0基础跟德姆（dom）一起学AI 深度学习02-Pytorch基本使用

1 基本介绍

（1）什么是Pytorch?

PyTorch是一个开源机器学习和深度学习框架 。PyTorch 允许您使用 Python 代码操作和处理数据并编写深度学习算法 ，能够在强大的GPU加速基础上实现张量和动态神经网络。
PyTorch是一个基于 Python 的科学计算包，使用 Tensor 作为其核心数据结构，类似于 Numpy 数组，不同的是，PyTorch 可以用GPU来处理数据，提供许多深度学习的算法。
PyTorch提供了完整的使用文档、循序渐进的用户指南，作者亲自维护PyTorch论坛，方便用户交流和解决问题。
Meta(前Facebook)人工智能研究院FAIR 对PyTorch的推广提供了大力支持。作为当今排名前三的深度学习研究机构，FAIR的支持足以确保PyTorch获得持续开发、更新的保障，不至于像一些个人开发的框架那样昙花一现。如有需要，我们也可以使用Python软件包(如NumPy、SciPy和Cython)来扩展 PyTorch。
相对于TensorFlow，PyTorch的一大优点是它的图是动态的，而TensorFlow框架是静态图，不利于扩展。同时，PyTorch非常简洁，方便使用。
如果说TensorFlow的设计是"Make it complicated"，Keras的设计是"Make it complicated and hide it"，那么PyTorch的设计则真正做到了**"Keep it simple，stupid"**。

（2）为什么使用Pytorch

机器学习研究人员喜欢使用 PyTorch。截至 2022 年 2 月，PyTorch 是 Papers With Code 上最常用的深度学习框架，该网站用于跟踪机器学习研究论文及其附带的代码存储库。
PyTorch 易于学习和使用，足够灵活，可以在各种应用中使用，高效，以便我们可以处理巨大的现实数据集，并且足够准确，即使在输入数据存在不确定性的情况下也能提供正确的结果。
许多深度学习的应用使用了PyTorch，比如：
文字生成图片的Stable Diffusion：
用于对象检测和语义分割的YOLOv5系列（现在已经更新到YOLOv10)：
实时语音克隆Real-Time Voice Cloning
除上述通用领域的应用外，在一些专业领域的应用也在快速发展，比如医学领域，用PyTorch开发的开箱即用的解决方案nnU-Net：
在GIS领域，ESRI官方提供了许多解决方案和预训练模型，有提取建筑物轮廓的模型：

2 环境安装

（1）PyTorch安装环境配置

创建一个虚拟python环境：

conda create -n DL_Pytorch python=3.9

conda activate DL_Pytorch
查看虚拟环境列表：

conda info --envs

conda info -e

conda env list
激活虚拟环境

conda旧版本：4.3及更早的版本

source activate DL_Pytorch

conda新版本：4.4及以后

conda activate DL_Pytorch
删除虚拟环境

conda remove -n DL_Pytorch --all

（2）Pytorch-CUDA版本环境配置

电脑如果是Windows平台下的Nvidia GPU的用户，需配置Pytorch的CUDA版本，分为三步：

1. 安装或更新NVIDA显卡驱动

官方驱动下载地址：下载 NVIDIA 官方驱动 | NVIDIA

2. 安装`CUDA Toolkit + cudnn`：

1）CUDA安装

在CUDA Toolkit 安装前用以下命令查询机器上显卡最高支持的CUDA 版本：

终端输入：

nvidia-smi

下图中CUDA Version是12.2。

如果你没有安装cuda toolkit或者需要升级，可以去官网下载： CUDA Toolkit Archive | NVIDIA Developer

2）CUDNN安装

NVIDIA CUDA深度神经网络库 (cuDNN) 是一个 GPU 加速 的深度神经网络基元库，能够以高度优化的方式实现标准例程（如前向和反向卷积、池化层、归一化和激活层）。

全球的深度学习研究人员和框架开发者都依赖 cuDNN 来实现高性能 GPU 加速。借助 cuDNN，研究人员和开发者可以专注于训练神经网络及开发软件应用，而不必花时间进行低层级的 GPU 性能调整。cuDNN 可加速广泛应用的深度学习框架，包括 Caffe2、Keras、MATLAB、MxNet、PaddlePaddle、PyTorch和 TensorFlow。

下载地址： cuDNN Archive | NVIDIA Developer

（1）下载并解压文件

（2）复制内容到CUDA安装路径

CUDA安装默认路径：

Windows：C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA
Linux：/usr/local/cuda

3. 安装Pytorch

（1）在线安装

打开pytorch安装指导网站，选择合适的系统平台，关键是在compute platform选择一个不高于你电脑上的CUDA Version，复制命令安装。

pip install torch==版本号
conda install torch==版本号

使用conda安装

conda install python pytorch torchvision torchaudio pytorch-cuda=11.7 -c pytorch -c nvidia

使用pip安装

pip install torch torchvision torchaudio --index-url https://download.pytorch.org/whl/cu117
或者
pip install torch==2.0.0+cu118 torchvision==0.15.0+cu118 torchaudio==2.0.1+cu118 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html

（2）离线安装

离线包下载地址：download.pytorch.org/whl/torch_stable.html
安装方式

pip install torch-2.0.1+cu118-cp310-cp310-win_amd64.whl

注意：

1）PYTORCH与TORCHVISION版本对应问题

Pytorch与torchvision版本配套

如果你的conda解决环境很慢，可以试一试pip安装。

2）使用镜像源

使用镜像源：
pip install torch -i [镜像源]
conda install torch -c [镜像源]
常用镜像源
清华源：https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
豆瓣源：https://pypi.doubanio.com/simple/

