作者|Orhan G. Yalçın
编译|VK
来源|Towards Datas Science
如果你正在读这篇文章，我相信我们有着相似的兴趣，现在/将来也会从事类似的行业。
在这篇文章中，我们将深入研究Tensorflow Tensor的细节。我们将在以下五个简单步骤中介绍与Tensorflow的Tensor中相关的所有主题：
- 第一步：张量的定义→什么是张量？
- 第二步：创建张量→创建张量对象的函数
- 第三步：张量对象的特征
- 第四步：张量操作→索引、基本张量操作、形状操作、广播
- 第五步：特殊张量
张量的定义：什么是张量
张量是TensorFlow的均匀型多维数组。它们非常类似于NumPy数组，并且它们是不可变的，这意味着一旦创建它们就不能被更改。只能使用编辑创建新副本。
让我们看看张量如何与代码示例一起工作。但是首先，要使用TensorFlow对象，我们需要导入TensorFlow库。我们经常将NumPy与TensorFlow一起使用，因此我们还可以使用以下行导入NumPy：
import tensorflow as tf
import numpy as np张量的创建：创建张量对象
有几种方法可以创建tf.Tensor对象。让我们从几个例子开始。可以使用多个TensorFlow函数创建张量对象，如下例所示：
# 你可以用tf.constant函数创建tf.Tensor对象:
x = tf.constant([[1, 2, 3, 4 ,5]])
# 你可以用tf.ones函数创建tf.Tensor对象:
y = tf.ones((1,5))
# 你可以用tf.zeros函数创建tf.Tensor对象:
z = tf.zeros((1,5))
# 你可以用tf.range函数创建tf.Tensor对象:
q = tf.range(start=1, limit=6, delta=1)
print(x)
print(y)
print(z)
print(q)输出：
tf.Tensor([[1 2 3 4 5]], shape=(1, 5), dtype=int32)
tf.Tensor([[1. 1. 1. 1. 1.]], shape=(1, 5), dtype=float32)
tf.Tensor([[0. 0. 0. 0. 0.]], shape=(1, 5), dtype=float32)
tf.Tensor([1 2 3 4 5], shape=(5,), dtype=int32)如你所见，我们使用三个不同的函数创建了形状(1,5)的张量对象，使用tf.range()函数创建了形状(5,)的第四个张量对象。注意,tf.ones的和tf.zeros接受形状作为必需的参数，因为它们的元素值是预先确定的。
张量对象的特征
tf.Tensor创建对象，它们有几个特征。首先，他们有维度数量。其次，它们有一个形状，一个由维度的长度组成的列表。所有张量都有一个大小，即张量中元素的总数。最后，它们的元素都被记录在一个统一的数据类型（datatype）中。让我们仔细看看这些特征。
维度
张量根据其维数进行分类：
- Rank-0（标量）张量：包含单个值且没有轴的张量（0维）；
- Rank-1张量：包含单轴（一维）值列表的张量；
- Rank-2张量：包含2个轴（2维）的张量；以及
- Rank-N张量：包含N轴的张量（三维）。
例如，我们可以通过向tf.constant传递一个三层嵌套的list对象来创建一个Rank-3张量。对于这个例子，我们可以将数字分割成一个3层嵌套的列表，每个层有3个元素:
three_level_nested_list = [[[0, 1, 2],
[3, 4, 5]],
[[6, 7, 8],
[9, 10, 11]] ]
rank_3_tensor = tf.constant(three_level_nested_list)
print(rank_3_tensor)Output:
tf.Tensor( [[[ 0 1 2]
[ 3 4 5]]
[[ 6 7 8]
[ 9 10 11]]],
shape=(2, 2, 3), dtype=int32)我们可以查看“rank_3_tensor”对象当前具有“.ndim”属性的维度数。
tensor_ndim = rank_3_tensor.ndim
print("The number of dimensions in our Tensor object is", tensor_ndim)Output:
The number of dimensions in our Tensor object is 3形状
形状特征是每个张量都具有的另一个属性。它以列表的形式显示每个维度的大小。我们可以查看使用.shape属性创建的rank_3_tensor对象的形状，如下所示：
tensor_shape = rank_3_tensor.shape
print("The shape of our Tensor object is", tensor_shape)Output:
The shape of our Tensor object is (2, 2, 3)如你所见，我们的张量在第一层有两个元素，第二层有两个元素，第三层有三个元素。
大小
大小是张量的另一个特征，它意味着张量有多少个元素。我们不能用张量对象的属性来测量大小。相反，我们需要使用tf.size函数。最后，我们将使用实例函数.NumPy（）将输出转换为NumPy，以获得更具可读性的结果：
tensor_size = tf.size(rank_3_tensor).numpy()
print("The size of our Tensor object is", tensor_size)Output:
The size of our Tensor object is 12数据类型
张量通常包含数字数据类型，如浮点和整数，但也可能包含许多其他数据类型，如复数和字符串。
但是，每个张量对象必须将其所有元素存储在一个统一的数据类型中。因此，我们还可以使用.dtype属性查看为特定张量对象选择的数据类型，如下所示：
