稀疏矩阵

Scipy 提供了稀疏矩阵的支持（scipy.sparse）。

稀疏矩阵主要使用 位置 + 值 的方法来存储矩阵的非零元素，根据存储和使用方式的不同，有如下几种类型的稀疏矩阵：

类型 描述
bsr_matrix(arg1[, shape, dtype, copy, blocksize]) Block Sparse Row matrix
coo_matrix(arg1[, shape, dtype, copy]) A sparse matrix in COOrdinate format.
csc_matrix(arg1[, shape, dtype, copy]) Compressed Sparse Column matrix
csr_matrix(arg1[, shape, dtype, copy]) Compressed Sparse Row matrix
dia_matrix(arg1[, shape, dtype, copy]) Sparse matrix with DIAgonal storage
dok_matrix(arg1[, shape, dtype, copy]) Dictionary Of Keys based sparse matrix.
lil_matrix(arg1[, shape, dtype, copy]) Row-based linked list sparse matrix

在这些存储格式中：

  • COO 格式在构建矩阵时比较高效
  • CSC 和 CSR 格式在乘法计算时比较高效

构建稀疏矩阵

In [1]:
from scipy.sparse import *
import numpy as np

创建一个空的稀疏矩阵：

In [2]:
coo_matrix((2,3))
Out[2]:
<2x3 sparse matrix of type '<type 'numpy.float64'>'
	with 0 stored elements in COOrdinate format>

也可以使用一个已有的矩阵或数组或列表中创建新矩阵：

In [3]:
A = coo_matrix([[1,2,0],[0,0,3],[4,0,5]])
print A

  (0, 0)	1
  (0, 1)	2
  (1, 2)	3
  (2, 0)	4
  (2, 2)	5

不同格式的稀疏矩阵可以相互转化：

In [4]:
type(A)
Out[4]:
scipy.sparse.coo.coo_matrix
In [5]:
B = A.tocsr()
type(B)
Out[5]:
scipy.sparse.csr.csr_matrix

可以转化为普通矩阵：

In [6]:
C = A.todense()
C
Out[6]:
matrix([[1, 2, 0],
        [0, 0, 3],
        [4, 0, 5]])

与向量的乘法：

In [7]:
v = np.array([1,0,-1])
A.dot(v)
Out[7]:
array([ 1, -3, -1])

还可以传入一个 (data, (row, col)) 的元组来构建稀疏矩阵：

In [8]:
I = np.array([0,3,1,0])
J = np.array([0,3,1,2])
V = np.array([4,5,7,9])
A = coo_matrix((V,(I,J)),shape=(4,4))
In [9]:
print A

  (0, 0)	4
  (3, 3)	5
  (1, 1)	7
  (0, 2)	9

COO 格式的稀疏矩阵在构建的时候只是简单的将坐标和值加到后面，对于重复的坐标不进行处理：

In [10]:
I = np.array([0,0,1,3,1,0,0])
J = np.array([0,2,1,3,1,0,0])
V = np.array([1,1,1,1,1,1,1])
B = coo_matrix((V,(I,J)),shape=(4,4))
print B

  (0, 0)	1
  (0, 2)	1
  (1, 1)	1
  (3, 3)	1
  (1, 1)	1
  (0, 0)	1
  (0, 0)	1

转换成 CSR 格式会自动将相同坐标的值合并：

In [11]:
C = B.tocsr()
print C

  (0, 0)	3
  (0, 2)	1
  (1, 1)	2
  (3, 3)	1

求解微分方程

In [12]:
from scipy.sparse import lil_matrix
from scipy.sparse.linalg import spsolve
from numpy.linalg import solve, norm
from numpy.random import rand

构建 1000 x 1000 的稀疏矩阵：

In [13]:
A = lil_matrix((1000, 1000))
A[0, :100] = rand(100)
A[1, 100:200] = A[0, :100]
A.setdiag(rand(1000))

转化为 CSR 之后，用 spsolve 求解 $Ax=b$：

In [14]:
A = A.tocsr()
b = rand(1000)
x = spsolve(A, b)

转化成正常数组之后求解：

In [15]:
x_ = solve(A.toarray(), b)

查看误差：

In [16]:
err = norm(x-x_)
err
Out[16]:
6.4310987107687431e-13

sparse.find 函数

返回一个三元组，表示稀疏矩阵中非零元素的 (row, col, value)：

In [17]:
from scipy import sparse

row, col, val = sparse.find(C)
print row, col, val

[0 0 1 3] [0 2 1 3] [3 1 2 1]

sparse.issparse 函数

查看一个对象是否为稀疏矩阵：

In [18]:
sparse.issparse(B)
Out[18]:
True

或者

In [19]:
sparse.isspmatrix(B.todense())
Out[19]:
False

还可以查询是否为指定格式的稀疏矩阵：

In [20]:
sparse.isspmatrix_coo(B)
Out[20]:
True
In [21]:
sparse.isspmatrix_csr(B)
Out[21]:
False