Sympyで勾配ベクトルを計算したい！

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1. はじめに

大学の課題でSymPyを使って数式微分を行う課題が出ました．そのとき，勾配ベクトルを求めることにつまづいたので，整理します．

2. SymPyによる勾配ベクトルの求め方

結論から言うと，sympy.tensor.array.derive_by_array()関数で求めることができます．

例として，$\boldsymbol{a}=[a_1, a_2]^{\rm{T}}$，$\boldsymbol{b}=[b_1, b_2]^{\rm{T}}$のときの$f(\boldsymbol{a})=\boldsymbol{a}^{\rm{T}}\boldsymbol{b}$の勾配ベクトルを考えます．

  • 手計算

まず，$f(\boldsymbol{a})$を展開します．

f(\boldsymbol{a})=
\left[
a_1\ a_2
\right]
\begin{bmatrix}
b_1 \\
b_2
\end{bmatrix}
=a_1b_1+a_2b_2

したがって，勾配ベクトル$\partial f(\boldsymbol{a}) / \partial \boldsymbol{a}$は以下のように求まります．

\dfrac{\partial f(\boldsymbol{a})}{\partial \boldsymbol{a}}
=
\begin{bmatrix}
\dfrac{\partial f(\boldsymbol{a})}{\partial a_1} \\
\dfrac{\partial f(\boldsymbol{a})}{\partial a_2}
\end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix}
b_1 \\
b_2
\end{bmatrix}
  • SymPyによる計算
calculate_gradient.py
import sympy as sp
sp.init_printing() # Jupyter NotebookにおいてLaTex形式で表示するおまじない

# 変数の定義
a1, a2, b1, b2 = sp.symbols("a1 a2 b1 b2")

# ベクトルa,bと関数f(a)の定義
a = sp.Matrix([[a1], [a2]])
b = sp.Matrix([[b1], [b2]])
f = a.T*b

f[0] # -> a_1*b_1+a_2*b_2

# 勾配ベクトルの計算
sp.tensor.array.derive_by_array(f[0], a)

実行すると以下の通り勾配ベクトルが求められました．

3. まとめ

課題ではヤコビ行列も求めたのですが，関数1つで計算してくれて「技術の進歩って素晴らしいな」と思いました．また，SymPyは積分や行列計算もできるので，すごく便利だと思いました．

参考リンク