Tensorflow2.0常用函数
Tensorflow2.0常用函数
-
- 1. 张量生成
-
- 数据类型
- 如何创建一个Tensor
- 2. 常用函数
-
- 2.1 基本
- 2.2 axis
- 2.3 tf.Variable
- 2.4 TensorFlow中的数学运算
- 2.5 矩阵乘
- 2.6 特征与标签
- 2.7 函数对指定参数求导gradient
- 2.8 枚举元素enumerate
- 2.9 Onehot
- 2.10 输出符合概率分布（归一化）
- 2.11 参数自更新
- 2.12 指定维度最大值索引
- 3. 鸢尾花案例
-
- 3.1 **数据集介绍**
- 3.2 神经网络实现鸢尾花分类
1. 张量生成
张量(Tensor) ：多维数组(列表)
阶：张量的维数
| 维数 | 阶 | 名字 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 0-D | 0 | 标量 scalar | s=1 2 3 |
| 1-D | 1 | 向量 vector | v=[1, 2, 3] |
| 2-D | 2 | 矩阵 matrix | m=[[1,2,3],[4,5,6][7,8,9]] |
| N-D | N | 张量 tensor | t=[[[ 有几个中括号就是几阶张量 |
张量可以表示0阶到n阶数组(列表)
数据类型
tf.int,tf.floattf.int 32，tf.float 32,tf.float 64
tf.booltf.constant([True, False])
tf.stringtf.constant("Hello, world!")
如何创建一个Tensor
创建一个张量
tf.constant(张量内容, dtype=数据类型（可选）)
代码示例
import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2' # 关闭log信息
import tensorflow as tf
a = tf.constant([1, 5], dtype=tf.int64)
print("a:", a)
print("a.dtype:", a.dtype)
print("a.shape:", a.shape)
# 本机默认 tf.int32 可去掉dtype试一下 查看默认值
运行结果
a: tf.Tensor([1 5], shape=(2,), dtype=int32)
a.dtype: <dtype: 'int32'>
a.shape: (2,)
将numpy的数据类型转换为Tensor数据类型tf. convert to_tensor(数据名，dtype=数 据类型(可选))
代码示例
import os
os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL'] = '2' # 关闭log信息
import tensorflow as tf
import numpy as np
a = np.arange(0, 5)
b = tf.convert_to_tensor(a, dtype=tf.int64)
print("a:", a)
print("b:", b)
运行结果
a: [0 1 2 3 4]
b: tf.Tensor([0 1 2 3 4], shape=(5,), dtype=int64)
- 创建全为0的张量
tf. zeros(维度)
- 创建全为1的张量
tf. ones(维度)
- 创建全为指定值的张量
tf. fil(维度，指定值)
维度：
- 一维直接写个数
- 二维用[行，列]
- 多维用[n,m,.K…]
示例：
import tensorflow as tf
a = tf.zeros([2, 3])
b = tf.ones(4)
c = tf.fill([2, 2], 9)
print("a:", a)
print("b:", b)
print("c:", c)
运行结果
a: tf.Tensor(
[[0. 0. 0.]
[0. 0. 0.]], shape=(2, 3), dtype=float32)
b: tf.Tensor([1. 1. 1. 1.], shape=(4,), dtype=float32)
c: tf.Tensor(
[[9 9]
[9 9]], shape=(2, 2), dtype=int32)
- 生成正态分布的随机数，默认均值为0，标准差为1
tf. random.normal (维度，mean=均值，stddev=标准差)
- 生成截断式正态分布的随机数
tf. random.truncated normal (维度，mean=均值，stddev=标准差)
在tf.truncated normal中如果随机生成数据的取值在(μ-2σ， μ+2σ) 之外,则重新进行生成，保证了生成值在均值附近。(μ:均值，σ:标准差）
标准差计算公式：
σ = ∑ i = 1 n ( x i − x ˉ ) 2 n \sigma=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n}\left(x_{i}-\bar{x}\right)^{2}}{n}} σ=n∑i=1n(xi−xˉ)2
代码示例：
import tensorflow as tf
d = tf.random.normal([2, 2], mean=0.5, stddev=1)
print("d:", d)
e = tf.random.truncated_normal([2, 2], mean=0.5, stddev=1)
print("e:", e)
运行结果
d: tf.Tensor(
[[0.21293578 1.3744814 ]
[0.57955813 0.21024475]], shape=(2, 2), dtype=float32)
e: tf.Tensor(
[[ 1.0601948 -0.290159 ]
[ 1.4136508 1.1021997]], shape=(2, 2), dtype=float32)
生成均匀分布随机数( minval, maxval )
tf. random. uniform(维度，minval=最小值，maxval=最大值)
代码示例
import tensorflow as tf
f = tf.random.uniform([2, 2], minval=0, maxval=1)
