[Python知识库]tensorflow基础

• TensorFlow是一个面向深度学习的计算库，内部数据保存在张量对象上，所有的运算操作也都是基于张量进行的。
• 复杂的神经网络本质上就是各种张量相乘、相加等基本操作的组合。

数据类型

数值型、字符串型、布尔型

1.数值型

标量（shape=()）、向量（shape=(n)）、矩阵（shape=(n,m)）、张量

注意，下面这两不一样：

print(tf.constant([2])) # 向量
print(tf.constant(2)) # 标量

1. 创建张量
   tf.constant([[1, 2], [3, 4]])
2. 打印张量时，不仅会有数据信息，还有dtype，shape的信息
3. 转换成numpy，使用numpy()方法
4. tf.is_tensor(a)
   判断是否是张量。

# 标量
a = tf.constant(1.2)
print(a)
print(type(a))
print(tf.is_tensor(a))  # 判断是否是tensor

x = tf.constant([1.2, 3.3])
print(x)

# 转换成numpy，使用numpy()方法
num_x = x.numpy()
print(num_x, type(num_x))

<class 'tensorflow.python.framework.ops.EagerTensor'>
True
tf.Tensor([1.2 3.3], shape=(2,), dtype=float32)
[1.2 3.3] <class 'numpy.ndarray'>

注意：如果要使用tensorflow提供的功能函数。就必须通过tf规定的方式去创建张量，不能用Python语言的标准变量创建方式。

2.字符串类型

在 tf.strings 模块中，提供了常见的字符串类型的工具函数，如小写化 lower()、拼接join()、长度 length()、切分 split()等。

s = tf.constant('Hello, Deep Learning!')
print(s)
# tf.strings模块提供了很多处理字符串的函数
print(tf.strings.lower(s))

tf.Tensor(b'Hello, Deep Learning!', shape=(), dtype=string)
tf.Tensor(b'hello, deep learning!', shape=(), dtype=string)

3.bool类型

注意：tf的bool类型和python的bool类型并不等价！！！数值比较可以，但是对象比较不行。

b = tf.constant(True)
print(b)
print(b == True)  # 数值比较，还是能判断的，结果是True
print(b is True)  # 结果是False

tf.Tensor(True, shape=(), dtype=bool)
tf.Tensor(True, shape=(), dtype=bool)
False

4.数值精度

常用的精度类型有 tf.int16、tf.int32、tf.int64、tf.float16、tf.float32、tf.float64 等。

对于大部分深度学习算法，一般使用 tf.int32 和 tf.float32 可满足大部分场合的运算精度要求，部分对精度要求较高的算法，如强化学习某些算法，可以选择使用 tf.int64 和tf.float64 精度保存张量。

可以使用dtype属性读取精度。

5.类型转换

对于不符合要求的张量的类型及精度，需要类型转换，使用 :
tf.cast 函数

# 转化为高精度张量
xx = tf.constant(np.pi, dtype=tf.float16)
print(xx)
yy = tf.cast(xx, tf.float64)
print(yy)

tf.Tensor(3.14, shape=(), dtype=float16)
tf.Tensor(3.140625, shape=(), dtype=float64)

注意：需要保证转换操作的合法性，例如将高精度的张量转换为低精度的张量时，可能发生数据溢出隐患：

aa = tf.constant([123456789], dtype=tf.int32)
bb = tf.cast(aa, tf.int8)
print(bb)

tf.Tensor([21], shape=(1,), dtype=int8)

待优化张量

为了区分需要优化和不需要优化的变量。
需要优化的变量要是 tf.Variable 数据类型，支持记录梯度信息。
在普通张量上加了name, trainable 等属性来支持计算图构建。

• name和trainable是Variable的特有属性，name 属性用于命名计算图中的变量，这套命名体系是 TensorFlow 内部维护的，一般不需要用户关注 name 属性；；trainable属性表征当前张量是否需要被优化，创建 Variable 对象时是默认启用优化标志，可以设置trainable=False 来设置张量不需要优化。

