--- pl:dydaktyka:ml:lab1 [2018/02/28 22:05]
esimon [Laboratorium 1 - Wprowadzenie do Jupyter i Google Colab]
+++ pl:dydaktyka:ml:lab1 [2019/06/27 15:50] (aktualna)
@@ Linia 1: / Linia 1: @@
-====== Laboratorium 1 - Wprowadzenie do Jupyter i Google Colab ======
-=====Informacje ogólne=====
-  - Pracujemy w środowisku [[https://colab.research.google.com/notebooks|Google Colab]]
-  - Jeśli ktoś woli pracować lokalnie, możliwe jest uruchomienie na komputerach z laboratorium lokalnej wersji Jupyter Notebook: <code bash>jupyter notebook</code>
-  - Jeśli ktoś woli pracować na swoim komputerze, najlepiej zainstalować [[https://www.anaconda.com/download/|Anaconda 3.6]]
-===== Instrukcje do laboratorium =====
-  - Notebook do pobrania: [[|Introduction.ipnb]]
-  - W celu załadowania, wybierz 'File->Upload Notebook' w Google Colab. W przypadku lokalnej wersji, po prostu nawiguj w oknie przeglądarki do miejsca gdzie zapisany jest notebook.
-===== Materiały =====
+====== Laboratorium 1 - Wprowadzenie do GNU Octave ======
-  * Trochę wiedzy (ćwiczenia z rozwiązaniami dotyczących numpy): [[https://www.machinelearningplus.com/101-numpy-exercises-python/|numpy]]
+Środowisko Octave jest wolnym odpowiednikiem pakietu MATLAB.
-  * Trochę wiedzy (ćwiczenia z rozwiązaniami dotyczące pandas): [[https://github.com/guipsamora/pandas_exercises|pandas]]
-  * {{ :pl:dydaktyka:ml:kc_house_data.csv.zip |}}
+[[http://www.gnu.org/software/octave/doc/interpreter/index.html|Dokumentacja]]
-  * {{ :pl:dydaktyka:ml:crimes.csv.zip |}}
+===== Instalacja i uruchamianie =====
+W przypadku większości systemów Linux, pakiet Octave można zainstalować bezpośrednio z repozytorium: <code>$ sudo apt-get install octave</code>
+W przypadku systemu Windows i OS X, oprogramowanie Octave można ściągnąć ze strony projektu: [[http://www.gnu.org/software/octave/download.html|GNU Octave]].
+W systemie Linux uruchamiamy środowisko za pomocą polecenia <code>$ octave</code> W konsoli Octave możemy wykonywać wszystkie podstawowe polecenia umożliwiające nawigację w systemie plików (cd, ls, etc).
+===== Składnia =====
+==== Typy i zmienne ====
+W języku Octave, nie prototypujemy zmiennych. Typy określane są automatycznie, tak jak w PHP, czy Bashu.
+<code octave>zmienna = 'moja zmienna';
+zmienna = 12.34;
+zmienna = [2 3 4; 3 4 5];</code>
+Jednym z podstawowych //typów// danych w Octave są wektory i macierze.
+Definiujemy je za pomocą nawiasów kwadratowych.
+Wartości w **wierszach** oddzielamy spacjami lub przecinkami.
+Wiersze oddzielamy znakiem średnika.
+Załóżmy że chcemy zdefiniować następującą macierz i przypisać ją do zmiennej M:
+$$M = \begin{bmatrix}
+& 6 & 0 \\
+& 0 & 1 \\
+& 6 & 1
+     \end{bmatrix}$$
+W Octave zapiszemy ją jako:<code octave>M = [5 6 0; 6 0 1; 0 6 1] </code>
+Aby odwołać się do danego elementu macierzy, lub wektora używamy nawiasów okrągłych.\\
+**Uwaga :!:** W Octave indeksowanie rozpoczyna się od 1 a nie jak w popularnych językach programowania od 0! Np. Aby pobrać/przypisać wartość elementu z pierwszego wiersza i drugiej kolumny macierzy M, piszemy:
+<code octave>M(1,2)=7 </code>
+Jako wynik otrzymujemy:
+$$M = \begin{bmatrix}
+& 7 & 0 \\
+& 0 & 1 \\
+& 6 & 1
+     \end{bmatrix}$$
+Octave umozliwia równiez odwoływanie się do całych kolumn i wierszy w danej macierzy:
+<code octave>
+M(:,3) % zwróci [0;1;1]
+M(2,:) % zwróci [6 0 1]
+</code>
+Sprawdź co jak zadziała poniższy kod:
+<code octave>
+M = [5 6 0; 6 0 1; 0 6 1];
+M([2 3],[1 2])
+</code>
+==== Zakresy ====
+Zakresy tworzy się za pomocą znaku dwukropka. Służą one do definiowania prostych zestawów danych, a  także do odwoływania się do danych w wektorach i macierzach.
