Array{Int64,1}:
 3
 4
 5
 6
 7

julia> a .+ 3
5-element Array{Int64,1}:
 3
 4
 5
 6
 7

julia> broadcast(*, 3, a)
5-element Array{Int64,1}:
  0
  3
  6
  9
 12

julia> a .* 3
5-element Array{Int64,1}:
  0
  3
  6
  9
 12

julia> broadcast(^, 2, a)
5-element Array{Int64,1}:
  1
  2
  4
  8
 16

julia> a .^ 2
5-element Array{Int64,1}:
  0
  1
  4
  9
 16

• 条件式の場合

演算子のように.（ドット）を付けてできます。

julia> a .>= 2
5-element BitArray{1}:
 false
 false
  true
  true
  true

julia> a .!= 3
5-element BitArray{1}:
  true
  true
  true
 false
  true

julia> b = reshape(collect(0:8), 3, 3)
3×3 Array{Int64,2}:
 0  3  6
 1  4  7
 2  5  8

julia> b .> 3
3×3 BitArray{2}:
 false  false  true
 false   true  true
 false   true  true

ブール値を要素として持つ配列の演算

julia> a = [10, 20, 30, 40]
4-element Array{Int64,1}:
 10
 20
 30
 40

julia> b = [false, true, true, false]
4-element Array{Bool,1}:
 false
  true
  true
 false

julia> a[b]
2-element Array{Int64,1}:
 20
 30

julia> c = [3 4 5; 6 7 8]
2×3 Array{Int64,2}:
 3  4  5
 6  7  8

julia> d = [false false true; false true true]
2×3 Array{Bool,2}:
 false  false  true
 false   true  true

julia> c[d]
3-element Array{Int64,1}:
 7
 5
 8

最後の結果がPythonと順番が違います。本ではarray([5, 7, 8])です。Juliaの場合、行列の順番通りに数えるようです。ここでは7と5と8がそれぞれ2行3列、3行1列、3行2列の順で配列を出力しています。
ちなみに、Pythonと同じように配列の配列で書くと下記のようにエラーになってしまいました。

julia> e = [[3,4,5],[6,7,8]]
2-element Array{Array{Int64,1},1}:
 [3, 4, 5]
 [6, 7, 8]

julia> f = [[false,false,true],[false,true,true]]
2-element Array{Array{Bool,1},1}:
 [false, false, true]
 [false, true, true] 

julia> e[f]
ERROR: ArgumentError: invalid index: Array{Bool,1}[[false, false, true], [false, true, true]] of type Array{Array{Bool,1},1}
Stacktrace:
 [1] to_index(::Array{Array{Bool,1},1}) at ./indices.jl:263
 [2] to_index(::Array{Array{Int64,1},1}, ::Array{Array{Bool,1},1}) at ./indices.jl:247
 [3] to_indices at ./indices.jl:294 [inlined]
 [4] to_indices at ./indices.jl:291 [inlined]
 [5] getindex(::Array{Array{Int64,1},1}, ::Array{Array{Bool,1},1}) at ./abstractarray.jl:905
 [6] top-level scope at none:0

条件を指定した要素の抽出

julia> a = collect(0:9)
10-element Array{Int64,1}:
 0
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9

julia> a[a .> 5]
4-element Array{Int64,1}:
 6
 7
 8
 9

• 条件式の&と|

配列に.（ドット）付きの演算子を適用するとBitArrayという配列が返ってきます。配列の演算なので&をそのまま使うとエラーになります。複数の条件の場合は同じく.を付けます。

julia> a .>= 3
10-element BitArray{1}:
 false
 false
 false
  true
  true
  true
  true
  true
  true
  true

julia> a .< 6
10-element BitArray{1}:
  true
  true
  true
  true
  true
  true
 false
 false
 false
 false

julia> (a .>= 3) & (a .< 6)
ERROR: MethodError: no method matching &(::BitArray{1}, ::BitArray{1})
Closest candidates are:
  &(::Any, ::Any, ::Any, ::Any...) at operators.jl:502
Stacktrace:
 [1] top-level scope at none:0

