PyTorch中张量的创建和常用方法

       张量(Tensor)对象是我们在实际使用PyTorch的过程中操作的基本数据类型。PyTorch中定义了适用深度学习的基本数据结构——张量,以及张量的各类计算。其实也相当于NumPy中定义的Array和对应的科学计算方法。张量的概念并非PyTorch独有,基本上通用的深度学习框架都拥有张量这一类数据结构,但不同的深度学习框架中张量的定义和使用方法都略有差别。而张量作为数组的衍生概念,其本身的定义和使用方法和Numpy中的Array非常类似,甚至我们可以直接使用Numpy中的Array来进行操作复现一些简单的神经网络算法场景,但写一些更复杂的神经网络则会非常复杂,并且Array数据结构本身也不支持GPU运行。

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import torch

查看版本号:

torch.__version__

1 张量的创建方法

        张量的最基本的创建方法和Numpy中创建Array的格式一致,都是创建函数(序列)的格式张量创建函数:torch.tensor()

#通过列表创建函数

t = torch.tensor([1,2])

# 创建的张量t为 tensor([1,2])

#通过元组创建张量

torch.tensor((1, 2))

#通过数组创建张量

import numpy as np

a = np.array((1,2))

t1 = torch.tensor(a)

#创建的张量t为 tensor([1,2],dtype=torch.int32)

#张量和数组类似,都拥有dtype方法,可返回张量类型

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 注意:整数型的数组默认创建int32(整型)类型,而张量默认创建int64(长整型)类型。

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注意:创建浮点型数组时,Array默认创建的是float64(双精度浮点型),张量默认是float32(单精度浮点型)。

除了数值型张量,常用的常量类型还有布尔型张量。

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我们还可以通过dtype参数,在创建张量过程中设置输出结果。

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       零维张量可视为拥有张量属性的单独一个数。张量可以存在GPU上,但Python原生的数值型对象不行,零维张量可以存在GPU上。从学术名称来说,Python中单独一个数是scalars(标量),而零维的张量则是tensor。

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       一般来说,三维及三维以上的张量,我们就将其称为高维张量。N维张量的创建方法,我们可以先创建M个N-1维的数组,然后将其拼成一个N维的张量。

2 张量类型的转化

 和NumPy中array相同,当张量各元素属于不同类型时,系统会自动进行隐式转化。

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我们还可以使用.float()、.int()等方法对张量类型进行转化。

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3 张量的维度和形变

张量常用的一些函数/方法如下:

t = torch.tensor([1,2])

1)使用ndim属性查看张量的维度

 t.ndim       

# 1

2)使用shape属性查看形状

t.shape

# torch.Size([2])

3)和size函数相同

t.size()

#torch.Size([2])

:和NumPy不同,PyTorch中size方法返回结果和shape属性返回结果一致。

4)使用len函数返回张量拥有的(N-1)维元素的个数

len(t)

#  3

5)使用numel函数返回张量中元素的总数

t.numel()

# 2

:一维张量的len和numel返回结果相同,但更高维度的张量则不然。

如:t1= torch.tensor([[1,2],[3,4]])

       #  tensor([[1,2],

                        [3,4]])

       len(t1)               

       # 2 

       t1.numel()         

       # 4

    张量作为数字的结构化集合,其结构也是可以根据实际需求灵活调整的。

6)flatten函数可以将任意维度张量转化为一维张量

t1.flatten()

# tensor([1,2,3,4])   按行排列,拉平。

:如果将零维张量使用flatten,则会将其转化为一维张量。

      t0 = torch.tensor(1)   

      #  tensor(1)

      t0.flatten()

      #  tensor([1])

      t0.flatten().ndim

      # 1

7)可以用reshape方法任意变形

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注意:reshape过程中维度的变化,reshape转化后的维度由该方法输入的参数“个数”决定。

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4 特殊张量的创建方法

在很多数值科学计算的过程中,都会创建一些特殊取值的张量,用于模拟特殊取值的矩阵,如全0矩阵、对角矩阵等。

1)全0张量

torch.zeros([2,3])

# tensor([[0.,0.,0.],

               [0.,0.,0.]])

:由于zeros就已经确定了张量元素取值,因此该函数传入的参数实际上是决定了张量的形状。

2)单位矩阵

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3)对角矩阵

略有特殊的是,在PyTorch中,需要利用一维张量去创建对角矩阵,不能使用list直接创建对角矩阵。

t = torch.tensor([1,2])

torch.diag(t)

# tensor([[1,0],

               [0,2]])

4) rand:服从0-1均匀分布的张量

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5) randn:服从标准正态分布的张量

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 6)normal:服从指定正态分布的张量

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7) randint:整数随机采样结果

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 8)arange/linspace:生成数列

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 9)empty:生成未初始化的指定形状矩阵

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10)full:根据指定形状,填充指定数值

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11)我们还能根据指定对象的形状进行数值填充,只需要在上述函数后面加上_like即可。

t1 = torch.tensor([1,2])

t2 = torch.tensor([[1,2],[3,4]])

torch.full_like(t1,2)     

# 根据t1形状,填充数值2

#tensor([2,2])

torch.randint_like(t2,1,10)

# tensor([[4,8],

               [5,8]])

torch.zeros_like(t1)

# tensor([0,0])

:__like类型转化需要注意转化前后数据类型一致的问题,类型不一致将会报错。

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 5 张量和其他相关类型之间的转化方法

       张量、数组和列表是较为相似的三种类型对象,在实际操作过程中,经常会涉及三种对象的相互转化。在此前张量的创建过程中,我们看到torch.tensor函数可以直接将数组或者列表转化为张量,而我们也可以将张量转化为数组或者列表。前面介绍了0维张量的概念,此处也将进一步给出零维张量和数值对象的转化方法。

1).numpy方法:张量转化为数组

t1 = torch.tensor([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10])

# tensor([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10])

t1.numpy()

# array([ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], dtype=int64)

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2) .tolist方法:张量转化为列表

t1.tolist()

# [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

3) .list函数:张量转化为列表

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:此时转化的列表是由一个个零维张量构成的列表,而非张量的数值组成的列表。

 4).item()方法:转化为数值

       很多时候,我们需要将最终计算的结果张量转化为单独的数值进行输出,此时需要使用.tem方法来执行。

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6 张量的深拷贝

      Python 中其他对象类型一样,等号赋值操作实际上是浅拷贝,需要进行深拷贝,则需要使用clone方法。

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       此处,t1和t11二者指向相同的对象,而要使得t11不随t1对象改变而改变,则需要对t11进行深拷贝,从而使得t11单独拥有一份对象。

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