print("f:", f)
运行结果
f: tf.Tensor(
[[0.8941778 0.1506716 ]
[0.61614406 0.6378647 ]], shape=(2, 2), dtype=float32)
2. 常用函数
2.1 基本
- 强制tensor转换为该数据类型
tf.cast (张量名，dtype=数据类型)
- 计算张量维度上元素的最小值
tf.reduce_ min (张量名)
- 计算张量维度上元素的最大值
tf.reduce_ max(张量名)
- 将tensor转换为numpy
tensor.numpy()
代码示例：
import tensorflow as tf
x1 = tf.constant([1., 2., 3.], dtype=tf.float64)
print("x1:", x1)
x2 = tf.cast(x1, tf.int32)
print("x2:", x2)
print("minimum of x2：", tf.reduce_min(x2))
print("maxmum of x2:", tf.reduce_max(x2))
a = tf.constant(5, dtype=tf.int64)
print("tensor a:", a)
print("numpy a:", a.numpy())
运行结果：
x1: tf.Tensor([1. 2. 3.], shape=(3,), dtype=float64)
x2: tf.Tensor([1 2 3], shape=(3,), dtype=int32)
minimum of x2： tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int32)
maxmum of x2: tf.Tensor(3, shape=(), dtype=int32)
tensor a: tf.Tensor(5, shape=(), dtype=int64)
numpy a: 5
2.2 axis
在一个二维张量或数组中，可以通过调整axis等于0或1控制执行维度。
axis=0代表跨行(经度，down),而axis=1代表跨列(纬度，across)
如果不指定axis,则所有元素参与计算。
- 计算张量沿着指定维度的平均值
tf.reduce_mean (张量名，axis=操作轴)
- 计算张量沿着指定维度的和
tf.reduce_sum (张量名，axis=操作轴)
代码示例
import tensorflow as tf
x = tf.constant([[1, 2, 3], [2, 2, 3]])
print("x:", x)
print("mean of x:", tf.reduce_mean(x)) # 求x中所有数的均值
print("sum of x:", tf.reduce_sum(x, axis=1)) # 求每一行的和
运行结果
x: tf.Tensor(
[[1 2 3]
[2 2 3]], shape=(2, 3), dtype=int32)
mean of x: tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int32)
sum of x: tf.Tensor([6 7], shape=(2,), dtype=int32)
2.3 tf.Variable
tf.Variable () 将变量标记为“可训练”，被标记的变量会在反向传播中记录梯度信息。神经网络训练中，常用该函数标记待训练参数。
tf.Variable(初始值)
定义变量
w = tf.Variable(tf.random.norma([2, 2], mean=0, stddev=1))
2.4 TensorFlow中的数学运算
- 对应元素的四则运算:
tf.add,tf.subtract,tf.multiply,tf.divide - 平方、次方与开方:
tf.square,tf.pow,tf.sqrt - 矩阵乘:
tf.matmul
对应元素的四则运算
- 实现两个张量的对应元素相加
tf.add (张量1，张量2)
- 实现两个张量的对应元素相减
tf.subtract (张量1，张量2)
- 实现两个张量的对应元素相乘
tf.multiply (张量1,张量2)
- 实现两个张量的对应元素相除
tf.divide (张量1，张量2)
注意：只有维度相同的张量才可以做四则运算
代码示例：
import tensorflow as tf
a = tf.ones([1, 3])
b = tf.fill([1, 3], 3.)
print("a:", a)
print("b:", b)
print("a+b:", tf.add(a, b))
print("a-b:", tf.subtract(a, b))
print("a*b:", tf.multiply(a, b))
print("b/a:", tf.divide(b, a))
运行结果
a: tf.Tensor([[1. 1. 1.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
b: tf.Tensor([[3. 3. 3.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
a+b: tf.Tensor([[4. 4. 4.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
a-b: tf.Tensor([[-2. -2. -2.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
a*b: tf.Tensor([[3. 3. 3.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
b/a: tf.Tensor([[3. 3. 3.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
平方、次方与开方
- 计算某个张量的平方
tf.square (张量名)
- 计算某个张量的n次方
tf.pow (张量名，n次方数)
- 计算某个张量的开方
tf.sqrt (张量名)
代码示例：
import tensorflow as tf
a = tf.fill([1, 2], 3.)
