使用Python的Operator库计算矩阵的特征值和特征向量,以及使用NumPy进行特征值计算的方法
最编程
2024-01-19 11:31:43
...
线性代数
矩阵和向量积
- numpy.dot(a, b[, out])计算两个矩阵的乘积,如果是一维数组则是它们的内积
特征值和特征向量
- numpy.linalg.eig(a) 计算方阵的特征值和特征向量。
- numpy.linalg.eigvals(a) 计算方阵的特征值。
- 例: 求方阵的特征值和特征向量
import numpy as np
# 创建一个对角矩阵!
x = np.diag((1, 2, 3))
print(x)
print(np.linalg.eigvals(x))
a, b = np.linalg.eig(x)
# 特征值保存在a中,特征向量保存在b中
print(a)
print(b)
# 检验特征值与特征向量是否正确
for i in range(3):
if np.allclose(a[i] * b[:, i], np.dot(x, b[:, i])):
print('Right')
else:
print('Error')
[[1 0 0]
[0 2 0]
[0 0 3]]
[1. 2. 3.]
[1. 2. 3.]
[[1. 0. 0.]
[0. 1. 0.]
[0. 0. 1.]]
Right
Right
Right
矩阵分解
奇异值分解
- svd的原理类似于主成分分析,但是主成分分析只能针对方阵,而svd可以针对所有矩阵进行
- 过滤了一些噪声,加快运算
- 我这里不详细 怎么计算的,我讲一下大概u是 的特征向量,v是 的特征向量, 是特征值的排序后开根号
- u, s, v = numpy.linalg.svd(a, full_matrices=True, compute_uv=True, hermitian=False)奇异值分解
- a 是一个形如(M,N)矩阵
- full_matrices的取值是为False或者True,默认值为True,这时u的大小为(M,M),v的大小为(N,N)。否则u的大小为(M,K),v的大小为(K,N) ,K=min(M,N)。
- compute_uv的取值是为False或者True,默认值为True,表示计算u,s,v。为False的时候只计算s。
- 总共有三个返回值u,s,v,u大小为(M,M),s大小为(M,N),v大小为(N,N),a = usv。
- 其中s是对矩阵a的奇异值分解。s除了对角元素不为0,其他元素都为0,并且对角元素从大到小排列。s中有n个奇异值,一般排在后面的比较接近0,所以仅保留比较大的r个奇异值。 注:Numpy中返回的v是通常所谓奇异值分解a=usv'中v的转置。
- 举例子:
import numpy as np
A = np.array([[1, 1], [1, -2], [2, 1]])
print(A)
# [[ 1 1]
# [ 1 -2]
# [ 2 1]]
u, s, vh = np.linalg.svd(A, full_matrices=False)
print(u.shape) # (3, 2)
print(u)
# [[-5.34522484e-01 -1.11022302e-16]
# [ 2.67261242e-01 -9.48683298e-01]
# [-8.01783726e-01 -3.16227766e-01]]
print(s.shape) # (2,)
print(np.diag(s))
# [[2.64575131 0. ]
# [0. 2.23606798]]
print(vh.shape) # (2, 2)
print(vh)
# [[-0.70710678 -0.70710678]
# [-0.70710678 0.70710678]]
a = np.dot(u, np.diag(s))
a = np.dot(a, vh)
print(a)
# [[ 1. 1.]
# [ 1. -2.]
# [ 2. 1.]]
QR分解
- q,r = numpy.linalg.qr(a, mode='reduced')计算矩阵a的QR分解。
- a是一个(M, N)的待分解矩阵。
- mode = reduced:返回(M, N)的列向量两两正交的矩阵q,和(N, N)的三角阵r(Reduced QR分解)。
- mode = complete:返回(M, M)的正交矩阵q,和(M, N)的三角阵r(Full QR分解)。
- 对于n阶方阵A,若存在正交矩阵Q和上三角矩阵R,使得A = QR,则该式称为矩阵A的完全QR分解或正交三角分解
- 对于非方阵的mn(m≥n)阶矩阵A也可能存在QR分解的,A = QR。这时Q为mn阶的半正交矩阵,R为n*n阶上三角矩阵。这时的QR分解不是完整的(方阵),因此称为约化QR分解(对于列满秩矩阵A必存在约化QR分解)。
Cholesky分解
- L = numpy.linalg.cholesky(a) 返回正定矩阵a的 Cholesky 分解a = L*L.T,其中L是下三角
范数
矩阵范数
- numpy.linalg.norm(x, ord=None, axis=None, keepdims=False) 计算向量或者矩阵的范数。
方阵的行列式
- numpy.linalg.det(a) 计算行列式
- 举例子
x = np.array([[1, 2], [3, 4]])
print(x)
# [[1 2]
# [3 4]]
print(np.linalg.det(x))
# -2.0000000000000004
矩阵的秩
- numpy.linalg.matrix_rank(M, tol=None, hermitian=False) 返回矩阵的秩。
矩阵的迹
- numpy.trace(a, offset=0, axis1=0, axis2=1, dtype=None, out=None) 方阵的迹就是主对角元素之和。
