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PyTorch 是一个强大的深度学习框架，它允许开发者轻松地定义和训练神经网络。张量是 PyTorch 的核心数据结构，类似于 NumPy 数组，但支持自动微分以及在 GPU 上加速计算。本文将详细介绍 PyTorch 中常用的 12 种张量操作，帮助你更好地理解和使用这个工具。
1. 创建张量
首先，我们需要安装 PyTorch 并导入必要的库。
# 安装 PyTorch
!pip install torch
# 导入 PyTorch 库
import torch
创建张量是最基本的操作之一。你可以从 Python 列表或 NumPy 数组中创建张量。
# 从列表创建张量
tensor_from_list = torch.tensor([1, 2, 3])
print(tensor_from_list) # 输出: tensor([1, 2, 3])
# 从 NumPy 数组创建张量
import numpy as np
numpy_array = np.array([1, 2, 3])
tensor_from_numpy = torch.from_numpy(numpy_array)
print(tensor_from_numpy) # 输出: tensor([1, 2, 3])
2. 查看张量形状
了解张量的形状对于处理数据非常重要。
# 创建一个 2x3 的矩阵
matrix = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(matrix.shape) # 输出: torch.Size([2, 3])
3. 转置张量
转置可以改变张量的维度顺序。
# 创建一个 2x3 的矩阵
matrix = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
transposed_matrix = matrix.t()
print(transposed_matrix) # 输出:
# tensor([[1, 4],
# [2, 5],
# [3, 6]])
4. 拆分张量
拆分张量可以帮助你在不同维度上分割数据。
# 创建一个 3x4 的矩阵
matrix = torch.tensor([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12]])
split_tensors = torch.split(matrix, split_size=2, dim=1)
for t in split_tensors:
print(t)
# 输出:
# tensor([[ 1, 2],
# [ 5, 6],
# [ 9, 10]])
# tensor([[ 3, 4],
# [ 7, 8],
# [11, 12]])
5. 拼接张量
拼接操作可以将多个张量合并成一个更大的张量。
# 创建两个 2x2 的矩阵
matrix1 = torch.tensor([[1, 2], [3, 4]])
matrix2 = torch.tensor([[5, 6], [7, 8]])
concatenated_tensor = torch.cat((matrix1, matrix2), dim=0)
print(concatenated_tensor) # 输出:
# tensor([[1, 2],
# [3, 4],
# [5, 6],
# [7, 8]])
6. 张量索引
索引操作允许你选择张量中的特定元素或子集。
# 创建一个 2x3 的矩阵
matrix = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
element = matrix[0, 1]
print(element) # 输出: tensor(2)
sub_matrix = matrix[1, :]
print(sub_matrix) # 输出: tensor([4, 5, 6])
7. 张量切片
切片可以让你选择张量的一部分。
# 创建一个 2x3 的矩阵
matrix = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
slice_tensor = matrix[:, 1:]
print(slice_tensor) # 输出:
# tensor([[2, 3],
# [5, 6]])
8. 张量广播
广播是一种机制，允许你执行不同形状的张量之间的操作。
# 创建一个 1x3 的向量和一个标量
vector = torch.tensor([1, 2, 3])
scalar = torch.tensor(2)
# 将向量乘以标量
broadcasted_tensor = vector * scalar
print(broadcasted_tensor) # 输出: tensor([2, 4, 6])
9. 张量相加
相加操作用于将两个张量对应位置的元素相加。
# 创建两个 2x2 的矩阵
matrix1 = torch.tensor([[1, 2], [3, 4]])
matrix2 = torch.tensor([[5, 6], [7, 8]])
# 相加
sum_tensor = matrix1 + matrix2
print(sum_tensor) # 输出:
# tensor([[ 6, 8],
# [10, 12]])
10. 张量乘法
乘法操作可以用于点积或矩阵乘法。
# 创建两个 2x2 的矩阵
matrix1 = torch.tensor([[1, 2], [3, 4]])
matrix2 = torch.tensor([[5, 6], [7, 8]])
# 点积
dot_product = torch.dot(matrix1.view(-1), matrix2.view(-1))
print(dot_product) # 输出: tensor(70)
# 矩阵乘法
matrix_product = torch.matmul(matrix1, matrix2)
print(matrix_product) # 输出:
# tensor([[19, 22],
# [43, 50]])
11. 张量归一化
归一化可以将张量的值调整到特定范围内。
# 创建一个 1x3 的向量
vector = torch.tensor([1, 2, 3])
# 归一化
normalized_vector = torch.nn.functional.normalize(vector, p=2, dim=0)
print(normalized_vector) # 输出: tensor([0.2673, 0.5345, 0.8018])
12. 张量随机初始化
随机初始化在神经网络训练中非常重要。
# 随机初始化一个 2x3 的矩阵
random_matrix = torch.randn(2, 3)
print(random_matrix) # 输出类似:
# tensor([[ 1.0431, -0.1827, -0.2591],
# [-0.2442, -0.3353, 0.4927]])
总结
本文详细介绍了 PyTorch 中常用的 12 种张量操作，包括创建张量、查看张量形状、转置张量、拆分张量、拼接张量、张量索引、张量切片、张量广播、张量相加、张量乘法、张量归一化和张量随机初始化。这些操作是使用 PyTorch 进行深度学习的基础，掌握它们将有助于你更高效地开发和训练神经网络模型。