Pytorch张量高阶操作
1.Broadcasting
Broadcasting能够实现Tensor自动维度增加（unsqueeze）与维度扩展（expand），以使两个Tensor的shape一致，从而完成某些操作，主要按照如下步骤进行：
- 从最后面的维度开始匹配（一般后面理解为小维度）；
- 在前面插入若干维度，进行unsqueeze操作；
- 将维度的size从1通过expand变到和某个Tensor相同的维度。
举例：
Feature maps：[4, 32, 14, 14]
Bias：[32, 1, 1]（Tip：后面的两个1是手动unsqueeze插入的维度）->[1, 32, 1, 1]->[4, 32, 14, 14]
32
匹配规则（从最后面的维度开始匹配）：
- if current dim=1，expand to same
- if either has no dim，insert one dim and expand to same
- otherwise，NOT broadcasting-able
A的维度[4, 32, 8]，B的维度[1]，[1]->[1, 1, 1]->[4, 32, 8]，对应情况1
A的维度[4, 32, 8]，B的维度[8]，[1]->[1, 1, 8]->[4, 32, 8]，对应情况2
A的维度[4, 32, 8]，B的维度[4]，对应情况3，不能broadcasting
2.拼接与拆分
cat拼接操作
- 功能：通过dim指定维度，在当前指定维度上直接拼接
- 默认是dim=0
- 指定的dim上，维度可以不相同，其他dim上维度必须相同，不然会报错
1 a1=torch.rand(4,3,32,32) 2 a2=torch.rand(5,3,32,32) 3 print(torch.cat([a1,a2],dim=0).shape) #torch.Size([9, 3, 32, 32]) 4 5 a3=torch.rand(4,1,32,32) 6 print(torch.cat([a1,a3],dim=1).shape) #torch.Size([4, 4, 32, 32]) 7 8 a4=torch.rand(4,3,16,32) 9 print(torch.cat([a1,a4],dim=2).shape) #torch.Size([4, 3, 48, 32])
stack拼接操作
- 与cat不同的是，stack是在拼接的同时，在指定dim处插入维度后拼接（create new dim）
-
stack需要保证两个Tensor的shape是一致的，这就像是有两类东西，它们的其它属性都是一样的（比如男的一张表，女的一张表）。使用stack时候要指定一个维度位置，在那个位置前会插入一个新的维度，因为是两类东西合并过来所以这个新的维度size是2，通过指定这个维度是0或者1来选择性别是男还是女。
- 默认dim=0
1 a1=torch.rand(4,3,32,32) 2 a2=torch.rand(4,3,32,32) 3 print(torch.stack([a1,a2],dim=1).shape) #torch.Size([4, 2, 3, 32, 32])
左边起第二个维度取0时，取上半部分即a1，左边起第二个维度取1时，取下半部分即a2 4 print(torch.stack([a1,a2],dim=2).shape) #torch.Size([4, 3, 2, 32, 32])
split分割操作
- 指定拆分dim
- 按长度拆分，给定拆分后的数据大小
1 c=torch.rand(3,32,8) 2 3 aa,bb=c.split([1,2],dim=0) 4 print(aa.shape,bb.shape) #torch.Size([1, 32, 8]) torch.Size([2, 32, 8]) 5 6 aa,bb,cc=c.split([1,1,1],dim=0) #或者写成aa,bb,cc=c.split(1,dim=0) 7 print(aa.shape,bb.shape,cc.shape) #torch.Size([1, 32, 8]) torch.Size([1, 32, 8]) torch.Size([1, 32, 8])
chunk分割操作
- chunk是在指定dim下按个数拆分，给定平均拆分的个数
- 如果给定个数不能平均拆分当前维度，则会取比给定个数小的，能平均拆分数据的，最大的个数
- dim默认是0
