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Java で行列の演算 - nd4j, commons-math, la4j, ujmp, jblas, colt

Java で以下のような行列の演算を複数のライブラリで試しました。

  • (a) 和
  • (b) 積
  • (c) 転置

とりあえず今回は、更新日が比較的新しめのライブラリを試してみました。

また、あくまでも個人的な印象ですが、手軽に使いたいなら la4j か Commons Math、性能重視なら ND4J か jblas、可視化や DB との連携を考慮するなら UJMP を使えば良さそうです。

ソースは http://github.com/fits/try_samples/tree/master/blog/20161031/

ND4J

Deeplearning4J で使用しているライブラリ。

build.gradle
apply plugin: 'application'

mainClassName = 'SampleApp'

repositories {
    jcenter()
}

dependencies {
    compile 'org.nd4j:nd4j-native-platform:0.6.0'
    runtime 'org.slf4j:slf4j-nop:1.7.21'
}
src/main/java/SampleApp.java
import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;

public class SampleApp {
    public static void main(String... args) {
        INDArray x = Nd4j.create(new double[][] {
            {1, 2},
            {3, 4}
        });

        INDArray y = Nd4j.create(new double[][] {
            {5, 6},
            {7, 8}
        });
        // (a)
        System.out.println( x.add(y) );

        System.out.println("-----");
        // (b)
        System.out.println( x.mmul(y) );

        System.out.println("-----");
        // (c)
        System.out.println( x.transpose() );
    }
}
実行結果
> gradle -q run

[[ 6.00,  8.00],
 [10.00, 12.00]]
-----
[[19.00, 22.00],
 [43.00, 50.00]]
-----
[[1.00, 3.00],
 [2.00, 4.00]]

Commons Math

Apache Commons のライブラリ。

build.gradle
・・・
dependencies {
    compile 'org.apache.commons:commons-math3:3.6.1'
}
src/main/java/SampleApp.java
import org.apache.commons.math3.linear.MatrixUtils;
import org.apache.commons.math3.linear.RealMatrix;

public class SampleApp {
    public static void main(String... args) {
        RealMatrix x = MatrixUtils.createRealMatrix(new double[][] {
            {1, 2},
            {3, 4}
        });

        RealMatrix y = MatrixUtils.createRealMatrix(new double[][] {
            {5, 6},
            {7, 8}
        });
        // (a)
        System.out.println( x.add(y) );

        System.out.println("-----");
        // (b)
        System.out.println( x.multiply(y) );

        System.out.println("-----");
        // (c)
        System.out.println( x.transpose() );
    }
}
実行結果
> gradle -q run

Array2DRowRealMatrix{{6.0,8.0},{10.0,12.0}}
-----
Array2DRowRealMatrix{{19.0,22.0},{43.0,50.0}}
-----
Array2DRowRealMatrix{{1.0,3.0},{2.0,4.0}}

la4j

Java のみで実装された軽量なライブラリ。

build.gradle
・・・
dependencies {
    compile 'org.la4j:la4j:0.6.0'
}
src/main/java/SampleApp.java
import org.la4j.Matrix;

public class SampleApp {
    public static void main(String... args) {
        Matrix x = Matrix.from2DArray(new double[][] {
            {1, 2},
            {3, 4}
        });

        Matrix y = Matrix.from2DArray(new double[][] {
            {5, 6},
            {7, 8}
        });
        // (a)
        System.out.println( x.add(y) );

        System.out.println("-----");
        // (b)
        System.out.println( x.multiply(y) );

        System.out.println("-----");
        // (c)
        System.out.println( x.transpose() );
    }
}
実行結果
> gradle -q run

 6.000  8.000
10.000 12.000

-----
19.000 22.000
43.000 50.000

-----
1.000 3.000
2.000 4.000

UJMP

データ可視化や JDBC との連携など、機能豊富そうなライブラリ。 Colt や jblas 等ともプラグインモジュールで連携できる模様。

build.gradle
・・・
dependencies {
    compile 'org.ujmp:ujmp-core:0.3.0'
}
src/main/java/SampleApp.java
import org.ujmp.core.DenseMatrix;
import org.ujmp.core.Matrix;

public class SampleApp {
    public static void main(String... args) {
        Matrix x = DenseMatrix.Factory.linkToArray(
            new double[] {1, 2},
            new double[] {3, 4}
        );

        Matrix y = DenseMatrix.Factory.linkToArray(
            new double[] {5, 6},
            new double[] {7, 8}
        );
        // (a)
        System.out.println( x.plus(y) );

        System.out.println("-----");
        // (b)
        System.out.println( x.mtimes(y) );

        System.out.println("-----");
        // (c)
        System.out.println( x.transpose() );
    }
}
実行結果
> gradle -q run

    6.0000     8.0000
   10.0000    12.0000

-----
   19.0000    22.0000
   43.0000    50.0000

-----
    1.0000     3.0000
    2.0000     4.0000

jblas

BLAS/LAPACK をベースとしたライブラリ。 ネイティブライブラリを使用する。

build.gradle
・・・
dependencies {
    compile 'org.jblas:jblas:1.2.4'
}
src/main/java/SampleApp.java
import org.jblas.DoubleMatrix;

public class SampleApp {
    public static void main(String... args) {
        DoubleMatrix x = new DoubleMatrix(new double[][] {
            {1, 2},
            {3, 4}
        });

        DoubleMatrix y = new DoubleMatrix(new double[][] {
            {5, 6},
            {7, 8}
        });
        // (a)
        System.out.println( x.add(y) );

        System.out.println("-----");
        // (b)
        System.out.println( x.mmul(y) );

        System.out.println("-----");
        // (c)
        System.out.println( x.transpose() );
    }
}
実行結果
> gradle -q run

[6.000000, 8.000000; 10.000000, 12.000000]
-----
[19.000000, 22.000000; 43.000000, 50.000000]
-----
[1.000000, 3.000000; 2.000000, 4.000000]
-- org.jblas INFO Starting temp DLL cleanup task.
-- org.jblas INFO Deleted 4 unused temp DLL libraries from ・・・

Colt Blazegraph 版

Colt は長らく更新されていないようなので、今回は Blazegraph による fork 版? を使いました。

build.gradle
・・・
dependencies {
    compile 'com.blazegraph:colt:2.1.4'
}
src/main/java/SampleApp.java
import cern.colt.matrix.DoubleFactory2D;
import cern.colt.matrix.DoubleMatrix2D;
import cern.colt.matrix.linalg.Algebra;
import cern.jet.math.Functions;

public class SampleApp {
    public static void main(String... args) {
        DoubleMatrix2D x = DoubleFactory2D.dense.make(new double[][] {
            {1, 2},
            {3, 4}
        });

        DoubleMatrix2D y = DoubleFactory2D.dense.make(new double[][] {
            {5, 6},
            {7, 8}
        });
        // (a)
        System.out.println( x.copy().assign(y, Functions.plus) );

        System.out.println("-----");

        Algebra algebra = new Algebra();
        // (b)
        System.out.println( algebra.mult(x, y) );

        System.out.println("-----");
        // (c)
        System.out.println( x.viewDice() );
    }
}

assign を使うと自身の値を更新するため copy を使っています。

実行結果
> gradle -q run

2 x 2 matrix
 6  8
10 12
-----
2 x 2 matrix
19 22
43 50
-----
2 x 2 matrix
1 3
2 4