184
149

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?

More than 3 years have passed since last update.

pytorch Tensor操作チートシート

Last updated at Posted at 2019-12-10

概要

毎回調べてしまうpytorchのtensorの操作をまとめました
公式のドキュメンテーション以上の内容はありません

環境

pytorch 1.3.1

Tensorの基本操作

list, ndarrrayからTensorを生成する

a = [[1,2,3],[4,5,6]]
a_np = np.array(a)

# tensorにする
b = torch.tensor(a_list)
b = torch.tensor(a_np) # listからもndarrayからも変換可能
b = torch.from_numpy(a_np) # a_npとbはメモリが共有されるので, 片方を変更するともう片方も変わる


# データの型を指定できる dtype
>>> b = torch.tensor(a, dtype=float)
>>> b = torch.tensor(a).to(torch.float64) # 上に同じ
型一覧はここ. [公式](https://pytorch.org/docs/stable/tensors.html)


# 逆伝搬する場合はrequires_grad=Trueに(defaultはFalse). Variableは非推奨
>>> b = torch.tensor(a, requires_grad=True, dtype=float) # floatにする必要あり
>>> b = torch.tensor(a, dtype=float).requires_grad_() # 上と同じ
>>> b = torch.tensor(a, dtype=float).detach() # requires_grad = Falseになる


# GPUに乗せる device
>>> b = torch.tensor(a, device=0)
>>> b = torch.tensor(a, device=torch.device('cuda')) # 上と同じ
>>> b = torch.tensor(a).cuda(0) # これも同じ
>>> b.is_cuda
True
>>> b.device
device(type='cuda', index=0)

Tensorの初期化

# 0配列 torch.zeros()
>>> b = torch.zeros(3,3,5) # 配列のサイズを指定
>>> b = torch.zeros(3,3,5,requires_grad=True) # requires_gradも指定可能
>>> c = torch.zeros_like(b) # 引数のtensorと同じサイズの0配列を作る. z

# 1配列 torch.ones()
>>> torch.ones(3,3,5)
>>> c = torch.ones_like(b) # 引数のtensorと同じサイズの1配列を作る.

# 任意の数値の配列 torch.full()
>>> torch.full((2,3),fill_value=4) # full_likeもある
tensor([[4., 4., 4.],
        [4., 4., 4.]])

# 空配列 torch.empty()
>>> torch.empty(3,3,5)

# ランダム torch.rand()
>>> torch.rand(3,3,5) # [0 1)一様分布
>>> torch.randn(3,3,5) # N(0,1)正規分布
>>> torch.randint(0,5,(3,3,5)) # 0-4の整数から均一な確率でサンプル
>>> torch.randperm(10) # 0-9のrandom permutation
tensor([4, 6, 2, 8, 5, 9, 7, 3, 0, 1])

# arangeとlinspace
>>> torch.arange(1,4,0.5)
tensor([1.0000, 1.5000, 2.0000, 2.5000, 3.0000, 3.5000])
>>> torch.linspace(1,4,5)
tensor([1.0000, 1.7500, 2.5000, 3.2500, 4.0000])

# 対角行列
>>> torch.eye(3)
tensor([[1., 0., 0.],
        [0., 1., 0.],
        [0., 0., 1.]])
>>> torch.eye(2,3)
tensor([[1., 0., 0.],
        [0., 1., 0.]])

# 1次元配列から対角行列を作る
>>> a = torch.rand(3)
>>> torch.diag(a)
tensor([[0.6432, 0.0000, 0.0000],
        [0.0000, 0.2017, 0.0000],
        [0.0000, 0.0000, 0.1462]])
>>> torch.diag(a,diagonal = 1) # オフセットをつけることもできる
tensor([[0.0000, 0.6432, 0.0000, 0.0000],
        [0.0000, 0.0000, 0.2017, 0.0000],
        [0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.1462],
        [0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000]])

