python - 如何在 SymPy 中生成给定维度的符号多元多项式？

Question

我想使用幂级数来近似一些偏微分方程。第一步，我需要生成符号多元多项式，给定一个 numpy ndarray。

考虑下面的多项式:

我想获取 D=[d1,...,dm] 的 m 维 ndarray，其中 djs 为非负整数，以符号表达式的形式生成符号多元多项式。符号表达式由以下形式的单项式组成:

例如，如果 D=[2,3] 则输出应为

对于这种特定情况，我可以嵌套两个 for 循环 并添加表达式。但我不知道如何处理任意长度的 D。如果我可以在不使用 for 循环的情况下生成 A 和 X 的 D 维 ndarray，那么我可以使用 np.sum(np .multiply(A,X)) 为 Frobenius inner product得到我需要的东西。

Answer 1

我会使用symarray和 itertools.product为此:

from sympy import *
import itertools
D = (3, 4, 2, 3)
a = symarray("a", D)
x = symarray("x", len(D))
prod_iterator = itertools.product(*map(range, D))
result = Add(*[a[p]*Mul(*[v**d for v, d in zip(x, p)]) for p in prod_iterator])

结果是

a_0_0_0_0 + a_0_0_0_1*x_3 + a_0_0_0_2*x_3**2 + a_0_0_1_0*x_2 + a_0_0_1_1*x_2*x_3 + a_0_0_1_2*x_2*x_3**2 + a_0_1_0_0*x_1 + a_0_1_0_1*x_1*x_3 + a_0_1_0_2*x_1*x_3**2 + a_0_1_1_0*x_1*x_2 + a_0_1_1_1*x_1*x_2*x_3 + a_0_1_1_2*x_1*x_2*x_3**2 + a_0_2_0_0*x_1**2 + a_0_2_0_1*x_1**2*x_3 + a_0_2_0_2*x_1**2*x_3**2 + a_0_2_1_0*x_1**2*x_2 + a_0_2_1_1*x_1**2*x_2*x_3 + a_0_2_1_2*x_1**2*x_2*x_3**2 + a_0_3_0_0*x_1**3 + a_0_3_0_1*x_1**3*x_3 + a_0_3_0_2*x_1**3*x_3**2 + a_0_3_1_0*x_1**3*x_2 + a_0_3_1_1*x_1**3*x_2*x_3 + a_0_3_1_2*x_1**3*x_2*x_3**2 + a_1_0_0_0*x_0 + a_1_0_0_1*x_0*x_3 + a_1_0_0_2*x_0*x_3**2 + a_1_0_1_0*x_0*x_2 + a_1_0_1_1*x_0*x_2*x_3 + a_1_0_1_2*x_0*x_2*x_3**2 + a_1_1_0_0*x_0*x_1 + a_1_1_0_1*x_0*x_1*x_3 + a_1_1_0_2*x_0*x_1*x_3**2 + a_1_1_1_0*x_0*x_1*x_2 + a_1_1_1_1*x_0*x_1*x_2*x_3 + a_1_1_1_2*x_0*x_1*x_2*x_3**2 + a_1_2_0_0*x_0*x_1**2 + a_1_2_0_1*x_0*x_1**2*x_3 + a_1_2_0_2*x_0*x_1**2*x_3**2 + a_1_2_1_0*x_0*x_1**2*x_2 + a_1_2_1_1*x_0*x_1**2*x_2*x_3 + a_1_2_1_2*x_0*x_1**2*x_2*x_3**2 + a_1_3_0_0*x_0*x_1**3 + a_1_3_0_1*x_0*x_1**3*x_3 + a_1_3_0_2*x_0*x_1**3*x_3**2 + a_1_3_1_0*x_0*x_1**3*x_2 + a_1_3_1_1*x_0*x_1**3*x_2*x_3 + a_1_3_1_2*x_0*x_1**3*x_2*x_3**2 + a_2_0_0_0*x_0**2 + a_2_0_0_1*x_0**2*x_3 + a_2_0_0_2*x_0**2*x_3**2 + a_2_0_1_0*x_0**2*x_2 + a_2_0_1_1*x_0**2*x_2*x_3 + a_2_0_1_2*x_0**2*x_2*x_3**2 + a_2_1_0_0*x_0**2*x_1 + a_2_1_0_1*x_0**2*x_1*x_3 + a_2_1_0_2*x_0**2*x_1*x_3**2 + a_2_1_1_0*x_0**2*x_1*x_2 + a_2_1_1_1*x_0**2*x_1*x_2*x_3 + a_2_1_1_2*x_0**2*x_1*x_2*x_3**2 + a_2_2_0_0*x_0**2*x_1**2 + a_2_2_0_1*x_0**2*x_1**2*x_3 + a_2_2_0_2*x_0**2*x_1**2*x_3**2 + a_2_2_1_0*x_0**2*x_1**2*x_2 + a_2_2_1_1*x_0**2*x_1**2*x_2*x_3 + a_2_2_1_2*x_0**2*x_1**2*x_2*x_3**2 + a_2_3_0_0*x_0**2*x_1**3 + a_2_3_0_1*x_0**2*x_1**3*x_3 + a_2_3_0_2*x_0**2*x_1**3*x_3**2 + a_2_3_1_0*x_0**2*x_1**3*x_2 + a_2_3_1_1*x_0**2*x_1**3*x_2*x_3 + a_2_3_1_2*x_0**2*x_1**3*x_2*x_3**2

备注:

1. symarray 依赖于 NumPy，但这对您来说似乎不是问题。如果是的话，我会使用 itertools.product
一一创建符号
2. 对于用大量项形成符号和，Add(*[...]) 格式比 sum([...]) 更有效，参见SymPy issue 13945 。