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tensorflow笔记系列：
（一） tensorflow笔记：流程，概念和简单代码注释
（二） tensorflow笔记：多层CNN代码分析
（三） tensorflow笔记：多层LSTM代码分析
（四） tensorflow笔记：常用函数说明
（五） tensorflow笔记：模型的保存与训练过程可视化
（六）tensorflow笔记：使用tf来实现word2vec

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本文章内容比较繁杂，主要是一些比较常用的函数的用法，结合了网上的资料和源码，还有我自己写的示例代码。建议照着目录来看。

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1.矩阵操作

1.1矩阵生成

这部分主要将如何生成矩阵，包括全０矩阵，全１矩阵，随机数矩阵，常数矩阵等

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tf.ones | tf.zeros

tf.ones(shape,type=tf.float32,name=None)
tf.zeros([2, 3], int32)
用法类似，都是产生尺寸为shape的张量(tensor)

sess = tf.InteractiveSession()
x = tf.ones([2, 3], int32)
print(sess.run(x))
#[[1 1 1],
# [1 1 1]]

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tf.ones_like | tf.zeros_like

tf.ones_like(tensor,dype=None,name=None)
tf.zeros_like(tensor,dype=None,name=None)
新建一个与给定的tensor类型大小一致的tensor，其所有元素为1和0

tensor=[[1, 2, 3], [4, 5, 6]] 
x = tf.ones_like(tensor) 
print(sess.run(x))
#[[1 1 1],
# [1 1 1]]

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tf.fill

tf.fill(shape,value,name=None)
创建一个形状大小为shape的tensor，其初始值为value

print(sess.run(tf.fill([2,3],2)))
#[[2 2 2],
# [2 2 2]]

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tf.constant

tf.constant(value,dtype=None,shape=None,name=’Const’)
创建一个常量tensor，按照给出value来赋值，可以用shape来指定其形状。value可以是一个数，也可以是一个list。
如果是一个数，那么这个常亮中所有值的按该数来赋值。
如果是list,那么len(value)一定要小于等于shape展开后的长度。赋值时，先将value中的值逐个存入。不够的部分，则全部存入value的最后一个值。

a = tf.constant(2,shape=[2])
b = tf.constant(2,shape=[2,2])
c = tf.constant([1,2,3],shape=[6])
d = tf.constant([1,2,3],shape=[3,2])

sess = tf.InteractiveSession()
print(sess.run(a))
#[2 2]
print(sess.run(b))
#[[2 2]
# [2 2]]
print(sess.run(c))
#[1 2 3 3 3 3]
print(sess.run(d))
#[[1 2]
# [3 3]
# [3 3]]

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tf.random_normal | tf.truncated_normal | tf.random_uniform

tf.random_normal(shape,mean=0.0,stddev=1.0,dtype=tf.float32,seed=None,name=None)
tf.truncated_normal(shape, mean=0.0, stddev=1.0, dtype=tf.float32, seed=None, name=None)
tf.random_uniform(shape,minval=0,maxval=None,dtype=tf.float32,seed=None,name=None)
这几个都是用于生成随机数tensor的。尺寸是shape
random_normal: 正太分布随机数，均值mean,标准差stddev
truncated_normal:截断正态分布随机数，均值mean,标准差stddev,不过只保留[mean-2*stddev,mean+2*stddev]范围内的随机数
random_uniform:均匀分布随机数，范围为[minval,maxval]

sess = tf.InteractiveSession()
x = tf.random_normal(shape=[1,5],mean=0.0,stddev=1.0,dtype=tf.float32,seed=None,name=None)
print(sess.run(x))
#===>[[-0.36128798 0.58550537 -0.88363433 -0.2677258 1.05080092]]

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tf.get_variable

get_variable(name, shape=None, dtype=dtypes.float32, initializer=None,
                 regularizer=None, trainable=True, collectiOns=None,
                 caching_device=None, partitiOner=None, validate_shape=True,
                 custom_getter=None):