# 逆に対角成分を取ってくる場合は
>>> torch.diagonal(a)

Tensorのサイズ

# size()
>>> b = torch.zeros(2,3,4)
>>> b.size()
torch.Size([2, 3, 4])
>>> b.ndim
3

# reshape()
>>> b = torch.zeros(2,3,4)
>>> b.reshape(6,4) # b.reshape(6,-1)と同じ
tensor([[0., 0., 0., 0.],
        [0., 0., 0., 0.],
        [0., 0., 0., 0.],
        [0., 0., 0., 0.],
        [0., 0., 0., 0.],
        [0., 0., 0., 0.]])
>>> b.view(6,4) # b.reshapeと結果は同じ

# torch.flatten(tensor) # reshape(-1)とおなじ
>>> a = torch.rand(2,2,2)
>>> torch.flatten(a)
tensor([0.6368, 0.7954, 0.7549, 0.4453, 0.6321, 0.8776, 0.5591, 0.9163])

# 次元を削減 squeeze()
>>> a = torch.zeros(2,1,3,1)
>>> b = torch.squeeze(a).size()
torch.Size([2, 3])
>>> c = torch.squeeze(a, 1).size() # dim = 1のみsqueeze
torch.Size([2, 3, 1])

# 次元を増やす unsqueeze()
>>> torch.unsqueeze(b,0).size() # unsqueeze(tensor,dim)
torch.Size([1, 2, 3])

# 転置
>>> a = torch.rand(2,3,4,5)
## torch.tensor.T
>>> a.T.size() #tensor.T
torch.Size([5, 4, 3, 2])

## torch.transpose(tensor, dim1, dim2)
>>> torch.transpose(a,0,1).size()
torch.Size([3, 2, 4, 5])

## torch.t(two_dim_tensor)
>>> a = torch.rand(2,3) # torch.tは2次元のtensorに対する処理
>>> torch.t(a).size()
torch.Size([3, 2])

# ブロードキャスト
## torch.broadcast_tensors(list of tensor)
>>> a = torch.rand(1,4)
>>> b = torch.rand(2,1)
>>> a_, b_ = torch.broadcast_tensors(a,b)
>>> b_
tensor([[0.1983, 0.1983, 0.1983, 0.1983],
        [0.7776, 0.7776, 0.7776, 0.7776]])
## torch.dotを使っても自動でbroadcastされるので, onesと掛け合わせて
>>> a*torch.ones_like(b) # a_と同じ
>>> b*torch.ones_like(a) # b_と同じ

# meshgrid



## broadcastの上の例はmeshgridでも実現できる.
>>> a_, b_ = torch.meshgrid(a.flatten(), b.flatten()) # 入力は1次元のtensor

# リピート repeat_interleave
>>> torch.repeat_interleave(b, 4, dim=1) # repeats = 4
tensor([[0.1983, 0.1983, 0.1983, 0.1983],
        [0.7776, 0.7776, 0.7776, 0.7776]])
>>> torch.repeat_interleave(b, 4, dim=0)
tensor([[0.1983],
        [0.1983],
        [0.1983],
        [0.1983],
        [0.7776],
        [0.7776],
        [0.7776],
        [0.7776]])

Tensorの要素のアクセス, スライス

# スライス: ndarrayと同じ

# flip
>>> a = torch.rand(2,2,2)
>>> a
tensor([[[0.9357, 0.3026],
         [0.1707, 0.6531]],

        [[0.9908, 0.1727],
         [0.1737, 0.9758]]])
>>> torch.flip(a,(0,)) # dim=0に沿ってflip
tensor([[[0.9908, 0.1727],
         [0.1737, 0.9758]],

        [[0.9357, 0.3026],
         [0.1707, 0.6531]]])
>>> torch.flip(a,(0,1,2))
tensor([[[0.9758, 0.1737],
         [0.1727, 0.9908]],

        [[0.6531, 0.1707],
         [0.3026, 0.9357]]])