print("a:", a)
print("a的次方:", tf.pow(a, 3))
print("a的平方:", tf.square(a))
print("a的开方:", tf.sqrt(a))
运行结果：
a: tf.Tensor([[3. 3.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
a的次方: tf.Tensor([[27. 27.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
a的平方: tf.Tensor([[9. 9.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
a的开方: tf.Tensor([[1.7320508 1.7320508]], shape=(1, 2), dtype=float32)
2.5 矩阵乘
实现两个矩阵的相乘
tf.matmul(矩阵1，矩阵2)
代码示例：
import tensorflow as tf
a = tf.ones([3, 2])
b = tf.fill([2, 3], 3.)
print("a:", a)
print("b:", b)
print("a*b:", tf.matmul(a, b))
运行结果：
a: tf.Tensor(
[[1. 1.]
[1. 1.]
[1. 1.]], shape=(3, 2), dtype=float32)
b: tf.Tensor(
[[3. 3. 3.]
[3. 3. 3.]], shape=(2, 3), dtype=float32)
a*b: tf.Tensor(
[[6. 6. 6.]
[6. 6. 6.]
[6. 6. 6.]], shape=(3, 3), dtype=float32)
2.6 特征与标签
切分传入张量的第一维度， 生成输入特征标签对，构建数据集
data = tf.data.Dataset.from_tensor_ slices((输入特征，标签))
(Numpy和Tensor格式都可用该语句读入数据)
代码示例：
import tensorflow as tf
features = tf.constant([12, 23, 10, 17])
labels = tf.constant([0, 1, 1, 0])
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features, labels))
for element in dataset:
print(element)
运行结果
(<tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=12>, <tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
(<tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=23>, <tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=1>)
(<tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=10>, <tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=1>)
(<tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=17>, <tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
2.7 函数对指定参数求导gradient
with结构记录计算过程，gradient求 出张量的梯度
with tf.GradientTape() as tape:
若千个计算过程
grad=tape.gradient(函数，对谁求导)
代码示例，对函数x^2求x的导数
∂ w 2 ∂ w = 2 w = 2 ∗ 3.0 = 6.0 \frac{\partial w^{2}}{\partial w}=2 w=2^{*} 3.0=6.0 ∂w∂w2=2w=2∗3.0=6.0
import tensorflow as tf
with tf.GradientTape() as tape:
x = tf.Variable(tf.constant(3.0))
y = tf.pow(x, 2)
grad = tape.gradient(y, x)
print(grad)
运行结果
tf.Tensor(6.0, shape=(), dtype=float32)
2.8 枚举元素enumerate
enumerate是python的内建函数，它可遍历每个元素(如列表、元组或字符串)，
组合为：索引元素，常在for循环中使用。
enumerate(列表名)
代码示例：
seq = ['one', 'two', 'three']
for i, element in enumerate(seq):
print(i, element)
运行结果：
0 one
1 two
2 three
2.9 Onehot
独热编码(Cone-hot encoding) ：在分类问题中，常用独热码做标签，标记类别: 1表示是，0表示非。
标签为1，独热编码为
| 0狗尾草鸢尾 | 1杂色鸢尾 | 2弗吉尼亚鸢尾 |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 0 |
tf.one_ hot()函数将待转换数据，转换为one-hot形式的数据输出。
tf.one_ hot (待转换数据，depth=几分类)
代码示例：
import tensorflow as tf
classes = 3
labels = tf.constant([1, 0, 2]) # 输入的元素值最小为0，最大为2
output = tf.one_hot(labels, depth=classes)
print("result of labels1:", output)
print("\n")
运行结果
result of labels1: tf.Tensor(
[[0. 1. 0.]
[1. 0. 0.]