如果在该命名域中之前已经有名字=name的变量，则调用那个变量；如果没有，则根据输入的参数重新创建一个名字为name的变量。在众多的输入参数中，有几个是我已经比较了解的，下面来一一讲一下

name: 这个不用说了，变量的名字
shape: 变量的形状，[]表示一个数，[3]表示长为3的向量，[2,3]表示矩阵或者张量(tensor)
dtype: 变量的数据格式，主要有tf.int32, tf.float32, tf.float64等等
initializer: 初始化工具，有tf.zero_initializer, tf.ones_initializer, tf.constant_initializer, tf.random_uniform_initializer, tf.random_normal_initializer, tf.truncated_normal_initializer等

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1.2 矩阵变换

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tf.shape

tf.shape(Tensor)
Returns the shape of a tensor.返回张量的形状。但是注意，tf.shape函数本身也是返回一个张量。而在tf中，张量是需要用sess.run(Tensor)来得到具体的值的。

labels = [1,2,3]
shape = tf.shape(labels)
print(shape)
sess = tf.InteractiveSession()
print(sess.run(shape))
# >>>Tensor("Shape:0", shape=(1,), dtype=int32)
# >>>[3]

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tf.expand_dims

tf.expand_dims(Tensor, dim)
为张量+1维。官网的例子：’t’ is a tensor of shape [2]
shape(expand_dims(t, 0)) ==> [1, 2]
shape(expand_dims(t, 1)) ==> [2, 1]
shape(expand_dims(t, -1)) ==> [2, 1]

sess = tf.InteractiveSession()
labels = [1,2,3]
x = tf.expand_dims(labels, 0)
print(sess.run(x))
x = tf.expand_dims(labels, 1)
print(sess.run(x))
#>>>[[1 2 3]]
#>>>[[1]
# [2]
# [3]]

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tf.pack

tf.pack(values, axis=0, name=”pack”)
Packs a list of rank-R tensors into one rank-(R+1) tensor
将一个R维张量列表沿着axis轴组合成一个R+1维的张量。

  # 'x' is [1, 4]
  # 'y' is [2, 5]
  # 'z' is [3, 6]
  pack([x, y, z]) => [[1, 4], [2, 5], [3, 6]]  # Pack along first dim.
  pack([x, y, z], axis=1) => [[1, 2, 3], [4, 5, 6]]

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tf.concat

tf.concat(concat_dim, values, name=”concat”)
Concatenates tensors along one dimension.
将张量沿着指定维数拼接起来。个人感觉跟前面的pack用法类似

t1 = [[1, 2, 3], [4, 5, 6]]
t2 = [[7, 8, 9], [10, 11, 12]]
tf.concat(0, [t1, t2]) 
#==> [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9], [10, 11, 12]]
tf.concat(1, [t1, t2]) 
#==> [[1, 2, 3, 7, 8, 9], [4, 5, 6, 10, 11, 12]]

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tf.sparse_to_dense

稀疏矩阵转密集矩阵
定义为：

def sparse_to_dense(sparse_indices,
 output_shape,
 sparse_values,
 default_value=0,
 validate_indices=True,
 name=None):

几个参数的含义：
sparse_indices: 元素的坐标[[0,0],[1,2]] 表示(0,0)，和(1,2)处有值
output_shape: 得到的密集矩阵的shape
sparse_values: sparse_indices坐标表示的点的值，可以是0D或者1D张量。若0D，则所有稀疏值都一样。若是1D，则len(sparse_values)应该等于len(sparse_indices)
default_values: 缺省点的默认值

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tf.random_shuffle

tf.random_shuffle(value,seed=None,name=None)
沿着value的第一维进行随机重新排列

sess = tf.InteractiveSession()
a=[[1,2],[3,4],[5,6]]
x = tf.random_shuffle(a)
print(sess.run(x))
#===>[[3 4],[5 6],[1 2]]

