关于算法:PyTorch-学习笔记-12-Tensor张量介绍

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date: 2020/2/5 20:39:20
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本章代码：

• https://github.com/zhangxiann/PyTorch_Practice/blob/master/lesson1/tensor_introduce1.py
• https://github.com/zhangxiann/PyTorch_Practice/blob/master/lesson1/tensor_introduce1.py

Tensor 的概念

Tensor 中文为张量。张量的意思是一个多维数组，它是标量、向量、矩阵的高维扩大。

标量能够称为 0 维张量，向量能够称为 1 维张量，矩阵能够称为 2 维张量，RGB 图像能够示意 3 维张量。你能够把张量看作多维数组。

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Tensor 与 Variable

在 PyTorch 0.4.0 之前，torch.autograd 包中存在 Variable 这种数据类型，次要是用于封装 Tensor，进行主动求导。Variable 次要蕴含上面几种属性。

• data: 被包装的 Tensor。
• grad: data 的梯度。
• grad_fn: 创立 Tensor 所应用的 Function，是主动求导的要害，因为依据所记录的函数能力计算出导数。
• requires_grad: 批示是否须要梯度，并不是所有的张量都须要计算梯度。
• is_leaf: 批示是否叶子节点(张量)，叶子节点的概念在计算图中会用到，前面具体介绍。

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在 PyTorch 0.4.0 之后，Variable 并入了 Tensor。在之后版本的 Tensor 中，除了具备下面 Variable 的 5 个属性，还有另外 3 个属性。

• dtype: 张量的数据类型，如 torch.FloatTensor，torch.cuda.FloatTensor。
• shape: 张量的形态。如 (64, 3, 224, 224)
• device: 张量所在设施 (CPU/GPU)，GPU 是减速计算的要害

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对于 dtype，PyTorch 提供了 9 种数据类型，共分为 3 大类：float (16-bit, 32-bit, 64-bit)、integer (unsigned-8-bit ,8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit)、Boolean。模型参数和数据用的最多的类型是 float-32-bit。label 罕用的类型是 integer-64-bit。

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Tensor 创立的办法

间接创立 Tensor

torch.tensor()

torch.tensor(data, dtype=None, device=None, requires_grad=False, pin_memory=False)

• data: 数据，能够是 list，numpy
• dtype: 数据类型，默认与 data 的统一
• device: 所在设施，cuda/cpu
• requires_grad: 是否须要梯度
• pin_memory: 是否存于锁页内存

代码示例：

arr = np.ones((3, 3))
print("ndarray 的数据类型：", arr.dtype)
# 创立寄存在 GPU 的数据
# t = torch.tensor(arr, device='cuda')
t= torch.tensor(arr)
print(t)

输入为：

ndarray 的数据类型：float64
tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]], dtype=torch.float64)

torch.from_numpy(ndarray)

从 numpy 创立 tensor。利用这个办法创立的 tensor 和原来的 ndarray 共享内存，当批改其中一个数据，另外一个也会被改变。

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代码示例：

arr = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
t = torch.from_numpy(arr)

# 批改 array，tensor 也会被批改
# print("\n 批改 arr")
# arr[0, 0] = 0
# print("numpy array:", arr)
# print("tensor :", t)

# 批改 tensor，array 也会被批改
print("\n 批改 tensor")
t[0, 0] = -1
print("numpy array:", arr)
print("tensor :", t)

输入为：

批改 tensor
numpy array:  [[-1  2  3]
 [4  5  6]]
tensor :  tensor([[-1,  2,  3],
        [4,  5,  6]], dtype=torch.int32)

依据数值创立 Tensor

torch.zeros()

torch.zeros(*size, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：依据 size 创立全 0 张量

• size: 张量的形态
• out: 输入的张量，如果指定了 out，那么 torch.zeros() 返回的张量和 out 指向的是同一个地址
• layout: 内存中布局模式，有 strided，sparse_coo 等。当是稠密矩阵时，设置为 sparse_coo 能够缩小内存占用。
• device: 所在设施，cuda/cpu
• requires_grad: 是否须要梯度

代码示例：

out_t = torch.tensor([1])
# 这里制订了 out
t = torch.zeros((3, 3), out=out_t)
print(t, '\n', out_t)
# id 是取内存地址。最终 t 和 out_t 是同一个内存地址
print(id(t), id(out_t), id(t) == id(out_t))

输入是：

tensor([[0, 0, 0],
        [0, 0, 0],
        [0, 0, 0]]) 
 tensor([[0, 0, 0],
        [0, 0, 0],
        [0, 0, 0]])
2984903203072 2984903203072 True

torch.zeros_like

torch.zeros_like(input, dtype=None, layout=None, device=None, requires_grad=False, memory_format=torch.preserve_format)