1. tf.Variable() 函数将普通张量转换为待优化张量

z = tf.constant([1, 2, 3.3])
vz = tf.Variable(z, trainable=False)  # 设置不需要被优化，默认是True
print(vz)
print(vz.name, vz.trainable)

<tf.Variable 'Variable:0' shape=(3,) dtype=float32, numpy=array([1. , 2. , 3.3], dtype=float32)>
Variable:0 False

2. tf.Variable()也可以直接创建

vv = tf.Variable([1, 2])

3. 普通张量其实也可以通过 GradientTape.watch()方法临时加入跟踪梯度信息的列表，从而支持自动求导功能

5.创建张量

tf.convert_to_tensor()
tf.constant()
都能够自动的把 Numpy 数组或者 Python 列表数据类型转化为 Tensor 类型.

tf.zeros()
tf.ones()

tf.zeros_like()
tf.ones_like()

tf.fill(shape, value): tf.fill([], -1) # 创建-1 的标量 / tf.fill([2,2], 99) # 创建 2 行 2 列，元素全为 99 的矩阵

创建已知分布的张量 :
tf.random.normal(shape, mean=0.0, stddev=1.0)

tf.random.uniform(shape, minval=0, maxval=None, dtype=tf.float32)可以创建采样自[minval, maxval)区间的均匀分布的张量。
如果需要均匀采样整形类型的数据，必须指定采样区间的最大值 maxval 参数，同时指 定数据类型为 tf.int*型：
tf.random.uniform([2,2],maxval=100,dtype=tf.int32)

创建序列：
tf.range(limit, delta=1)可以创建[0, limit)之间，步长为 delta 的整型序列，不包含 limit 本身。

6.张量典型应用

标量：误差值、准确度、精度、召回率
tf.keras.losses.mse(或 tf.keras.losses.MSE）返回每个样本上的误差值

向量：偏置b
通过高层接口类Dense()的方式创建网络层，张量W和b存储在类的内部，由类自动创建并管理。

# 创建一个全连接层对象
fc = layers.Dense(3)
# 通过build函数创建w，b张量，输入节点为4
fc.build(input_shape=(2, 4))
print(fc.bias)  # 查看偏置

<tf.Variable 'bias:0' shape=(3,) dtype=float32, numpy=array([0., 0., 0.], dtype=float32)>

可以发现 ，bias初始化为全0，这也是默认的初始化方式。
bias是Variable数据类型，因为它是待优化变量。

矩阵：
权值矩阵W

x = tf.random.normal([2, 4])
w = tf.ones([4, 3])
b = tf.zeros([3])
o = x @ w + b
print(o)
# 上面其实就是一个不带激活函数的全连接层，下面用Dense接口直接创建
fc = layers.Dense(3)
fc.build(input_shape=(2, 4))
print(fc.kernel)  # 查看权值矩阵w

tf.Tensor(
[[3.6994305 3.6994305 3.6994305]
 [0.3701757 0.3701757 0.3701757]], shape=(2, 3), dtype=float32)
<tf.Variable 'kernel:0' shape=(4, 3) dtype=float32, numpy=
array([[-0.01163948,  0.28521907, -0.06265694],
       [-0.42561263,  0.9115014 ,  0.67937183],
       [-0.48957258, -0.55697334, -0.39781886],
       [ 0.39810383,  0.85386693, -0.6553062 ]], dtype=float32)>

三维张量：
三维的张量一个典型应用是表示序列信号

四维张量：
卷积神经网络用的多。
[b,h,w,c]: b表示batch、h表示图片高、w表示图片宽、c表示图片通道数，一般是1 or 3；1就是灰度图片，3就是RGB三通道图片。

