Kapitel 1: Grundlagen

Updates dieser Seite:

Überblick

Dieses Kapitel geht auf wichtige Voraussetzungen für diese Lehrveranstaltung ein. Es wird vorausgesetzt, dass Sie Python können oder sich selbständig aneignen. Es werden die wesentlichen Mechanismen der relevanten Mathematik für Deep Learning fokussiert dargestellt. Dazu gehören ein wenig mathematische Notation (Sigma- und Pi-Zeichen) und Aspekte der Linearen Algebra (Vektoren und Matrizen) sowie der Analysis (einfache und partielle Ableitungen). Parallel dazu wird anhand der Python-Library NumPy gezeigt, wie in Python Vektor- und Matrizenrechnung gehandhabt werden kann.

Konzepte

Python Printausgabe, Python List/Dictionary Comprehension, Sigma/Pi-Notation, Zeilen-/Spaltenvektor, Matrizen, Matrizenmultiplikation, Tensor, NumPy-Array (shape und reshape), Ableitung, Lagrange- und Leibniznotation, partielle Ableitung, Gradient, Kettenregel

Quellen zur Mathematik

Wenn Ihr Mathe etwas eingerostet ist, hier ein paar Quellen zum Auffrischen:

1 Python

Falls Sie Python noch gar nicht kennen oder Ihr Wissen auffrischen müssen, empfehle ich The Python Tutorial. Wenn Sie bereits eine Programmiersprache wie Java oder C# kennen, sollte es kein Problem sein, sich Python anzueignen.

Neben den Basics ist ein sicherer Umgang mit Python-Listen wichtig (insbes. weil Listen in Python etwas anders funktionieren als Arrays oder Listen in Java). Hier ist für uns auch besonders das Slicing wichtig. Dazu gern hier reinschauen: A Comprehensive Guide to Slicing in Python.

Außerdem wichtig - und vielleicht etwas ungewöhnlich - sind die Techniken der List comprehension und der Dictionary comprehension. Beides wird hier kurz dargestellt (Abschnitte 1.2 und 1.3).

Ansonsten sind die Library NumPy und insbesondere die NumPy-Arrays sehr relevant für die Verarbeitung der Daten im Deep Learning, ebenso wie die Libary Pandas für die Verarbeitung von Daten in Tabellenform. Zu NumPy finden Sie in diesem Kapitel einen eigenen Abschnitt (Abschnitt 4).

Weitere Quellen zu Python und den genannten Bibliotheken:

Vielleicht ist für Python-Einsteiger auch das folgende Buch nützlich. Ich habe es selbst nicht gelesen, aber die Inhalte kurz überflogen. Neben Python werden die Themen Anaconda, TensorFlow/Keras und NumPy zumindest angeschnitten. Wie gesagt, nur für Anfänger.

Benjamin Spahic (2020) Python ohne Vorkenntnisse: Innerhalb von 7 Tagen ein neuronales Netz programmieren (Ohne Vorkenntnisse zum Ingenieur), 143 Seiten.

1.1 Formatierte Ausgabe mit Print

Wenn man viel in Python rechnet, ist es gut, wenn man schnell Zahlen formatiert ausgeben kann. Dazu gibt es die formatierte Ausgabe mit print. In Python 3 wird die Ausgabe mit f-string empfohlen - die ist kurz und elegant. Hier finden Sie eine gute Dokumentation als PDF von Jacqueline Masloff: A Guide to f-string Formatting in Python.

Früher war es üblich, eine an C++ angelehnte Notation zu nehmen (Stichwort "printf"):

Der nächste Schritt war die Verwendung der String-Methode format, die natürlich immer noch gültig ist:

Eine Kurzversion der obigen Methoden ist der Python f-string. Hier kann man die Variablen direkt in den String hineinschreiben (beachten Sie das kleine f vor den Anführungszeichen):

Als kurze Erläuterung: Der Kleinbuchstabe f steht hier für "float". Es gibt noch die Buchstaben s (String), d (decimal number), n (number, äquivalent zu d) und e (Exponentialschreibweise). Innerhalb der geschweiften Klammern steht vor dem Doppelpunkt die Variable, die Sie einsetzen möchten (kann auch ein Ausdruck wie $10*x$ oder eine Funktionsaufruf mit Rückgabewert sein). Hinter dem Doppelpunkt stehen (optional) die Formatierungsanweisungen.

Welche Methodik Sie wählen, ist egal, aber machen Sie sich mit einer Art der formatierten Ausgabe vertraut.

1.2 List Comprehension

In Python verwendet man in der Regel Listen, um mehrere Daten in einer Variablen zu speichern. List comprehension ist ein Werkzeug, um Listen zu transformieren oder zu filtern. Die allgemeine Syntax ist

[AUSDRUCK SCHLEIFENKOPF BEDINGUNGEN]

Dabei sind die BEDIGUNGEN optional. Der SCHLEIFENKOPF hat die Form

for LAUFVARIABLE in LISTE

Zusammengenommen kann man das so ausdrücken:

[AUSDRUCK for LAUFVARIABLE in LISTE BEDINGUNGEN]

Beispiel (ohne Bedingungen):

[el*2 for el in ls]

Hier nur zwei kleine Beispiele für List comprehension. Ich empfehle, im Internet noch weitere Beispiele und Erklärungen aufzusuchen.

