人工智能教程（三）：更多有用的 Python 庫
在本系列的 上一篇文章 中，我們回顧了人工智能的歷史，然后詳細(xì)地討論了矩陣。在本系列的第三篇文章中，我們將了解更多的矩陣操作，同時再介紹幾個人工智能 Python 庫。
在進(jìn)入主題之前，我們先討論幾個人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)中常用的重要術(shù)語。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)artificial neural network（通常簡稱為 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)neural network，NN）是機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的核心。顧名思義，它是受人腦的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)而設(shè)計的計算模型。本文中我沒有插入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的圖片，因為在互聯(lián)網(wǎng)上很容易找到它們。我相信任何對人工智能感興趣的人應(yīng)該都見過它們，左邊是輸入層，中間是一個或多個隱藏層，右邊是輸出層。各層之間的邊上的 權(quán)重weight
監(jiān)督學(xué)習(xí)supervised learning 和 無監(jiān)督學(xué)習(xí)unsupervised learning
在實際的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中會發(fā)生這樣的情況嗎？是的！訓(xùn)練模型用的數(shù)據(jù)集可能是不充分的或者不完整的。這是兩種模型都仍然在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的眾多原因之一。在后續(xù)文章中，我們將更正式地討論它們。下面我們開始學(xué)習(xí)使用 JupyterLab，它是一個用于開發(fā)人工智能程序的強(qiáng)大工具。
JupyterLab 入門
在本系列的前幾篇文章中，為了簡單起見，我們一直使用 Linux 終端運(yùn)行 Python 代碼。現(xiàn)在要介紹另一個強(qiáng)大的人工智能工具——JupyterLab。在本系列的第一篇文章中，我們對比了幾個候選項，最終決定使用 JupyterLab。它比 Jupyter Notebook 功能更強(qiáng)大，為我們預(yù)裝了許多庫和包，并且易于團(tuán)隊協(xié)作。還有一些其它原因，我們將在后續(xù)適時探討它們。
在本系列的第一篇文章中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何安裝 JupyterLab。假設(shè)你已經(jīng)按文中的步驟安裝好了 JupyterLab，使用 jupyter lab 或 jupyter-lab 命令在會默認(rèn)瀏覽器（如 Mozilla Firefox、谷歌 Chrome 等）中打開 JupyterLab。（LCTT 譯注：沒有安裝 JupyterLab 也不要緊，你可以先 在線試用 JupyterLab）圖 1 是在瀏覽器中打開的 JupyterLab 啟動器的局部截圖。JupyterLab 使用一個名為 IPython（交互式 Python）的 Python 控制臺。注意，IPython 其實可以獨立使用，在 Linux 終端運(yùn)行 ipython 命令就可以啟動它。
圖 1：JupyterLab 啟動器
現(xiàn)階段我們使用 JupyterLab 中的 Jupyter Notebook 功能。點擊圖 1 中用綠框標(biāo)記的按鈕，打開 Jupyter Notebook。這時可能會要求你選擇內(nèi)核。如果你按照本系列第一篇的步驟安裝 JupyterLab，那么唯一的可選項就是 Python 3（ipykernel）。請注意，你還可以在 JupyterLab 中安裝其它編程語言的內(nèi)核，比如 C++、R、MATLAB、Julia 等。事實上 Jupyter 的內(nèi)核相當(dāng)豐富，你可以訪問 Jupyter 內(nèi)核清單 了解更多信息。
圖 2：Jupyter Notebook 窗口
