深度学习数据处理（一）

news2025/1/27 12:39:40

在PyTorch中，torch.Tensor是存储和变换数据的主要工具。如果你之前用过NumPy，你会发现Tensor和NumPy的多维数组非常类似。然而，Tensor提供GPU计算和自动求梯度等更多功能，这些使Tensor更加适合深度学习。

张量（tensor）是数学和物理学中的概念，它表示任意维度的数组或矩阵。在机器学习和人工智能领域，张量是存储和处理数据的基本数据结构。在深度学习中，张量是神经网络中传递和操作数据的基本单位。它可以是标量（0维张量）、向量（1维张量）、矩阵（2维张量）或更高维度的数组。张量不仅可以包含数字数据，还可以包含其他类型的数据，如字符串、图像等。通过张量，我们可以进行各种数学运算和变换，如加法、乘法、卷积等。深度学习框架如TensorFlow和PyTorch提供了丰富的张量操作函数和工具，使得处理和操作张量变得更加方便和高效。

创建`Tensor`

在使用深度学习框架（如TensorFlow或PyTorch）时，可以使用相应的函数来创建张量。以下是创建张量的一些常见方法：

使用给定值创建张量：

import tensorflow as tf

# 创建一个标量（0维张量）
scalar = tf.constant(5)

# 创建一个向量（1维张量）
vector = tf.constant([1, 2, 3])

# 创建一个矩阵（2维张量）
matrix = tf.constant([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 创建一个3维张量
tensor = tf.constant([[[1, 2], [3, 4]], [[5, 6], [7, 8]]])

使用随机值创建张量：

import tensorflow as tf

# 创建一个形状为(2, 3)的随机矩阵（2维张量）
random_matrix = tf.random.normal(shape=(2, 3))

# 创建一个形状为(3, 3)的随机矩阵（2维张量），数值范围在0到1之间
random_uniform = tf.random.uniform(shape=(3, 3), minval=0, maxval=1)

Tensor官方API

操作

数学运算：
- tf.add(x, y)：逐元素相加。
- tf.subtract(x, y)：逐元素相减。
- tf.multiply(x, y)：逐元素相乘。
- tf.divide(x, y)：逐元素相除。
- tf.square(x)：逐元素求平方。
- tf.sqrt(x)：逐元素求平方根。
- tf.exp(x)：逐元素求指数。
- tf.log(x)：逐元素求自然对数。
形状操作：
- tf.reshape(tensor, shape)：重新调整张量的形状。
- tf.transpose(tensor, perm=None)：交换张量的维度顺序。
- tf.expand_dims(input, axis=None)：在指定轴上扩展维度。
- tf.squeeze(input, axis=None)：压缩维度为1的轴。
- tf.concat(tensors, axis)：沿指定轴连接张量。
矩阵操作：
- tf.matmul(a, b)：矩阵相乘。
- tf.transpose(tensor, perm=None)：矩阵转置。
- tf.linalg.inv(tensor)：矩阵求逆。
逻辑运算：
- tf.equal(x, y)：逐元素比较是否相等。
- tf.not_equal(x, y)：逐元素比较是否不相等。
- tf.greater(x, y)：逐元素比较是否大于。
- tf.greater_equal(x, y)：逐元素比较是否大于等于。
- tf.less(x, y)：逐元素比较是否小于。
- tf.less_equal(x, y)：逐元素比较是否小于等于。
神经网络相关操作：
- tf.nn.relu(x)：ReLU（整流线性单元）激活函数。
- tf.nn.softmax(logits)：计算 softmax 函数。
- tf.nn.conv2d(input, filter, strides, padding)：二维卷积操作。

广播机制

广播（Broadcasting）是指在 TensorFlow 中，当两个张量在某些维度上的形状不匹配时，自动对其中一个或两个张量进行形状扩展，使它们的形状能够相互兼容，进而进行逐元素的操作。广播机制的目的是为了避免显式地复制数据，从而提高计算效率。以下是广播机制的规则：

如果两个张量在某个维度上的形状相等，或其中一个张量在该维度上的长度为1，则称它们在该维度上是可广播的。
当两个张量在某个维度上的形状不匹配时，可以通过对其中一个或两个张量在该维度上进行形状扩展，使它们的形状变得兼容，即满足广播机制的要求。
在广播过程中，会对形状较小的张量进行扩展，使其形状与形状较大的张量相匹配。扩展的方式是在形状较小的张量的形状前面添加维度长度为1的维度。

import tensorflow as tf

# 创建两个张量
a = tf.constant([[1, 2, 3]])
b = tf.constant([[4], [5], [6]])

# 形状不匹配，但是可以通过广播进行计算
# a 形状：(1, 3)
# b 形状：(3, 1)
# 广播后的形状：(3, 3)
result = a + b

print(result.numpy())
# 输出：
# [[5 6 7]
#  [6 7 8]
#  [7 8 9]]

`Tensor`和NumPy相互转换

使用numpy()将Tensor转换成NumPy数组:

a = torch.ones(5)
b = a.numpy()
print(a, b)

a += 1
print(a, b)
b += 1
print(a, b)

使用from_numpy()将NumPy数组转换成Tensor:

import numpy as np
a = np.ones(5)
b = torch.from_numpy(a)
print(a, b)

a += 1
print(a, b)
b += 1
print(a, b)

此外上面提到还有一个常用的方法就是直接用torch.tensor()将NumPy数组转换成Tensor，需要注意的是该方法总是会进行数据拷贝，返回的Tensor和原来的数据不再共享内存。

# 用torch.tensor()转换时不会共享内存
c = torch.tensor(a)
a += 1
print(a, c)

`Tensor` on GPU

用方法to()可以将Tensor在CPU和GPU（需要硬件支持）之间相互移动。

# 以下代码只有在PyTorch GPU版本上才会执行
if torch.cuda.is_available():
    device = torch.device("cuda")          # GPU
    y = torch.ones_like(x, device=device)  # 直接创建一个在GPU上的Tensor
    x = x.to(device)                       # 等价于 .to("cuda")
    z = x + y
    print(z)
    print(z.to("cpu", torch.double))       # to()还可以同时更改数据类型