julia> (a .>= 3) .& (a .< 6)
10-element BitArray{1}:
 false
 false
 false
  true
  true
  true
 false
 false
 false
 false

julia> a[(a .>= 3) .& (a .< 6)]
3-element Array{Int64,1}:
 3
 4
 5

julia> a[(a .< 2) .| (a .> 7)]
4-element Array{Int64,1}:
 0
 1
 8
 9

julia> a[a .% 3 .!= 0]
6-element Array{Int64,1}:
 1
 2
 4
 5
 7
 8

配列の演算

配列同士の演算

julia> u = collect(0:3)
4-element Array{Int64,1}:
 0
 1
 2
 3

julia> v = collect(3:6)
4-element Array{Int64,1}:
 3
 4
 5
 6

配列同士ですが、.がなくても+と-は問題なくできました。
.を付けても同じ結果です。

julia> u + v
4-element Array{Int64,1}:
 3
 5
 7
 9

julia> u .+ v
4-element Array{Int64,1}:
 3
 5
 7
 9

julia> u - v
4-element Array{Int64,1}:
 -3
 -3
 -3
 -3

julia> u .- v
4-element Array{Int64,1}:
 -3
 -3
 -3
 -3

*は.なしだとエラーとなりました。.を付けるとできます。

julia> u * v
ERROR: MethodError: no method matching *(::Array{Int64,1}, ::Array{Int64,1})
Closest candidates are:
  *(::Any, ::Any, ::Any, ::Any...) at operators.jl:502
（略）

julia> u .* v
4-element Array{Int64,1}:
  0
  4
 10
 18

• ベクトルの内積

dot関数はLinearAlgebraモジュールにあります。あるいは⋅（cdot）演算子を使います。⋅はREPL上で\cdotと打ってTABキーで変換できます。（⋅もusing LinearAlgebraを実行しておかないと使えません。）

julia> sum(u .* v)
32

julia> using LinearAlgebra

julia> dot(u, v)
32

julia> u ⋅ v
32

2次元配列の演算

ここの計算は本の表示と合わせるためにreshape関数のあとに'を付けて転置させました。

julia> a = reshape(collect(0.:8.),3, 3)'
3×3 Adjoint{Float64,Array{Float64,2}}:
 0.0  1.0  2.0
 3.0  4.0  5.0
 6.0  7.0  8.0

julia> b = reshape(collect(4.:12.), 3, 3)'
3×3 Adjoint{Float64,Array{Float64,2}}:
  4.0   5.0   6.0
  7.0   8.0   9.0
 10.0  11.0  12.0

• +と-は.をつけなくても計算できますが、他と合わせて.を付けました。

julia> a .+ b
3×3 Array{Float64,2}:
  4.0   6.0   8.0
 10.0  12.0  14.0
 16.0  18.0  20.0

julia> a .- b
3×3 Array{Float64,2}:
 -4.0  -4.0  -4.0
 -4.0  -4.0  -4.0
 -4.0  -4.0  -4.0

julia> a .* b
3×3 Array{Float64,2}:
  0.0   5.0  12.0
 21.0  32.0  45.0
 60.0  77.0  96.0

julia> a ./ b
3×3 Array{Float64,2}:
 0.0       0.2       0.333333
 0.428571  0.5       0.555556
 0.6       0.636364  0.666667

• dot関数

NumPyのdotは行列積となっていますが、Juliaでdotを使ってみたところ結果が違いました。

julia> using LinearAlgebra

julia> dot(a, b)
348.0

これはsum(a .* b)の結果と同じです。これは内積です。

julia> sum(a .* b)
348.0

行列積を計算したいときは*を使うようです。.をつけて.*とすると行列のそれぞれの要素をかけ算しますが、*だけだと行列の積になります。

julia> a * b
3×3 Array{Float64,2}:
  27.0   30.0   33.0
  90.0  102.0  114.0
 153.0  174.0  195.0