# roll キャタピラみたいな感じで要素をずらしていく
>>> a
tensor([[0, 1],
        [2, 3],
        [4, 5],
        [6, 7]])
>>> torch.roll(a,1,dims=0)
tensor([[6, 7],
        [0, 1],
        [2, 3],
        [4, 5]])
>>> torch.roll(a,2,dims=0)
tensor([[4, 5],
        [6, 7],
        [0, 1],
        [2, 3]])
>>> torch.roll(a,-1,dims=0)
tensor([[2, 3],
        [4, 5],
        [6, 7],
        [0, 1]])
>>> torch.roll(a,(1,1),dims=(0,1)) # 複数の次元に沿って同時にrollすることも可能
tensor([[7, 6],
        [1, 0],
        [3, 2],
        [5, 4]])

Tensorの結合分割

# torch.cat # np.hstack/np.vstackにあたる
>>> a = torch.zeros(2,3)
>>> b = torch.ones(2,3)
>>> torch.cat((a,b),0)
tensor([[0., 0., 0.],
        [0., 0., 0.],
        [1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])
>>> torch.cat((a,b),1)
tensor([[0., 0., 0., 1., 1., 1.],
        [0., 0., 0., 1., 1., 1.]])

# torch.stack # 新たな次元方向に結合する
>>> a.size()
torch.Size([2, 3])
>>> torch.stack((a,a,a,a),0).size()
torch.Size([4, 2, 3])
>>> torch.stack((a,a,a,a),1).size()
torch.Size([2, 4, 3])
>>> torch.stack((a,a,a,a),2).size()
torch.Size([2, 3, 4])

要素の並び替え

# sort
>>> a = torch.rand(3,3)
>>> a
tensor([[0.8395, 0.2678, 0.5021],
        [0.1397, 0.9839, 0.8991],
        [0.6298, 0.6101, 0.6841]])

>>> sorted, idx = torch.sort(a) # dim = -1 (last dim) by default
>>> sorted
tensor([[0.2678, 0.5021, 0.8395],
        [0.1397, 0.8991, 0.9839],
        [0.6101, 0.6298, 0.6841]])
>>> idx # もとの行列のどのidxを取るか
tensor([[1, 2, 0],
        [0, 2, 1],
        [1, 0, 2]])

>>> sorted, idx = torch.sort(a, descending = True) # descending order
>>> sorted
tensor([[0.8395, 0.5021, 0.2678],
        [0.9839, 0.8991, 0.1397],
        [0.6841, 0.6298, 0.6101]]

# argsort
>>> idx = torch.argsort(a)
>>> idx # torch.sort(a)の2番目の戻り値と同じ
tensor([[1, 2, 0],
        [0, 2, 1],
        [1, 0, 2]])

# sortidxを使って並び替え gather(input, dim, idx)
>>> sorted, idx = torch.sort(a, -1) # dim = -1 (same as default value)
>>> torch.gather(a, -1, idx) sortと合わせてdim=-1
tensor([[0.2678, 0.5021, 0.8395],
        [0.1397, 0.8991, 0.9839],
        [0.6101, 0.6298, 0.6841]]) # sortedと同じものができる

## aとは別の配列bを, aを並び替えたのと同じ順に並び替える
>>> b = torch.rand_like(a) # 3*3 random
>>> torch.gather(b, 1, idx)

## sortした配列をもとに戻す
>>> invidx = torch.argsort(idx)
>>> torch.gather(sorted, -1, invidx)
tensor([[0.8395, 0.2678, 0.5021],
        [0.1397, 0.9839, 0.8991],
        [0.6298, 0.6101, 0.6841]]) # aと同じになる

要素のフィルタリング/検索

# where
>>> a = torch.rand(3,3)
>>> a
tensor([[0.0551, 0.0676, 0.7144],
        [0.7593, 0.6779, 0.0390],
        [0.9562, 0.4836, 0.1249]])

>>> torch.where(a > .5)
(tensor([0, 1, 1, 2]), tensor([2, 0, 1, 0])) # (0,2),(1,0),(1,1),(2,0)

>>> a[torch.where(a > .5)] # aの0.5より大きい要素を抽出
tensor([0.7144, 0.7593, 0.6779, 0.9562])

# torch.where(cond, if cond is true, if cond is false)
>>> torch.where(a > .5, torch.ones(3,3), torch.zeros(3,3))
tensor([[0., 0., 1.],
        [1., 1., 0.],
        [1., 0., 0.]])