## 解方程
### 逆矩阵(inverse matrix)
- numpy.linalg.inv(a) 计算矩阵a的逆矩阵(矩阵可逆的充要条件:det(a) != 0,或者a满秩)
import numpy as np
A = np.array([[1, -2, 1], [0, 2, -1], [1, 1, -2]])
print(A)
# [[ 1 -2 1]
# [ 0 2 -1]
# [ 1 1 -2]]
# 求A的行列式,不为零则存在逆矩阵
A_det = np.linalg.det(A)
print(A_det)
# -2.9999999999999996
A_inverse = np.linalg.inv(A) # 求A的逆矩阵
print(A_inverse)
# [[ 1.00000000e+00 1.00000000e+00 -1.11022302e-16]
# [ 3.33333333e-01 1.00000000e+00 -3.33333333e-01]
# [ 6.66666667e-01 1.00000000e+00 -6.66666667e-01]]
x = np.allclose(np.dot(A, A_inverse), np.eye(3))
print(x) # True
x = np.allclose(np.dot(A_inverse, A), np.eye(3))
print(x) # True
A_companion = A_inverse * A_det # 求A的伴随矩阵
print(A_companion)
# [[-3.00000000e+00 -3.00000000e+00 3.33066907e-16]
# [-1.00000000e+00 -3.00000000e+00 1.00000000e+00]
# [-2.00000000e+00 -3.00000000e+00 2.00000000e+00]]
求解线性方程组
矩阵的逆
- numpy.linalg.inv(a) 计算矩阵a的逆矩阵(矩阵可逆的充要条件:det(a) != 0,或者a满秩)
方程求解
- numpy.linalg.solve(a, b) 求解线性方程组或矩阵方程。
- 解决的方程形式是:aX=b
- 【例】求解线性矩阵方程
# x + 2y + z = 7
# 2x - y + 3z = 7
# 3x + y + 2z =18
import numpy as np
A = np.array([[1, 2, 1], [2, -1, 3], [3, 1, 2]])
b = np.array([7, 7, 18])
x = np.linalg.solve(A, b)
print(x) # [ 7. 1. -2.]
x = np.linalg.inv(A).dot(b)
print(x) # [ 7. 1. -2.]
y = np.allclose(np.dot(A, x), b)
print(y) # True
练习
求两个数组之间的欧式距离
a = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
b = np.array([4, 5, 6, 7, 8])
print(np.linalg.norm(a-b))
6.708203932499369
计算矩阵的行列式和矩阵的逆
x = np.diag([5,5,5,5,5])
print(np.linalg.det(x))
print(np.linalg.inv(x))
3124.999999999999
[[ 0.2 0. 0. 0. 0. ]
[ 0. 0.2 0. 0. 0. ]
[ 0. 0. 0.2 0. 0. ]
[-0. -0. -0. 0.2 -0. ]
[ 0. 0. 0. 0. 0.2]]
求方程
import numpy as np
A=np.array([[1, -2, 1],[0 ,2 ,-8],[-4, 5 ,9]])
b=np.array([0,8,-9])
print(np.linalg.solve(A,b))
[29. 16. 3.]
特征值特征向量
A=np.array([[4,-1,1],[-1,3,-2],[1,-2,3]])
x,y = np.linalg.eig(A)
print(x)
print(y)
[3. 6. 1.]
[[-8.16496581e-01 -5.77350269e-01 3.89855447e-17]
[-4.08248290e-01 5.77350269e-01 7.07106781e-01]
[ 4.08248290e-01 -5.77350269e-01 7.07106781e-01]]
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[姿势估计] 实践记录:使用 Dlib 和 mediapipe 进行人脸姿势估计 - 本文重点介绍方法 2):方法 1:基于深度学习的方法:。 基于深度学习的方法:基于深度学习的方法利用深度学习模型,如卷积神经网络(CNN)或递归神经网络(RNN),直接从人脸图像中学习姿势估计。这些方法能够学习更复杂的特征表征,并在大规模数据集上取得优异的性能。方法二:基于二维校准信息估计三维姿态信息(计算机视觉 PnP 问题)。 特征点定位:人脸姿态估计的第一步是通过特征点定位来检测和定位人脸的关键点,如眼睛、鼻子和嘴巴。这些关键点提供了人脸的局部结构信息,可用于后续的姿势估计。 旋转表示:常见的旋转表示方法包括欧拉角和旋转矩阵。欧拉角通过三个旋转角度(通常是俯仰、偏航和滚动)描述头部的旋转姿态。旋转矩阵是一个 3x3 矩阵,表示头部从一个坐标系到另一个坐标系的变换。 三维模型重建:根据特征点的定位结果,三维人脸模型可用于姿势估计。通过将人脸的二维图像映射到三维模型上,可以估算出人脸的旋转和平移信息。