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📚 PyTorch张量操作与自动微分全面指南

PyTorch作为深度学习领域的主流框架，掌握其核心数据结构张量(Tensor)的操作至关重要。本文将全面解析PyTorch张量的创建、运算和自动微分机制，助你快速上手PyTorch开发！🚀

🛠 1. 准备工作

1.1 导入PyTorch并检查环境

# 导入torch库
import torch# 查看torch版本
print(torch.__version__)  # 输出: 2.6.0+cu124# 检查CUDA是否可用
torch.cuda.is_available()  # 输出: True

1.2 设置计算设备

device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print(device)  # 输出: cuda

📦 1.1 张量初始化

1.1.1 从Python数据类型创建

data = [[1,2],[3,4]]
x = torch.tensor(data)
print(x)
# 输出: 
# tensor([[1, 2],
#         [3, 4]])

1.1.2 数据类型处理

# 查看数据类型
print(x.dtype)  # 输出: torch.int64# 指定数据类型创建
x1 = torch.FloatTensor([[1,2],[3,4]])  # 等价于 torch.tensor(..., dtype=torch.float32)
x2 = torch.LongTensor([[1,2],[3,4]])# 强制类型转换
x1 = x1.type(torch.long)  # 转换为int64
x1 = x1.float()           # 转换为float32

💡 关键提示：torch.float32和torch.int64是最重要的数据类型！模型输入通常是float32，分类标签通常是int64

1.1.3 从NumPy数组创建

import numpy as np
data = np.array([[1,2],[4,3]])
x3 = torch.from_numpy(data)
print(x3)
# 输出:
# tensor([[1, 2],
#         [4, 3]])

1.1.4 特殊张量创建

# 创建随机张量
rand_tensor = torch.rand(2,3)    # 0~1均匀分布
randn_tensor = torch.randn(2,3)  # 标准正态分布# 创建全1/全0张量
ones_tensor = torch.ones(2,3)
zeros_tensor = torch.zeros(2,3)# 继承形状创建
y1 = torch.rand_like(x.float())

1.1.5 张量属性查看

t = x
print(t.shape)      # 形状: torch.Size([2, 2])
print(t.size())     # 大小: torch.Size([2, 2])
print(t.dtype)      # 数据类型: torch.int64
print(t.device)     # 存储设备: cpu

1.1.6 张量设备转移

x_gpu = x.to(device)  # 转移到GPU
print(x_gpu.device)   # 输出: cuda:0

➗ 1.2 张量运算

1.2.1 基本运算

# 就地加法 (会改变原张量)
t1 = torch.randn(2,3)
t2 = torch.ones(2,3)
t2.add_(t1)# 矩阵乘法
result1 = t1 @ t2.T
result2 = t1.matmul(t2.T)

1.2.2 张量转换

# 单元素张量转标量
t3 = t1.sum()
scalar = t3.item()  # 输出: 2.1050655841827393# 张量转NumPy数组
numpy_array = t1.numpy()

1.2.3 形状操作

t = torch.randn(4,6)# 重塑形状
t1 = t.view(3,8)     # 显式指定形状
t2 = t.view(-1,1)    # 自动推断维度
t3 = t.view(1,4,6)   # 增加维度# 维度压缩与扩展
t4 = torch.ones(1,4,6)
t5 = torch.squeeze(t4)    # 移除大小为1的维度
t6 = torch.unsqueeze(t5,0)  # 在指定位置添加维度

🔁 1.3 张量自动微分

1.3.1 梯度计算核心概念

PyTorch的自动微分系统基于以下三个关键属性：

• requires_grad：是否跟踪梯度（默认为False）
• grad：存储计算得到的梯度
• grad_fn：指向生成此张量的运算方法

1.3.2 梯度计算实战

# 创建需要跟踪梯度的张量
t = torch.ones(2,2, requires_grad=True)
print(t.requires_grad)  # 输出: True# 构建计算图
y = t + 5
x = y * 2
out = x.mean()# 反向传播计算梯度
out.backward()# 查看梯度
print(t.grad)
# 输出:
# tensor([[0.5000, 0.5000],
#         [0.5000, 0.5000]])

1.3.3 梯度控制技巧

# 临时禁用梯度跟踪
with torch.no_grad():print((t + 2).requires_grad)  # 输出: False# 获取不跟踪梯度的张量副本
detached_t = t.detach()
print(detached_t.requires_grad)  # 输出: False# 永久关闭梯度跟踪
t.requires_grad_(False)
print(t.requires_grad)  # 输出: False

💎 核心要点总结

1. 张量创建：

   • 使用torch.tensor()从Python数据创建
   • 使用torch.from_numpy()从NumPy数组转换
   • 掌握torch.rand(), torch.randn(), torch.ones(), torch.zeros()等创建方法

2. 数据类型管理：

   • 重点掌握float32（模型输入）和int64（分类标签）
   • 使用.float()和.long()快速转换类型

3. 设备转移：

   • 使用.to(device)在CPU/GPU间移动张量
   • 始终检查tensor.device确保张量位置正确

4. 自动微分：

   • 设置requires_grad=True启用梯度跟踪
   • 使用.backward()自动计算梯度
   • 使用with torch.no_grad():上下文管理器禁用梯度计算

5. 性能优化：

   • 尽量使用就地操作（如add_()）减少内存开销
   • 合理使用view()进行形状重塑
   • 及时使用detach()分离不需要的计算图

掌握这些PyTorch张量核心操作，你已为深度学习模型开发打下坚实基础！🎯 下一步可以探索神经网络模块和优化器的使用，开启模型训练之旅！