>>> torch.where(a != 0)
>>> torch.nonzero(a, as_tuple=True) # 上と同じ

# masked_select # 真偽値のtensorをもとに, 対応する要素を抽出
>>> a > .5
tensor([[False, False,  True],
        [ True,  True, False],
        [ True, False, False]])
>>> torch.masked_select(a, a>.5) # masked_select(input, cond)

tensorの各要素への算術演算

>>> torch.abs(tensor) # 絶対値
>>> torch.ceil(tensor) # 切り上げ
>>> torch.floor(tensor) # 切り下げ -1.8 -> -2
>>> torch.round(tensor) # 四捨五入 -1.8 -> -1
>>> torch.tranc(tensor) # 小数点以下の切り捨て(0に近いほうへの丸め) -1.8 -> -1
>>> torch.flac(tensor) # 小数点以下. 1.3 -> 0.3, -4.6 -> -0.6
>>> torch.clamp(tensor,min,max) # min maxでのクリップ

>>> torch.log(tensor) # 自然対数
>>> torch.log10(tensor) # 常用対数
>>> torch.log2(tensor)
>>> torch.pow(tensor, power) # tensorのpower乗
>>> torch.pow(power, tensor) # powerのtensor乗
>>> torch.sigmoid(tensor)
>>> torch.sign(tensor) # 符号関数sgn. 0には0が返る

要素ごとの値の判定

>>> a = torch.tensor([1,float("Inf"),float("-Inf"),float("nan")])
>>> torch.isfinite(a)
tensor([ True, False, False, False])
>>> torch.isinf(a)
tensor([False,  True,  True, False])
>>> torch.isnan(a)
tensor([False, False, False,  True])

tensorの統計処理

>>> a
tensor([[0.5084, 0.7959, 0.1889, 0.1577, 0.8705],
        [0.0891, 0.0288, 0.2702, 0.0880, 0.6026]])

# min, max, argmin, argmax
## dimを指定しないと1次元の長い配列になる
>>> torch.min(a)
tensor(0.0288)
>>> torch.argmin(a)
tensor(6)

## dimを指定すると, val, idxが両方返ってくる
>>> val,idx=torch.min(a,1)
>>> val
tensor([0.1577, 0.0288])
>>> idx
tensor([3, 1])
>>> torch.argmin(a,1)
tensor([3, 1])

# 小さい順にk番目を取ってくる
>>> val,idx=torch.kthvalue(a, k=2, dim=1) # k=1ならtorch.min(a,1)と同じ
>>> val
tensor([0.1889, 0.0880])
>>> idx
tensor([2, 3])

# 上位k個を取ってくる
>>> val, idx = torch.topk(a, k=2, dim=1)
>>> val
tensor([[0.8705, 0.7959],
        [0.6026, 0.2702]])
>>> idx
tensor([[4, 1],
        [4, 2]])

# 統計量を計算する. APIはmin maxなどとだいたい一緒
>>> torch.mean(a)
tensor(0.3600)
>>> torch.mean(a,1)
tensor([0.5043, 0.2158])
>>> torch.median(a,1) # 戻り値 val, idx
>>> torch.mode(a,1) # 戻り値 val, idx
>>> torch.std(a, unbiased=True) # 標準偏差 不偏
>>> torch.std(a, unbiased=False) # 標準偏差 不偏でない
>>> torch.var(a) # 分散
>>> stddev, mean = torch.std_mean(a, unbiased=False) # 平均も標準偏差も
>>> stddev
tensor(0.2944)
>>> mean
tensor(0.3600)

>>> torch.sum(a,1)
>>> torch.prod(a,1)