[0. 0. 1.]], shape=(3, 3), dtype=float32)
2.10 输出符合概率分布（归一化）
tf.nn.softmax(x)把一个N*1的向量归一化为（0，1）之间的值，由于其中采用指数运算，使得向量中数值较大的量特征更加明显。
Softmax ( y i ) = e y i ∑ j = 0 n e y i \operatorname{Softmax}\left(y_{i}\right)=\frac{e^{y_{i}}}{\sum_{j=0}^{n} e^{y_{i}}} Softmax(yi)=∑j=0neyieyi
tf.nn.softmax(x)使输出符合概率分布
当n分类的n个输出(yo, y1… yn_1)通过softmax( )函数，便符合概率分布，所有的值和为1。
∀ x P ( X = x ) ∈ [ 0 , 1 ] 且 ∑ x P ( X = x ) = 1 \forall x P(X=x) \in[0,1] \text { 且 } \sum_{x} P(X=x)=1 ∀xP(X=x)∈[0,1] 且 x∑P(X=x)=1
代码示例：
import tensorflow as tf
y = tf.constant([1.01, 2.01, -0.66])
y_pro = tf.nn.softmax(y)
print("After softmax, y_pro is:", y_pro) # y_pro 符合概率分布
print("The sum of y_pro:", tf.reduce_sum(y_pro)) # 通过softmax后，所有概率加起来和为1
运行结果：
After softmax, y_pro is: tf.Tensor([0.25598174 0.69583046 0.0481878 ], shape=(3,), dtype=float32)
The sum of y_pro: tf.Tensor(1.0, shape=(), dtype=float32)
2.11 参数自更新
赋值操作，更新参数的值并返回。
调用assign_ sub前，先用tf.Variable定义变量w为可训练(可自更新)。
w.assign_ sub (w要自减的内容)
代码示例：
x = tf.Variable(4)
x.assign_sub(1)
print("x:", x) # 4-1=3
运行结果
x: <tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=3>
2.12 指定维度最大值索引
返回张量沿指定维度最大值的索引
tf.argmax (张量名,axis=操作轴)
代码示例：
import numpy as np
import tensorflow as tf
test = np.array([[1, 2, 3], [2, 3, 4], [5, 4, 3], [8, 7, 2]])
print("test:\n", test)
print("每一列的最大值的索引：", tf.argmax(test, axis=0)) # 返回每一列最大值的索引
print("每一行的最大值的索引", tf.argmax(test, axis=1)) # 返回每一行最大值的索引
运行结果：
test:
[[1 2 3]
[2 3 4]
[5 4 3]
[8 7 2]]
每一列的最大值的索引： tf.Tensor([3 3 1], shape=(3,), dtype=int64)
每一行的最大值的索引 tf.Tensor([2 2 0 0], shape=(4,), dtype=int64)
3. 鸢尾花案例
3.1 数据集介绍
共有数据150组，每组包括花尊长、花尊宽、花瓣长、花瓣宽4个输入特征。同时给出了，这组特征对应的鸢尾花 类别。类别包括Setosa Iris (狗尾草鸢尾)，Versicolour lris (杂色鸢尾)，Virginica Iris (弗吉尼亚鸢尾)三类，分别用数字0，1，2表示。
读取数据集代码
from sklearn import datasets
from pandas import DataFrame
import pandas as pd
x_data = datasets.load_iris().data # .data返回iris数据集所有输入特征
y_data = datasets.load_iris().target # .target返回iris数据集所有标签
print("x_data from datasets: \n", x_data)
print("y_data from datasets: \n", y_data)
x_data = DataFrame(x_data, columns=['花萼长度', '花萼宽度', '花瓣长度', '花瓣宽度']) # 为表格增加行索引（左侧）和列标签（上方）
pd.set_option('display.unicode.east_asian_width', True) # 设置列名对齐
print("x_data add index: \n", x_data)
x_data['类别'] = y_data # 新加一列，列标签为‘类别’，数据为y_data
print("x_data add a column: \n", x_data)
#类型维度不确定时，建议用print函数打印出来确认效果
3.2 神经网络实现鸢尾花分类
- 准备数据
- 数据集读入
- 数据集乱序
- 生成训练集和测试集(即x_ train/y train, x_ test/y_ test)
- 配成(输入特征，标签)对，每次读入一小撮(batch)
- 搭建网络
- 定义神经网路中所有可训练参数
- 参数优化
- 嵌套循环迭代，with结构更新参数，显示当前loss
- 测试效果
- 计算当前参数前向传播后的准确率，显示当前acc
- acc / loss可视化
代码示例：
# -*- coding: UTF-8 -*-
# 利用鸢尾花数据集，实现前向传播、反向传播，可视化loss曲线
# 导入所需模块
import tensorflow as tf
from sklearn import datasets
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
# 导入数据，分别为输入特征和标签
x_data = datasets.load_iris().data
y_data = datasets.load_iris().target
# 随机打乱数据（因为原始数据是顺序的，顺序不打乱会影响准确率）
# seed: 随机数种子，是一个整数，当设置之后，每次生成的随机数都一样（为方便教学，以保每位同学结果一致）
np.random.seed(116) # 使用相同的seed，保证输入特征和标签一一对应
np.random.shuffle(x_data)
np.random.seed(116)
np.random.shuffle(y_data)
