tensorflow 零基础吃透：RaggedTensor 的不规则形状与广播机制 2

作为初学者，我们先从核心概念拆解开始，用最通俗的语言讲清楚「广播」和「不规则张量（RaggedTensor）」，再一步步拆解每个示例的计算过程，最后总结规律。

一、先搞懂3个基础概念

1. 张量的「维度（阶）」

张量的维度数 = 嵌套括号的层数（最外层算1层）：

• 标量（比如 3）：0维（无括号）
• 一维张量（比如 [1,2]）：1维（1层括号）
• 二维张量（比如 [[1,2],[3]]）：2维（2层括号）
• 三维张量（比如 [[[1,2],[3,4]],[[5,6]]]）：3维（3层括号）

2. 不规则张量（RaggedTensor）

普通张量的每一行元素个数必须相同（比如 [[1,2],[3,4]]），但RaggedTensor允许每行元素个数不同 （比如 [[1,2],[3]]，第一行2个、第二行1个），这是理解示例的关键。

3. 广播的核心目的

逐元素运算（加减乘除）要求两个张量的「每个位置都能一一对应」，但实际中张量形状可能不同。广播就是把形状小的张量「复制扩展」，让它和大张量形状兼容，从而能逐元素运算。

二、广播的2个核心步骤（通俗版）

把官方规则翻译成新手能懂的话：

步骤1：补维度（外层补1）

如果两个张量维度数不一样，给「维度少的那个」的最外层 加维度（大小为1），直到两者维度数相同。

👉 比如：标量 3（0维）和二维RaggedTensor [[1,2],[3]]（2维），先把标量补成 [[3]]（2维，大小1×1），维度数就匹配了。

步骤2：扩维度（复制值）

对每一个维度，检查两个张量的「大小」：

• 如果其中一个张量在这个维度的大小是1 → 把它复制成和另一个张量一样的大小；
• 如果两个张量的大小都不是1，且不相等 → 报错（形状不兼容，无法广播）。

👉 关键：只有「大小为1的维度」能被复制扩展，否则必报错！

三、逐行拆解「能广播」的示例

示例1：标量 + 二维RaggedTensor

x = tf.ragged.constant([[1, 2], [3]])  # 2维RaggedTensor，形状：2 × (不规则)（第一维2行，第二行分别是2个、1个）
y = 3  # 0维标量
print(x + y)  # 结果：<tf.RaggedTensor [[4, 5], [6]]>

计算步骤：

1. 补维度 ：y是0维，x是2维 → 给y补2层外层维度，变成 [[3]]（2维，大小1×1）。
2. 扩维度 ：
   • 第一维（行数）：x的大小是2，y的大小是1 → 把y复制成2行：[[3],[3]]；
   • 第二维（每行元素数）：x是不规则的（2个、1个），y的大小是1 → 把y每行复制成和x一样的个数：[[3,3],[3]]；
3. 逐元素相加 ：
   • 第一行：1+3=4，2+3=5 → [4,5]；
   • 第二行：3+3=6 → [6]。

示例2：二维RaggedTensor + 二维普通张量

x = tf.ragged.constant([[10, 87, 12], [19, 53], [12, 32]])  # 2维，形状3×(不规则)（3行，元素数3、2、2）
y = [[1000], [2000], [3000]]  # 2维普通张量，形状3×1（3行，每行1个）
print(x + y)  # 结果：<tf.RaggedTensor [[1010, 1087, 1012], [2019, 2053], [3012, 3032]]>

计算步骤：

1. 补维度：两者都是2维，不用补。
2. 扩维度 ：
   • 第一维（行数）：x和y都是3 → 不用动；
   • 第二维（每行元素数）：y是1，x是不规则的（3、2、2）→ 把y每行复制成和x一样的个数：[[1000,1000,1000],[2000,2000],[3000,3000]]；
3. 逐元素相加 ：
   • 第一行：10+1000=1010，87+1000=1087，12+1000=1012；
   • 第二行：19+2000=2019，53+2000=2053；
   • 第三行：12+3000=3012，32+3000=3032。

示例3：三维RaggedTensor + 二维普通张量

x = tf.ragged.constant([[[1, 2], [3, 4], [5, 6]], [[7, 8]]], ragged_rank=1)  # 3维，形状2×(不规则)×2（2组，第一组3个子集，第二组1个；每个子集2个元素）
y = tf.constant([[10]])  # 2维，形状1×1
print(x + y)  # 结果：<tf.RaggedTensor [[[11, 12],[13, 14],[15, 16]], [[17, 18]]]>