3）安装验证

import torch
# 打印出正在使用的PyTorch和CUDA版本。
print(torch.__version__)
print(torch.version.cuda)

# 测试GPU是否生效
print(torch.cuda.is_available())

（3）导入PyToch

导入 PyTorch 并检查正在使用的版本。

import torch
torch.__version__
>>> '2.0.1'

（4）Pycharm配置Anaconda环境

打开Pycharm，点击File-->New Project，例如新建项目工程名字为：Pycharm_conda
选择新建工程所在文件位置，并命名，点击create。选择New Window。

在创建好的新工程窗口下，点击File-->Settings

Settings-->Project :Pycharm_conda-->Python Interpreter, 然后点击右边齿轮状图标或者"Add Interpreter"，点击Add ，添加解释器。

打开后选择Conda Environment，然后选中Existing environment，选择自己创建的环境，点击OK，低版本可勾选Make available to all projects。

等待加载完毕后，会看到在Python Interpreter页面多了许多包。表示在该环境下创建的工程就可以使用anaconda中已有的库了。

点击OK，配置完成，在主界面的右下角会显示当前环境处于刚配置好的环境中，等待加载完毕后即可正常使用

使用terminal安装依赖

3 基本使用

（1）张量简介

张量，英文为Tensor，是机器学习的基本构建模块，是以数字方式表示数据的形式。

例如，图像可以表示为形状为 [3, 224, 224] 的张量，这意味着 [colour_channels, height, width] ，因为图像具有 3 颜色通道（红色、绿色、蓝色），高度为 224 像素，宽度为 224 像素。

在张量语言（用于描述张量的语言）中，张量将具有三个维度，一个维度表示 colour_channels 、 height 和 width 。

（2）张量的基本使用

1. 张量的基本类型

# 0维张量：标量(scalar)
scalar = torch.tensor(7)         
scalar.ndim
>>> 0

# 1维张量：向量(vector)
vector = torch.tensor([7, 7])        
vector.ndim
>>> 1

# 2维张量：矩阵(matrix)
MATRIX = torch.tensor([[7, 8], 
                       [9, 10]])
MATRIX.ndim
>>> 2

# 多维张量
TENSOR = torch.tensor([[[1, 2, 3],
                        [3, 6, 9],
                        [2, 4, 5]]])
TENSOR.ndim
>>> 3

2. 张量的创建

1）张量的基本创建方式

torch.tensor 根据指定数据创建张量
torch.Tensor 根据形状创建张量, 其也可用来创建指定数据的张量
torch.IntTensor、torch.FloatTensor、torch.DoubleTensor 创建指定类型的张量

1、torch.tensor() 根据指定数据创建张量

import torch
import numpy as np

# 1. 创建张量标量
data = torch.tensor(10)
print(data)
>>> tensor(10)

# 2. numpy 数组, 由于 data 为 float64, 下面代码也使用该类型
data = np.random.randn(2, 3)
data = torch.tensor(data)
print(data)
>>> tensor([[ 0.1345,  0.1149,  0.2435],
            [ 0.8026, -0.6744, -1.0918]], dtype=torch.float64)

# 3. 列表, 下面代码使用默认元素类型 float32
data = [[10., 20., 30.], [40., 50., 60.]]
data = torch.tensor(data)
print(data)
>>> tensor([[10., 20., 30.],
            [40., 50., 60.]])

2、torch.Tensor() 根据指定形状创建张量，也可以用来创建指定数据的张量

# 1. 创建2行3列的张量, 默认 dtype 为 float32
data = torch.Tensor(2, 3)
print(data)
>>> tensor([[0.0000e+00, 3.6893e+19, 2.2018e+05],
            [4.6577e-10, 2.4158e-12, 1.1625e+33]])

# 2. 注意: 如果传递列表, 则创建包含指定元素的张量
data = torch.Tensor([10])
print(data)
>>> tensor([10.])

data = torch.Tensor([10, 20])
print(data)
>>> tensor([10., 20.])

3、torch.IntTensor()、torch.FloatTensor()、torch.DoubleTensor() 创建指定类型的张量

# 1. 创建2行3列, dtype 为 int32 的张量
data = torch.IntTensor(2, 3)
print(data)
>>> tensor([[ 0, 1610612736, 1213662609],
            [ 805308409,  156041223,  1]], dtype=torch.int32)

# 2. 注意: 如果传递的元素类型不正确, 则会进行类型转换
data = torch.IntTensor([2.5, 3.3])
print(data)
>>> tensor([2, 3], dtype=torch.int32)

# 3. 其他的类型
data = torch.ShortTensor()  # int16
data = torch.LongTensor()   # int64
data = torch.FloatTensor()  # float32
data = torch.DoubleTensor() # float64

2）创建线性张量和随机张量

torch.arange 和 torch.linspace 创建线性张量
torch.random.init_seed 和 torch.random.manual_seed 随机种子设置
torch.randn 创建随机张量

1、torch.arange()、torch.linspace() 创建线性张量

# 1. 在指定区间按照步长生成元素 [start, end, step)
data = torch.arange(0, 10, 2)
print(data)
>>> tensor([0, 2, 4, 6, 8])

# 2. 在指定区间按照元素个数生成 [start, end, steps]
data = torch.linspace(0, 11, 10)
print(data)
>>> tensor([0.0000, 1.2222, 2.4444, 3.6667, 4.8889, 6.1111, 7.3333, 8.5556, 9.7778,                     11.0000])

