パイソンにて、等高線のプロットがしたいです 。私のプログラムでは、配列の要素数が合わないというエラーが出ています。

Question

##パイソンを使って等高線のグラフを書いております。
ですが、配列の数が合わないというエラーでうまく書くことができません。

下記のように、プロット関数に直接、関数を書いて出力すると、等高線がかけるのですが、

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

rosenbrockfunction = lambda x,y: (1-x)**2+100*(y-x**2)**2
X,Y=np.meshgrid(np.linspace(-5,5,100),np.linspace(-5,5,100))
Z=rosenbrockfunction(X,Y)
cs=plt.contour(X,Y,Z,np.logspace(0,3.5,7,base=10))
plt.show()

ですが、
下記のように、関数を分けると、
＿zは二次元行列です
＿配列数が合いません
とエラーが出ます。

import math
import utils
import utils2
import numpy as np
import sys
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import sys
import csv
import os


def cont(func):

    X,Y=np.meshgrid(np.linspace(-5,5,100),np.linspace(-5,5,100))
    t=np.array([X,Y])
    Z,_=func(t)
    Z=np.matrix(Z)
    #print("length",X.shape[1],Y.shape[1],Z.shape[0],Y.shape[1])
    #print("X",X , "Y", Y, "Z", Z)
    #Z.reshape(X.shape[0],Y.shape[1])
    cs=plt.contour(X,Y,Z,np.logspace(0,3.5,7,base=10))
    plt.show()


def rosenbrock(x):
    global FUNCCALLS
    FUNCCALLS += 1


    funcValue = (100*((x[1]-x[0]**2)**2) + (1-x[0])**2)
    gradient = np.matrix([(-400*x[0]*(x[1]-x[0]**2)-2*(1-x[0])), (200*(x[1]-x[0]*x[0]))]).T

    return funcValue, gradient


def uncon(func, x0, epsilon_g, options=None):


    if options is None:

        n=2
        xopt, fopt, outputs = optimize(func, x0, epsilon_g,n)

    return xopt, fopt, outputs



nTrails=10
testFuncs = [rosenbrock]

for _, func in enumerate(testFuncs):

    np.random.seed(0)

    trialScore = 0
    for _ in range(nTrails):
        FUNCCALLS = 0

        x0 = np.random.normal(size=2)*3

        #xopt, fopt, output = uncon(func, x0, 1e-6)
        cont(func)
        sys.exit(1)

このまま実行をすると、

Traceback (most recent call last):
  File "stud2.py", line 65, in <module>
    cont(func)
  File "stud2.py", line 18, in cont
    Z,_=func(t)
  File "stud2.py", line 34, in rosenbrock
    gradient = np.matrix([(-400*x[0]*(x[1]-x[0]**2)-2*(1-x[0])), (200*(x[1]-x[0]*x[0]))]).T
  File "/Users/mizuhotakayama/.pyenv/versions/3.8.1/lib/python3.8/site-packages/numpy/matrixlib/defmatrix.py", line 151, in __new__
    raise ValueError("matrix must be 2-dimensional")
ValueError: matrix must be 2-dimensional

とエラーが出てしまいます。
XとYのdimension数を合わせなければいけないと思い、

Z.reshape(X.shape[0],X.shape[1])

のように、配列数を合わせようとしてみたのですが、

    Z.reshape(X.shape[0],Y.shape[1])
ValueError: cannot reshape array of size 100 into shape (100,100)

上下のプログラムで、関数を分けて居るかどうかだけなのに、何故答えが出せないのか、と悩んでいます。
リストや行列への変換も、考えられるペアで変えてみましたが、出来ませんでした。

また、Zを１００x１００行列で静的行列にしてから計算しても、出力されませんでした。

Z=[[0 for I in range(100)] for j in range(100)]

私のコードの間違いを教えていただけないでしょうか。

Comments

[can110]

2つ目のコードはInvalid Syntaxなどで実行できないため修正ください。
またエラーは全文（Traceback）を記載ください。

[alpha_high]

エラーの件、本当に申し訳ありません。少し長くなってしまったのですが、私が動かしている状態で修正させて頂きました。また、エラー 文も追加させて頂きました。見ていただけると本当にありがたいです。

[hayataka2049]