性能：依据 input 形态创立全 0 张量

• input: 创立与 input 同形态的全 0 张量
• dtype: 数据类型
• layout: 内存中布局模式，有 strided，sparse_coo 等。当是稠密矩阵时，设置为 sparse_coo 能够缩小内存占用。

同理还有全 1 张量的创立办法：torch.ones()，torch.ones_like()。

torch.full()，torch.full_like()

torch.full(size, fill_value, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：创立自定义数值的张量

• size: 张量的形态，如 (3,3)
• fill_value: 张量中每一个元素的值

代码示例：

t = torch.full((3, 3), 1)
print(t)

输入为：

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])

torch.arange()

torch.arange(start=0, end, step=1, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：创立等差的 1 维张量。留神区间为[start, end)。

• start: 数列起始值
• end: 数列完结值，开区间，取不到完结值
• step: 数列公差，默认为 1

代码示例：

t = torch.arange(2, 10, 2)
print(t)

输入为：

tensor([2, 4, 6, 8])

torch.linspace()

torch.linspace(start, end, steps=100, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：创立均分的 1 维张量。数值区间为 [start, end]

• start: 数列起始值
• end: 数列完结值
• steps: 数列长度 (元素个数)

代码示例：

# t = torch.linspace(2, 10, 5)
t = torch.linspace(2, 10, 6)
print(t)

输入为：

tensor([2.0000,  3.6000,  5.2000,  6.8000,  8.4000, 10.0000])

torch.logspace()

torch.logspace(start, end, steps=100, base=10.0, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：创立对数均分的 1 维张量。数值区间为 [start, end]，底为 base。

• start: 数列起始值
• end: 数列完结值
• steps: 数列长度 (元素个数)
• base: 对数函数的底，默认为 10

代码示例：

# t = torch.linspace(2, 10, 5)
t = torch.linspace(2, 10, 6)
print(t)

输入为：

tensor([2.0000,  3.6000,  5.2000,  6.8000,  8.4000, 10.0000])

torch.eye()

torch.eye(n, m=None, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：创立单位对角矩阵(2 维张量)，默认为方阵

• n: 矩阵行数。通常只设置 n，为方阵。
• m: 矩阵列数

依据概率创立 Tensor

torch.normal()

torch.normal(mean, std, *, generator=None, out=None)

性能：生成正态分布 (高斯分布)

• mean: 均值
• std: 标准差

有 4 种模式：

1. mean 为标量，std 为标量。这时须要设置 size。

   代码示例：

   # mean：标量 std: 标量
   # 这里须要设置 size
   t_normal = torch.normal(0., 1., size=(4,))
   print(t_normal)

   输入为：

   tensor([0.6614, 0.2669, 0.0617, 0.6213])

2. mean 为标量，std 为张量

3. mean 为张量，std 为标量

   代码示例：

   # mean：张量 std: 标量
   mean = torch.arange(1, 5, dtype=torch.float)
   std = 1
   t_normal = torch.normal(mean, std)
   print("mean:{}\nstd:{}".format(mean, std))
   print(t_normal)

   输入为：

   mean:tensor([1., 2., 3., 4.])
   std:1
   tensor([1.6614, 2.2669, 3.0617, 4.6213])

   这 4 个数采样散布的均值不同，然而方差都是 1。

4. mean 为张量，std 为张量

   代码示例：

   # mean：张量 std: 张量
   mean = torch.arange(1, 5, dtype=torch.float)
   std = torch.arange(1, 5, dtype=torch.float)
   t_normal = torch.normal(mean, std)
   print("mean:{}\nstd:{}".format(mean, std))
   print(t_normal)

   输入为：

   mean:tensor([1., 2., 3., 4.])
   std:tensor([1., 2., 3., 4.])
   tensor([1.6614, 2.5338, 3.1850, 6.4853])

   其中 1.6614 是从正态分布 $N(1,1)$ 中采样失去的，其余数字以此类推。

torch.randn() 和 torch.randn_like()

torch.randn(*size, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：生成规范正态分布。

• size: 张量的形态

torch.rand() 和 torch.rand_like()

torch.rand(*size, out=None, dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：在区间 [0, 1) 上生成均匀分布。

torch.randint() 和 torch.randint_like()

randint(low=0, high, size, *, generator=None, out=None,
dtype=None, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：在区间 [low, high) 上生成整数均匀分布。

• size: 张量的形态

torch.randperm()

torch.randperm(n, out=None, dtype=torch.int64, layout=torch.strided, device=None, requires_grad=False)

性能：生成从 0 到 n-1 的随机排列。罕用于生成索引。

• n: 张量的长度

torch.bernoulli()

torch.bernoulli(input, *, generator=None, out=None)

性能：以 input 为概率，生成伯努利散布 (0-1 散布，两点散布)

• input: 概率值

参考资料

• 深度之眼 PyTorch 框架班

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