下面我們快速了解一下 Jupyter Notebook 的使用。圖 2 顯示的是一個在瀏覽器中打開的 Jupyter Notebook 窗口。從瀏覽器標(biāo)簽頁的標(biāo)題可以看出，Jupyter Notebook 打開的文件的擴(kuò)展名是 .ipynb。
在圖 2 處可以看到有三個選項，它們表示 Jupyter Notebook 中可以使用的三種類型的單元。“Code”（綠色框） 表示代碼單元，它是用來執(zhí)行代碼的?！癕arkdown” 單元可用于輸入說明性的文本。如果你是一名計算機(jī)培訓(xùn)師，可以用代碼單元和 Markdown 單元來創(chuàng)建交互式代碼和解釋性文本，然后分享給你的學(xué)員。“Raw”（紅色框）表示原始數(shù)據(jù)單元，其中的內(nèi)容不會被格式化或轉(zhuǎn)換。
和在終端中不同，在 Jupyter Notebook 中你可以編輯并重新運(yùn)行代碼，這在處理簡單的拼寫錯誤時特別方便。圖 3 是在 Jupyter Notebook 中執(zhí)行 Python 代碼的截圖。
圖 3：在 Jupyter Notebook 中執(zhí)行 Python 代碼
要在執(zhí)行代碼單元中的代碼，先選中該單元格，然后點擊藍(lán)框標(biāo)記的按鈕。圖 3 中用紅框標(biāo)記的是 Markdown 單元，用綠框標(biāo)記的是代碼單元，用黃框標(biāo)記的執(zhí)行代碼的輸出。在這個例子中，Python 代碼輸出的是 π 的值。
前面提到，JupyterLab 默認(rèn)安裝了許多庫和包，我們不用自己安裝了。你可以使用 import 命令將這些庫導(dǎo)入到代碼中。使用 !pip freeze 命令可以列出 JupyterLab 中目前可用的所有庫和包。如果有庫或包沒有安裝，大多數(shù)情況下都可以通過 pip install <全小寫的庫或者包的名稱> 來安裝它們。例如安裝 TensorFlow 的命令是 pip install tensorflow。如果后面有庫的安裝命令不遵循這個格式，我會進(jìn)行特別說明。隨著本系列的繼續(xù)，我們還會看到 Jupyter Notebook 和 JupyterLab 更多強(qiáng)大的功能。
復(fù)雜的矩陣運(yùn)算
通過下面的代碼，我們來了解一些更復(fù)雜的矩陣運(yùn)算或操作。為了節(jié)省空間，我沒有展示代碼的輸出。
import numpy as np
A = np.arr ay([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,88]])
B = np.arr ay([[1,2,3],[4,5,6],[4,5,6]])
print(A.T)
print(A.T.T)
print(np.trace(A))
print(np.linalg.det(A))
C = np.linalg.inv(A)
print(C)
print(A@C)下面我逐行來解釋這些代碼：
- 導(dǎo)入 NumPy 包。
- 創(chuàng)建矩陣
A。 - 創(chuàng)建矩陣
B。 - 打印矩陣
A的轉(zhuǎn)置transpose。通過比較矩陣A與A的轉(zhuǎn)置，你用該可以大致理解轉(zhuǎn)置操作到底做了什么。 - 打印
A的轉(zhuǎn)置的轉(zhuǎn)置?？梢钥吹剿途仃?nbsp;A是相同的。這又提示了轉(zhuǎn)置操作的含義。 - 打印矩陣
A的 跡trace。跡是矩陣的對角線（也稱為主對角線）元素的和。矩陣A的主對角線元素是 1、5 和 88，所以輸出的值是 94。 - 打印
A的行列式determinant。當(dāng)執(zhí)行代碼的結(jié)果是 -237.00000000000009（在你的電腦中可能略有區(qū)別）。因為行列式不為 0，所以稱 A 為非奇異矩陣non-singular matrix。 - 將矩陣
A的逆inverse 保存到矩陣C中。 - 打印矩陣
C。 - 打印矩陣
A和C的乘積。仔細(xì)觀察，你會看到乘積是一個單位矩陣identity matrix，也就是一個所有對角線元素都為 1，所有其它元素都為 0 的矩陣。請注意，輸出中打印出的不是精確的 1 和 0。在我得到的答案中，有像 -3.81639165e-17 這樣的數(shù)字。這是浮點數(shù)的科學(xué)記數(shù)法，表示 -3.81639165 × 10-17， 即小數(shù)的 -0.0000000000000000381639165，它非常接近于零。同樣輸出中的其它數(shù)字也會有這種情況。我強(qiáng)烈建議你了解計算機(jī)是怎樣表示浮點數(shù)的，這對你會有很大幫助。