1 c=torch.rand(3,32,8) 2 d=torch.rand(2,32,8) 3 aa,bb=d.chunk(2,dim=0) 4 print(aa.shape,bb.shape) #torch.Size([1, 32, 8]) torch.Size([1, 32, 8]) 5 6 aa,bb=c.chunk(2,dim=0) 7 print(aa.shape,bb.shape) #torch.Size([2, 32, 8]) torch.Size([1, 32, 8])
3.基本运算
加法（a+b、torch.add(a,b)）
减法（a-b、torch.sub(a,b)）
乘法（*、torch.mul(a,b)）对应元素相乘
除法（/、torch.div(a,b)）对应元素相除，//整除
1 a = torch.rand(3, 4) 2 b = torch.rand(4) 3 4 c1 = a + b 5 c2 = torch.add(a, b) 6 print(c1.shape, c2.shape) #torch.Size([3, 4]) torch.Size([3, 4]) 7 print(torch.all(torch.eq(c1, c2))) #tensor(True)
矩阵乘法
torch.mm（only for 2d，不推荐使用）
torch.matmul（推荐）
@
1 a=torch.rand(2,1) 2 b=torch.rand(1,2) 3 print(torch.mm(a,b).shape) #torch.Size([2, 2]) 4 print(torch.matmul(a,b).shape) #torch.Size([2, 2]) 5 print((a@b).shape) #torch.Size([2, 2])
应用于矩阵降维
1 x=torch.rand(4,784) 2 w=torch.rand(512,784) #channel-out对应512，channel-in对应784 3 print((x@w.t()).shape) #torch.Size([4, 512]) Tip：.t()只适用于二维
多维矩阵相乘
对于高维的Tensor（dim>2），定义其矩阵乘法仅在最后的两个维度上，要求前面的维度必须保持一致，就像矩阵的索引一样并且运算操作符只有torch.matmul()。
1 a=torch.rand(4,3,28,64) 2 b=torch.rand(4,3,64,32) 3 print(torch.matmul(a,b).shape) #torch.Size([4, 3, 28, 32]) 4 5 c=torch.rand(4, 1, 64, 32) 6 print(torch.matmul(a,c).shape) #torch.Size([4, 3, 28, 32]) 7 8 d=torch.rand(4,64,32) 9 print(torch.matmul(a,d).shape) #报错
Tip：这种情形下的矩阵相乘，"矩阵索引维度"如果符合Broadcasting机制，也会自动做广播，然后相乘。
次方pow、**操作
1 a = torch.full([2, 2], 3) 2 b = a.pow(2) #也可以a**2 3 print(b) 4 #tensor([[9., 9.], 5 # [9., 9.]])
开方sqrt、**操作
1 #接上面 2 c = b.sqrt() #也可以a**(0.5) 3 print(c) 4 #tensor([[3., 3.], 5 # [3., 3.]]) 6 d = b.rsqrt() #平方根的倒数 7 print(d) 8 #tensor([[0.3333, 0.3333], 9 # [0.3333, 0.3333]])
指数exp与对数log运算
log是以自然对数为底数的，以2为底的用log2，以10为底的用log10。
1 a = torch.exp(torch.ones(2, 2)) #得到2*2的全是e的Tensor 2 print(a) 3 #tensor([[2.7183, 2.7183], 4 # [2.7183, 2.7183]]) 5 print(torch.log(a)) #取自然对数 6 #tensor([[1., 1.], 7 # [1., 1.]])
近似值运算
1 a = torch.tensor(3.14) 2 print(a.floor(), a.ceil(), a.trunc(), a.frac()) #取下,取上,取整数,取小数 3 #tensor(3.) tensor(4.) tensor(3.) tensor(0.1400) 4 b = torch.tensor(3.49) 5 c = torch.tensor(3.5) 6 print(b.round(), c.round()) #四舍五入tensor(3.) tensor(4.)