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tf.argmax | tf.argmin

tf.argmax(input=tensor,dimention=axis)
找到给定的张量tensor中在指定轴axis上的最大值/最小值的位置。

a=tf.get_variable(name='a',
                  shape=[3,4],
                  dtype=tf.float32,
                  initializer=tf.random_uniform_initializer(minval=-1,maxval=1))
b=tf.argmax(input=a,dimension=0)
c=tf.argmax(input=a,dimension=1)
sess = tf.InteractiveSession()
sess.run(tf.initialize_all_variables())
print(sess.run(a))
#[[ 0.04261756 -0.34297419 -0.87816691 -0.15430689]
# [ 0.18663144 0.86972666 -0.06103253 0.38307118]
# [ 0.84588599 -0.45432305 -0.39736366 0.38526249]]
print(sess.run(b))
#[2 1 1 2]
print(sess.run(c))
#[0 1 0]

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tf.equal

tf.equal(x, y, name=None):
判断两个tensor是否每个元素都相等。返回一个格式为bool的tensor

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tf.cast

cast(x, dtype, name=None)
将x的数据格式转化成dtype.例如，原来x的数据格式是bool，那么将其转化成float以后，就能够将其转化成0和1的序列。反之也可以

a = tf.Variable([1,0,0,1,1])
b = tf.cast(a,dtype=tf.bool)
sess = tf.InteractiveSession()
sess.run(tf.initialize_all_variables())
print(sess.run(b))
#[ True False False True True]

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tf.matmul

用来做矩阵乘法。若a为l*m的矩阵，b为m*n的矩阵，那么通过tf.matmul(a,b) 结果就会得到一个l*n的矩阵
不过这个函数还提供了很多额外的功能。我们来看下函数的定义：

matmul(a, b,
           transpose_a=False, transpose_b=False,
           a_is_sparse=False, b_is_sparse=False,
 name=None):

可以看到还提供了transpose和is_sparse的选项。
如果对应的transpose项为True，例如transpose_a=True,那么a在参与运算之前就会先转置一下。
而如果a_is_sparse=True,那么a会被当做稀疏矩阵来参与运算。

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tf.reshape

reshape(tensor, shape, name=None)
顾名思义，就是将tensor按照新的shape重新排列。一般来说，shape有三种用法：
如果 shape=[-1], 表示要将tensor展开成一个list
如果 shape=[a,b,c,…] 其中每个a,b,c,..均>0，那么就是常规用法
如果 shape=[a,-1,c,…] 此时b=-1，a,c,..依然>0。这表示tf会根据tensor的原尺寸，自动计算b的值。
官方给的例子已经很详细了，我就不写示例代码了

# tensor 't' is [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
# tensor 't' has shape [9]
reshape(t, [3, 3]) ==> [[1, 2, 3],
 [4, 5, 6],
 [7, 8, 9]]

# tensor 't' is [[[1, 1], [2, 2]],
#                [[3, 3], [4, 4]]]
# tensor 't' has shape [2, 2, 2]
reshape(t, [2, 4]) ==> [[1, 1, 2, 2],
 [3, 3, 4, 4]]

# tensor 't' is [[[1, 1, 1],
# [2, 2, 2]],
#                [[3, 3, 3],
# [4, 4, 4]],
#                [[5, 5, 5],
# [6, 6, 6]]]
# tensor 't' has shape [3, 2, 3]
# pass '[-1]' to flatten 't'
reshape(t, [-1]) ==> [1, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 6, 6, 6]

# -1 can also be used to infer the shape
# -1 is inferred to be 9:
reshape(t, [2, -1]) ==> [[1, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3],
 [4, 4, 4, 5, 5, 5, 6, 6, 6]]

# -1 is inferred to be 2:
reshape(t, [-1, 9]) ==> [[1, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3],
 [4, 4, 4, 5, 5, 5, 6, 6, 6]]

# -1 is inferred to be 3:
reshape(t, [ 2, -1, 3]) ==> [[[1, 1, 1],
 [2, 2, 2],
 [3, 3, 3]],
                             [[4, 4, 4],
 [5, 5, 5],
 [6, 6, 6]]]