tensor_dtype = rank_3_tensor.dtype
print("The data type selected for this Tensor object is", tensor_dtype)Output:
The data type selected for this Tensor object is <dtype: 'int32'>张量运算
索引
索引是项目在序列中位置的数字表示。这个序列可以引用很多东西：一个列表、一个字符串或任意的值序列。
TensorFlow还遵循标准的Python索引规则，这类似于列表索引或NumPy数组索引。
关于索引的一些规则：
- 索引从零（0）开始。
- 负索引（“-n”）值表示从末尾向后计数。
- 冒号（“：”）用于切片：开始：停止：步骤。
- 逗号（“，”）用于达到更深层次。
让我们用以下几行创建rank_1_tensor：
single_level_nested_list = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]
rank_1_tensor = tf.constant(single_level_nested_list)
print(rank_1_tensor)Output:
tf.Tensor([ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11],
shape=(12,), dtype=int32)测试一下我们的规则1，2，3：
# 规则1，索引从0开始
print("First element is:",
rank_1_tensor[0].numpy())
# 规则2，负索引
print("Last element is:",
rank_1_tensor[-1].numpy())
# 规则3，切片
print("Elements in between the 1st and the last are:",
rank_1_tensor[1:-1].numpy())Output:
First element is: 0
Last element is: 11
Elements in between the 1st and the last are: [ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10]现在，让我们用以下代码创建rank_2_tensor：
two_level_nested_list = [ [0, 1, 2, 3, 4, 5], [6, 7, 8, 9, 10, 11] ]
rank_2_tensor = tf.constant(two_level_nested_list)
print(rank_2_tensor)Output:
tf.Tensor( [[ 0 1 2 3 4 5]
[ 6 7 8 9 10 11]], shape=(2, 6), dtype=int32)并用几个例子来测试第4条规则：
print("The 1st element of the first level is:",
rank_2_tensor[0].numpy())
print("The 2nd element of the first level is:",
rank_2_tensor[1].numpy())
# 规则4, 逗号代表进入更深层
print("The 1st element of the second level is:",
rank_2_tensor[0, 0].numpy())
print("The 3rd element of the second level is:",
rank_2_tensor[0, 2].numpy())Output:
The first element of the first level is: [0 1 2 3 4 5]
The second element of the first level is: [ 6 7 8 9 10 11]
The first element of the second level is: 0
The third element of the second level is: 2现在，我们已经介绍了索引的基本知识，让我们看看我们可以对张量进行的基本操作。
张量基本运算
你可以轻松地对张量进行基本的数学运算，例如：
- 加法
- 元素乘法
- 矩阵乘法
- 求最大值或最小值
- 找到Max元素的索引
- 计算Softmax值
让我们看看这些运算。我们将创建两个张量对象并应用这些操作。
a = tf.constant([[2, 4],
[6, 8]], dtype=tf.float32)
b = tf.constant([[1, 3],
[5, 7]], dtype=tf.float32)我们可以从加法开始。
# 我们可以使用' tf.add() '函数并将张量作为参数传递。
add_tensors = tf.add(a,b)
print(add_tensors)Output:
tf.Tensor( [[ 3. 7.]
[11. 15.]], shape=(2, 2), dtype=float32)乘法
# 我们可以使用' tf.multiply() '函数并将张量作为参数传递。
multiply_tensors = tf.multiply(a,b)
print(multiply_tensors)Output:
tf.Tensor( [[ 2. 12.]
[30. 56.]], shape=(2, 2), dtype=float32)矩阵乘法：
# 我们可以使用' tf.matmul() '函数并将张量作为参数传递。
matmul_tensors = tf.matmul(a,b)
print(matmul_tensors)Output:
tf.Tensor( [[ 2. 12.]