裁剪运算clamp
对Tensor中的元素进行范围过滤，不符合条件的可以把它变换到范围内部（边界）上，常用于梯度裁剪（gradient clipping），即在发生梯度离散或者梯度爆炸时对梯度的处理，实际使用时可以查看梯度的（L2范数）模来看看需不需要做处理：w.grad.norm(2)
1 grad = torch.rand(2, 3) * 15 #0~15随机生成 2 print(grad.max(), grad.min(), grad.median()) #tensor(12.9533) tensor(1.5625) tensor(11.1101) 3 4 print(grad) 5 #tensor([[12.7630, 12.9533, 7.6125], 6 # [11.1101, 12.4215, 1.5625]]) 7 print(grad.clamp(10)) #最小是10，小于10的都变成10 8 #tensor([[12.7630, 12.9533, 10.0000], 9 # [11.1101, 12.4215, 10.0000]]) 10 print(grad.clamp(3, 10)) #最小是3，小于3的都变成3;最大是10,大于10的都变成10 11 #tensor([[10.0000, 10.0000, 7.6125], 12 # [10.0000, 10.0000, 3.0000]])
4.统计属性
范数norm
Vector norm 和matrix norm区别
1 a=torch.full([8],1) 2 b=a.view(2,4) 3 c=a.view(2,2,2) 4 print(b) 5 #tensor([[1., 1., 1., 1.], 6 # [1., 1., 1., 1.]]) 7 print(c) 8 #tensor([[[1., 1.], 9 # [1., 1.]], 10 # [[1., 1.], 11 # [1., 1.]]]) 12 13 #求L1范数（所有元素绝对值求和） 14 print(a.norm(1),b.norm(1),c.norm(1)) #tensor(8.) tensor(8.) tensor(8.) 15 #求L2范数（所有元素的平方和再开根） 16 print(a.norm(2),b.norm(2),c.norm(2)) #tensor(2.8284) tensor(2.8284) tensor(2.8284) 17 18 # 在b的1号维度上求L1范数 19 print(b.norm(1, dim=1)) #tensor([4., 4.]) 20 # 在b的1号维度上求L2范数 21 print(b.norm(2, dim=1)) #tensor([2., 2.]) 22 23 # 在c的0号维度上求L1范数 24 print(c.norm(1, dim=0)) 25 #tensor([[2., 2.], 26 # [2., 2.]]) 27 # 在c的0号维度上求L2范数 28 print(c.norm(2, dim=0)) 29 #tensor([[1.4142, 1.4142], 30 # [1.4142, 1.4142]])
均值mean、累加sum、最小min、最大max、累积prod
最大值最小值索引argmax、argmin
1 b = torch.arange(8).reshape(2, 4).float() 2 print(b) 3 #均值,累加,最小,最大,累积 4 print(b.mean(), b.sum(), b.min(), b.max(), b.prod()) #tensor(3.5000) tensor(28.) tensor(0.) tensor(7.) tensor(0.) 5 6 #不指定维度，输出打平后的最小最大值索引 7 print(b.argmax(), b.argmin()) #tensor(7) tensor(0) 8 #指定维度1，输出每一行最大值所在的索引 9 print(b.argmax(dim=1)) #tensor([3, 3]) 10 #指定维度0，输出每一列最大值所在的索引 11 print(b.argmax(dim=0)) #tensor([1, 1, 1, 1])
Tip：上面的argmax、argmin操作默认会将Tensor打平后取最大值索引和最小值索引，如果不希望Tenosr打平，而是求给定维度上的索引，需要指定在哪一个维度上求最大值或最小值索引。
dim、keepdim
比方说shape=[4,10]，dim=1时，保留第0个维度，即max输出会有4个值。
1 a=torch.rand(4,10) 2 print(a.max(dim=1)) #返回结果和索引 3 # torch.return_types.max( 4 # values=tensor([0.9770, 0.8467, 0.9866, 0.9064]), 5 # indices=tensor([4, 2, 2, 4])) 6 print(a.argmax(dim=1)) #tensor([4, 2, 2, 4]) 7 8 print(a.max(dim=1,keepdim=True)) 9 # torch.return_types.max( 10 # values=tensor([[0.9770], 11 # [0.8467], 12 # [0.9866], 13 # [0.9064]]), 14 # indices=tensor([[4], 15 # [2], 16 # [2], 17 # [4]])) 18 print(a.argmax(dim=1,keepdim=True)) 19 # tensor([[4], 20 # [2], 21 # [2], 22 # [4]])
Tip：使用keepdim=True可以保持应有的dim，即仅仅是将求最值的那个dim的size变成了1，返回的结果是符合原Tensor语义的。
