Tensorflow2.0笔记04——Tensorflow常用函数
Tensorflow2.0笔记
本博客为Tensorflow2.0学习笔记，感谢北京大学微电子学院曹建老师
3 Tensorflow2.0 基本概念与常见函数
3.2 常用函数
(1) 利用 tf.cast (张量名，dtype=数据类型)强制将 Tensor 转换为该数据类型； 利用tf.reduce_min (张量名)计算张量维度上元素的最小值；利用tf.reduce_max (张量名)计算张量维度上元素的最大值。举例如下：
x1 = tf.constant ([1., 2., 3.], dtype=tf.float64)
print(x1)
x2 = tf.cast (x1, tf.int32)
print(x2)
print (tf.reduce_min(x2), tf.reduce_max(x2))
输出结果：
tf.Tensor([1. 2. 3.], shape=(3,), dtype=float64)
tf.Tensor([1 2 3], shape=(3,), dtype=int32)
tf.Tensor(1, shape=(), dtype=int32)
tf.Tensor(3, shape=(), dtype=intt32)
(2) 可用 tf.reduce_mean (张量名，axis=操作轴)计算张量沿着指定维度的平均值；可用 f.reduce_sum (张量名，axis=操作轴)计算张量沿着指定维度的和，如不指定 axis，则表示对所有元素进行操作。其中维度可按图 3.1 理解。
由上图可知对于一个二维张量，如果 axis=0 表示纵向操作(沿经度方向) ，axis=1 表示横向操作(沿纬度方向)。举例如下：
x=tf.constant( [ [ 1, 2,3],[2, 2, 3] ] )
print(x)
print(tf.reduce_mean( x ))
print(tf.reduce_sum( x, axis=1 ))
输出结果：
tf.Tensor([[1 2 3] [2 2 3]], shape=(2, 3), dtype=int32)
tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int32) ( 对 所 有 元 素 求 均 值 )
tf.Tensor([6 7], shape=(2,), dtype=int32) (横向求和，两行分别为 6 和 7)
(3) 可利用 tf.Variable(initial_value,trainable,validate_shape,name)函数可以将变量标记为“可训练”的，被它标记了的变量，会在反向传播中记录自己的梯度信息。其中 initial_value 默认为 None，可以搭配 tensorflow 随机生成函数来初始化参数；trainable 默认为 True，表示可以后期被算法优化的，如果不想该变量被优化，即改为 False；validate_shape 默认为 True，形状不接受更改，如果需要更改，validate_shape=False；name 默认为 None，给变量确定名称。举例如下：
w = tf.Variable(tf.random.normal([2, 2], mean=0, stddev=1))，表示首先随机生成正态分布随机数，再给生成的随机数标记为可训练，这样在反向传播中就可以通过梯度下降更新参数 w 了。
(4) 利用 TensorFlow 中函数对张量进行四则运算。利用 tf.add (张量 1,张量2)实现两个张量的对应元素相加；利用 tf.subtract (张量 1,张量 2)实现两个张量的对应元素相减；利用 tf.multiply (张量 1,张量 2)实现两个张量的对应元素相乘； 利用 tf.divide (张量 1,张量 2)实现两个张量的对应元素相除。注：只有维度相同的张量才可以做四则运算，举例如下：
a = tf.ones([1, 3])
b = tf.fill([1, 3], 3.)
print(a)
print(b)
print(tf.add(a,b))
print(tf.subtract(a,b))
print(tf.multiply(a,b))
print(tf.divide(b,a))
输出结果：
tf.Tensor([[1. 1. 1.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
tf.Tensor([[3. 3. 3.]], shape=(1, 3), dtype=float32
tf.Tensor([[4. 4. 4.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
tf.Tensor([[-2. -2. -2.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
tf.Tensor([[3. 3. 3.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
tf.Tensor([[3. 3. 3.]], shape=(1, 3), dtype=float32)
(5) 利用 TensorFlow 中函数对张量进行幂次运算。可用 tf.square (张量名)计算某个张量的平方；利用 tf.pow (张量名，n 次方数)计算某个张量的 n 次方；利用 tf.sqrt (张量名)计算某个张量的开方。举例如下：
a = tf.fill([1, 2], 3.)
