符号计算

什么是符号计算？

c = a + b
d = a - b
e = c - d

那么计算得到e = (a + b) - (a - b)，这就是符号计算。

看起来似乎什么计算都没有发生，事实确实如此，但不仅如此。

符号计算是没有发生“计算”，但又发生了“计算”。

• “没有发生计算“，指的是没有发生实质的数值计算，这里无论a和b值是多少都无关紧要。
• “但又发生计算”，指的是并非任何处理都没有做，因为切切实实e = (a + b) - (a - b)是计算出来的。

说到这里，应该不难理解，其实符号计算，就是“代数计算”。

Paradox主要功能就在于构建一个具有梯度计算功能的的符号计算系统。

系统实现

在Paradox中，所有符号计算的载体都是由Symbol（符号）和Operator（算子）构成。

Symbol共有3个衍生类，分别是Variable、Constant和Placeholder。

• Variable，变量符号，它的作用是告诉计算引擎该符号的值是可变的，其值不能用于计算优化。 且在极值化时，被训练的参数Symbol只能是Variable类型。

• Constant，常量符号，用于表达式或模型在计算过程中常量的Symbol，这类符号在计算时可能会被优化器优化掉。 因此一旦创建，就无法改变其实际值，也无法在计算引擎中绑定新值。

• Placeholder，占位符号，它的作用是为实际数据在表达式或模型中占位。因为在表达式或模型构建时，承载数据的符号尚不知数据的具体值， 就需要靠占位符号来占位。占位符号只需要提供数据的维度大小（shape），而无需输入任何实际数据。Variable和Constant在创建时必须有明确的初始值。

符号计算代码实例

创建简单的1+1计算：

import paradox as pd

a = pd.Constant(1)
b = pd.Constant(1)

c = a + b

print(pd.Engine(c).value())

运行结果：

2.0

1+1计算结果为2.0而非2的原因是Paradox使用float为默认数据类型，任何类型的数据都会尝试转化为float。

需要注意的是，如果不使用计算引擎计算而直接print(c)的话，会得到c的代数表达式。

运行结果:

(1.0 + 1.0)

每一个Symbol在创建时还可以为其指定一个name，这个参数将用于直接打印表达式时有更直观的显示。

import paradox as pd

x = pd.Placeholder(name='x')
k = pd.Constant(1, name='k')
b = pd.Constant(1, name='b')

f = k * x + b

print(f)

运行结果：

((k * x) + b)

该例可以看出，x作为Placeholder是不需要有初始值的，’k’和’b’在创建时就必须有初始值。

如果需要带入x算出f的具体值，就需要在创建引擎后绑定（bind）x的值再进行计算。

e = pd.Engine(f)
e.bind = {x: 3}
print(e.value())

运行结果：

4.0