+Przetestuj działanie poniższych poleceń
+<code octave>zeros(1,10)
+zeros(2,10)
+ones(1,10)
+range = [1:10]
+range = [1:0.3:10]
+range(5:10)
+</code>
+==== Operatory arytmetyczne====
+Octave udostępnia podstawowe operatory arytmetyczne zarówno dla macierzy jak i skalarów. Pełny zbiór operatorów dostępny jest w [[http://www.gnu.org/software/octave/doc/interpreter/Arithmetic-Ops.html#Arithmetic-Ops|dokumentacji Octave]].
+**Uwaga :!:** Zwróć uwagę na działanie operatorów połączonych z kropką! \\
+Przetestuj działanie poniższego kodu.
+<code octave>
+A = [0.5 0.5; 1 1];
+B = [2 2; 2 2];
+A * B
+A .* B
+B ^ 2
+B .^ D
+</code>
+==== Instrukcje sterujące ====
+Octave udostępnia powszechnie znane z innych języków programowania instrukcje sterujące. Pełny opis instrukcji sterujących można znaleźć w [[http://www.gnu.org/software/octave/doc/interpreter/Statements.html#Statements|dokumentacji Octave]]
+==== Definiowanie funkcji ====
+Szczegółowe dane na temat definiowania funkcji można znaleźć w [[http://www.gnu.org/software/octave/doc/interpreter/Functions-and-Scripts.html#Functions-and-Scripts|dokumentacji Octave]]. Poniżej kilka podstawowych infromacji:
+  * Funkcje najczęściej definiujemy w osobnych plikach z rozszerzeniem **.m**
+  * Nazwa funkcji musi zgadzać się z nazwą pliku!
+  * Wywoływanie funkcji odbywa się poprzez podanie jej nazwy i listy argumentów.
+  * Podczas wywoływania funkcji musimy znajdować się w katalogu w którym dana funkcja jest zapisana.
+  * W Octave nie zwracamy wartości za pomocą **return**. Po prostu przypisujemy ją do zmiennej podanej jako element zwracany
+  * Komentarze w kodzie wstawiamy za pomocą %
+Przykładowa definicja funkcji:
+<file octave srednia.m>
+function W = srednia(dane)
+    % funkcja obliczająca średnią elementów w wektorze
+    W = sum(dane)/length(dane);
+end
+</file>
+Aby wywołać funkcje z przykładu powyżej wykonujemy polecenie:
+<code octave>Wynik = srednia([2 3 4 5 6 7 8]); </code>
+Jeśli funkcja ma zwracać więcej niż jeden argument, zapisujemy to w ten sposób:
+<file octave myFind.m>
+function [IndexX,IndexY] = myFind(M,V)
+   % Funkcja poszukująca wartości V w macierzy M
+   % Funkcja zwraca indeksy znalezionej wartości, lub -1,-1
+   [rows,cols] = size(M);
+   IndexX = IndexY =-1;
+   for i=1:rows,
+     for j=1:cols
+       if M(i,j) == V
+         IndexX = i;
+         IndexY = j;
+         return;
+       endif
+     end
+   end
+end
+</file>
+Aby pobrać wartości zwracane przez funkcję powyżej wpisujemy np.:
+<code octave>
+[X,Y] = myFind(M,6);
+</code>
+==== Rysowanie wykresów ====
+Do rysowania wykresów używamy funkcji:
+  * plot - rysowanie wykresów 2D
+  * plot3d - rysowanie wykresów 3D
+  * mesh - rysowanie płaszczyzn
+Porównaj działanie funkcji na poniższych przykładach. Jaka jest różnica pomiędzy plot3 a mesh?
+**Plot2**
+<code octave>
+x = [0:0.01:10];
+y = sin(x);
+plot(x,y);
+</code>
+**Plot3**
+<code octave>
+t = 0:0.1:10*pi;
+r = linspace (0, 1, numel (t));
+z = linspace (0, 1, numel (t));
+plot3 (r.*sin(t), r.*cos(t), z);
+</code>
+**Mesh**
+<code octave>
+tx = ty = linspace (-8, 8, 41)';
+[xx, yy] = meshgrid (tx, ty);
+r = sqrt (xx .^ 2 + yy .^ 2) + eps;
+tz = sin (r) ./ r;
+mesh (tx, ty, tz);
+</code>
+===== Dobre praktyki =====
+  * Jeśli tylko jest to możliwe, używaj funkcji wbudowanych. Na przykład zamiast pisać swoją własną funkcję **srednia** lepiej było wykorzystać wbudowaną funkcję **mean**.
+  * Jeśli to tylko możliwe, staraj się wykorzystywać operacje na macierzach, zamiast pętli.