# 累積和, 累積積
>>> torch.cumsum(a,1) # dim=1 累積和
tensor([[0.5084, 1.3044, 1.4933, 1.6510, 2.5215],
        [0.0891, 0.1179, 0.3882, 0.4762, 1.0788]])
>>> torch.cumprod(a,1) # dim=1 累積積
tensor([[5.0843e-01, 4.0468e-01, 7.6438e-02, 1.2058e-02, 1.0496e-02],
        [8.9140e-02, 2.5670e-03, 6.9373e-04, 6.1056e-05, 3.6792e-05]])

# log(sum(exp()))
>>> torch.logsumexp(a,1)
tensor([2.1571, 1.8487])

行列演算

# 行列積 matmul, mm
>>> a = torch.rand(3,2)
>>> b = torch.rand(2,4)
>>> torch.matmul(a,b).size()
torch.Size([3, 4])
>>> torch.mm(a,b).size() # mmはbroadcastしない
torch.Size([3, 4])

# 要素ごとの積 mul (*演算子と同じ)
>>> a = torch.rand(3,4)
>>> b = torch.rand(3,4)
>>> torch.mul(a,b).size()
torch.Size([3, 4])
## bloadcastもできる
>>> a = torch.rand(3,1)
>>> b = torch.rand(1,4)
>>> torch.mul(a,b).size()
torch.Size([3, 4])

# 内積 dot
torch.dot

# バッチごとの行列積 bmm
>>> a = torch.rand(10,3,2)
>>> b = torch.rand(10,2,4)
>>> torch.bmm(a,b).size()
torch.Size([10, 3, 4])

# 直積 cartesian_prod
>>> a = torch.rand(3)
>>> b = torch.rand(2)
>>> torch.cartesian_prod(a,b) # a,bともに1次元
tensor([[0.1174, 0.7799],
        [0.1174, 0.0018],
        [0.0949, 0.7799],
        [0.0949, 0.0018],
        [0.4312, 0.7799],
        [0.4312, 0.0018]])

>>> torch.trace(a) # trace
>>> torch.tril(a) # 下三角行列
>>> torch.triu(a) # 上三角行列
>>> torch.diag(torch.diagonal(a)) # 対角行列

>>> torch.eig(a) # 固有値固有ベクトル. backwardは未実装. torch.symeig()を利用する
>>> torch.inverse(a)
>>> torch.det(a)
>>> u, s, v = torch.svd(a)

# 便利な演算
>>> torch.addbmm(beta=1, add, alpha=1, a, b) # beta*add + alpha*sum(bmm(a,b),0)
>>> torch.baddbmm(beta=1, add, alpha=1, a, b) # beta*add + alpha*bmm(a,b)
>>> torch.addmm(beta=1, add, alpha=1, a, b) # beta*add + alpha*matmul(a,b)
>>> torch.addmv(beta=1, add, alpha=1, a, vec) # beta*add + alpha*matmul(a,vec)
>>> torch.addr(beta=1, add, alpha=1, vec_a, vec_b) # beta*add + alpha*outerprod(vec_a,vec_b)
>>> torch.chain_matmul(a,b,c) # matmul(matmul(a,b),c)

ノルム/距離

# ノルム
>>> torch.norm(a)
tensor(1.4707) # torch.norm(a.reshape(-1))と同じ
>>> torch.norm(a, dim=1, p='fro') # frobenius norm
tensor([1.3078, 0.6728])

# 距離
>>> a = torch.rand(2)
>>> b = torch.rand(2)
>>> torch.dist(a,b,p=2) # 2ノルム
tensor(0.6112)

# 各行同士の距離
>>> a = torch.rand(3,2)
>>> b = torch.rand(4,2)
>>> torch.cdist(a,b,p=2) # aの各行とbの各行の距離
tensor([[0.2806, 0.5389, 0.2644, 0.3649],
        [0.5951, 0.3302, 0.5304, 0.4894],
        [0.7638, 0.2005, 0.9625, 0.4779]])