Wir definieren eine Pythonliste:

Wir können jetzt jedes Element mit 2 multiplizieren und daraus eine neue Liste erhalten (die originale Liste wird dabei nicht verändert):

Mit einer Bedingung können wir die Liste filtern. Die Bedingung prüft mit Hilfe der Laufvariablen eine bestimmte Eigenschaft und nur, wenn diese wahr ist, wird das Element in die Ergebnisliste aufgenommen.

In dem folgenden Beispiel werden nur die geraden Elemente in die neue Liste aufgenommen. Wir binden die neue Liste hier nicht an eine eigene Variable, sondern sehen uns einfach die resultierende Liste direkt an:

Man kann List Comprehension auch nutzen, um schnell neue Listen herzustellen:

1.3 Dictionary Comprehension

Ganz ähnlich wie bei List Comprehensions können wir Dictionaries (auch bekannt als assoziative Listen oder Hashtabellen) manipulieren.

Hier die allgemeine Syntax (man beachte die geschweiften Klammern):

{AUSDRUCK SCHLEIFENKOPF BEDINGUNGEN}

wobei

SCHLEIFENKOPF := for (KEY: VALUE) in DICT_ITEMS

Zur Demonstration definieren wir ein Dictionary:

Wir probieren zunächst die Syntax aus, indem wir das identische Dictionary erzeugen.

Jetzt manipulieren wir Schlüssel und Werte:

Auch hier können wir Bedingungen zum Filtern einsetzen:

2 Mathematische Notation

2.1 Summenzeichen (Sigma)

Um eine Summe abzukürzen, gibt es die sogenannte Sigma-Notation. Sigma ist ein griechischer Buchstabe, der Großbuchstabe wird so dargestellt: $\Sigma$

Die Sigma-Notation funktioniert ähnlich einer For-Schleife in der Programmierung. Es gibt eine Laufvariable, z.B. $k$ mit einem Startwert und einem Endwert. Das Sigma produziert für jeden "Schleifendurchlauf" einen Summanden. In dem folgenden Beispiel gibt es die Laufvariable $k$ mit Startwert $1$ und Endwert $3$. Hinter dem Summenzeichen steht, wie ein einzelner Summand aussehen soll. Hier ist es einfach die Laufvariable selbst:

$$ \sum_{k=1}^3 k = 1 + 2 + 3 $$

Man kann aber die Laufvariable auch in Ausdrücke einbauen:

$$ \sum_{k=1}^3 2\,k + 1 = (2\cdot1 + 1) + (2\cdot2 + 1) + (2\cdot3 + 1) = 15$$

Hier ein Beispiel, wo die Laufvariable als Potenz benutzt wird:

$$ \sum_{k=1}^3 2^k = 2^1 + 2^2 + 2^3 = 14 $$

Schließlich kann die Laufvariable auch verwendet werden, um einen Index anzusprechen. Gegeben seien vier Werte in vier indizierten Variablen $a_1, a_2, a_3, a_4$. Dann können wir diese werden wie folgt addieren:

$$ \sum_{k=1}^4 a_k = a_1 + a_2 + a_3 + a_4 $$

So kann man z.B. sehr kompakt Polynome vierten Grades definieren. Man beachte, dass wir bei $0$ starten müssen, um den ersten Term ohne $x$ zu erhalten.

$$ \sum_{k=0}^4 a_k x^k = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + a_3 x^3 + a_4 x^4 $$

Oft wird auch der Endwert mit Hilfe einer Variablen definiert:

$$ \sum_{k=1}^n x_k = x_1 + x_2 + \ldots + x_n $$

Wenn aus dem Kontext klar ist, was Start- und Endwert sind, werden diese auch weggelassen:

$$ \sum_{k} x_k $$

Selbst die Laufvariable wird in solchen Fällen fallen gelassen:

$$ \sum x_k $$

In Python

Wir schauen uns an, wie wir eine Summe in Python nachbilden würden. Beachten Sie, dass bei der Funktion range der zweite Werte exklusiv ist, d.h. die Sequenz läuft bis zum Endwert minus eins.

$$ \sum_{k=1}^3 k = 1 + 2 + 3 = 6$$

Jetzt realisieren wir die folgende Summe:

$$ \sum_{k=1}^3 2^k = 2^1 + 2^2 + 2^3 = 14 $$

Beachten Sie, dass in Python mit dem Operator ** potenziert wird.

2.2 Produktzeichen (Pi)

Analog zum Summenzeichen gibt es für das Produkt mehrere Werte das große griechische Pi: $\Pi$

Auch hier haben wir eine Laufvariable mit Start- und Endwert.