+  * Zawsze definiuj wcześniej wektor/macierz z która pracujesz (chyba że jest ona bezpośrednim wynikiem jakichś operacji). Np.:<code octave>M = zeros(3,3);
+[x,y] = size(M);
+for i=1:x
+  for j=1:y
+    M(i,j) = rand;
+  end
+end</code>
+===== Ćwiczenia =====
+==== Operacje podstawowe I====
+Zakładając, że mamy następującą macierz
+$$A = \begin{bmatrix}
+& 2 & 3 & 13 \\
+& 11& 10 & 8 \\
+& 7 & 6 & 12 \\
+& 14 & 15 & 1
+     \end{bmatrix}$$
+Jakie indeksowanie macierzy A pozwoli na wyciągnięcie z niej następującej macierzy:
+$$B = \begin{bmatrix}
+& 2  \\
+& 11 \\
+& 7  \\
+& 14
+     \end{bmatrix}$$
+==== Operacje podstawowe II====
+Napisz funkcję znajdującą najmniejszy i największy element w macierzy i zwracającą te wartości.
+**Podpowiedź** użyj zbudowanych funkcji //min// i //max//.
+==== Wartość wektora ====
+Napisz funkcje wyznaczającą długość (normę) wektora podanego jako parametr, która określona jest wzorem:
+$$|A| = \sqrt{\sum\limits_{i=1}^n a_i^2} $$
+==== Odchylenie standardowe I====
+Napisz funkcję wyznaczającą [[http://pl.wikipedia.org/wiki/Odchylenie_standardowe|odchylenie standardowe]] dla wartości wektora podanego jako parametr. Odchylenie standardowe dane jest wzorem:
+$$\sigma = \sqrt{\frac{\sum\limits_{i=1}^{N}
+  \left(x_{i} - \mu)^{2}}
+  {N-1}}$$
+Gdzie $\mu$ to średnia, a N to liczba wszystkich elementów w probie.
+==== Odchylenie standardowe II====
+Przyjmij, że tym razem parametrem funkcji nie jest wektor, ale macierz. Funkcja powinna obliczyć odchylenia standardowe dla każdego wiersza macierzy osobno i zwrócić wektor odchylen standardowych.
+**Uwaga** Pamiętaj o zadaniu [[#Operacje_podstawowe_i|Operacje Podstawowe I i II]]!
+==== Wydajność I====
+Dla funkcji napisanych w poprzednich dwóch zadaniach ([[#dlugosc_wektora|Długość wektora]] oraz [[#odchylenie_standardowe_i|Odchylenie Standardowe I]]) dopisz ich odpowiedniki wektorowe (lub z użyciem pętli) i przetestuj ich działanie na wygenerowanym losowo zbiorze $10^6$ liczb.
+Aby wygenerować dane użyj:<code octave> data = rand(1,10^6); </code>
+Porównaj czasy wykonywania funkcji:
+<code octave>
+timestart = time();
+%Wywolanie funkcji
+timestop = time();
+printf('Czas wykonania to %d sekund.\n',(timestop-timestart));
+</code>
+Jak zmienią się czasy gdy zmienimy ilość danych z $10^6$ na $10^8$?
+O ile wolniej (procentowo) wykonuje się algorytm wyznaczający odchylenie standardowe wykorzystujący wbudowaną funkcję obliczającą średnią od tego, który wykorzystuje funkcję //srednia// napisaną przez nas?
+==== Wydajność II ====
+Jak poprawic wydajnośc następujących fragmentów kodu:
+**Przykład I**
+<code octave>A = zeros(10,10)
+v = zeros(10, 1);
+x = zeros(10, 1);
+for i = 1:10
+  for j = 1:10
+    x(i) = v(i) + A(i, j) * v(j);
+  end
+end
+</code>
+**Przykład II**
+<code octave>
+for i = 1:7
+  for j = 1:7
+    A(i, j) = log (X(i, j));
+    B(i, j) = X(i, j) ^ 2;
+    C(i, j) = X(i, j) + 1;
+    D(i, j) = X(i, j) / 4;
+  end
+end
+</code>
+==== Rysowanie wykresu funkcji ====
+Napisz funkcję która będzie wyznaczała wartości funkcji z obrazka poniżej. Wyrysuj wartości tej funkcji na wykresie w przedziale od -10 do 10 z krokiem 0.5.
+{{:pl:dydaktyka:ml:absfun.png|Wartość bezwzględna}}

pl/dydaktyka/ml/lab1.1519851922.txt.gz · ostatnio zmienione: 2019/06/27 15:54 (edycja zewnętrzna)

Pokaż stronę Poprzednie wersje

Menadżer multimediów Do góry

AIwiki

Menu

Dla Studentów

Old specialized AI courses

SMaDA/SMaIDA/AIDA

Informatyka (EAIiIB)

Studia Dr

Inne materialy dydaktyczne

Archiwum

Dyplomanci

Geist Season of Code

HeKatE

Public

Różnice