2、随机种子操作

torch.random.initial_seed()查看随机种子
torch.random.manual_seed() 设置随机数种子
torch.randn() 创建随机张量

1. 创建随机张量

data = torch.randn(2, 3) # 创建2行3列张量
print(data)

tensor([[-0.5209, -0.2439, -1.1780],
[ 0.8133, 1.1442, 0.6790]])

2.查看随机数种子

print('随机数种子:', torch.random.initial_seed())

随机数种子: 4508475192273306739

3.设置随机数种子

torch.random.manual_seed(100)
data = torch.randn(2, 3)
print(data)
print('随机数种子:', torch.random.initial_seed())

tensor([[ 0.3607, -0.2859, -0.3938],
[ 0.2429, -1.3833, -2.3134]])
随机数种子: 100

3）创建0-1张量

torch.ones 和 torch.ones_like 创建全1张量
torch.zeros 和 torch.zeros_like 创建全0张量
torch.full 和 torch.full_like 创建全为指定值张量

1、torch.ones()、torch.ones_like() 创建全1张量

# 1. 创建指定形状全0张量
data = torch.zeros(2, 3)
print(data)
>>> tensor([[0., 0., 0.],
            [0., 0., 0.]])

# 2. 根据张量形状创建全0张量
data = torch.zeros_like(data)
print(data)
>>> tensor([[0., 0., 0.],
            [0., 0., 0.]])

2、torch.zeros()、torch.zeros_like() 创建全0张量

# 1. 创建指定形状全1张量
data = torch.ones(2, 3)
print(data)
>>> tensor([[1., 1., 1.],
            [1., 1., 1.]])

# 2. 根据张量形状创建全1张量
data = torch.ones_like(data)
print(data)
>>> tensor([[1., 1., 1.],
            [1., 1., 1.]])

3、torch.full()、torch.full_like() 创建全为指定值张量

# 1. 创建指定形状指定值的张量
data = torch.full([2, 3], 10)
print(data)
>>> tensor([[10, 10, 10],
            [10, 10, 10]])

# 2. 根据张量形状创建指定值的张量
data = torch.full_like(data, 20)
print(data)
>>> tensor([[20, 20, 20],
            [20, 20, 20]])

4）张量元素类型转换

data.type(torch.DoubleTensor)
data.double()

1、data.type(torch.DoubleTensor)

data = torch.full([2, 3], 10)
print(data.dtype)
>>> torch.int64

# 将 data 元素类型转换为 float64 类型
data = data.type(torch.DoubleTensor)
print(data.dtype)
>>> torch.float64

# 转换为其他类型
# data = data.type(torch.ShortTensor)   # int16
# data = data.type(torch.IntTensor)    # int32
# data = data.type(torch.LongTensor)   # int64
# data = data.type(torch.FloatTensor)  # float32

2、data.double()

data = torch.full([2, 3], 10)
print(data.dtype)
>>> torch.int64

# 将 data 元素类型转换为 float64 类型
data = data.double()
print(data.dtype)
>>> torch.float64

# 转换为其他类型
# data = data.short()
# data = data.int()
# data = data.long()
# data = data.float()

5）总结

<1> 创建张量的方式

torch.tensor() 根据指定数据创建张量
torch.Tensor() 根据形状创建张量, 其也可用来创建指定数据的张量
torch.IntTensor()、torch.FloatTensor()、torch.DoubleTensor() 创建指定类型的张量

<2> 创建线性和随机张量

torch.arrange() 和 torch.linspace() 创建线性张量
torch.random.initial_seed() 和 torch.random.manual_seed() 随机种子设置
torch.randn() 创建随机张量

<3> 创建01张量

torch.ones() 和 torch.ones_like() 创建全1张量
torch.zeros() 和 torch.zeros_like() 创建全0张量
torch.full() 和 torch.full_like() 创建全为指定值张量

<4> 张量元素类型转换

data.type(torch.DoubleTensor)
data.double()

3. 张量的类型转换

1）张量转换为NUMPY数组

使用 Tensor.numpy 函数可以将张量转换为 ndarray 数组，但是共享内存，可以使用 copy 函数避免共享。

1. 将张量转换为 numpy 数组

data_tensor = torch.tensor([2, 3, 4])

使用张量对象中的 numpy 函数进行转换

data_numpy = data_tensor.numpy()
print(type(data_tensor))

<class 'torch.Tensor'>

print(type(data_numpy))

<class 'numpy.ndarray'>

注意: data_tensor 和 data_numpy 共享内存

修改其中的一个，另外一个也会发生改变

data_tensor[0] = 100

data_numpy[0] = 100
print(data_tensor)

tensor([100, 3, 4])

print(data_numpy)

[100 3 4]

2. 对象拷贝避免共享内存

data_tensor = torch.tensor([2, 3, 4])

使用张量对象中的 numpy 函数进行转换，通过copy方法拷贝对象

data_numpy = data_tensor.numpy().copy()
print(type(data_tensor))

<class 'torch.Tensor'>

print(type(data_numpy))

<class 'numpy.ndarray'>

注意: data_tensor 和 data_numpy 此时不共享内存

修改其中的一个，另外一个不会发生改变

data_tensor[0] = 100

data_numpy[0] = 100
print(data_tensor)

tensor([2, 3, 4])

print(data_numpy)

[100 3 4]

2）NUMPY数组转换为张量

使用 from_numpy 可以将 ndarray 数组转换为 Tensor，默认共享内存，使用 copy 函数避免共享。

data_numpy = np.array([2, 3, 4])