取前k大topk(largest=True)/前k小(largest=False)的概率值及其索引
第k小(kthvalue)的概率值及其索引
1 # 2个样本,分为10个类别的置信度 2 d = torch.randn(2, 10) 3 # 最大概率的3个类别 4 print(d.topk(3, dim=1)) 5 # torch.return_types.topk( 6 # values=tensor([[1.6851, 1.5693, 1.5647], 7 # [0.8492, 0.4311, 0.3302]]), 8 # indices=tensor([[9, 1, 4], 9 # [6, 2, 4]])) 10 11 # 最小概率的3个类别 12 print(d.topk(3, dim=1, largest=False)) 13 # torch.return_types.topk( 14 # values=tensor([[-1.2583, -0.7617, -0.4518], 15 # [-1.5011, -0.9987, -0.9042]]), 16 # indices=tensor([[6, 7, 2], 17 # [3, 1, 9]])) 18 19 # 求第8小概率的类别(一共10个那就是第3大，正好对应上面最大概率的3个类别的第3列) 20 print(d.kthvalue(8, dim=1)) 21 # torch.return_types.kthvalue( 22 # values=tensor([1.5647, 0.3302]), 23 # indices=tensor([4, 4]))
比较操作
>，>=，<，<=，!=，==
torch.eq(a,b)、torch.equal(a,b)
1 a=torch.randn(2,3) 2 b=torch.randn(2,3) 3 print(a>0) 4 print(torch.gt(a,0)) 5 # tensor([[False, True, True], 6 # [True, False, False]]) 7 8 9 print(torch.equal(a,a)) #True 10 print(torch.eq(a,a)) 11 # tensor([[True, True, True], 12 # [True, True, True]])
5.高阶操作
where
使用C=torch.where(condition,A,B)其中A,B,C,condition是shape相同的Tensor，C中的某些元素来自A，某些元素来自B，这由condition中对应位置的元素是1还是0来决定。如果condition对应位置元素是1，则C中的该位置的元素来自A中的该位置的元素，如果condition对应位置元素是0，则C中的该位置的元素来自B中的该位置的元素。
1 cond=torch.tensor([[0.6,0.1],[0.8,0.7]]) 2 3 a=torch.tensor([[1,2],[3,4]]) 4 b=torch.tensor([[4,5],[6,7]]) 5 print(cond>0.5) 6 # tensor([[ True, False], 7 # [ True, True]]) 8 print(torch.where(cond>0.5,a,b)) 9 # tensor([[1, 5], 10 # [3, 4]])
gather
torch.gather(input, dim, index, out=None)对元素实现一个查表映射的操作：
1 prob=torch.randn(4,10) 2 idx=prob.topk(dim=1,k=3) 3 print(idx) 4 # torch.return_types.topk( 5 # values=tensor([[ 1.6009, 0.7975, 0.6671], 6 # [ 1.0937, 0.9888, 0.7749], 7 # [ 1.1727, 0.6124, -0.3543], 8 # [ 1.1406, 0.8465, 0.6256]]), 9 # indices=tensor([[8, 5, 4], 10 # [6, 9, 8], 11 # [1, 3, 8], 12 # [6, 1, 3]])) 13 idx=idx[1] 14 15 label=torch.arange(10)+100 16 print(torch.gather(label.expand(4,10), dim=1, index=idx.long())) 17 # tensor([[108, 105, 104], 18 # [106, 109, 108], 19 # [101, 103, 108], 20 # [106, 101, 103]])
label=[[100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109],
[100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109],
[100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109],
[100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109]]
index=[[8, 5, 4],
[6, 9, 8],
[1, 3, 8],
[6, 1, 3]]
gather的含义就是利用index来索引input特定位置的数值。
补充scatter_
scatter_(dim, index, src)将src中数据根据index中的索引按照dim的方向填进input中
细节再补充。。。