Einige Beispiele:

$$ \prod_{k=1}^3 k = 1 \cdot 2 \cdot 3 = 6 $$$$ \prod_{k=1}^3 x_k = x_1 \cdot x_2 \cdot x_3 $$$$ \prod_{k=1}^n x_k = x_1 \cdot x_2 \cdot \ldots \cdot x_n $$

3 Lineare Algebra

Siehe auch [Boyd] Kapitel 1, 6 und 10.

3.1 Skalare

Skalare sind einfach Zahlen, also z.B. $3$ oder $-1$.

In der Regel aus dem Raum der reellen Zahlen $\mathbb{R}$.

Wir verwenden die amerikanische Schreibweise von Kommazahlen, d.h. wir trennen die Nachkommastellen mit einem Punkt:

$$ 1.5 $$

3.2 Vektoren

Ein Vektor ist eine geordnete Reihe von Zahlen. Die Anzahl der Zahlenwerte nennt man auch die Dimension des Vektors. Man kann einen Vektor als Zeilenvektor schreiben, dann werden die Zahlen durch Komma getrennt.

Hier ein Beispiel für einen 3-dimensionalen Zeilenvektor:

$$(13, 25, 8) $$

Manchmal werden die Kommas auch weggelassen:

$$(13 \quad 25 \quad 8) $$

Jede einzelne Zahl nennt man Komponente oder Element des Vektors. Wenn die Komponenten reelle Zahlen sind, befinden sich die Vektoren im Raum $\mathbb{R}^3$.

Man kann diesen Vektor auch als Spaltenvektor schreiben:

$$ \left( \begin{array}{c} 13 \\ 25 \\ 8 \end{array} \right) $$

Wenn wir Vektoren mit Variablen ausdrücken, verwenden wir kleine Buchstaben, z.B.

$$ a = \left( \begin{array}{c} 13 \\ 25 \\ 8 \end{array} \right) $$

Die einzelnen Elemente werden mit einem Index angezeigt, z.B. ist $a_1$ ein Skalar, nämlich die $13$. Man kann den obigen Vektor also auch so schreiben:

$$ a = \left( \begin{array}{c} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \end{array} \right) $$

Beachte:

Addition

Zwei Vektoren der gleichen Dimension kann man komponentenweise addieren.

$$ \left( \begin{array}{c} 13 \\ 25 \\ 8 \end{array} \right) + \left( \begin{array}{c} 1 \\ -1 \\ 0 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 14 \\ 24 \\ 8 \end{array} \right) $$

Skalarprodukt

Das Skalarprodukt ist eine Möglichkeit, zwei Vektoren zu multiplizieren. Dabei werden die Komponenten jeweils mulitpliziert und die Ergebnisse addiert. Das Ergebnis ist eine Zahl (ein Skalar).

Man nennt das Skalarprodukt auch inneres Produkt, im Englischen spricht man vom dot product.

$$ \left( \begin{array}{c} 13 \\ 25 \\ 8 \end{array} \right) \cdot \left( \begin{array}{c} 1 \\ -1 \\ 0 \end{array} \right) = 13 \cdot 1 + 25 \cdot (-1) + 8 \cdot 0 = -12 $$

Die zweite Möglichkeit, zwei Vektoren zu multiplizieren, ist das Kreuzprodukt (auch äußeres Produkt), das aber hier nicht benötigt wird.

Multiplikation mit einem Skalar

Man kann einen Vektor mit einem Skalar multiplizieren, indem man jede Komponente mit dem Skalar multipliziert:

$$ 2 \, \left( \begin{array}{c} 13 \\ 25 \\ 8 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 26 \\ 50 \\ 16 \end{array} \right)$$

Diese Multiplikation wird manchmal wegen der Namensähnlichkeit mit dem "Skalarprodukt" (s.o.) verwechselt.

Transposition/Transponieren

Die Operation des Transponierens verwandelt einen Zeilenvektor in einen Spaltenvektor und umgekehrt. Die Operation wird durch ein hochgestelltes $T$ angezeigt.

Zum Beispiel:

$$ a = \left( \begin{array}{c} 13 \\ 25 \\ 8 \end{array} \right) $$

Dann gilt:

$$a^T = (13, 25, 8)$$

Zweites Beispiel:

$$b = (3, 2, 5)$$

Dann gilt:

$$ b^T = \left( \begin{array}{c} 3 \\ 2 \\ 5 \end{array} \right) $$

Das zweifache Anwendung der Transposition ergibt wieder den ursprünglichen Vektor:

$$ (a^T)^T = a $$

3.3 Matrizen

Gute Darstellungen sind auf Wikipedia unter https://de.wikipedia.org/wiki/Matrix_(Mathematik) und auf YouTube von Daniel Jung Aufbau Matrix/Matrizen, Koeffizienten, Zeile, Spalte, Addieren.

Eine Matrix - im Plural Matrizen - ist ein rechteckiges Raster von Skalaren. Dieses ist - wie in einer Tabelle - in Zeilen und Spalten organisiert ist, z.B.

$$\begin{pmatrix} 5 & 3 \\ 21 & -1 \\ 9 & 33 \end{pmatrix} $$

Die Dimension einer Matrix ergibt sich aus der Anzahl der Zeilen und der Anzahl der Spalten. Im Beispiel handelt es sich um eine 3x2-Matrix. Wichtig ist, dass Sie sich die Reihenfolge "erst Zeilen, dann Spalten" merken.