创建卷积层的简单例子：

x = tf.random.normal([4, 32, 32, 3])  # 4张32x32的3通道图片
layer = layers.Conv2D(16, kernel_size=3)  # 第一个参数表示特征映射的数量
# 前向传播
out = layer(x)
print(out)
print(out.shape)

索引与切片

print("---------------------------------")
x = tf.random.normal([4, 32, 32, 3])
print(x[0])  # 32, 32, 3
print(x[0][5])  # 32, 3
print(x[0, 1:6:2, :, 0])  # 3, 32

• 特别地，step 可以为负数，考虑最特殊的一种例子，当step = ?1时，start: end: ?1表示从 start 开始，逆序读取至 end 结束(不包含 end)，索引号𝑒𝑛𝑑 ≤ 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡。
  

维度变换

reshape、插入新维度 expand_dims，删除维度 squeeze、交换维度 transpose、复制数据 tile 等函数。

改变视图：
张量的存储体现在张量在内存上保存为一段连续的内存区域，对于同样的存储，我们可以有不同的理解方式。
比如 shape 为[2,4,4,3]的张量𝑨，可以理解为 2 张图片，每张图片 4 行 4 列，每个位置有 RGB 3 个通道的数据；还理解为 2个样本，每个样本的特征为长度 48 的向量。
如果新的逻辑结构不需要改变数据的存储方式，就可以节省大量计算资源，这也是改变视图操作的优势。

所以tf.reshape只是从观察角度改变张量的形状，不改变内存。

x = tf.range(100)
y = tf.reshape(x, [2, 25, 2])

注意：由于只是从观察视角改变形状，x和y共享内存，y改变，x也会改变。 ？?不太确定

增、删维度

通过 tf.expand_dims(x, axis)可在指定的 axis 轴前可以插入一个新的维度：

x = tf.random.normal([28, 28])
y = tf.expand_dims(x, axis=2)
print(y.shape)

(28, 28, 1)

是增加维度的逆操作，与增加维度一样，删除维度只能删除长度为 1 的维度，也不会改变张量的存储。

# 删除维度
z = tf.squeeze(y, axis=2)
print(z.shape)

(28, 28)

如果不指定维度参数 axis，即 tf.squeeze(x)，那么它会默认删除所有长度为 1 的维度。
建议使用 tf.squeeze()时逐一指定需要删除的维度参数，防止 TensorFlow 意外删除某些长度为 1 的维度，导致计算结果不合法。

交换维度

tf.transpose(x, perm)函数完成维度交换操作。，其中参数 perm表示新维度的顺序 List。
比如在 TensorFlow 中，图片张量的默认存储格式是通道后行格式：[𝑏, ?,w , 𝑐]，但是部分库的图片格式是通道先行格式：[𝑏, 𝑐, ?,w ]，因此需要完成[𝑏, ?, , 𝑐]到[𝑏, 𝑐, ?, w]维度交换运算，考虑图片张量 shape 为[2,32,32,3]，“图片数量、行、列、通道数”的维度索引分别为 0、1、2、3，如果需要交换为[𝑏, 𝑐, ?, w]格式，则新维度的排序为“图片数量、通道数、行、列”，对应的索引号为[0,3,1,2]，因此参数 perm 需设置为[0,3,1,2]。

需要注意的是，通过 tf.transpose 完成维度交换后，张量的存储顺序已经改变，视图也随之改变，后续的所有操作必须基于新的存续顺序和视图进行。相对于改变视图操作，维度交换操作的计算代价更高。

x = tf.random.normal([2, 24, 24, 3])  # [b,h,w,c]
y = tf.transpose(x, [0, 3, 1, 2])  # [b,c,h,w]