计算步骤：

1. 补维度 ：y是2维，x是3维 → 给y补1层外层维度，变成 [[[10]]]（3维，大小1×1×1）。
2. 扩维度 ：
   • 第一维（组数）：x是2，y是1 → 复制y成2组：[[[10]], [[10]]]；
   • 第二维（每组子集数）：x是不规则的（3、1），y是1 → 复制y成和x一样的子集数：[[[10],[10],[10]], [[10]]]；
   • 第三维（每个子集元素数）：x是2，y是1 → 复制y每个子集成2个元素：[[[10,10],[10,10],[10,10]], [[10,10]]]；
3. 逐元素相加 ：
   • 第一组：1+10=11/2+10=12，3+10=13/4+10=14，5+10=15/6+10=16；
   • 第二组：7+10=17/8+10=18。

示例4：四维RaggedTensor + 一维普通张量

x = tf.ragged.constant([[[[1], [2]], [], [[3]], [[4]]], [[[5], [6]], [[7]]]], ragged_rank=2)  # 4维，形状2×(不规则)×(不规则)×1（2组，第一组4个子集，第二组2个；子集内元素数不规则；每个元素1个值）
y = tf.constant([10, 20, 30])  # 1维，形状3
print(x + y)  # 结果：<tf.RaggedTensor [[[[11,21,31],[12,22,32]], [], [[13,23,33]], [[14,24,34]]], [[[15,25,35],[16,26,36]], [[17,27,37]]]]>

计算步骤：

1. 补维度 ：y是1维，x是4维 → 给y补3层外层维度，变成 [[[[10,20,30]]]]（4维，大小1×1×1×3）。
2. 扩维度 ：
   • 前三维：把y复制成和x的不规则维度完全匹配（2组、对应子集数、对应子子集数）；
   • 第四维：x是1，y是3 → 把x的每个元素（比如[1]）复制成3个值（[1,1,1]）；
3. 逐元素相加 ：
   • 1+10=11/1+20=21/1+30=31 → [11,21,31]；
   • 2+10=12/2+20=22/2+30=32 → [12,22,32]；
   • 空子集保持空；
   • 以此类推，最终得到示例结果。

四、拆解「不能广播」的示例（核心：维度大小既不相等，也无1）

示例1：二维RaggedTensor + 二维普通张量

x = tf.ragged.constant([[1, 2], [3, 4, 5, 6], [7]])  # 2维，形状3×(2、4、1)
y = tf.constant([[1,2,3,4],[5,6,7,8],[9,10,11,12]])  # 2维，形状3×4
# x + y 报错

原因：

• 第一维（行数）：都是3 → 没问题；
• 第二维（每行元素数）：x是2、4、1，y是4 → 第一行x=2≠4且≠1，无法复制匹配 → 报错。

示例2：两个二维RaggedTensor

x = tf.ragged.constant([[1,2,3],[4],[5,6]])  # 2维，形状3×(3、1、2)
y = tf.ragged.constant([[10,20],[30,40],[50]])  # 2维，形状3×(2、2、1)
# x + y 报错

原因：

• 第一维（行数）：都是3 → 没问题；
• 第二维（每行元素数）：x=3、1、2，y=2、2、1 → 第一行x=3≠y=2且都≠1 → 无法复制匹配 → 报错。

示例3：三维RaggedTensor + 三维RaggedTensor

x = tf.ragged.constant([[[1,2],[3,4],[5,6]], [[7,8],[9,10]]])  # 3维，形状2×(3、2)×2
y = tf.ragged.constant([[[1,2,0],[3,4,0],[5,6,0]], [[7,8,0],[9,10,0]]])  # 3维，形状2×(3、2)×3
# x + y 报错

原因：

• 前两维都匹配 → 没问题；
• 第三维（每个子集元素数）：x=2，y=3 → 都≠1且不相等 → 无法复制匹配 → 报错。

五、新手必记的广播核心规律

1. 补维度只补外层 ：比如0维标量补成2维是[[3]]，不是[3,]；
2. 扩维度只复制「大小为1」的维度：只有维度大小是1时，才能复制成目标大小；
3. 不规则张量的兼容条件：不规则维度的「大小」要么和另一个张量相等，要么另一个张量在该维度大小为1；
4. 报错唯一原因：某维度上，两个张量的大小既不相等，也没有一个是1 → 无法广播。

记住这4条，再回头看示例，就能清晰理解每一步的计算逻辑了。