Wir verwenden große Buchstaben, um Matrizen zu bezeichnen:

$$A = \begin{pmatrix} 5 & 3 \\ 21 & -1 \\ 9 & 33 \end{pmatrix} $$

Die Werte der Matrix - man nennt diese Komponenten, Koeffizienten oder Elemente - werden wiederum mit kleinen Buchstaben bezeichnet, die mit zwei Indizes markiert sind, der erste Index steht für die Zeile, der zweite für die Spalte. Im Beispiel ist also $a_{3, 2} = 33$.

Man kann auch die gesamte Matrix wie folgt schreiben:

$$A = \begin{pmatrix} a_{1, 1} & a_{1, 2} \\ a_{2, 1} & a_{2, 2} \\ a_{3, 1} & a_{3, 1} \end{pmatrix} $$

Etwas kompakter geschrieben:

$$ A = (a_{i,j})_{i=1,2,3, j=1,2} $$

Multiplikation mit einem Skalar

Ein Skalar kann mit einer Matrix multipliziert werden, indem der Skalar mit jeder Komponente multipliziert wird.

$$ 2 \, \begin{pmatrix} 1 & 2 \\3 & 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} $$

Auch hier ist - wie schon bei den Vektoren - Vorsicht geboten, dass man nicht von "Skalarprodukt" spricht. Das Skalarprodukt entspricht bei Matrizen der Matrizenmultiplikation (s.u.).

Transposition

Wenn $A$ eine $n\times m$ Matrix ist, dann ist die transponierte Matrix $A^T$ eine $m\times n$ Matrix.

Die formale Definition für die Transposition einer Matrix $A = (a_{i, j})$ ist:

$$ A^T = (a_{j, i}) $$

Das heißt, die Elemente der transponierten Matrix erhält man, indem man die "Koordinaten" der orginalen Einträge vertauscht. Zum Beispiel steht $a_{1,3}$ in der transponierten Matrix an Stelle $3, 1$.

In unserem Beispiel haben wir eine $3\times 2$ Matrix:

$$A = \begin{pmatrix} 5 & 3 \\ 21 & -1 \\ 9 & 33 \end{pmatrix} $$

Somit ist die transponierte Matrix eine $2\times 3$ Matrix:

$$A^T = \begin{pmatrix} 5 & 21 & 9 \\ 3 & -1 & 33 \end{pmatrix} $$

Tipp: Am besten stellt man sich vor, dass $A$ aus 2 Spaltenvektoren besteht:

$$ \left( \begin{array}{c} 5 \\ 21 \\ 9 \end{array} \right) \quad \left( \begin{array}{c} 3 \\ -1 \\ 33 \end{array} \right) $$

Jetzt transponiert man jeden Spaltenvektor zu einem Zeilenvektor

$$ ( 5, 21, 9) \\ ( 3, -1, 33 ) $$

und setzt diese dann wieder zu einer Matrix zusammen

$$\begin{pmatrix} 5 & 21 & 9 \\ 3 & -1 & 33 \end{pmatrix} $$

Wie schon bei den Vektoren resultiert eine doppelte Anwendung der Transposition in der ursprünglichen Matrix

$$ (A^T)^T = A $$

3.4 Matrizenmultiplikation

Empfehlenswert auf Wikipedia: Matrizenmultiplikation

Zwei Matrizen $A$ und $B$ können nur dann multipliziert werden (in der Reihenfolge $A B$), wenn die Anzahl der Spalten von $A$ gleich der Anzahl der Zeilen von $B$ ist.

Formal ausgedrückt: Eine $n \times k$-Matrix $A$ kann mit $p \times m$-Matrix $B$ multipliziert werden, wenn $k = p$. Die resultierende Matrix ist die nxm-Matrix $C$.

$$ C = A \, B$$

Die Berechnung des Produkts $C$ ist wie folgt definiert:

$$ c_{ij} = \sum_{k = 1}^p a_{ik} \, b_{kj} $$

Als Beispiel multiplizieren wir eine $2\times 3$ Matrix mit einer $3\times 2$ Matrix. Daraus resultiert eine $2\times 2$ Matrix:

$$\begin{pmatrix} a_{1,1} & a_{1,2} & a_{1,3} \\ a_{2,1} & a_{2,2} & a_{2,3} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} b_{1,1} & b_{1,2} \\ b_{2,1} & b_{2,2} \\ b_{3,1} & b_{3,2} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_{1,1} b_{1,1} + a_{1,2} b_{2,1} + a_{1,3} b_{3,1} &a_{1,1} b_{1,2} + a_{1,2} b_{2,2} + a_{1,3} b_{3,2} \\ a_{2,1} b_{1,1} + a_{2,2} b_{2,1} + a_{2,3} b_{3,1} &a_{2,1} b_{1,2} + a_{2,2} b_{2,2} + a_{2,3} b_{3,2} \end{pmatrix}$$

Sanity Check: Wenn Sie Matrizen multiplizieren, prüfen Sie immer als erstes (a) ob man multiplizieren darf (im Beispiel oben: 2x3 und 3x2 => die beiden "inneren" Zahlen, hier die 3er, müssen gleich sein) und (b) welche Form die Ergebnismatrix hat (im Beispiel die beiden "äußeren" Zahlen, also 2x2).