将 numpy 数组转换为张量类型

1. from_numpy

2. torch.tensor(ndarray)

data_tensor = torch.from_numpy(data_numpy)

nunpy 和 tensor 共享内存

data_numpy[0] = 100

data_tensor[0] = 100
print(data_tensor)

tensor([100, 3, 4], dtype=torch.int32)

print(data_numpy)

[100 3 4]
使用 torch.tensor 可以将 ndarray 数组转换为 Tensor，默认不共享内存。

data_numpy = np.array([2, 3, 4])
data_tensor = torch.tensor(data_numpy)

nunpy 和 tensor 不共享内存

data_numpy[0] = 100

data_tensor[0] = 100
print(data_tensor)

tensor([100, 3, 4], dtype=torch.int32)

print(data_numpy)

[2 3 4]

3）标量张量和数字转换

对于只有一个元素的张量，使用item()函数将该值从张量中提取出来

当张量只包含一个元素时, 可以通过 item() 函数提取出该值

data = torch.tensor([30,])
print(data.item())

30

data = torch.tensor(30)
print(data.item())

30

4）总结

1. 张量转换为 numpy 数组

data_tensor.numpy()
data_tensor.numpy().copy()

2. numpy 转换为张量

torch.from_numpy(data_numpy)
torch.tensor(data_numpy)

3. 标量张量和数字转换

data.item()

4. 张量的数值计算

1）张量基本运算

加减乘除取负号：
add、sub、mul、div、neg
add_、sub_、mul_、div_、neg_（其中带下划线的版本会修改原数据）

data = torch.randint(0, 10, [2, 3])
print(data)

tensor([[3, 7, 4],
[0, 0, 6]])

1. 不修改原数据

new_data = data.add(10) # 等价 new_data = data + 10
print(new_data)

tensor([[13, 17, 14],
[10, 10, 16]])

2. 直接修改原数据注意: 带下划线的函数为修改原数据本身

data.add_(10) # 等价 data += 10
print(data)

tensor([[13, 17, 14],
[10, 10, 16]])

3. 其他函数

print(data.sub(100))

tensor([[-87, -83, -86],
[-90, -90, -84]])

print(data.mul(100))

tensor([[1300, 1700, 1400],
[1000, 1000, 1600]])

print(data.div(100))

tensor([[0.1300, 0.1700, 0.1400],
[0.1000, 0.1000, 0.1600]])

print(data.neg())

tensor([[-13, -17, -14],
[-10, -10, -16]])

2）张量点乘运算

点乘指（Hadamard）的是两个同维矩阵对应位置的元素相乘，使用mul 和运算符 * 实现。

data1 = torch.tensor([[1, 2], [3, 4]])
data2 = torch.tensor([[5, 6], [7, 8]])
# 第一种方式
data = torch.mul(data1, data2)
print(data)
>>> tensor([[ 5, 12],
            [21, 32]])

# 第二种方式
data = data1 * data2
print(data)
>>> tensor([[ 5, 12],
            [21, 32]])

3）张量矩阵乘法运算

矩阵乘法运算要求第一个矩阵 shape: (n, m)，第二个矩阵 shape: (m, p), 两个矩阵点积运算 shape 为: (n, p)。
运算符 @ 用于进行两个矩阵的乘积运算
torch.matmul 对进行乘积运算的两矩阵形状没有限定.对数输入的 shape 不同的张量, 对应的最后几个维度必须符合矩阵运算规则

点积运算

data1 = torch.tensor([[1, 2], [3, 4], [5, 6]])
data2 = torch.tensor([[5, 6], [7, 8]])

方式一:

data3 = data1 @ data2
print("data3-->", data3)

data3--> tensor([[19, 22],
[43, 50],
[67, 78]])

方式二:

data4 = torch.matmul(data1, data2)
print("data4-->", data4)

data4--> tensor([[19, 22],
[43, 50],
[67, 78]])

4）总结

<1> 张量基本运算函数

add、sub、mul、div、neg等函数
add_、sub_、mul_、div_、neg_等函数

<2> 张量的点乘运算

mul 和运算符 *

<3> 点积运算

运算符@用于进行两个矩阵的点乘运算
torch.matmul 对进行点乘运算的两矩阵形状没有限定，对数输入的 shape 不同的张量, 对应的最后几个维度必须符合矩阵运算规则

5. 张量的运算函数

PyTorch 为每个张量封装很多实用的计算函数：

均值
平方根
求和
指数计算
对数计算等等

import torch

data = torch.randint(0, 10, [2, 3], dtype=torch.float64)
print(data)

tensor([[4., 0., 7.],
[6., 3., 5.]], dtype=torch.float64)

1. 计算均值

注意: tensor 必须为 Float 或者 Double 类型

print(data.mean())

tensor(4.1667, dtype=torch.float64)

print(data.mean(dim=0)) # 按列计算均值

tensor([5.0000, 1.5000, 6.0000], dtype=torch.float64)

print(data.mean(dim=1)) # 按行计算均值

tensor([3.6667, 4.6667], dtype=torch.float64)

2. 计算总和

print(data.sum())

tensor(25., dtype=torch.float64)

print(data.sum(dim=0))

tensor([10., 3., 12.], dtype=torch.float64)

print(data.sum(dim=1))

tensor([11., 14.], dtype=torch.float64)

3. 计算平方

print(torch.pow(data，2))

tensor([[16., 0., 49.],
[36., 9., 25.]], dtype=torch.float64)