+と-はそれぞれの要素をプラス、マイナスするので.を付けても付けなくても結果が同じだったということですね。
Juliaの場合、行列のそれぞれの要素で計算したいときは演算子に.を付ける。行列として計算したいときは演算子に.を付けないようです。

形状の違う行列の積

ここは行列の形状の話なので、本には合わせずJuliaのそのままの出力で行います。本とはエラーなどの順番が違います。

julia> a = reshape(collect(0.:8.), 3, 3)
3×3 Array{Float64,2}:
 0.0  3.0  6.0
 1.0  4.0  7.0
 2.0  5.0  8.0

julia> v = collect(1.:3.)
3-element Array{Float64,1}:
 1.0
 2.0
 3.0

3 x 3行列と3 x 1行列（縦ベクトル）との計算になります。

• 積を求める。3 x 3行列 * 3 x 1行列 = 3 x 1行列

julia> a * v
3-element Array{Float64,1}:
 24.0
 30.0
 36.0

• 引数を逆にする。3 x 1行列 * 3 x 3行列→エラー

julia> v * a
ERROR: DimensionMismatch("A has dimensions (3,1) but B has dimensions (3,3)")
Stacktrace:
（略）

• vを転置させて形状を1 x 3行列に

julia> u = v'
1×3 LinearAlgebra.Adjoint{Float64,Array{Float64,1}}:
 1.0  2.0  3.0

julia> a * u
ERROR: DimensionMismatch("A has dimensions (3,3) but B has dimensions (1,3)")
Stacktrace:

julia> u * a
1×3 LinearAlgebra.Adjoint{Float64,Array{Float64,1}}:
 8.0  26.0  44.0

• vの形状を1 x 3行列に。（Juliaだと最初のvが3 x 1の縦ベクトルなのでwはuと同じです。）

julia> w = reshape(v, 1,:)
1×3 Array{Float64,2}:
 1.0  2.0  3.0

julia> w * a
1×3 Array{Float64,2}:
 8.0  26.0  44.0

julia> u * a
1×3 Adjoint{Float64,Array{Float64,1}}:
 8.0  26.0  44.0

配列同士の演算におけるブロードキャスト

ここではJuliaのそのままの出力とします。aの表示が本と転置状態なので計算結果は本と違います。

julia> a = reshape(collect(0.:11.), 4, 3)
4×3 Array{Float64,2}:
 0.0  4.0   8.0
 1.0  5.0   9.0
 2.0  6.0  10.0
 3.0  7.0  11.0

julia> b = reshape(collect(0.:2.), 1, 3)
1×3 Array{Float64,2}:
 0.0  1.0  2.0

julia> c = reshape(collect(0.:3.), 4, 1)
4×1 Array{Float64,2}:
 0.0
 1.0
 2.0
 3.0

• +そのままではエラー

形状が一致しないときは.を付けないとエラーになりました。

julia> a + b
ERROR: DimensionMismatch("dimensions must match")

.を付ける

julia> a .+ b
4×3 Array{Float64,2}:
 0.0  5.0  10.0
 1.0  6.0  11.0
 2.0  7.0  12.0
 3.0  8.0  13.0

julia> a .* c
4×3 Array{Float64,2}:
 0.0   0.0   0.0
 1.0   5.0   9.0
 4.0  12.0  20.0
 9.0  21.0  33.0

julia> b .- c
4×3 Array{Float64,2}:
  0.0   1.0   2.0
 -1.0   0.0   1.0
 -2.0  -1.0   0.0
 -3.0  -2.0  -1.0

2次元配列と1次元配列の演算

julia> a = reshape(collect(0.:11.), 4, 3)
4×3 Array{Float64,2}:
 0.0  4.0   8.0
 1.0  5.0   9.0
 2.0  6.0  10.0
 3.0  7.0  11.0

julia> v = reshape(collect(0.:2.), 1, 3)
1×3 Array{Float64,2}:
 0.0  1.0  2.0

julia> a .+ v
4×3 Array{Float64,2}:
 0.0  5.0  10.0
 1.0  6.0  11.0
 2.0  7.0  12.0
 3.0  8.0  13.0