Beispiel mit Werten:

$$\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 1 & 2 \\ 1 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 & 12 \\ 15 & 30 \end{pmatrix}$$

Vektoren als Matrizen

Ein Vektor kann als Spezialfall einer Matrix aufgefasst werden.

Ein 3-dimensionaler Spaltenvektor $v$ entspricht dann einer $3 \times 1 $ Matrix:

$$ v = \left( \begin{array}{c} v_1 \\ v_2 \\ v_3 \end{array} \right) $$

Ein 3-dimensionaler Zeilenvektor $w$ entspricht einer $1\times 3$ Matrix:

$$ w = (w_1, w_2, w_3) $$

Vektor-Matrix-Multiplikation

Entsprechend kann man eine $3\times 2$ Matrix $A$ mit einem 2-dimensionalen Spaltenvektor $x$ (also einer $2\times 1$ Matrix) multiplizieren und erhält also eine $3\times 1$ Matrix. Das entspricht wiederum einem 3-dimensionalen Spaltenvektor:

$$ A = \begin{pmatrix} 5 & 3 \\ 21 & -1 \\ 9 & 33 \end{pmatrix} $$$$ x = \left( \begin{array}{c} 2 \\ 1 \end{array} \right) $$$$ A\, x = \begin{pmatrix} 5 & 3 \\ 21 & -1 \\ 9 & 33 \end{pmatrix} \left( \begin{array}{c} 2 \\ 1 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 5\cdot 2 + 3\cdot 1 \\ 21\cdot 2 + (-1)\cdot 1 \\ 9\cdot 2 + 33\cdot 1 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 13 \\ 41 \\ 51 \end{array} \right)$$

In dem Fall oben haben wir den Spaltenvektor von rechts multipliziert. Wenn wir einen Vektor von links an $A$ multiplizieren wollten, bräuchten wir einen 3-dimensionalen Zeilenvektor (entspricht einer $1\times 3$ Matrix).

Multiplikation und Transposition

Es gilt folgende Regel für Multiplikation und Transposition:

$$ (A \, B)^T = B^T \, A^T $$

Diese Regel gilt natürlich auch für Vektor-Matrix-Multiplikation ($A, B$ seien Matrizen, $v, w$ Vektoren):

$$ \begin{align} (v \, A)^T &= A^T \, v^T\\[2mm] (B \, w)^T &= w^T \, B^T \end{align} $$

4 Numeric Python (NumPy)

In Python gibt es die sehr nützliche Bibliothek Numeric Python, kurz NumPy. In der Bibliothek gibt es eine sehr flexible Form des Arrays, mit der man sehr elegant und effizient Vektoren, Matrizen und ganz allgemein Daten verarbeiten kann.

Im NumPy zu verwenden, müssen wir es importieren:

4.1 Vektoren

In Python benutzen wir den NumPy-Array, um Vektoren abzubilden. Wir unterscheiden aber zwischen Zeilen- und Spaltenvektoren.

Man beachte, dass der Begriff Dimension in diesem Zusammenhang nicht wie in "3-dimensional" (= räumlich) gemeint ist. Ein Vektor ist eine 1-dimensionale Datenstruktur, genauer gesagt ein Array. Das, was man üblicherweise als "3-dimensional" bezeichnet, ist programmiertechnisch ein 1-dimensionaler Array der Länge 3.

Zeilenvektor

Ein 1-dimensionaler NumPy-Array repräsentiert einen Zeilenvektor:

Das Array ist vom Typ ndarray (für n-dimensional array):

Zum Vergleich: eine normale Python-Liste (die auch manchmal als Array bezeichnet wird) ist vom Typ list.

Shape

Mit der Eigenschaft shape kann man die Größe eine NumPy-Arrays entlang seiner Dimensionen erhalten. Wir haben hier einen 1-dimensionalen Array der Länge 3. Schauen wir, was shape uns zurückmeldet:

Wir sehen hier eine Zahl, also hat der Array eine Dimension. Die "3" sagt uns, dass es drei Einträge in der ersten Dimension gibt. Eine Dimension nennt man in NumPy auch Achse bzw. englisch axis. Die erste Dimension ist die Achse $0$.

Hinweis: Der Grund, warum hier "(3,)" steht und nicht "3" oder "(3)", ist, dass eine Shape immer als n-Tupel, also als Liste von Zahlen ausgegeben wird. Eine "3" wird aber nicht als Tupel erkannt und eine "(3)" wird auch als einfache Zahl mit Klammern interpretiert. Deshalb "(3,)", weil das hintere Komma zweifelsfrei anzeigt, dass es sich um ein 1-Tupel handelt.