这就需要建立人脸的三维模型,然后通过优化方法将模型与特征点对齐,从而获得姿势估计结果。 特征点定位 特征点定位是用于检测人脸关键部位的五官基础部分,还有其他更多的特征点表示方法,大家可以参考我上一篇文章中介绍的特征点检测方案实践:人脸校正二次定位操作来解决人脸校正的问题,客户在检测关键点的代码上略有修改,坐标转换部分客户见上图 def get_face_info(image). img_copy = image.copy image.flags.writeable = False image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB) results = face_detection.process(image) # 在图像上绘制人脸检测注释。 image.flags.writeable = True image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_RGB2BGR) box_info, facial = None, None if results.detections: for detection in results. for detection in results.detections: mp_drawing.Drawing.detection = 无 mp_drawing.draw_detection(image, detection) 面部 = detection.location_data.relative_keypoints 返回面部 在上述代码中,返回的数据是五官(6 个关键点的坐标),这是用 mediapipe 库实现的,下面我们可以尝试用另一个库:dlib 来实现。 使用 dlib 使用 Dlib 库在 Python 中实现人脸关键点检测的步骤如下: 确保已安装 Dlib 库,可使用以下命令: pip install dlib 导入必要的库: 加载 Dlib 的人脸检测器和关键点检测器模型: 读取图像并将其灰度化: 使用人脸检测器检测图像中的人脸: 对检测到的人脸进行遍历,并使用关键点检测器检测人脸关键点: 显示绘制了关键点的图像: 以下代码将参数 landmarks_part 添加到要返回的关键点坐标中。
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Pinshape Pinshape是一个提供一系列3D打印模型的网站。网站上提供的型号质量很高,因此您可以确保您的最终印刷产品看起来很棒。该网站提供了广泛的模型,包括从家居用品到小雕像和珠宝的所有物品。 但这还不是Pinshape所能提供的全部!该网站还允许用户上传和共享自己的3D模型。这意味着您不仅可以下载出色的模型,还可以通过分享自己的设计为社区做出贡献。此外,Pinshape 提供了一系列自定义选项,因此您可以调整和调整模型以满足您的特定需求。 使用说明: 要下载模型,请在网站上创建一个帐户,搜索所需的模型,然后单击下载按钮。该网站还为每种型号提供了一系列定制选项。 36.Yeggi Yeggi 提供了大量免费的 3D 模型,您可以下载各种格式的模型,例如 STL、OBJ 和 FBX。该网站易于使用,您可以按关键字、类别或特定网站搜索模型。 Yeggi 对于任何寻找 3D 模型的人来说都是一个很好的资源。它提供了大量的模型集合,从日常物品到复杂的机械,以及介于两者之间的一切。该网站的收藏量在不断增长,每天都有新的型号增加。 使用说明: 要下载模型,请在网站上搜索所需的模型,然后单击下载按钮。该网站还提供指向托管模型的原始网站的链接。 37. Open3DModel 来自开放3D模型的图像 Open3DModel具有各种类别的模型,包括建筑,车辆和角色。无论您需要建筑物,汽车还是人的3D模型,都可以在此网站上找到。 该网站易于浏览,您可以按类别或关键字搜索模型。每个模型都附带预览图像和详细信息,例如文件格式、大小和多边形数量。此信息可以帮助您选择适合您需求的模型。 使用说明: 要下载模型,请访问网站,从库中选择所需的模型,然后单击下载按钮。 使用最好的 3D 资产管理工具简化您的 3D 制作流程。立即试用它们,将您的 3D 项目提升到一个新的水平! 38. 3DExport 对于那些为其 3D 设计项目寻找 3D 模型、纹理和其他资源的人来说,该平台是一个很好的资源。该网站有大量模型可供选择,包括 3D 打印对象、游戏资产等。用户可以按类别、文件格式或价格范围浏览,以找到适合其项目的完美资源。此外,3DExport 还提供一系列教程和其他 3D 资源,以帮助用户提高技能并创建更令人印象深刻的设计。 使用说明: 要使用 3DExport,只需创建一个帐户并浏览可用型号。您可以按类别、格式和价格进行搜索,以找到所需的型号。找到喜欢的模型后,只需下载它并开始在您的项目中使用它。 39.Blend Swap Blend Swap是一个社区驱动的市场,提供与Blender软件兼容的各种免费3D模型。该平台允许用户共享和下载模型、纹理和其他资产,以便在他们的项目中使用。 使用说明: 创建免费帐户后,您可以浏览社区上传的大量3D模型。当您找到要使用的一个时,只需下载它并将其导入您选择的 3D 软件即可。 40. 3DShook 3DShook 是一个高级 3D 模型市场,提供一系列用于建筑、游戏等各个行业的高质量模型。该平台提供基于订阅的模型,具有不同的定价计划,允许用户访问一系列模型。 使用说明: 注册免费帐户后,只需浏览3D模型库,选择您喜欢的模型,然后以您需要的格式下载它们。 41. Smithsonian X 3D 史密森尼 X 3D 对于正在寻找历史文物和文物的高质量 3D 模型的设计师来说,这是一个独特的资源。该平台提供了大量3D模型,这些模型是根据史密森尼博物馆和研究中心中的真实物体扫描创建的。 使用说明:
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