4. 计算平方根

print(data.sqrt())

tensor([[2.0000, 0.0000, 2.6458],
[2.4495, 1.7321, 2.2361]], dtype=torch.float64)

5. 指数计算, e^n 次方

print(data.exp())

tensor([[5.4598e+01, 1.0000e+00, 1.0966e+03],
[4.0343e+02, 2.0086e+01, 1.4841e+02]], dtype=torch.float64)

6. 对数计算

print(data.log()) # 以 e 为底

tensor([[1.3863, -inf, 1.9459],
[1.7918, 1.0986, 1.6094]], dtype=torch.float64)

print(data.log2())

tensor([[2.0000, -inf, 2.8074],
[2.5850, 1.5850, 2.3219]], dtype=torch.float64)

print(data.log10())

tensor([[0.6021, -inf, 0.8451],
[0.7782, 0.4771, 0.6990]], dtype=torch.float64)

6. 张量的索引操作

在操作张量时，经常要去获取某些元素进行处理或者修改操作，在这里需要了解torch中的索引操作。

准备数据：

import torch
# 随机生成数据
data = torch.randint(0, 10, [4, 5])
print(data)
>>> tensor([[0, 7, 6, 5, 9],
            [6, 8, 3, 1, 0],
            [6, 3, 8, 7, 3],
            [4, 9, 5, 3, 1]])

1）简单行列索引的使用

print(data[0])
>>> tensor([0, 7, 6, 5, 9])

print(data[:, 0])
>>> tensor([0, 6, 6, 4])

2）列表索引的使用

# 返回 (0, 2)、(1, 3) 两个位置的元素
print(data[[0, 1], [2, 3]])
>>> tensor([7, 3])

# 返回 0、1 行的 1、2 列共4个元素
print(data[[[0], [1]], [1, 2]])
>>> tensor([[7, 6],
            [8, 3]])

3）范围索引的使用

# 前3行的前2列数据
print(data[:3, :2])
>>> tensor([[0, 7],
            [6, 8],
            [6, 3]])

# 第2行到最后的前2列数据
print(data[2:, :2])
>>> tensor([[6, 3],
            [4, 9]])

# 第0行、第2行的第0、1两列数据
print(data[0:3:2, :2])
>>>tensor([[0, 7],
            [6, 3]])

4）布尔索引的使用

# 第三列大于5的行数据
print(data[data[:, 2] > 5])
>>> tensor([[0, 7, 6, 5, 9],
            [6, 3, 8, 7, 3]])

# 第二行大于5的列数据
print(data[:, data[1] > 5])
>>> tensor([[0, 7],
            [6, 8],
            [6, 3],
            [4, 9]])

5）多维索引的使用

data = torch.randint(0, 10, [3, 4, 5])
print(data)
>>> tensor([[[2, 4, 1, 2, 3],
             [5, 5, 1, 5, 0],
             [1, 4, 5, 3, 8],
             [7, 1, 1, 9, 9]],

            [[9, 7, 5, 3, 1],
             [8, 8, 6, 0, 1],
             [6, 9, 0, 2, 1],
             [9, 7, 0, 4, 0]],

            [[0, 7, 3, 5, 6],
             [2, 4, 6, 4, 3],
             [2, 0, 3, 7, 9],
             [9, 6, 4, 4, 4]]])

# 获取0轴上的第一个数据
print(data[0, :, :])
>>> tensor([[2, 4, 1, 2, 3],
            [5, 5, 1, 5, 0],
            [1, 4, 5, 3, 8],
            [7, 1, 1, 9, 9]])

# 获取1轴上的第一个数据
print(data[:, 0, :])
>>> tensor([[2, 4, 1, 2, 3],
            [9, 7, 5, 3, 1],
            [0, 7, 3, 5, 6]])

# 获取2轴上的第一个数据
print(data[:, :, 0])
>>> tensor([[2, 5, 1, 7],
            [9, 8, 6, 9],
            [0, 2, 2, 9]])

7.张量的形状操作

有重塑、堆叠、挤压和解压：

方法	单行描述
torch.reshape(input, shape)	重塑 input 到 shape （如果兼容），也可以使用 torch.Tensor.reshape()。
tensor.view(shape)	返回不同 shape 中的原始张量视图，但与原始张量共享相同的数据。
tensor.contiguous()	将张量转换到整块内存上
torch.stack(tensors, dim=0)	沿着新的维度（dim）连接 tensors 的序列，所有 tensors 必须具有相同的大小。
torch.squeeze(input)	挤压 input 以移除值为 1 的所有尺寸。
torch.unsqueeze(input, dim)	返回在 dim 处添加了维度值 1 的 input。
torch.transpose(input,dim1,dim2)	实现交换张量形状的指定维度
torch.permute(input, dims)	返回原始 input 的视图，其尺寸被置换（重新排列）为 dims。

深度学习模型（神经网络）都是以某种方式操纵张量。由于矩阵乘法的规则，如果形状不匹配，就会遇到错误。这些方法可帮助您确保张量的正确元素与其他张量的正确元素混合。

举例说明：

import torch
x = torch.arange(1., 8.)
print(x)
>>> tensor([1., 2., 3., 4., 5., 6., 7.])

print(x.shape)
>>> torch.Size([7])

1）RESHAPE

reshape 函数可以在保证张量数据不变的前提下改变数据的维度，将其转换成指定的形状。

使用 torch.reshape() 增加一个维度。

# 增加一个维度
x_reshaped = x.reshape(1, 7)
print(x_reshaped)
>>> tensor([[1., 2., 3., 4., 5., 6., 7.]])

print(x_reshaped.shape)
>>> torch.Size([1, 7])

