for 文を使わずに numpy 配列の値を交換したい

Question

前提

1. [0, 1, 2, 3, 4]: 初期状態
2. 0番目と2番目を交換
3. [2, 1, 0, 3, 4]
4. 0番目と4番目を交換
5. [4, 1, 0, 3, 2] ← これがほしい

誰でも思いつきそうな方法

forループで回すだけです

import numpy as np

arr = np.arange(5)
x1 = np.array([0, 0])
x2 = np.array([2, 4])

# arr[x1], arr[x2] = arr[x2], arr[x1]  # test1
for e1, e2 in zip(x1, x2): # test2
    arr[e1], arr[e2] = arr[e2], arr[e1]

print(arr)

しかし、速度の面から、forループは使いたくありません（説明のために簡単な例にしました）
forループは使わずに、かつ上記**前提**が実現できる方法を教えてください

試したこと

test1 とコメントしてある行の
arr[x1], arr[x2] = arr[x2], arr[x1]
です

出力は

[4 1 0 3 0]

となり、0が増えてしまいました
理由も納得できます

バージョン

Python 3.7.1 (default, Dec 14 2018, 19:28:38)

Answer 1

0が増えてしまいました

arr[[0, 0]], arr[[2, 4]] = arr[[2, 4]], arr[[0, 0]]

のため、インデックス [2, 4] の要素にはインデックス [0, 0] の要素が代入されるため、インデックス 2, 4 の値は0になります。
またインデックス [0, 0] の要素にインデックス [2, 4] の値を代入するため、同じインデックスに2回値を代入しているため、最後に代入した値4が残ります。

なので以下のように交換前のインデックスに交換後のインデックスを代入すれば1行で書けます。

| | | | | | |
|--:|--:|--:|--:|--:|
|交換前のインデックス|0|1|2|3|4|
|交換後のインデックス|4|1|0|3|2|

arr = np.arange(5)
arr[[0, 1, 2, 3, 4]] = arr[[4, 1, 0, 3, 2]]
print(arr)  # array([4, 1, 0, 3, 2])

インデックスが移動する場所だけ選択して交換しても同じ結果になります。

arr = np.arange(5)
arr[[0, 2, 4]] = arr[[4, 0, 2]]
print(arr)  # [4 1 0 3 2]

やってることは 線形代数に出てくる置換 と同じです。

ただ fancy indexing は numpy でも遅い処理になります。

実際計測したところ、for のほうが早い結果となりました。

# for のやり方
2.06 µs ± 10.9 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000 loops each)
# fancy indexing のやり方
2.86 µs ± 44.6 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000 loops each)

numpy に質問のような内容を1行で実現できる関数は私の知る限りないですし、これ以上の高速化は難しいのではないかと思います。

Comments

[chankane]

fancy indexing はそこまではやくない事は知っていましたが、for文と並ぶほどとは思っていませんでした
現在 for 文での実装となりますが、このままでいこうと思います
ご回答ありがとうございました_(._.)_

Answer 2

2回置き換えるだけだし、愚直にこれではだめですか？

a[0], a[2] = a[2], a[0]
a[0], a[4] = a[4], a[0]

Comments

[chankane]

> ２回置き換えるだけですし、
すみません、１つ情報が抜けていましたね...
説明しやすくするために簡単な例に置き換えましたが、実際のシステム（趣味ですが）は少なくとも 100*40 回はループが回ることになります
次回から気をつけたいと思います