Spaltenvektor

Der Spaltenvektor wird mit Hilfe eines 2-dimensionalen Arrays ausgedrückt:

Hier ist die Shape schon interessanter:

Die zwei Zahlen besagen, dass es sich um einen 2-dimensionalen Array handelt mit 3 Zeilen und 1 Spalte. Man kann auch sagen, dass dieser Array zwei Achsen der Länge 3 und 1 hat.

Vektoraddition

Bei NumPy-Arrays gibt es ein Feature namens Broadcasting, das es erlaubt, elementweise Operationen mit ganz einfacher und intuitiver Syntax anzuwenden.

Bei der Addition zweier NumPy-Arrays wollen wir jedes Element des einen Arrays mit dem korrespondierenden Element des zweiten Arrays addieren.

Man wird ganz intutiv mit dem Plus-Operator erreicht, dann wird komponentenweise addiert:

Dabei ist es egal, ob es Zeilenvektoren oder Spaltenvektoren sind, es müssen aber beide vom gleichen Typ sein.

Skalarprodukt

Das Skalarprodukt zweier Vektoren $a$ und $b$ ist wie folgt definiert:

$$ a \cdot b = a_1 b_1 + a_2 b_2 + a_3 b_3 $$

Mit der Summennotation:

$$ \sum_{i=1}^3 a_i b_i $$

Im Englischen nennt man das Skalarprodukt dot product, deshalb heißt die entsprechende Funktion in NumPy dot.

Sie können die Funktion so anwenden:

Oder als Methode eines der Vektoren:

In beiden Fällen werden die Vektoren selbst natürlich nicht verändert.

Multiplikation mit einem Skalar

Auch hier haben wir einen Fall von Broadcasting. Im Gegensatz zur Addition zweier Vektoren haben wir hier einerseits einen Array und andererseits ein Skalar. Beim Broadcasting wird das so interpretiert, dass das Skalar mit der angegebenen Operation (hier: Multiplikation) auf jedes Element des Arrays angewandt wird.

Daher können wir die Multiplikation mit einem Skalar ganz intuitv so ausdrücken:

Geht auch mit dem Spaltenvektor:

Transponieren

Transponieren funktioniert mit dem Operator T, allerdings nur, wenn der Zeilenvektor in dieser Form vorliegt:

Transposition funktioniert aber sehr gut bei Spaltenvektoren:

4.2 Matrizen

In Python wird eine Matrix als verschachtelter NumPy-Array abbgebildet. Jede Zeile ist ein Array und die Matrix ist ein Array von Zeilen. Nehmen wir eine Beispielmatrix $A$:

$$A = \begin{pmatrix} 5 & 3 \\ 21 & -1 \\ 9 & 33 \end{pmatrix} $$

Hier die Matrix als 2-dimensionaler NumPy-Array:

Hinweis: Es gibt in NumPy auch eine Datenstruktur np.mat, die eigens für Matrizen gemacht ist. Allerdings wird dies in der Praxis kaum verwendet, daher empfehle ich, immer np.array zu verwenden.

Matrizenaddition

Zwei Matrizen gleicher Dimension kann man komponentenweise addieren:

$$\begin{pmatrix} 1 & 2 \\3 & 4 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 10 & 20 \\ 20 & 10 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 11 & 22 \\23 & 14 \end{pmatrix}$$

In Python kann man dank Broadcasting das Pluszeichen verwenden:

Multiplikation mit einem Skalar

Man kann eine Matrix einfach mit einem Skalar multiplizieren (wieder Broadcasting). Dies wird auf jede Komponente angewandt.

Transponieren

Das Transponieren funktioniert wie bei Vektoren mit dem Operator T.

Matrizenmultiplikation

Matrizenmultiplikation funktioniert mit dem Operator dot.

Warum wird auch hier dot (Skalarprodukt von Vektoren) angewandt? Der Grund ist, dass bei der Matrizenmultiplikation die Berechnung eines einzelnen Elements der Ergebnismatrix das Skalarprodukt einer Zeile mit einer Spalte ist.

Man kann auch die Array-Methode des Arrays M1 verwenden:

Vektor-Matrix-Multiplikation

Vektor-Matrix-Multiplikation ist einfach ein Spezialfall der Matrizenmultiplikation. Auch hier benutzen wir entweder die Numpy-Methode np.dot

Oder alternativ die Array-Methode dot von A:

4.3 Tensor, Shape und Reshape

Shape

Der Begriff Shape bezieht sich auf Arrays. Er gibt sowohl an, wie viele Dimensionen der Array hat als auch die Größe/Länge jeder Dimension. Die Dimensionen bezeichnet man auch als Achsen.

Sehen wir uns das an einem Beispiel an. Ein Graustufenbild besteht aus Pixeln mit jeweils einem Grauwert zwischen 0 (schwarz) und 255 (weiß). Ein einzelnes Graustufenbild kann als 2-dimensionale Struktur dargestellt werden. Wir nehmen hier ein Bild mit 3x3 Pixeln:

Der Array hat also zwei Dimensionen und jede Dimension hat die "Länge" drei.

