Pytorch中张量矩阵乘法函数(mm, bmm, matmul)使用说明，含高维张量实例及运行结果

1 torch.mm() 函数

全称为matrix-matrix product，对输入的张量做矩阵乘法运算，输入输出维度一定是2维；

1.1 torch.mm() 函数定义及参数

torch.bmm(input, mat2, , out=None) → Tensor
input (Tensor) – – 第一个要相乘的矩阵
** mat2* (Tensor) – – 第二个要相乘的矩阵
不支持广播到通用形状、类型推广以及整数、浮点和复杂输入。

1.2 torch.bmm() 官方示例

mat1 = torch.randn(2, 3)
mat2 = torch.randn(3, 3)
torch.mm(mat1, mat2)tensor([[ 0.4851,  0.5037, -0.3633],[-0.0760, -3.6705,  2.4784]])

2 torch.bmm() 函数

全称为batch matrix-matrix product，对输入的张量做矩阵乘法运算，输入输出维度一定是3维；

2.1 torch.bmm() 函数定义及参数

torch.bmm(input, mat2, , out=None) → Tensor
input (Tensor) – – 第一批要相乘的矩阵
** mat2* (Tensor) – – 第二批要相乘的矩阵
不支持广播到通用形状、类型推广以及整数、浮点和复杂输入。

2.2 torch.bmm() 官方示例

input = torch.randn(10, 3, 4)
mat2 = torch.randn(10, 4, 5)
res = torch.bmm(input, mat2)
res.size()torch.Size([10, 3, 5])

3 torch.matmul() 函数

可进行多维矩阵运算，根据不同输入维度进行广播机制然后运算，和点积类似，广播机制可参考之前博文torch.mul()函数。

3.1 torch.matmul() 函数定义及参数

torch.matmul(input, mat2, , out=None) → Tensor
input (Tensor) – – 第一个要相乘的张量
** mat2* (Tensor) – – 第二个要相乘的张量
支持广播到通用形状、类型推广以及整数、浮点和复杂输入。

3.2 torch.matmul() 规则约定

（1）若两个都是1D（向量）的，则返回两个向量的点积；

（2）若两个都是2D（矩阵）的，则按照（矩阵相乘）规则返回2D；

（3）若input维度1D，other维度2D，则先将1D的维度扩充到2D（1D的维数前面+1），然后得到结果后再将此维度去掉，得到的与input的维度相同。即使作扩充（广播）处理，input的维度也要和other维度做对应关系；

（4）若input是2D，other是1D，则返回两者的点积结果；

（5）如果一个维度至少是1D，另外一个大于2D，则返回的是一个批矩阵乘法（ a batched matrix multiply）

• （a）若input是1D，other是大于2D的，则类似于规则(3)；
• （b）若other是1D，input是大于2D的，则类似于规则(4)；
• （c）若input和other都是3D的，则与torch.bmm()函数功能一样；
• （d）如果input中某一维度满足可以广播（扩充），那么也是可以进行相乘操作的。例如 input（j,1,n,m）* other (k,m,p) = output(j,k,n,p)

matmul() 根据输入矩阵自动决定如何相乘。低维根据高维需求，合理广播。

3.3 torch.matmul() 官方示例

# vector x vector
tensor1 = torch.randn(3)
tensor2 = torch.randn(3)
torch.matmul(tensor1, tensor2).size()torch.Size([])
# matrix x vector
tensor1 = torch.randn(3, 4)
tensor2 = torch.randn(4)
torch.matmul(tensor1, tensor2).size()torch.Size([3])
# batched matrix x broadcasted vector
tensor1 = torch.randn(10, 3, 4)
tensor2 = torch.randn(4)
torch.matmul(tensor1, tensor2).size()torch.Size([10, 3])
# batched matrix x batched matrix
tensor1 = torch.randn(10, 3, 4)
tensor2 = torch.randn(10, 4, 5)
torch.matmul(tensor1, tensor2).size()torch.Size([10, 3, 5])
# batched matrix x broadcasted matrix
tensor1 = torch.randn(10, 3, 4)
tensor2 = torch.randn(4, 5)
torch.matmul(tensor1, tensor2).size()torch.Size([10, 3, 5])

3.4 高维数据实例解释

直接看一个4维的二值例子，先看图（红虚线和实线是为了便于区分维度而添加），不懂再结合代码和结果分析，先做广播，然后对应矩阵进行乘积运算。

代码如下：

import torch
import numpy as npnp.random.seed(2022)
a = np.random.randint(low=0, high=2, size=(2, 2, 3, 4))
a = torch.tensor(a)
b = np.random.randint(low=0, high=2, size=(2, 1, 4, 3))
b = torch.tensor(b)
c = torch.matmul(a, b)
# or
# c = a @ b
print(a)
print("=============================================")
print(b)
print("=============================================")
print(c.size())
print("=============================================")
print(c)

运行结果为：

tensor([[[[1, 0, 1, 0],[1, 1, 0, 1],[0, 0, 0, 0]],[[1, 1, 1, 1],[1, 1, 0, 0],[0, 1, 0, 1]]],[[[0, 0, 0, 1],[0, 0, 0, 1],[0, 1, 0, 0]],[[1, 1, 1, 1],[1, 1, 1, 1],[0, 0, 0, 0]]]], dtype=torch.int32)
=============================================
tensor([[[[0, 1, 0],[1, 1, 0],[0, 0, 0],[1, 1, 0]]],[[[0, 1, 0],[1, 1, 1],[1, 1, 1],[1, 0, 1]]]], dtype=torch.int32)
=============================================
torch.Size([2, 2, 3, 3])
=============================================
tensor([[[[0, 1, 0],[2, 3, 0],[0, 0, 0]],[[2, 3, 0],[1, 2, 0],[2, 2, 0]]],[[[1, 0, 1],[1, 0, 1],[1, 1, 1]],[[3, 3, 3],[3, 3, 3],[0, 0, 0]]]], dtype=torch.int32)

参考博文及感谢

部分内容参考以下链接，这里表示感谢 Thanks♪(･ω･)ﾉ
参考博文1 官方文档查询地址
https://pytorch.org/docs/stable/index.html
参考博文2 Pytorch矩阵乘法之torch.mul() 、 torch.mm() 及torch.matmul()的区别
https://blog.csdn.net/irober/article/details/113686080