使用 torch.reshape() 改变张量的形状。

import torch

data = torch.tensor([[10, 20, 30], [40, 50, 60]])
# 1. 使用 shape 属性或者 size 方法都可以获得张量的形状
print(data.shape, data.shape[0], data.shape[1])
>>> torch.Size([2, 3]) 2 3

print(data.size(), data.size(0), data.size(1))
>>> torch.Size([2, 3]) 2 3

# 2. 使用 reshape 函数修改张量形状
new_data = data.reshape(1, 6)
print(new_data.shape)
>>> torch.Size([1, 6])

2）VIEW / CONTIGUOUS

view 函数也可以用于修改张量的形状，只能用于存储在整块内存中的张量。
在 PyTorch 中，有些张量是由不同的数据块组成的，它们并没有存储在整块的内存中，view 函数无法对这样的张量进行变形处理。例如: 一个张量经过了 transpose 或者 permute 函数的处理之后，就无法使用 view 函数进行形状操作。
此时需要先使用 contiguous 函数转换为整块内存的张量，再使用 view 函数。

1 一个张量经过了 transpose 或者 permute 函数的处理之后，就无法使用 view 函数进行形状操作

若要使用view函数, 需要使用contiguous() 变成连续以后再使用view函数

2 判断张量是否使用整块内存

data = torch.tensor( [[10, 20, 30],[40, 50, 60]])
print('data--->', data, data.shape)

data---> tensor([[10, 20, 30],
[40, 50, 60]]) torch.Size([2, 3])

1 判断是否使用整块内存

print(data.is_contiguous())

True

2 view

mydata2 = data.view(3, 2)
print('mydata2--->', mydata2, mydata2.shape)

mydata2---> tensor([[10, 20],
[30, 40],
[50, 60]]) torch.Size([3, 2])

3 判断是否使用整块

print('mydata2.is_contiguous()--->', mydata2.is_contiguous())

mydata2.is_contiguous()---> True

4 使用 transpose 函数修改形状

mydata3 = torch.transpose(data, 0, 1)
print('mydata3--->', mydata3, mydata3.shape)

mydata3---> tensor([[10, 40],
[20, 50],
[30, 60]]) torch.Size([3, 2])

print('mydata3.is_contiguous()--->', mydata3.is_contiguous())

mydata3.is_contiguous()---> False

5 需要先使用 contiguous 函数转换为整块内存的张量，再使用 view 函数

print (mydata3.contiguous().is_contiguous())

True

mydata4 = mydata3.contiguous().view(2, 3)
print('mydata4--->', mydata4.shape, mydata4)

mydata4---> torch.Size([2, 3]) tensor([[10, 40, 20],
[50, 30, 60]])

3）STACK

如果想将新张量堆叠五次，使用 torch.stack() 来实现。

# Stack tensors on top of each other
x_stacked = torch.stack([x, x, x, x], dim=0) # 同pandas的axis，按行堆叠
>>>tensor([[5., 2., 3., 4., 5., 6., 7.],
           [5., 2., 3., 4., 5., 6., 7.],
           [5., 2., 3., 4., 5., 6., 7.],
           [5., 2., 3., 4., 5., 6., 7.]])

4）SQUEEZE / UNSQUEEZE

squeeze 函数删除形状为 1 的维度（降维），unsqueeze 函数添加形状为1的维度（升维）。

mydata1 = torch.tensor([1, 2, 3, 4, 5])             
print('mydata1--->', mydata1.shape, mydata1) # 一个普通的数组 1维数据
>>> mydata1---> torch.Size([5]) tensor([1, 2, 3, 4, 5])

mydata2 = mydata1.unsqueeze(dim=0)
print('在0维度上 拓展维度：', mydata2, mydata2.shape)  #1*5
>>> 在0维度上 拓展维度： tensor([[1, 2, 3, 4, 5]]) torch.Size([1, 5])

mydata3 = mydata1.unsqueeze(dim=1)
print('在1维度上 拓展维度：', mydata3, mydata3.shape)  #5*1
>>> 在1维度上 拓展维度： tensor([[1],
                              [2],
                              [3],
                              [4],
                              [5]]) torch.Size([5, 1])


mydata4 = mydata1.unsqueeze(dim=-1)
print('在-1维度上 拓展维度：', mydata4, mydata4.shape) #5*1
>>> 在-1维度上 拓展维度： tensor([[1],
                               [2],
                               [3],
                               [4],
                               [5]]) torch.Size([5, 1])

mydata5 = mydata4.squeeze()
print('压缩维度：', mydata5, mydata5.shape)  #1*5
>>> 压缩维度： tensor([1, 2, 3, 4, 5]) torch.Size([5])

5）TRANSPOSE/ PERMUTE

transpose 函数可以实现交换张量形状的指定维度, 例如: 一个张量的形状为 (2, 3, 4) 可以通过 transpose 函数把 3 和 4 进行交换, 将张量的形状变为 (2, 4, 3) 。 permute 函数可以一次交换更多的维度。

data = torch.tensor(np.random.randint(0, 10, [3, 4, 5]))
print('data shape:', data.size())
>>> data shape: torch.Size([3, 4, 5])

# 1 交换1和2维度
mydata2 = torch.transpose(data, 1, 2)
print('mydata2.shape--->', mydata2.shape)
>>> mydata2.shape---> torch.Size([3, 5, 4])

