PyTorch/[PyTorch 学习笔记] 1.2 Tensor(张量)介绍

PyTorch/[PyTorch 学习笔记] 1.2 Tensor(张量)介绍

本章代码:

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、矩阵的高维扩展。

标量可以称为 0 维张量,向量可以称为 1 维张量,矩阵可以称为 2 维张量,RGB 图像可以表示 3 维张量。你可以把张量看作多维数组。


Tensor 与 Variable

在 PyTorch 0.4.0 之前,torch.autograd 包中存在 Variable 这种数据类型,主要是用于封装 Tensor,进行自动求导。Variable 主要包含下面几种属性。

  • data: 被包装的 Tensor。
  • grad: data 的梯度。
  • grad_fn: 创建 Tensor 所使用的 Function,是自动求导的关键,因为根据所记录的函数才能计算出导数。
  • requires_grad: 指示是否需要梯度,并不是所有的张量都需要计算梯度。
  • is_leaf: 指示是否叶子节点(张量),叶子节点的概念在计算图中会用到,后面详细介绍。


在 PyTorch 0.4.0 之后,Variable 并入了 Tensor。在之后版本的 Tensor 中,除了具有上面 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: 张量的形状。如 (64, 3, 224, 224)
  • device: 张量所在设备 (CPU/GPU),GPU 是加速计算的关键


关于 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 常用的类型是 integer-64-bit。


Tensor 创建的方法

直接创建 Tensor

torch.tensor()

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torch.tensor(data, dtype=None, device=None, requires_grad=False, pin_memory=False)
  • data: 数据,可以是 list,numpy
  • dtype: 数据类型,默认与 data 的一致
  • device: 所在设备,cuda/cpu
  • requires_grad: 是否需要梯度
  • pin_memory: 是否存于锁页内存

代码示例:

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arr = np.ones((3, 3))
print("ndarray的数据类型:", arr.dtype)
# 创建存放在 GPU 的数据
# t = torch.tensor(arr, device='cuda')
t= torch.tensor(arr)
print(t)

输出为:

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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 创建 tensor。利用这个方法创建的 tensor 和原来的 ndarray 共享内存,当修改其中一个数据,另外一个也会被改动。


代码示例:

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

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

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

输出为:

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

根据数值创建 Tensor

torch.zeros()

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

功能:根据 size 创建全 0 张量

  • size: 张量的形状
  • out: 输出的张量,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: 内存中布局形式,有 strided,sparse_coo 等。当是稀疏矩阵时,设置为 sparse_coo 可以减少内存占用。
  • device: 所在设备,cuda/cpu
  • requires_grad: 是否需要梯度

代码示例:

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out_t = torch.tensor([1])
# 这里制定了 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))

输出是:

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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

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

功能:根据 input 形状创建全 0 张量

  • input: 创建与 input 同形状的全 0 张量
  • dtype: 数据类型
  • layout: 内存中布局形式,有 strided,sparse_coo 等。当是稀疏矩阵时,设置为 sparse_coo 可以减少内存占用。

同理还有全 1 张量的创建方法:torch.ones()torch.ones_like()

torch.full(),torch.full_like()

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

功能:创建自定义数值的张量

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

代码示例:

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

输出为:

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

torch.arange()

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

功能:创建等差的 1 维张量。注意区间为[start, end)。

  • start: 数列起始值
  • end: 数列结束值,开区间,取不到结束值
  • step: 数列公差,默认为 1

代码示例:

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

输出为:

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

torch.linspace()

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

功能:创建均分的 1 维张量。数值区间为 [start, end]

  • start: 数列起始值
  • end: 数列结束值
  • steps: 数列长度 (元素个数)

代码示例:

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

输出为:

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

torch.logspace()

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

功能:创建对数均分的 1 维张量。数值区间为 [start, end],底为 base。

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

代码示例:

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

输出为:

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

torch.eye()

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

功能:创建单位对角矩阵( 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

根据概率创建 Tensor

torch.normal()

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

功能: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。这时需要设置 size。

    代码示例:

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

    输出为:

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    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:

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    # 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)

    输出为:

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

    这 4 个数采样分布的均值不同,但是方差都是 1。

  4. mean 为张量,std 为张量

    代码示例:

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    # 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)

    输出为:

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    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 \(N(1,1)\) 中采样得到的,其他数字以此类推。

torch.randn() 和 torch.randn_like()

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

功能:生成标准正态分布。

  • size: 张量的形状

torch.rand() 和 torch.rand_like()

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

功能:在区间 [0, 1) 上生成均匀分布。

torch.randint() 和 torch.randint_like()

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

功能:在区间 [low, high) 上生成整数均匀分布。

  • size: 张量的形状

torch.randperm()

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

功能:生成从 0 到 n-1 的随机排列。常用于生成索引。

  • n: 张量的长度

torch.bernoulli()

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

功能:以 input 为概率,生成伯努利分布 (0-1 分布,两点分布)

  • input: 概率值

参考资料


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