复制数据

tf.tile(x, multiples)函数完成数据在指定维度上的复制操作，multiples 分别指定了每个维度上面的复制倍数。
例子：
线性回归$Y=X@W+b$中，b的维度和$X@W$不匹配，需要对b进行复制：1.先将向量b转换成矩阵2.再使用tile复制几行b（行数和样本数匹配）：

b = tf.constant([1, 2, 3])
b = tf.expand_dims(b, axis=0)  # 扩展成矩阵，（1，3）
b = tf.tile(b, multiples=[3, 1])  # 复制三行b
print(b)

tf.Tensor(
[[1 2 3]
 [1 2 3]
 [1 2 3]], shape=(3, 3), dtype=int32)

但是，实际上，我们不需要做增加维度和复制的工作，tensor的广播机制会帮我们完成。
需要注意的是，tf.tile 会创建一个新的张量来保存复制后的张量，由于复制操作涉及大量数据的读写 IO 运算，计算代价相对较高。

Broadcasting★

是一种轻量级的张量复制手段，逻辑上扩展张量数据的形状，但只有在需要的时候才会执行实际的复制手段。
broadcasting 和 tile 的区别：
tile: 会创建一个新的张量，执行复制IO操作，并保存复制后的张量数据。
broadcasting：避免实际复制数据，最终效果同tile，大大节省了计算资源，计算过程尽可能使用。

broadcasting会在运算时自动实现，也可以手动使用函数 tf.broadcast_to(x, new_shape)实现：

y = x@w + tf.broadcast_to(b,[2,3]) # 手动扩展，并相加

Broadcasting的核心思想是：普适性
有关Broadcasting的具体规则，见书。

数学运算

加、减、乘、除是最基本的数学运算，分别通过 tf.add, tf.subtract, tf.multiply, tf.divide函数实现，TensorFlow 已经重载了**+、 ? 、 ? 、/运算符，一般推荐直接使用运算符来完成加、减、乘、除运算。
整除和余除也是常见的运算之一，分别通过//和%运算符实现。
通过 tf.pow(x, a)可以方便地完成𝑦 =x^𝑎的乘方运算，也可以通过运算符实现 x?? 𝑎运 算

数e^𝑥，可以通过 **tf.exp(x)**实现

数log_e x可以通过 tf.math.log(x)

矩阵相乘运算：

1. 使用@运算符
2. 通过 tf.matmul(a, b)函数。
   注：
   TensorFlow 中的矩阵相乘可以使用批量方式，也就是张量𝑨和𝑩的维度数可以大于 2。当张量𝑨和𝑩维度数大于 2 时，TensorFlow 会选择𝑨和𝑩的最后两个维度进行矩阵相乘，前面所有的维度都视作Batch 维度。

矩阵相乘同样适用于广播机制：

会自动将b扩展成[4,32,16]

前向传播实战

print("前向传播---------------")
## 前向传播实战
(x, y), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
# 转换从成tensor
x = tf.convert_to_tensor(x, dtype=tf.float32)
y = tf.convert_to_tensor(y, dtype=tf.int32)
with tf.GradientTape() as tape:
    # 初始化参数
    w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([784, 256], stddev=0.1))
    b1 = tf.Variable(tf.zeros([256]))
    w2 = tf.Variable(tf.random.normal([256, 128], stddev=0.1))
    b2 = tf.Variable(tf.zeros([128]))
    w3 = tf.Variable(tf.random.normal([128, 10], stddev=0.1))
    b3 = tf.Variable(tf.zeros(10))
    # 将x展平，适应于全连接网络
    x = tf.reshape(x, [-1, 28 * 28])

    # 前向传播，计算损失函数
    h1 = x @ w1 + b1
    h1 = tf.nn.relu(h1)
    h2 = h1 @ w2 + b2
    h2 = tf.nn.relu(h2)
    out = h2 @ w3 + b3

    # 将y独热编码
    y = tf.one_hot(y, depth=10)
    # 损失
    loss = tf.square(y, out)
    loss = tf.reduce_mean(loss)
# 获取梯度
grads = tape.gradient(loss, [w1, b1, w2, b2, w3, b3])
lr = 0.01
w1.assign_sub(lr*grads[0])
b3.assign_sub(lr*grads[-1])