Wir können uns die shape anschauen:

Eine Shape von (3, 3) besagt, dass der Array zwei Dimensionen (oder Achsen) hat, da die Shape zwei Werte beinhaltet. Es gibt 3 Elementen entlang der ersten Achse (Zeilen) und 3 Elementen entlang der zweiten Achse (Spalten).

Jetzt definieren wir ein zweites Bild:

Wenn wir Modelle zur Bilderkennung trainieren, benötigen wir viele Bilder. Wir speichern jetzt beide Bilder in einem Array und schauen, wie die Struktur aussieht:

Wie sieht die shape aus?

Wir sehen, dass wir es hier mit einem 3-dimensionalen Array zu tun haben.

Tensor

Jetzt möchten wir Farbbilder kodieren. Statt eines 2-dimensionalen Arrays benötigen wir jetzt einen 3-dimensionalen Array für ein einziges Bild:

Und wieder definieren wir ein zweites Bild.

Jetzt packen wir wieder beide Bilder in einen Array.

Und schauen uns an, was für eine Shape dieser Array hat.

Wie Sie sehen, haben wir es hier mit einer 4-dimensionalen Struktur zu tun.

Eine 4- (oder höher-) dimensionale Matrix nennt man auch Tensor. Genauer gesagt ist "Tensor" der Oberbegriff, d.h. ein 1-dimensionaler Array ist ebenfalls ein Tensor.

Siehe auch https://en.wikipedia.org/wiki/Tensor

Reshape

NumPy erlaubt es, Ihre Arrays sehr komfortabel umzuformen. Tatsächlich werden intern auch keine Daten verschoben, sondern lediglich eine Formatangabe geändert. Intern werden NumPy-Arrays einfach linearisiert abgelegt (also entlang einer Dimension). Erst durch die Shape-Angabe wird daraus eine mehrdimensionale Struktur.

Zum Beispiel: Sie haben ein Array mit 12 Zahlen. Das ließe ein 2-dimensionales 2x6-Array zu oder ein 2-dimensionales 3x4-Array oder ein 3-dimensionales 2x3x2-Array usw. NumPy speichert das Array intern immer als 1-dimensionales Array und man kann jederzeit die Shape ändern.

Nehmen Sie unser kleines 3x3-Bild:

Wir möchten dieses Array zu linearisieren, d.h. alle 9 Werte sollen in einem Array sein. Also rufen wir reshape auf mit der Dimension "(9)", d.h. ein 1-dimensionales Array mit 9 Elementen:

Der Aufruf gibt ein neues Array zurück und ist ansonsten nicht-destruktiv, d.h. unser alter Array ist noch da:

Schauen wir uns unseren 3-dimensionalen Array mit 2 Bildern an:

Die Shape besagt (2, 3, 3).

Jetzt möchten wir die Pixel der zwei Bilder jeweils "flach" haben, d.h. wieder als Array mit 9 Elementen. Wir wenden jetzt wieder Reshape an und könnten (2, 9) angeben. Wir können aber auch sagen, dass uns die Anzahl der Bilder (2) nicht interessiert und geben an dieser Stelle eine -1 an:

Sie sehen, es funktioniert.

5 Analysis

Siehe auch [Parr].

Eine gute Übersicht über Ableitungsregeln finden Sie unter https://www.mathe-online.at/mathint/diff1/i_ableitungen.html oder unter https://matheguru.com/differentialrechnung/ableitungsregeln.html.

5.1 Ableitung

Eine Funktion $f$ mit einer Variablen wird oft wie folgt dargestellt:

$$ f(x) = 3 x^2 + 5 $$

Die Ableitung $f'$ der Funktion $f$ an der Stelle $x$ gibt an, welche Steigung $f$ an dieser Stelle hat.

Die Ableitung lässt sich anhand der bekannten Regeln berechnen, in unserem Beispiel:

$$ f'(x) = 6 x $$

Die Schreibweise $f'$ - gesprochen "f Strich" - wird Lagrange-Schreibweise genannt.

Leibniz-Schreibweise

Eine andere Schreibweise für die Ableitung von $f$ ist die Leibniz-Notation

$$ \frac{df(x)}{dx} $$

Alternativ:

$$ \frac{d}{dx} f(x) $$

Dies wird gesprochen: "d f von x nach dx".

Ein Vorteil dieser Schreibweise ist, dass explizit ist, dass hinsichtlich der Variablen $x$ abgeleitet wird (es kann noch weitere Variablen in der Formel geben). Das ist bei mehreren Variablen und auch bei Anwendung der Kettenregel wichtig.

Ein zweiter Vorteil ist, dass man $\frac{d}{dx}$ als Operator auffassen und innerhalb des Ausdrucks verschieben kann.

Ein Rechenbeispiel:

$$ \frac{d}{dx} \left( 5 x ^2 + 3 (x + 5) \right) = \frac{d}{dx} 5 x ^2 + 3 \frac{d}{dx} (x + 5) = 10 x + 3 ( \frac{d}{dx} x + \frac{d}{dx} 5 ) = 10 x + 3 $$

Für Interessierte erklärt der Online-Artikel Earliest Uses of Symbols of Calculus die Herkunft verschiedener Schreibweisen.

