稀疏矩阵用于python的keras和theano

稀疏矩阵

稀疏矩阵（sparse matrix)是由于矩阵中存在大量0，从而可以采用特别的存储技巧来压缩内存。
由于在工作需要将一个150666569x9860的超大矩阵作为数据，来训练NN模型，所以采用稀疏矩阵的方式，将这个超大矩阵压缩，从而使得能够放入内存中。
python的稀疏矩阵在scipy包中，而theano同时支持的是csc_matrix，和csr_matrix。

from scipy.sparse import csc_matrix,csr_matrix

这两种稀疏矩阵的选择取决于要稀疏的矩阵的情况，如果row比column多，就用csc_matrix，反之则用csr_matrix，更具体的可以看这里。我们当然就选择scs_matrix

构建稀疏矩阵

有两种方法构建矩阵，一种方法是用3个list，分别记录非0元素的行序列, 列序列，还有该元素本身。

row = np.array([0, 2, 2, 0, 1, 2])
col = np.array([0, 0, 1, 2, 2, 2])
data = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 6])
sparse_matrix=csc_matrix((data, (row, col)), shape=(3, 3))
sparse_matrix.toarray()
output:array([[1, 0, 4], 
              [0, 0, 5], 
              [2, 3, 6]])

另一种方法也是用3个list，看例子来详解下

indptr = np.array([0, 2, 3, 6])
indices = np.array([0, 2, 2, 0, 1, 2])
data = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 6])
csc_matrix((data, indices, indptr), shape=(3, 3)).toarray()
output:array([[1, 0, 4], 
      [0, 0, 5],
      [2, 3, 6]])

在csc_matrix中indptr的差值代表每列有几个非0元素，比如2-0=2，代表第一列有2个非0元素，在哪里是看indices这个list，它记录了行的序列，元素本身则在data list中。
知道这个原理，我们可以自己写一个合并两个csc_matrix的函数：

def concatenate_csc_matrices_by_columns(matrix1, matrix2):
    new_data = np.concatenate((matrix1.data, matrix2.data))
    new_indices = np.concatenate((matrix1.indices, matrix2.indices))
    new_ind_ptr = matrix2.indptr + len(matrix1.data)
    new_ind_ptr = new_ind_ptr[1:]
    new_ind_ptr = np.concatenate((matrix1.indptr, new_ind_ptr))    return csc_matrix((new_data, new_indices, new_ind_ptr))

很明显的看到，第二种存储稀疏矩阵的方式，更节省空间。但是第一种更浅显易懂。

将稀疏矩阵用于theano

以deeplearning tutorial的mlp为例，如果输入的training_x数据为稀疏矩阵，那么需要改一下几个地方：

1. Symbolic declaration：
   将原来的x = T.matrix('x')改成：

x = theano.sparse.csc_matrix('x')

1. 将Hiddenlayer的lin_out改成：

 lin_output = theano.sparse.dot(input, self.W) + self.b

其他只要跟原来的模型保持一致就可以了。

theano改起来还是很容易的，这主要是因为theano本身支持稀疏矩阵。

将稀疏矩阵用于keras

Keras is a minimalist, highly modular neural networks library, written in Python and capable of running on top of either TensorFlow or Theano.
keras是一个高度模块化的深度学习框架，用起来非常方便，只需要关注模型本身就行。
要使得稀疏矩阵能在keras中用，只需要对keras的training.py这个文件做些修改就行。

1. 将所有len(ins[0])替换成ins[0].shape[0]

2. 在用SGD的时候，将每批batch选出来的样本还原成正常的矩阵，这样的方式，使得内存不会被占用很多。要实现这个，只需要在每次调用slice_X这个函数之后，插入如下代码，将ins_batch变成正常矩阵就可以。
   代码如下：

if sps.issparse(ins_batch[0]):    
      ins_batch[0] = ins_batch[0].toarray()if sps.issparse(ins_batch[1]):    
      ins_batch[1] = ins_batch[1].toarray()

总结

1. keras很好用

2. keras是用python实现的，查看源代码很方便，修改起来也很方便

3. 这次因为这个稀疏矩阵的需求，研究了下theano和keras，收获颇丰，以后有机会还是应该多看看源代码

作者：JxKing
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