tf.random.set_seed(116)
# 将打乱后的数据集分割为训练集和测试集，训练集为前120行，测试集为后30行
x_train = x_data[:-30]
y_train = y_data[:-30]
x_test = x_data[-30:]
y_test = y_data[-30:]
# 转换x的数据类型，否则后面矩阵相乘时会因数据类型不一致报错
x_train = tf.cast(x_train, tf.float32)
x_test = tf.cast(x_test, tf.float32)
# from_tensor_slices函数使输入特征和标签值一一对应。（把数据集分批次，每个批次batch组数据）
train_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)
test_db = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)
# 生成神经网络的参数，4个输入特征故，输入层为4个输入节点；因为3分类，故输出层为3个神经元
# 用tf.Variable()标记参数可训练
# 使用seed使每次生成的随机数相同（方便教学，使大家结果都一致，在现实使用时不写seed）
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev=0.1, seed=1))
b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev=0.1, seed=1))
lr = 0.1 # 学习率为0.1
train_loss_results = [] # 将每轮的loss记录在此列表中，为后续画loss曲线提供数据
test_acc = [] # 将每轮的acc记录在此列表中，为后续画acc曲线提供数据
epoch = 500 # 循环500轮
loss_all = 0 # 每轮分4个step，loss_all记录四个step生成的4个loss的和
# 训练部分
for epoch in range(epoch): #数据集级别的循环，每个epoch循环一次数据集
for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_db):
#batch级别的循环 ，每个step循环一个batch
with tf.GradientTape() as tape: # with结构记录梯度信息
y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 # 神经网络乘加运算
y = tf.nn.softmax(y)
# 使输出y符合概率分布（此操作后与独热码同量级，可相减求loss）
y_ = tf.one_hot(y_train, depth=3)
# 将标签值转换为独热码格式，方便计算loss和accuracy
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_ - y))
# 采用均方误差损失函数mse = mean(sum(y_ - y)^2)
loss_all += loss.numpy()
# 将每个step计算出的loss累加，为后续求loss平均值提供数据，这样计算的loss更准确
# 计算loss对各个参数的梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1])
# 实现梯度更新 w1 = w1 - lr * w1_grad b = b - lr * b_grad
w1.assign_sub(lr * grads[0]) # 参数w1自更新
b1.assign_sub(lr * grads[1]) # 参数b自更新
# 每个epoch，打印loss信息
print("Epoch {}, loss: {}".format(epoch, loss_all/4))
train_loss_results.append(loss_all / 4) # 将4个step的loss求平均记录在此变量中
loss_all = 0 # loss_all归零，为记录下一个epoch的loss做准备
# 测试部分
# total_correct为预测对的样本个数, total_number为测试的总样本数，将这两个变量都初始化为0
total_correct, total_number = 0, 0
for x_test, y_test in test_db:
# 使用更新后的参数进行预测
y = tf.matmul(x_test, w1) + b1
y = tf.nn.softmax(y)
pred = tf.argmax(y, axis=1) # 返回y中最大值的索引，即预测的分类
# 将pred转换为y_test的数据类型
pred = tf.cast(pred, dtype=y_test.dtype)
# 若分类正确，则correct=1，否则为0，将bool型的结果转换为int型
correct = tf.cast(tf.equal(pred, y_test), dtype=tf.int32)
# 将每个batch的correct数加起来
correct = tf.reduce_sum(correct)
# 将所有batch中的correct数加起来
total_correct += int(correct)
# total_number为测试的总样本数，也就是x_test的行数，shape[0]返回变量的行数
total_number += x_test.shape[0]
# 总的准确率等于total_correct/total_number
acc = total_correct / total_number
test_acc.append(acc)
print("Test_acc:", acc)
print("--------------------------")
# 绘制 loss 曲线
plt.title('Loss Function Curve') # 图片标题
plt.xlabel('Epoch') # x轴变量名称
plt.ylabel('Loss') # y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$") # 逐点画出trian_loss_results值并连线，连线图标是Loss
plt.legend() # 画出曲线图标
plt.show() # 画出图像
# 绘制 Accuracy 曲线
plt.title('Acc Curve') # 图片标题
plt.xlabel('Epoch') # x轴变量名称
plt.yls abel('Ac sc') # y轴变量名称
plt.plot(test_acc, label="$Accuracy$") # 逐点画出test_acc值并连线，连线图标是Accuracy
plt.legend()
plt.show()