[30. 56.]], shape=(2, 2), dtype=float32)注意：Matmul操作是深度学习算法的核心。因此，尽管你不会直接使用matmul，但了解这些操作是至关重要的。
我们上面列出的其他操作示例：
# 使用' tf.reduce_max() '和' tf.reduce_min() '函数可以找到最大值或最小值
print("The Max value of the tensor object b is:",
tf.reduce_max(b).numpy())
# 使用' tf.argmax() '函数可以找到最大元素的索引
print("The index position of the max element of the tensor object b is:",
tf.argmax(b).numpy())
# 使用 tf.nn.softmax'函数计算softmax
print("The softmax computation result of the tensor object b is:",
tf.nn.softmax(b).numpy())Output:
The Max value of the tensor object b is: 1.0
The index position of the Max of the tensor object b is: [1 1]
The softmax computation result of the tensor object b is: [[0.11920291 0.880797 ] [0.11920291 0.880797 ]]操纵形状
就像在NumPy数组和pandas数据帧中一样，你也可以重塑张量对象。
这个变形操作非常快，因为底层数据不需要复制。对于重塑操作，我们可以使用tf.reshape函数
# 我们的初始张量
a = tf.constant([[1, 2, 3, 4, 5, 6]])
print('The shape of the initial Tensor object is:', a.shape)
b = tf.reshape(a, [6, 1])
print('The shape of the first reshaped Tensor object is:', b.shape)
c = tf.reshape(a, [3, 2])
print('The shape of the second reshaped Tensor object is:', c.shape)
# 如果我们以shape参数传递-1，那么张量就变平坦化。
print('The shape of the flattened Tensor object is:', tf.reshape(a, [-1]))Output:
The shape of our initial Tensor object is: (1, 6)
The shape of our initial Tensor object is: (6, 1)
The shape of our initial Tensor object is: (3, 2)
The shape of our flattened Tensor object is: tf.Tensor([1 2 3 4 5 6], shape=(6,), dtype=int32)如你所见，我们可以很容易地重塑我们的张量对象。但要注意的是，在进行重塑操作时，开发人员必须是合理的。否则，张量可能会混淆，甚至会产生错误。所以，小心点😀.
广播
当我们尝试使用多个张量对象进行组合操作时，较小的张量可以自动伸展以适应较大的张量，就像NumPy数组一样。例如，当你尝试将标量张量与秩2张量相乘时，标量将被拉伸以乘以每个秩2张量元素。参见以下示例：
m = tf.constant([5])
n = tf.constant([[1,2],[3,4]])
print(tf.multiply(m, n))Output:
tf.Tensor( [[ 5 10]
[15 20]], shape=(2, 2), dtype=int32)多亏了广播，在对张量进行数学运算时，你不必担心大小匹配。
张量的特殊类型
我们倾向于生成矩形的张量，并将数值存储为元素。但是，TensorFlow还支持不规则或特殊的张量类型，这些类型包括：
- 参差不齐的张量
- 字符串张量
- 稀疏张量
让我们仔细看看每一个都是什么。
参差不齐的张量
参差不齐张量是沿着尺寸轴具有不同数量元素的张量
可以构建不规则张量，如下所示
ragged_list = [[1, 2, 3],[4, 5],[6]]
ragged_tensor = tf.ragged.constant(ragged_list)
print(ragged_tensor)Output:
<tf.RaggedTensor [[1, 2, 3],
[4, 5],
[6]]>字符串张量
字符串张量是存储字符串对象的张量。我们可以建立一个字符串张量，就像你创建一个普通的张量对象。但是，我们将字符串对象作为元素而不是数字对象传递，如下所示：
string_tensor = tf.constant(["With this",
"code, I am",
"creating a String Tensor"])
print(string_tensor)Output:
tf.Tensor([b'With this'
b'code, I am'
b'creating a String Tensor'],
shape=(3,), dtype=string)稀疏张量
最后，稀疏张量是稀疏数据的矩形张量。当数据中有空值时，稀疏张量就是对象。创建稀疏张量有点耗时，应该更主流一些。这里有一个例子：
sparse_tensor = tf.sparse.SparseTensor(indices=[[0, 0], [2, 2], [4, 4]],
values=[25, 50, 100],
dense_shape=[5, 5])
# 我们可以把稀疏张量转换成密集张量
print(tf.sparse.to_dense(sparse_tensor))Output:
tf.Tensor( [[ 25 0 0 0 0]
[ 0 0 0 0 0]
[ 0 0 50 0 0]
[ 0 0 0 0 0]
[ 0 0 0 0 100]], shape=(5, 5), dtype=int32)结尾
我们已经成功地介绍了TensorFlow的张量对象的基础知识。
这应该会给你很大的信心，因为你现在对TensorFlow框架的基本知识了解得更多了。
查看本教程系列的第1部分：https://link.medium.com/yJp16uPoqab
原文链接：https://towardsdatascience.com/mastering-tensorflow-tensors-in-5-easy-steps-35f21998bb86
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