根據(jù)第一篇文章中的慣例，可以將代碼分成基本 Python 代碼和人工智能代碼。在這個例子中，除了第 1 行和第 9 行之外的所有代碼行都可以被看作是人工智能代碼。
現(xiàn)在將第 4 行到第 10 行的操作應(yīng)用到矩陣 B 上。從第 4 行到第 6 行代碼的輸出沒有什么特別之處。然而運(yùn)行第 7 行時，矩陣 B 的行列式為 0，因此它被稱為奇異矩陣singular matrix。運(yùn)行第 8 行代碼會給產(chǎn)生一個錯誤，因為只有非奇異矩陣才存在逆矩陣。你可以嘗試對本系列前一篇文章中的 8 個矩陣都應(yīng)用相同的操作。通過觀察輸出，你會發(fā)現(xiàn)矩陣的行列式和求逆運(yùn)算只適用于方陣。
方陣就是行數(shù)和列數(shù)相等的矩陣。在上面的例子中我只是展示了對矩陣執(zhí)行各種操作，并沒有解釋它們背后的理論。如果你不知道或忘記了矩陣的轉(zhuǎn)置、逆、行列式等知識的話，你最好自己學(xué)習(xí)它們。同時你也應(yīng)該了解一下不同類型的矩陣，比如單位矩陣、對角矩陣、三角矩陣、對稱矩陣、斜對稱矩陣。維基百科上的相關(guān)文章是不錯的入門。
現(xiàn)在讓我們來學(xué)習(xí)矩陣分解matrix decomposition，它是更復(fù)雜的矩陣操作。矩陣分解與整數(shù)的因子分解類似，就是把一個矩陣被寫成其它矩陣的乘積。下面我通過圖 4 中整數(shù)分解的例子來解釋矩陣分解的必要性。代碼單元開頭的 %time 是 Jupyter Notebook 的魔法命令magic command，它會打印代碼運(yùn)行所花費(fèi)的時間。** 是 Python 的冪運(yùn)算符?；镜拇鷶?shù)知識告訴我們，變量 a 和 b 的值都等于 (6869 x 7873)100。但圖 4 顯示計算變量 b 的速度要快得多。事實上，隨著底數(shù)和指數(shù)的增大，執(zhí)行時間的減少會越來越明顯。
圖 4：Python 代碼的執(zhí)行耗時
在幾乎所有的矩陣分解技術(shù)技術(shù)中，原始矩陣都會被寫成更稀疏的矩陣的乘積。稀疏矩陣sparse matrix是指有很多元素值為零的矩陣。在分解后，我們可以處理稀疏矩陣，而不是原始的具有大量非零元素的密集矩陣dense matrix。在本文中將介紹三種矩陣分解技術(shù)——LUP 分解、特征分解eigen decomposition和奇異值分解singular value decomposition（SVD）。
為了執(zhí)行矩陣分解，我們需要另一個強(qiáng)大的 Python 庫，SciPy。SciPy 是基于 NumPy 庫的科學(xué)計算庫，它提供了線性代數(shù)、積分、微分、優(yōu)化等方面的函數(shù)。首先，讓我們討論 LUP 分解。任何方陣都能進(jìn)行 LUP 分解。LUP 分解有一種變體，稱為 LU 分解。但并不是所有方陣都能 LU 分解。因此這里我們只討論 LUP 分解。
在 LUP 分解中，矩陣 A 被寫成三個矩陣 L、U 和 P 的乘積。其中 L 是一個下三角矩陣lower triangular matrix，它是主對角線以上的所有元素都為零的方陣。U 是一個上三角矩陣upper triangular matrix，它是主對角線以下所有元素為零的方陣。P 是一個排列矩陣permutation matrix。這是一個方陣，它的每一行和每一列中都有一個元素為 1，其它元素的值都是 0。
現(xiàn)在看下面的 LUP 分解的代碼。
import numpy as np
import scipy as sp
A=np.array([[11,22,33],[44,55,66],[77,88,888]])
P, L, U = sp.linalg.lu(A)
print(P)
print(L)
print(U)
print(P@L@U)圖 5 顯示了代碼的輸出。第 1 行和第 2 行導(dǎo)入 NumPy 和 SciPy 包。在第 3 行創(chuàng)建矩陣 A。請記住，我們在本節(jié)中會一直使用矩陣 A。第 4 行將矩陣 A 分解為三個矩陣——P、L 和 U。第 5 行到第 7 行打印矩陣 P、L 和 U。從圖 5 中可以清楚地看出，P 是一個置換矩陣，L 是一個下三角矩陣，U 是一個上三角矩陣。最后在第 8 行將這三個矩陣相乘并打印乘積矩陣。從圖 5 可以看到乘積矩陣 P@L@U 等于原始矩陣 A，滿足矩陣分解的性質(zhì)。此外，圖 5 也驗證了矩陣 L、U 和 P 比矩陣 A 更稀疏。