そのほかの演算

einsum

文字列で数式を書くことで行列間の演算を定義できる.
基本
torch.einsum("ij,st->ijst",arr1, arr2)
f_ijst = arr1_i,j * arr2_s,t
for each i,j,s,t return f_ijst

torch.einsum("ij,st->ijs",arr1, arr2)
f_ijst = arr1_i,j * arr2_s,t
for each i,j,s return sum_t(f_ijst)

torch.einsum("ij,st->is",arr1, arr2)
f_ijst = arr1_i,j * arr2_s,t
for each i,s return sum_j,t(f_ijst)

>>> a
tensor([[1, 2],
        [3, 4]])
>>> b
tensor([2, 3])

>>> torch.einsum("ij->i",a)
tensor([3, 7])

>>> torch.einsum("ij,s->ijs",a,b)
tensor([[[ 2,  3],
         [ 4,  6]],

        [[ 6,  9],
         [ 8, 12]]])
# f_ijs = a_ij * b_s

>>> torch.einsum("ij,s->ijs",a,b)
tensor([[[ 2,  3],
         [ 4,  6]],

        [[ 6,  9],
         [ 8, 12]]])
# f_ijs = a_ij * b_s

>>> torch.einsum("ij,s->is",a,b)
tensor([[ 6,  9],
        [14, 21]])
# f_ijs = a_ij * b_s
# for each i,s sum_j(f_ijs)

>>> torch.einsum("ij,i->i",a,b)
tensor([[ 6, 21]])
# f_ij = a_ij * b_i
# for each i sum_j(f_ij)

# torch.bmm
>>> torch.einsum('ijk,ikl->ijl',a,b) # 次元iは共通, 出力の形はijl

gather

# gather(input, dim, index) 以下のような処理をします
    out[i][j][k] = input[index[i][j][k]][j][k]  # if dim == 0
    out[i][j][k] = input[i][index[i][j][k]][k]  # if dim == 1
    out[i][j][k] = input[i][j][index[i][j][k]]  # if dim == 2
>>> a = torch.tensor([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])
>>> b = torch.eye(3).to(int)
>>> a
tensor([[1, 2, 3],
        [4, 5, 6],
        [7, 8, 9]])
>>> torch.gather(a,1,b)
tensor([[2, 1, 1], # idx = 1,0,0
        [4, 5, 4], # idx = 0,1,0
        [7, 7, 8]])# idx = 0,0,1

unique/連続している要素だけunique/出現回数をカウント

# unique
>>> torch.unique(torch.tensor([2,1,3,4,2,3]),sorted=False))
tensor([4,3,1,2])
>>> torch.unique(torch.tensor([2,1,3,4,2,3]),sorted=True)) #default True
tensor([1,2,3,4])

# uniqしたtensorをもとに戻すインデックスを得ることができる
>>> out, inv_idx = torch.unique(torch.tensor([2,1,3,4,2,3]),return_inverse=True))
>>> out
tensor([1, 2, 3, 4])
>>> inv_idx
tensor([1, 0, 2, 3, 1, 2])
>>> out[inv_idx]
tensor([2,1,3,4,2,3])

# 出現回数をカウントできる
>>> out, cnt = torch.unique(torch.tensor([2,1,3,4,2,3]), return_counts=True)
>>> out
tensor([1, 2, 3, 4])
>>> cnt
tensor([1, 2, 2, 1])

# unique_consecutive 連続する重複する値を削除
>>> torch.unique_consecutive(torch.tensor([1,2,2,2,3,3,1,2]))
tensor([1, 2, 3, 1, 2]) # torch.uniqueならtensor([1,2,3])になる

線形補完

# 線形補完 torch.lerp(start, end, weight)
>>> torch.lerp(torch.tensor([1,2,3],dtype=float), torch.tensor([2,6,5],dtype=float), 0.25)
tensor([1.2500, 3.0000, 3.5000], dtype=torch.float64)

184
149
0

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
184
149

Delete article

Deleted articles cannot be recovered.

Draft of this article would be also deleted.

Are you sure you want to delete this article?