# 2 将data 的形状修改为 (4, 5, 3), 需要变换多次
mydata3 =  torch.transpose(data, 0, 1)
mydata4 = torch.transpose(mydata3, 1, 2)
print('mydata4.shape--->', mydata4.shape)
>>> mydata4.shape---> torch.Size([4, 5, 3])

# 3 使用 permute 函数将形状修改为 (4, 5, 3)
# 3-1 方法1
mydata5 = torch.permute(data, [1, 2, 0])
print('mydata5.shape--->', mydata5.shape)
>>> mydata5.shape---> torch.Size([4, 5, 3])

# 3-2 方法2
mydata6 = data.permute([1, 2, 0])
print('mydata6.shape--->', mydata6.shape)
>>> mydata6.shape---> torch.Size([4, 5, 3])

6）总结

<1> reshape 函数可以在保证张量数据不变的前提下改变数据的维度

<2> squeeze 和 unsqueeze 函数可以用来增加或者减少维度

<3> transpose 函数可以实现交换张量形状的指定维度, permute 可以一次交换更多的维度

<4> view 函数也可以用于修改张量的形状, 但是它要求被转换的张量内存必须连续，所以一般配合 contiguous 函数使用

8.张量的拼接操作

torch.cat()

import torch
data1 = torch.randint(0, 10, [1, 2, 3])
data2 = torch.randint(0, 10, [1, 2, 3])
print(data1)

tensor([[[7, 8, 7],
[6, 3, 6]]])

print(data2)

tensor([[[3, 6, 5],
[7, 5, 0]]])

1. 按0维度拼接

new_data = torch.cat([data1, data2], dim=0)
print(new_data)

tensor([[[7, 8, 7],
[6, 3, 6]],
```
          [[3, 6, 5],
           [7, 5, 0]]])
```
print(new_data.shape)

torch.Size([2, 2, 3])

2. 按1维度拼接

new_data = torch.cat([data1, data2], dim=1)
print(new_data)

tensor([[[7, 8, 7],
[6, 3, 6],
[3, 6, 5],
[7, 5, 0]]])

print(new_data.shape)

torch.Size([1, 4, 3])

3. 按2维度拼接

new_data = torch.cat([data1, data2], dim=2)
print(new_data)

tensor([[[7, 8, 7, 3, 6, 5],
[6, 3, 6, 7, 5, 0]]])

print(new_data.shape)

torch.Size([1, 2, 6])

9.自动微分模块

训练神经网络时，最常用的算法就是反向传播。在该算法中，参数（模型权重）会根据损失函数关于对应参数的梯度进行调整。为了计算这些梯度，PyTorch内置了名为 torch.autograd 的微分引擎。它支持任意计算图的自动梯度计算

使用 backward 方法、grad 属性来实现梯度的计算和访问

输入为标量时的梯度计算

import torch

1. 当X为标量时梯度的计算

def test01():
x = torch.tensor(5)
# 目标值
y = torch.tensor(0.)
# 设置要更新的权重和偏置的初始值
w = torch.tensor(1., requires_grad=True, dtype=torch.float32)
b = torch.tensor(3., requires_grad=True, dtype=torch.float32)
# 设置网络的输出值
z = x * w + b # 矩阵乘法
# 设置损失函数，并进行损失的计算
loss = torch.nn.MSELoss()
loss = loss(z, y)
# 自动微分
loss.backward()
# 打印 w,b 变量的梯度
# backward 函数计算的梯度值会存储在张量的 grad 变量中
print("W的梯度:", w.grad)
print("b的梯度", b.grad)

X是标量时的结果

输出结果:

W的梯度: tensor(80.)
b的梯度 tensor(16.)
输入为多维张量时的梯度计算

import torch
def test02():
# 输入张量 25
x = torch.ones(2,5)
# 目标值是 23
y = torch.zeros(2,3)
# 设置要更新的权重和偏置的初始值
w = torch.randn(5, 3,requires_grad=True)
b = torch.randn(3, requires_grad=True)
# 设置网络的输出值
z = torch.matmul(x, w) + b # 矩阵乘法
# 设置损失函数，并进行损失的计算
loss = torch.nn.MSELoss()
loss = loss(z, y)
# 自动微分
loss.backward()
# 打印 w,b 变量的梯度
# backward 函数计算的梯度值会存储在张量的 grad 变量中
print("W的梯度:", w.grad)
print("b的梯度", b.grad)

输出结果:

W的梯度: tensor(
[[ 0.0757, 0.6087, -0.6538],
[ 0.0757, 0.6087, -0.6538],
[ 0.0757, 0.6087, -0.6538],
[ 0.0757, 0.6087, -0.6538],
[ 0.0757, 0.6087, -0.6538]])
b的梯度 tensor([ 0.0757, 0.6087, -0.6538])

4 案例-线性回归案例

使用 PyTorch 的 nn.MSELoss() 代替自定义的平方损失函数
使用 PyTorch 的 data.DataLoader 代替自定义的数据加载器
使用 PyTorch 的 optim.SGD 代替自定义的优化器
使用 PyTorch 的 nn.Linear 代替自定义的假设函数

（1）导入工具包

# 导入相关模块
import torch
from torch.utils.data import TensorDataset  # 构造数据集对象
from torch.utils.data import DataLoader  # 数据加载器
from torch import nn  # nn模块中有平方损失函数和假设函数
from torch import optim  # optim模块中有优化器函数
from sklearn.datasets import make_regression  # 创建线性回归模型数据集
import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号

