python 二次元の乱数行列を作りたい

Question

閲覧ありがとうございます。
pythonで二次元の乱数配列を作りたいと考えています。
具体的には８×８の行列でそれぞれの要素が０～２πの乱数をとるというものです。
また、行列の要素を(i,j)とナンバリングしたいです。
以下に自分か考えている過程を貼ります。実行するとTypeError: 'module' object is not callable が出てしまいこれ以上先に進めません。よろしくお願い致します。

import numpy as np
import random

Nx=8
Ny=8

for i in range(0,Nx):
    for j in range(0,Ny):
        i=np.random(0,(2*np.pi))
        j=np.random(0,(2*np.pi))
        k=np.array(i,j)
        print(k)

Answer 1

各値が乱数で初期化された行列を作成する

numpy.random.uniform(low=0.0, high=1.0, size=None) で [low, high) の一様分布に従う乱数を生成できます。

今回の場合、[0, 2pi) の 8x8 行列なので、low=0, high=2 * np.pi, size=(8, 8) となります。

import numpy as np

a = np.random.uniform(0, 2 * np.pi, (8, 8))
print(a)

[[1.54705128 3.38768732 4.66927266 4.93956694 5.57902408 1.32860637
  5.33600137 3.88158682]
 [1.8115985  2.98562549 6.22309407 2.1017263  1.81204158 4.04397841
  6.20555177 1.40457946]
 [1.28836296 5.86996653 1.98725217 5.63716363 4.45858492 6.15640615
  3.79913445 5.46709472]
 [4.71719942 0.68920459 6.18046556 2.18383131 1.21146548 2.08486771
  6.18419119 1.31532943]
 [0.94368707 0.8345513  5.99159409 1.42235154 4.82683858 0.24194396
  4.03298026 1.30280098]
 [0.00757902 6.10479803 2.08001683 0.64880397 1.35331258 6.18893706
  5.23522296 0.39701916]
 [3.79621501 2.1301009  4.27071524 3.87395281 4.32676251 1.15681418
  4.99716436 5.20491587]
 [2.04698482 4.25620576 0.01032738 3.3380622  1.59542291 1.02841777
  2.35780556 4.79860949]]

行列の要素を (i, j) とした行列を作成する方法

numpy.mgrid を使うと以下のような行列が作成できます。

X, Y = np.mgrid[0:8, 0:8]

X
[[0 0 0 0 0 0 0 0]
 [1 1 1 1 1 1 1 1]
 [2 2 2 2 2 2 2 2]
 [3 3 3 3 3 3 3 3]
 [4 4 4 4 4 4 4 4]
 [5 5 5 5 5 5 5 5]
 [6 6 6 6 6 6 6 6]
 [7 7 7 7 7 7 7 7]]
Y
[[0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]
 [0 1 2 3 4 5 6 7]]

これを dstack() で結合することで、各要素が (i, j) となる配列が作成できます。

XY = np.dstack([X, Y])
print(XY)
print(XY.shape)  # (8, 8, 2)
print(XY[0, 2])  # [0 2]

[[[0 0]
  [0 1]
  [0 2]
  [0 3]
  [0 4]
  [0 5]
  [0 6]
  [0 7]]

 [[1 0]
  [1 1]
  [1 2]
  [1 3]
  [1 4]
  [1 5]
  [1 6]
  [1 7]]
... 略

一行でかくなら

XY = np.dstack(np.mgrid[0:8, 0:8])

追記

コメント欄の計算をするなら、こうですね。
1,8列と1,8行の端の処理が不明だったので、範囲外の値は0として計算しています。

a = np.random.uniform(0, 2 * np.pi, (8, 8))
x = np.empty_like(a)

# a を zero-padding
a = np.pad(a, (1, 1), 'constant', constant_values=0)
print(a.shape)  # (10, 10)

for i, j in np.dstack(np.mgrid[1:9, 1:9]).reshape(-1, 2):
    x[i - 1, j - 1] = -np.cos(a[i, j] - a[i - 1, j]) \
                      - np.cos(a[i, j] - a[i + 1, j]) \
                      - np.cos(a[i, j] - a[i, j + 1]) \
                      - np.cos(a[i, j] - a[i, j - 1])
print(x)

Comments

[astromelt0416]

tiitoi様
今質問しようとしていたことまで先に対応していただきありがとうございます。1，8列と1，8行については折り返しの周期的境界条件を用いる予定なので大丈夫です。ひとまず先に進めそうなので、一度自分でやってみます。

Answer 2

np.random.uniform(0, 2*np.pi, (8,8))

でよいのでは

Answer 3

なるべくもとのコードに似せるとこうですかね。

import numpy as np

Nx=8
Ny=8

mat = np.zeros((Nx, Ny))

for i in range(0,Nx):
    for j in range(0,Ny):
        k = np.random.random()*2*np.pi
        mat[i, j] = k
        print(k)

Answer 4

ループを使わなくても、一発で作れます。

>>> import numpy as np
>>> np.random.rand(8, 8) * np.pi * 2
array([[1.86058262, 6.0195474 , 1.21928733, 2.78226953, 4.67355348,
        4.48378688, 0.14930246, 5.10928459],
       [3.32913283, 2.25855259, 3.60431358, 1.576406  , 1.58691154,
        4.32170216, 0.07328059, 4.72837847],
       [2.47585481, 2.63294816, 5.90108858, 3.82178083, 2.51759349,
        6.17632324, 6.03989705, 2.96795237],
       [1.50381139, 1.70566243, 3.02550474, 1.62943053, 1.81694459,
        0.37302033, 5.41886769, 5.0505939 ],
       [0.15542716, 1.36379851, 1.99723294, 4.51375228, 6.12276593,
        4.59864151, 1.22853212, 1.47893226],
       [4.18617182, 3.06918583, 4.46794025, 1.22262086, 2.2623329 ,
        5.30169909, 6.17214356, 0.63686351],
       [3.04488415, 3.57240172, 0.45584975, 5.56452399, 5.31371874,
        5.54464866, 2.69240115, 0.96051532],
       [3.29616727, 0.72078455, 0.38238567, 3.40152652, 3.72072533,
        0.29256473, 4.22329522, 5.28913289]])

また、行列の要素を(i,j)とナンバリングしたいです。

これに関しては目的がよく分かりません。
特定の要素にアクセスするのならインデックスは既知ですし。

Comments

[astromelt0416]

回答ありがとうございます。実はこの次に行列の要素を（i,j）として（LouiS0616様が出力してくださった回答の例でいうと(1.1)＝1.86058262です）x=-cos((i,j)-(i-1,j))-cos((i,j)-(i+1,j))-cos((i,j)-(i,j+1))-cos((i,j)-(i,j-1)) という値ｘをすべての(i,x)において計算したいと考えており、そのために(i,j)というナンバリングをしたいと考えておりました。可能であればこちらについてもアイデアをいただけないでしょうか。