圖 5：用 SciPy 進(jìn)行 LUP 分解
下面我們討論特征分解，它是將一個方陣是用它的特征值eigenvalue和特征向量eigenvector來表示。用 Python 計算特征值和特征向量很容易。關(guān)于特征值和特征向量的理論解釋超出了本文的討論范圍，如果你不知道它們是什么，我建議你通過維基百科等先了解它們，以便對正在執(zhí)行的操作有一個清晰的概念。圖 6 中是特征分解的代碼。
圖6：用 SciPy 進(jìn)行特征分解
在圖 6 中，第 1 行計算特征值和特征向量。第 2 行和第 3 行輸出它們。注意，使用 NumPy 也能獲得類似的效果，Lambda, Q = np.linalg.eig(A)。這也告訴我們 NumPy 和 SciPy 的功能之間有一些重疊。第 4 行重建了原始矩陣 A。第 4 行中的代碼片段 np.diag(Lambda) 是將特征值轉(zhuǎn)換為對角矩陣（記為 Λ）。對角矩陣是主對角線以外的所有元素都為 0 的矩陣。第 4 行的代碼片段 sp.linalg.inv(Q) 是求 Q 的逆矩陣（記為 Q-1）。最后，將三個矩陣 Q、Λ、Q-1 相乘得到原始矩陣 A。也就是在特征分解中 A=QΛQ-1。
圖 6 還顯示了執(zhí)行的代碼的輸出。紅框標(biāo)記的是特征值，用綠框標(biāo)記的是特征向量，重構(gòu)的矩陣 A 用藍(lán)框標(biāo)記。你可能會感到奇怪，輸出中像 11.+0.j 這樣的數(shù)字是什么呢？其中的 j 是虛數(shù)單位。11.+0.j 其實就是 11.0+0.0j，即整數(shù) 11 的復(fù)數(shù)形式。
現(xiàn)在讓我們來看奇異值分解（SVD），它是特征分解的推廣。圖 7 顯示了 SVD 的代碼和輸出。第 1 行將矩陣 A 分解為三個矩陣 U、S 和 V。第 2 行中的代碼片段 np.diag(S) 將 S 轉(zhuǎn)換為對角矩陣。最后，將這三個矩陣相乘重建原始矩陣 A。奇異值分解的優(yōu)點是它可以對角化非方陣。但非方陣的奇異值分解的代碼稍微復(fù)雜一些，我們暫時不在這里討論它。
圖 7：用 SciPy 進(jìn)行 奇異值分解
其它人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的 Python 庫
當(dāng)談到人工智能時，普通人最先想到的場景可能就是電影《終結(jié)者》里機(jī)器人通過視覺識別一個人。計算機(jī)視覺computer vision是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)被應(yīng)用得最廣泛的領(lǐng)域之一。下面我將介紹兩個計算機(jī)視覺相關(guān)的庫：OpenCV 和 Matplotlib。OpenCV 是一個主要用于實時計算機(jī)視覺的庫，它由 C 和 C++ 開發(fā)。C++ 是 OpenCV 的主要接口，它通過 OpenCV-Python 向用戶提供 Python 接口。Matplotlib 是基于 Python 的繪圖庫。我曾在 OSFY 上的一篇早期 文章 中詳細(xì)介紹了 Matplotlib 的使用。
前面我一直在強(qiáng)調(diào)矩陣的重要性，現(xiàn)在我用一個實際的例子來加以說明。圖 8 展示了在 Jupyter Notebook 中使用 Matplotlib 讀取和顯示圖像的代碼和輸出。如果你沒有安裝 Matplotlib，使用 pip install matplotlib 命令安裝 Matplotlib。
圖 8：用 Matplotlib 讀取和顯示圖像
在圖 8 中，第 1 行和第 2 行從 Matplotlib 導(dǎo)入了一些函數(shù)。注意你可以從庫中導(dǎo)入單個函數(shù)或包，而不用導(dǎo)入整個庫。這兩行是基本的 Python 代碼。第 3 行從我的計算機(jī)中讀取標(biāo)題為 OSFY-Logo.jpg 的圖像。我從 OSFY 門戶網(wǎng)站的首頁下載了這張圖片。此圖像高 80 像素，寬 270 像素。第 4 行和第 5 行在 Jupyter Notebook 窗口中顯示圖像。請注意圖像下方用紅框標(biāo)記的兩行代碼，它的輸出告訴我們變量 image 實際上是一個 NumPy 數(shù)組。具體來說，它是一個 80 x 270 x 3 的三維數(shù)組。
