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标量、向量、矩阵微积分

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标量、向量、矩阵微积分

首先引入三个重要概念
1、分子布局(Numerator-layout notation)
2、分母布局(Denominator-layout notation)
3、混合布局(Mixed layout)

接下来我们会对这三个概念进行深入了解。

一、布局公约

当我们在探究机器学习、深度学习时,时常会遇到标量与向量,向量与矩阵等之间的微分,求其导数或梯度。但我们需要知道,不同的作者或上课的教授会使用不同的布局对导数的结果进行表示,所以我们经常会看到不同源的导数和梯度看起来大致相同,但维度总是不一致,那是因为他们用了不同的布局;再者,即便同一个作者,对不同类型的公式进行描述时,为了方便,可能也会使用不同的布局来进行表示,因此我们需要非常小心地理解其背后的表示方法,才不会被困扰。

二、向量对向量求导,结果为矩阵

以 ∂ y ∂ x frac{partial y}{partial x} ∂x∂y​为例(都是向量)

简而言之,
分子布局以 y y y和 x T x^T xT来表示结果。
分母布局以 y T y^T yT和 x x x来表示结果。
混合布局和分子布局一样,同样以 y y y和 x T x^T xT来表示结果,但不同的是它会把 x T x^T xT直接表示在 ∂ y ∂ x frac{partial y}{partial x} ∂x∂y​上,变成 ∂ y ∂ x T frac{partial y}{partial x^T} ∂xT∂y​

举例:
如果 y y y是m维度的列向量,维度表示为(m,1); x x x是n维度的列向量,表示为(n,1)。

按照分子布局, y y y仍然是(m,1),纵向排开,而 x T x^T xT变成(1,n),横向排开,则 ∂ y ∂ x frac{partial y}{partial x} ∂x∂y​最终维度为(m,n),m为纵向维度,n为横向维度。

按照分母布局, y T y^T yT变成(1,m),横向排开,而 x x x仍然是(n,1),纵向排开,则 ∂ y ∂ x frac{partial y}{partial x} ∂x∂y​最终维度为(n,m),n为纵向维度,m为横向维度。

按照混合布局,最终结果仍然是(m,n)维度。

三、其他资料


图片来源

如下是按分子布局来计算维度

图片来源

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