エラー文、何十行かだらだらっと出てきませんか？　
Exception in ***
Traceback (most recent call last):
から始まるやつです。あったらそれを含めたエラーに変えておいてください。

[alpha_high]

エラー文の載せ方を教えて頂いて、ありがとうございます。変更させて頂きました。

Answer 1

t,_=np.array([X,Y])でアンパックしたあとのtを渡しているから。

また、勾配の計算もうまくいかないようですが、そのコードでは使っていないようなのでさしあたってはコメントアウトしておくと良いかと思います。

Comments

[alpha_high]

t=np.array([X,Y])
とする、という意味で合っていますでしょうか。
私のコードでは、同じエラーが出ています。ZをX,Yと同じ形にするには、どうすれば良いのでしょうか。
XとYが１００x１００に対して、Zが１x１００しか値がない理由がわかりません。どの部分で、うまく計算ができていないか、教えていただけないでしょうか。

[hayataka2049]

その変更を行った場合エラーが発生するのはgradientの行です。これは今回の実行には関係ないのでコメントアウトし、返り値のフォーマットを変えて呼び出し元でも対応させるか、Noneなどを返却すればよいでしょう。

[alpha_high]

回答本当にありがとうございます。質問に答えて頂き、本当にありがとうございます。rosenbrockの中身の関数は、他の計算の関係上消すことができないのですが、その場合だとグラフをfuncを使って表示させる事は難しいでしょうか。。個人的には、Z,_=func(t) としていれば、gradient の値は受け取らないものだと思っていたのですが、このアンダーバーがZの配列に影響しているのでしょうか。

[alpha_high]

重ねてすみません。rosenbrock 関数の中身のgradient にてnoneを返してみたのですが、同じエラーが発生しました。ですが、コメントアウトをしたところ、グラフが表示できました。引数が2つあると、配列の形が変わってしまうのですね...どうにかして、rosenbrockの関数を中身をそのままで、グラフ表示というのは厳しいでしょうか。。同時に他のグラフも表示させたいと思っていたので、できればfunc関数でグラフを表示させたいです。何度も本当に申し訳ありませんが、お知恵をお貸し頂けると嬉しいです。

Answer 2

Python のエラー (Traceback) ってこういうやつです。(Jupyter だともっと長くなるけど。)

Traceback (most recent call last):
  File "contour.py", line 63, in <module>
    cont(func)
  File "contour.py", line 22, in cont
    cs=plt.contour(X,Y,Z,np.logspace(0,3.5,7,base=10))
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/pyplot.py", line 2514, in contour
    **kwargs)
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/__init__.py", line 1599, in inner
    return func(ax, *map(sanitize_sequence, args), **kwargs)
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/axes/_axes.py", line 6422, in contour
    contours = mcontour.QuadContourSet(self, *args, **kwargs)
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/contour.py", line 855, in __init__
    kwargs = self._process_args(*args, **kwargs)
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/contour.py", line 1456, in _process_args
    x, y, z = self._contour_args(args, kwargs)
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/contour.py", line 1514, in _contour_args
    x, y, z = self._check_xyz(args[:3], kwargs)
  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/contour.py", line 1551, in _check_xyz
    raise TypeError("Input z must be at least a 2x2 array.")
TypeError: Input z must be at least a 2x2 array.

これで何がわかるかというと、まず 63 行目で cont 関数を呼び出し、

  File "contour.py", line 63, in <module>
    cont(func)

次に 22 行目で plt.contour を呼び出し、

  File "contour.py", line 22, in cont
    cs=plt.contour(X,Y,Z,np.logspace(0,3.5,7,base=10))

最終的に matplotlib の中でエラーになってます。

  File "/usr/local/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/contour.py", line 1551, in _check_xyz
    raise TypeError("Input z must be at least a 2x2 array.")
TypeError: Input z must be at least a 2x2 array.

で、z 引数がおかしいということなので、

    Z=np.matrix(Z)
    print(Z.shape)

としたところ、次のように表示されました。

(1, 100)

これは 1x100 行列なので、「2x2 以上」ではありませんね。

Comments

[alpha_high]

回答本当にありがとうございます。エラーの、２x２以上という意味がわかりません。
X、Yが１００x１００行列に対し、何故Zは１x１００行列なのでしょうか。また、どのように出力すれば、Zも１００x１００となるのでしょうか。教えていただけると本当に嬉しいです。