數(shù)組尺寸中的 80 x 270 就是圖片的大小，這一點很容易理解。但是第三維度表示什么呢？這是因計算機(jī)像通常用 RGB
顏色模型來存儲的彩色圖。它有三層，分別用于表示紅綠藍(lán)三種原色。我相信你還記得學(xué)生時代的實驗，把原色混合成不同的顏色。例如，紅色和綠色混合在一起會得到黃色。在
RGB 模型中，每種顏色的亮度用 0 到 255 的數(shù)字表示。0 表示最暗，255 表示最亮。因此值為 (255,255,255) 的像素表示純白色。
現(xiàn)在，執(zhí)行代碼 print(image)， Jupyter Notebook
會將整個數(shù)組的一部分部分打印出來。你可以看到數(shù)組的開頭有許多 255。這是什么原因呢？如果你仔細(xì)看 OSFY
的圖標(biāo)會發(fā)現(xiàn)，圖標(biāo)的邊緣有很多白色區(qū)域，因此一開始就印了很多 255。順便說一句，你還可以了解一下其他顏色模型，如 CMY、CMYK、HSV
等。
現(xiàn)在我們反過來從一個數(shù)組創(chuàng)建一幅圖像。首先看圖 9 中所示的代碼。它展示了如何生成兩個 3 x 3 的隨機(jī)矩陣，它的元素是 0 到 255 之間的隨機(jī)值。注意，雖然相同的代碼執(zhí)行了兩次，但生成的結(jié)果是不同的。這是通過調(diào)用 NumPy 的偽隨機(jī)數(shù)生成器函數(shù) randint 實現(xiàn)的。實際上，我中彩票的幾率都比這兩個矩陣完全相等的幾率大得多。
圖 8：兩個隨機(jī)矩陣
接下來我們要生成一個形狀為 512 x 512 x 3 的三維數(shù)組，然后將它轉(zhuǎn)換為圖像。為此我們將用到 OpenCV。注意，安裝 OpenCV 命令是 pip install opencv-python。看下面的代碼：
import cv2
img = np.random.randint(0, 256, size=(512, 512, 3))
cv2.imwrite('img.jpg', img)第 1 行導(dǎo)入庫 OpenCV。注意導(dǎo)入語句是 import cv2，這與大多數(shù)其他包的導(dǎo)入不同。第 3 行將矩陣 img 轉(zhuǎn)換為名為 img.jpg 的圖像。圖
10 顯示了由 OpenCV 生成的圖像。在系統(tǒng)中運(yùn)行這段代碼，將圖像將被保存在 Jupyter Notebook
的同一目錄下。如果你查看這張圖片的屬性，你會看到它的高度是 512 像素，寬度是 512
像素。通過這些例子，很容易看出，任何處理計算機(jī)視覺任務(wù)的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)程序使用了大量的數(shù)組、向量、矩陣以及線性代數(shù)中的思想。這也是本系列用大量篇幅介紹數(shù)組、向量和矩陣的原因。
圖 10：OpenCV 生成的圖像
最后，考慮下面顯示的代碼。image.jpg 輸出圖像會是什么樣子？我給你兩個提示。函數(shù) zeros 在第 4 行和第 5 行創(chuàng)建了兩個 512 x 512 的數(shù)組，其中綠色和藍(lán)色填充了零。第 7 行到第 9 行用來自數(shù)組 red、green 和 blue 的值填充三維數(shù)組 img1。
import numpy as np
import cv2
red = np.random.randint(0, 256, size=(512, 512))
green = np.zeros([512, 512], dtype=np.uint8)
blue = np.zeros([512, 512], dtype=np.uint8)
img1 = np.zeros([512,512,3], dtype=np.uint8)
img1[:,:,0] = blue
img1[:,:,1] = green
img1[:,:,2] = red
cv2.imwrite(‘image.jpg’, img1)本期的內(nèi)容就到此結(jié)束了。在下一篇文章中，我們將開始簡單地學(xué)習(xí)張量tensor，然后安裝和使用 TensorFlow。TensorFlow 是人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的重要參與者。之后，我們將暫時放下矩陣、向量和線性代數(shù)，開始學(xué)習(xí)概率論。概率論跟線性代數(shù)一樣是人工智能的重要基石。