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2. 神经网络相关操作

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tf.nn.embedding_lookup

embedding_lookup(params, ids, partition_strategy=”mod”, name=None,
validate_indices=True):

简单的来讲，就是将一个数字序列ids转化成embedding序列表示。
假设params.shape=[v,h], ids.shape=[m], 那么该函数会返回一个shape=[m,h]的张量。用数学来表示，就是

那么这个有什么用呢？如果你了解 word2vec的话，就知道我们可以根据文档来对每个单词生成向量。单词向量可以进一步用来测量单词的相似度等等。那么假设我们现在已经获得了每个单词的向量，都存在param中。那么根据单词id序列ids,就可以通过embedding_lookup来获得embedding表示的序列。

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tf.trainable_variables

返回所有可训练的变量。
在创造变量(tf.Variable, tf.get_variable 等操作)时，都会有一个trainable的选项，表示该变量是否可训练。这个函数会返回图中所有trainable=True的变量。
tf.get_variable(…), tf.Variable(…)的默认选项是True, 而 tf.constant(…)只能是False

import tensorflow as tf
from pprint import pprint

a = tf.get_variable('a',shape=[5,2])    # 默认 trainable=True
b = tf.get_variable('b',shape=[2,5],trainable=False)
c = tf.constant([1,2,3],dtype=tf.int32,shape=[8],name='c') # 因为是常量，所以trainable=False
d = tf.Variable(tf.random_uniform(shape=[3,3]),name='d')
tvar = tf.trainable_variables()
tvar_name = [x.name for x in tvar]
print(tvar)
# [0x7f9c8db8ca20>, 0x7f9c8db8c9b0>]
print(tvar_name)
# ['a:0', 'd:0']

sess = tf.InteractiveSession()
sess.run(tf.initialize_all_variables())
pprint(sess.run(tvar))
#[array([[ 0.27307487, -0.66074866],
# [ 0.56380701, 0.62759042],
# [ 0.50012994, 0.42331111],
# [ 0.29258847, -0.09185416],
# [-0.35913971, 0.3228929 ]], dtype=float32),
# array([[ 0.85308731, 0.73948073, 0.63190091],
# [ 0.5821209 , 0.74533939, 0.69830012],
# [ 0.61058474, 0.76497936, 0.10329771]], dtype=float32)]

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tf.gradients

用来计算导数。该函数的定义如下所示

def gradients(ys,
 xs,
 grad_ys=None,
 name="gradients",
 colocate_gradients_with_ops=False,
 gate_gradients=False,
 aggregation_method=None):

虽然可选参数很多，但是最常使用的还是ys和xs。根据说明得知，ys和xs都可以是一个tensor或者tensor列表。而计算完成以后，该函数会返回一个长为len(xs)的tensor列表，列表中的每个tensor是ys中每个值对xs[i]求导之和。如果用数学公式表示的话，那么 g = tf.gradients(y,x)可以表示成

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tf.clip_by_global_norm

修正梯度值，用于控制梯度爆炸的问题。梯度爆炸和梯度弥散的原因一样，都是因为链式法则求导的关系，导致梯度的指数级衰减。为了避免梯度爆炸，需要对梯度进行修剪。
先来看这个函数的定义：

def clip_by_global_norm(t_list, clip_norm, use_norm=None, name=None):

输入参数中：t_list为待修剪的张量, clip_norm 表示修剪比例(clipping ratio).