（2）数据集构建

def create_dataset():
    x, y, coef = make_regression(n_samples=100,
                                 n_features=1,
                                 noise=10,
                                 coef=True,
                                 bias=1.5,
                                 random_state=0)

    # 将构建数据转换为张量类型
    x = torch.tensor(x)
    y = torch.tensor(y)

    return x, y, coef

if __name__ == "__main__": 
    # 生成的数据 
    x,y,coef=create_dataset()
    # 绘制数据的真实的线性回归结果
    plt.scatter(x, y)
    x = torch.linspace(x.min(), x.max(), 1000) 
    y1 = torch.tensor([v * coef + 1.5 for v in x]) 
    plt.plot(x, y1, label='real') 
    plt.grid() 
    plt.legend() 
    plt.show()

（3）数据加载器构建及模型构建

# 构造数据集
x, y, coef = create_dataset()
# 构造数据集对象
dataset = TensorDataset(x, y)
# 构造数据加载器
# dataset=:数据集对象
# batch_size=:批量训练样本数据
# shuffle=:样本数据是否进行乱序
dataloader = DataLoader(dataset=dataset, batch_size=16, shuffle=True)
# 构造模型
# in_features指的是输入张量的大小size
# out_features指的是输出张量的大小size
 model = nn.Linear(in_features=1, out_features=1)

（4）训练参数设置

# 构造平方损失函数
criterion = nn.MSELoss()
# 构造优化函数
optimizer = optim.SGD(params=model.parameters(), lr=1e-2)

（5）模型训练

epochs = 100
# 损失的变化
loss_epoch = []
total_loss = 0.0
train_sample = 0.0
for _ in range(epochs):
    for train_x, train_y in dataloader:
        # 将一个batch的训练数据送入模型
        y_pred = model(train_x.type(torch.float32))
        # 计算损失值
        loss = criterion(y_pred, train_y.reshape(-1, 1).type(torch.float32))
        total_loss += loss.item()
        train_sample += len(train_y)
        # 梯度清零
        optimizer.zero_grad()
        # 自动微分(反向传播)
        loss.backward()
        # 更新参数
        optimizer.step()
    # 获取每个batch的损失
    loss_epoch.append(total_loss / train_sample)

（6）构建训练模型函数

# 绘制损失变化曲线
plt.plot(range(epochs), loss_epoch)
plt.title('损失变化曲线')
plt.grid()
plt.show()
# 绘制拟合直线
plt.scatter(x, y)
x = torch.linspace(x.min(), x.max(), 1000)
y1 = torch.tensor([v * model.weight + model.bias for v in x])
y2 = torch.tensor([v * coef + 1.5 for v in x])
plt.plot(x, y1, label='训练')
plt.plot(x, y2, label='真实')
plt.grid()
plt.legend()
plt.show()

0基础跟德姆（dom）一起学AI 深度学习02-Pytorch基本使用

1 基本介绍

（1）什么是Pytorch?

（2）为什么使用Pytorch

2 环境安装

（1）PyTorch安装环境配置

conda旧版本：4.3及更早的版本

conda新版本：4.4及以后

（2）Pytorch-CUDA版本环境配置

1. 安装或更新NVIDA显卡驱动

2. 安装CUDA Toolkit + cudnn：

1）CUDA安装

2）CUDNN安装

3. 安装Pytorch

使用conda安装

使用pip安装

1）PYTORCH与TORCHVISION版本对应问题

2）使用镜像源

3）安装验证

（3）导入PyToch

（4）Pycharm配置Anaconda环境

3 基本使用

（1）张量简介

（2）张量的基本使用

1. 张量的基本类型

2. 张量的创建

1）张量的基本创建方式

2）创建线性张量和随机张量

1. 创建随机张量

2.查看随机数种子

3.设置随机数种子

3）创建0-1张量

4）张量元素类型转换

5）总结

3. 张量的类型转换

1）张量转换为NUMPY数组

1. 将张量转换为 numpy 数组

使用张量对象中的 numpy 函数进行转换

注意: data_tensor 和 data_numpy 共享内存

修改其中的一个，另外一个也会发生改变

data_tensor[0] = 100

2. 对象拷贝避免共享内存

使用张量对象中的 numpy 函数进行转换，通过copy方法拷贝对象

注意: data_tensor 和 data_numpy 此时不共享内存

修改其中的一个，另外一个不会发生改变

data_tensor[0] = 100

2）NUMPY数组转换为张量

将 numpy 数组转换为张量类型

1. from_numpy

2. torch.tensor(ndarray)

nunpy 和 tensor 共享内存

data_numpy[0] = 100

nunpy 和 tensor 不共享内存

data_numpy[0] = 100

3）标量张量和数字转换

当张量只包含一个元素时, 可以通过 item() 函数提取出该值

4）总结

4. 张量的数值计算

1）张量基本运算

1. 不修改原数据

2. 直接修改原数据 注意: 带下划线的函数为修改原数据本身

3. 其他函数

2）张量点乘运算

3）张量矩阵乘法运算

点积运算

方式一:

方式二:

4）总结

5. 张量的运算函数

1. 计算均值

注意: tensor 必须为 Float 或者 Double 类型

2. 计算总和

3. 计算平方

4. 计算平方根

5. 指数计算, e^n 次方

6. 对数计算

6. 张量的索引操作

1）简单行列索引的使用

2）列表索引的使用

3）范围索引的使用

2. 安装`CUDA Toolkit + cudnn`：

2. 直接修改原数据注意: 带下划线的函数为修改原数据本身