WolframAlpha

Wenn Sie Ableitungen nachschlagen wollen, können Sie die Webseite https://www.wolframalpha.com verwenden. Für die Ableitung

$$ \frac{d}{dx} x^2 $$

Geben Sie ins Suchfeld ein (Leibniz-Schreibweise): d/dx (x^2)

Alternativ können Sie die Lagrange-Schreibweise verwenden: (x^2)'

Ein weiterer Ableitungsrechner ist https://www.derivative-calculator.net

5.2 Multivariate Funktionen und partielle Ableitungen

Eine Funktion kann von mehreren Veränderlichen abhängen, dann spricht man von einer multivariaten Funktion, z.B.

$$ f(x, y) = 5x^2y $$

Funktion $f$ kann man entweder nach $x$ oder nach $y$ ableiten. Hier ist es offensichtlich wichtig, die Leibniz-Schreibweise zu verwenden, die wir allerdings gleich noch leicht anpassen müssen:

$$ \frac{d}{dx} 5x^2y $$

$$ \frac{d}{dy} 5x^2y $$

Für partielle Ableitungen benutzt man nicht das normale "d", sondern das Symbol $\partial$, um eben anzuzeigen, dass es sich um eine partielle (und keine "normale") Ableitung handelt. Man kann das Symbol "del" sprechen, meistens sagt man aber einfach "d".

Um zu verdeutlichen, dass die jeweils "andere" Variable als ganz normale Konstante behandelt wird, verwenden wir den Operatormechanismus. Wir ziehen den Operator bis dahin, wo die Variable, nach der abgeleitet wird, steht, und holen alle anderen Werte nach vorn.

Für $f$ gibt es zwei partielle Ableitungen...

...einmal $f$ abgeleitet nach $x$:

$$ \frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} 5x^2y = 5y \frac{\partial}{\partial x} x^2 = 5y2x = 10xy$$

...einmal $f$ abgeleitet nach $y$:

$$ \frac{\partial f}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} 5x^2y = 5x^2 \frac{\partial}{\partial y} y = 5x^2 $$

5.3 Gradient

Bei einer Funktion $f$ mit zwei Veränderlichen könnten wir die zwei partiellen Ableitungen als 2-dimensionalen Vektor auffassen:

$$ \left( \begin{array}{c} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{array} \right) $$

Diesen Vektor nennt man auch den Gradienten von $f$ und schreibt:

$$ \nabla f = \left( \begin{array}{c} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{array} \right) = \left( \begin{array}{c} 10xy \\ 5x^2 \end{array} \right)$$

Man kann sich den Gradienten als Vektor in einer mehrdimensionalen Landschaft vorstellen, der an einem spezifischen Punkt "bergauf" zeigt. Das ist ganz analog zum traditionellen Fall einer Ableitung, die ja die Steigung einer Kurve an einem bestimmten x-Punkt angibt. Will man sich "bergab" bewegen, muss man also den negierten Gradienten nehmen.

Das Symbol $\nabla$ nennt man den Nabla-Operator.

Obige Formel kann man "Nabla f" oder "Gradient von f" aussprechen.

5.4 Kettenregel

Bei Ableitungen verschachtelter Funktionen $f(g(x))$ gilt die Regel Äußere Ableitung multipliziert mit innerer Ableitung. In der bekannten Lagrange-Schreibweise schreibt man:

$$ \left[ f(g(x)) \right]' = f'(g(x)) \cdot g'(x) $$

Wir schauen uns jetzt an, wie man mit der Leibniz-Schreibweise die Kettenregel behandelt. Betrachten wir folgendes Beispiel

$$ f(x) = sin(x^2) $$

Das $x^2$ ist hier die innere Funktion, die wir in der Lagrange-Schreibweise $g$ nennen würden. Wir ersetzen diese innere Funktion jetzt aber durch eine neue Variable $u$:

$$ u := x^2 $$

Jetzt können wir die äußere Funktion $f$ als Funktion auf $u$ schreiben:

$$ f(u) = sin(u) $$

Wir wollen insgesamt die Funktion nach $x$ ableiten. Jetzt können wir in Leibniz-Schreibweise schreiben:

$$ \frac{df}{dx} = \frac{df}{du} \frac{du}{dx} $$

Das spiegelt die Kettenregel "Äußere Ableitung multipliziert mit innerer Ableitung" ganz natürlich wider.

Die innere Ableitung ist

$$ \frac{du}{dx} = \frac{d}{dx} x^2 = 2x $$

Die äußere Ableitung ist

$$ \frac{df}{du} = cos(u) $$

Also ist die Ableitung von $f$ nach $x$:

$$ \frac{df}{dx} = \frac{df}{du} \frac{du}{dx} = 2x\, cos(x^2) $$

In WolframAlpha

Auch das können Sie bei wolframalpha.com nachschlagen: d/dx sin(x^2)