print(a)
print(tf.pow(a, 3))
print(tf.square(a))
print(tf.sqrt(a))
输出结果：
tf.Tensor([[3. 3.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
tf.Tensor([[27. 27.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
tf.Tensor([[9. 9.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
tf.Tensor([[1.7320508 1.7320508]], shape=(1, 2), dtype=float32)
(6) 可利用 tf.matmul(矩阵 1，矩阵 2)实现两个矩阵的相乘。举例如下：
a = tf.ones([3, 2])b = tf.fill([2, 3], 3.)print(tf.matmul(a, b))
输出结果：
tf.Tensor([[6. 6. 6.] [6. 6. 6.] [6. 6. 6.]], shape=(3, 3), dtype=float32)
即 a为一个 3 行 2 列的全 1 矩阵，b 为 2 行 3 列的全 3 矩阵，二者进行矩阵相乘。
(7) 可利用 tf.data.Dataset.from_tensor_slices((输入特征, 标签))切分传入张量的第一维度，生成输入特征/标签对，构建数据集，此函数对 Tensor 格式与 Numpy 格式均适用，其切分的是第一维度，表征数据集中数据的数量，之后切分 batch 等操作都以第一维为基础。举例如下：
features = tf.constant([12,23,10,17])labels = tf.constant([0, 1, 1, 0])dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((features, labels)) print(dataset)for element in dataset: print(element)
输出结果：
<TensorSliceDataset shapes: ((),()), types: (tf.int32, tf.int32))>(<tf.Tensor: id=9, shape=(), dtype=int32, numpy=12>, <tf.Tensor: id=10, shape=(), dtype=int32, numpy=0>)(<tf.Tensor: id=11, shape=(), dtype=int32, numpy=23>, <tf.Tensor: id=12, shape=(), dtype=int32, numpy=1>)(<tf.Tensor: id=13, shape=(), dtype=int32, numpy=10>, <tf.Tensor: id=14, shape=(), dtype=int32, numpy=1>)(<tf.Tensor: id=15, shape=(), dtype=int32, numpy=17>, <tf.Tensor: id=16, shape=(), dtype=int32, numpy=0>)
即将输入特征 12 和标签 0 对应，产生配对；将输入特征 23 和标签 1 对应，产生配对……
(8) 可利用 tf.GradientTape( )函数搭配 with 结构计算损失函数在某一张量处的梯度，举例如下：
with tf.GradientTape( ) as tape: w = tf.Variable(tf.constant(3.0)) loss = tf.pow(w,2)grad = tape.gradient(loss,w)print(grad)
输出结果：
tf.Tensor(6.0, shape=(), dtype=float32)
在上例中，损失函数为 w^2 ，w 当前取值为 3，故计算方式为
(9) 可利用 enumerate(列表名)函数枚举出每一个元素，并在元素前配上对应的索引号，常在 for 循环中使用。举例如下：
seq = ['one', 'two', 'three']for i, element in enumerate(seq): print(i, element)
输出结果：
0 one1 two2 three
(10) 可用 tf.one_hot(待转换数据，depth=几分类)函数实现用独热码表示标签， 在分类问题中很常见。标记类别为为 1 和 0，其中 1 表示是，0 表示非。如在鸢尾花分类任务中，如果标签是 1，表示分类结果是 1 杂色鸢尾，其用把它用独热码表示就是 0,1,0，这样可以表示出每个分类的概率：也就是百分之 0 的可能是 0 狗尾草鸢尾，百分百的可能是 1 杂色鸢尾，百分之 0 的可能是弗吉尼亚鸢尾。举例如下：
classes = 3labels = tf.constant([1,0,2])output = tf.one_hot( labels, depth=classes ) print(output)
输出结果：
tf.Tensor([[0. 1. 0.] [1. 0. 0.] [0. 0. 1.]], shape=(3, 3), dtype=float32)
索引从 0 开始，待转换数据中各元素值应小于 depth，若带转换元素值大于等于depth，则该元素输出编码为 [0, 0 … 0, 0]。即 depth 确定列数，待转换元素的个数确定行数。举例如下：
classes = 3abels = tf.constant([1,4,2]) # 输入的元素值 4 超出 depth-1 output = tf.one_hot(labels,depth=classes)print(output)
输出结果：
tf.Tensor([[0. 1. 0.] [0. 0. 0.] [0. 0. 1.]], shape=(3, 3), dtype=float32)
即元素 4 对应的输出编码为[0. 0. 0.]。
(11) 可利用 tf.nn.softmax( )函数使前向传播的输出值符合概率分布，进而与独热码形式的标签作比较，其计算公式为
在前一部分，我们得到了前向传播的输出值，分别为 1.01、2.01、-0.66，通过上述计算公式，可计算对应的概率值：
上式中，0.256 表示为 0 类鸢尾的概率是 25.6%，0.695 表示为 1 类鸢尾的概率是69.5%，0.048 表示为 2 类鸢尾的概率是 4.8%。程序实现如下：
y = tf.constant ( [1.01, 2.01, -0.66] )y_pro = tf.nn.softmax(y)print("After softmax, y_pro is:", y_pro)
输出结果：After softmax, y_pro is:
tf.Tensor([0.25598174 0.69583046 0.0481878], shape=(3,), dtype=float32)与上述计算结果相同。
(12) 可利用 assign_sub 对参数实现自更新。使用此函数前需利用 tf.Variable定义变量 w 为可训练(可自更新)，举例如下：
w = tf.Variable(4) w.assign_sub(1) print(w)
输出结果：<tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=3> 即实现了参数w 自减 1。注：直接调用 tf.assign_sub 会报错，要用 w.assign_sub。
(13) 可利用 tf.argmax (张量名,axis=操作轴)返回张量沿指定维度最大值的索引，维度定义与图 3.1 一致。举例如下：
import numpy as nptest = np.array([[1, 2, 3], [2, 3, 4], [5, 4, 3], [8, 7, 2]])print(test)print( tf.argmax (test, axis=0)) # 返回每一列（经度）最大值的索引print( tf.argmax (test, axis=1)) # 返回每一行（纬度）最大值的索引
输出结果：
[[1 2 3] [2 3 4] [5 4 3] [8 7 2]]
tf.Tensor([3 3 1], shape=(3,), dtype=int64)
tf.Tensor([2 2 0 0], shape=(4,), dtype=int64)