函数返回2个参数： list_clipped，修剪后的张量，以及global_norm，一个中间计算量。当然如果你之前已经计算出了global_norm值，你可以在use_norm选项直接指定global_norm的值。

那么具体如何计算呢？根据源码中的说明，可以得到
list_clipped[i]=t_list[i] * clip_norm / max(global_norm, clip_norm),其中
global_norm = sqrt(sum([l2norm(t)**2 for t in t_list]))

如果你更熟悉数学公式，则可以写作

其中，
Lic 和 Lig 代表t_list[i]和list_clipped[i]，
Nc 和 Ng 代表clip_norm 和 global_norm的值。
其实也可以看到其实 Ng 就是t_list的L2模。上式也可以进一步写作

也就是说，当t_list的L2模大于指定的 Nc 时，就会对t_list做等比例缩放

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tf.nn.dropout

dropout(x, keep_prob, noise_shape=None, seed=None, name=None)
按概率来将x中的一些元素值置零，并将其他的值放大。用于进行dropout操作，一定程度上可以防止过拟合
x是一个张量，而keep_prob是一个（0,1]之间的值。x中的各个元素清零的概率互相独立，为1-keep_prob,而没有清零的元素，则会统一乘以1/keep_prob, 目的是为了保持x的整体期望值不变。

sess = tf.InteractiveSession()
a = tf.get_variable('a',shape=[2,5])
b = a
a_drop = tf.nn.dropout(a,0.8)
sess.run(tf.initialize_all_variables())
print(sess.run(b))
#[[ 0.28667903 -0.66874665 -1.14635754 0.88610041 -0.55590457]
# [-0.29704338 -0.01958954 0.80359757 0.75945008 0.74934876]]
print(sess.run(a_drop))
#[[ 0.35834879 -0.83593333 -1.43294692 1.10762548 -0. ]
# [-0.37130421 -0. 0. 0.94931257 0.93668592]]

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3.普通操作

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tf.linspace | tf.range

tf.linspace(start,stop,num,name=None)
tf.range(start,limit=None,delta=1,name=’range’)
这两个放到一起说，是因为他们都用于产生等差数列，不过具体用法不太一样。
tf.linspace在[start,stop]范围内产生num个数的等差数列。不过注意，start和stop要用浮点数表示，不然会报错
tf.range在[start,limit)范围内以步进值delta产生等差数列。注意是不包括limit在内的。

sess = tf.InteractiveSession()
x = tf.linspace(start=1.0,stop=5.0,num=5,name=None)  # 注意1.0和5.0
y = tf.range(start=1,limit=5,delta=1)
print(sess.run(x))
print(sess.run(y))
#===>[ 1. 2. 3. 4. 5.]
#===>[1 2 3 4]

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tf.assign

assign(ref, value, validate_shape=None, use_locking=None, name=None)
tf.assign是用来更新模型中变量的值的。ref是待赋值的变量，value是要更新的值。即效果等同于 ref = value
简单的实例代码见下

sess = tf.InteractiveSession()

a = tf.Variable(0.0)
b = tf.placeholder(dtype=tf.float32,shape=[])
op = tf.assign(a,b)

sess.run(tf.initialize_all_variables())
print(sess.run(a))
# 0.0
sess.run(op,feed_dict={b:5.})
print(sess.run(a))
# 5.0

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4.规范化

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tf.variable_scope

简单的来讲，就是为变量添加命名域

  with tf.variable_scope("foo"):
      with tf.variable_scope("bar"):
          v = tf.get_variable("v", [1])
          assert v.name == "foo/bar/v:0"

函数的定义为

def variable_scope(name_or_scope, reuse=None, initializer=None,
 regularizer=None, caching_device=None, partitiOner=None,
 custom_getter=None):

各变量的含义如下：
name_or_scope: string or VariableScope: the scope to open.
reuse: True or None; if True, we go into reuse mode for this scope as well as all sub-scopes; if None, we just inherit the parent scope reuse. 如果reuse=True, 那么就是使用之前定义过的name_scope和其中的变量，
initializer: default initializer for variables within this scope.
regularizer: default regularizer for variables within this scope.
caching_device: default caching device for variables within this scope.
partitioner: default partitioner for variables within this scope.
custom_getter: default custom getter for variables within this scope.

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tf.get_variable_scope

返回当前变量的命名域，返回一个tensorflow.python.ops.variable_scope.VariableScope变量。