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Python 與 Tensorflow 簡介

一. Python 的安裝

1. Window 平臺安裝 Python

  1. 在下載列表中選擇Window平臺安裝包,包格式為:python-XYZ.msi檔案 , XYZ 為你要安裝的版本號。
  2. 下載後,雙擊下載包,進入Python安裝嚮導,安裝非常簡單,你只需要使用預設的設定一直點選”下一步”直到安裝完成即可。
  3. 環境變數設定:在命令列框中 (cmd) 輸入:path=%path%;C:\Python ,按下 enter

2. Linux 建立多版本 Python 環境

  1. 安裝 Anaconda: 在shell命令列輸入bash Anaconda2-5.0.0.1-Linux-x86_64.sh,一直按enteryes
    直至結束
  2. 建立linux python 3環境:conda create -n py35(環境名稱) python=3.5 (python版本)
  3. 新增路徑到 .bashrc 檔案:
export PATH="/home/hansry/anaconda2/bin:$PATH"   #其中 /home/hansry/anaconda2 為安裝包的路徑
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/cuda-8.0/lib64:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH=/usr/local/cuda-8.0/bin:$PATH
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5.啟用環境: source activate py35 ,直至出現使用者名稱前面有 (py35)

字樣則安裝成功。如下圖所示:
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二.Python 的使用

1. 互動式直譯器

$ python # Unix/Linux
或者
C:>python # Windows/DOS
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2. 命令列指令碼

$ python script.py  # Unix/Linux    
或者
C:>python script.py  # Windows/DOS 
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3. 整合開發環境(IDE: Integrated Development Environment): PyCharm , Spyder

這裡寫圖片描述
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三. Python 的基本語法

1. 行和縮排

學習 Python 與其他語言最大的區別就是,Python 的程式碼塊不使用大括號 {} 來控制類,函式以及其他邏輯判斷。python 最具特色的就是用縮排來寫模組。

縮排的空白數量是可變的,但是所有程式碼塊語句必須包含相同的縮排空白數量,這個必須嚴格執行。如下所示:

if True:                                iftrue){
    print "True"                           cout<<"True"<<endl;}
else:                                   else{
    print "False"                            cout<<"False"<<endl;}
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以下程式碼將會執行錯誤:

if True:
    print "Answer"
    print "True"
else:
    print "Answer"
    # 沒有嚴格縮排,在執行時會報錯
  print "False"
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如果出現IndentationError: unexpected indent 則說明沒有對齊,格式出錯,python 對格式要求非常嚴格

2.常見的迴圈條件語句

1) while 迴圈語句:

count = 0                                     count=0
while (count < 9):                            whilecount<9){
   print('The count is:', count)               cout<<'The count is:'<<count<<endl;
   count = count + 1                           count=count+1
                                                }
print "Good bye!"                              cout<<"Good bye"<<endl;
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2) 條件語句:

flag = False
name = 'luren'
if name == 'python':         # 判斷變數否為'python'
    flag = True          # 條件成立時設定標誌為真
    print 'welcome boss'    # 並輸出歡迎資訊
else:
    print name              # 條件不成立時輸出變數名稱
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3) for 迴圈語句

for i in range(10):
    print(i)
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3. Python 識別符號

在python 裡,識別符號由字母、數字、下劃線組成。
在 python中,所有識別符號可以包括英文、數字以及下劃線(_),但是不能以數字開頭。
Python 中的識別符號是區分大小寫的。

以下劃線開頭的識別符號是有特殊意義的。以單下劃線開頭 _foo 的代表不能直接訪問的類屬性,需通過類提供的介面進行訪問,不能用 from xxx import * 而匯入;

以雙下劃線開頭的 _foo 代表類的私有成員;以雙下劃線開頭和結尾的 __foo_ 代表 Python 裡特殊方法專用的標識,如 init() 代表類的建構函式。

這裡寫圖片描述

4.Python 模組的使用

Test1.py

class hello_world:   #類
    def __init(self):pass
    def f(self):print('Hello, World!')

def vision():   #函式
    print('machine vision')

if __name__=='__main__':  
    hello_world().f()
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1). 若在shell視窗直接執行 python Test1,得到:

Hello, World!
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因為此時__name__== '__main__' 成立,所以直接執行 hello_world().f()

2). 若是直接在 shell 視窗直接執行 import Test1,則此時 Test1 會被當做一個物件來使用,而不會執行到hello_world().f()

>>> import Test1
>>> Test1.__name__

    'Test1'
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若寫另一檔案 Test2.py:

import Test1
Test1.vision()
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執行 Test2.py 檔案,可得:

>>> python Test2.py

   machine vision
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因此,python檔案既可以當做執行檔案來使用,也可以當做物件來使用,這一點和 MALATB 十分相似。

5.Python 的類和例項

1). 在面向物件中,最重要的概念就是類(class)和例項(instance),類是抽象的模板,而例項是根據類創建出來的一個個具體的 “物件”。

學生是個較為抽象的概念,同時擁有很多屬性,可以用一個 Student 類來描述,類中可定義學生的分數、身高等屬性,但是沒有具體的數值。

而例項是類建立的一個個具體的物件, 每一個物件都從類中繼承有相同的方法,但是屬性值可能不同,如建立一個例項叫 hansry 的學生,其分數為 93,身高為 174,則這個例項擁有具體的數值。

class Studentobject):
    def __init__(self,name,score):
        self.name=name
        self.score=score
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a.(object)表示的是該類從哪個類繼承下來的,而object類是每個類都會繼承的一個類。
b. __init__ 方法的第一引數永遠是 self,用來表示類建立的例項本身,因此,在 __init__ 方法內部,就可以把各種屬性繫結到self,因為self 本身就是指向建立的例項本身。(C++ this 指標)
c. 有了 __init__ 方法後,在建立例項的時候,就不能傳入空引數,必須傳入與 __init__ 方法匹配的引數,但self本身不需要傳入引數,只需要傳入 self 後面的引數即可。

2). 例項: 定義好了類後,就可以通過Student類創建出 Student 的例項,建立例項是通過 類名 + ()實現:

student = Student('hansry', 93>>> student.name
'hansry'
>>> student.score
93
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a. 其中 Student 是類名稱,(’name’,93)為要傳入的引數
b. self.name 就是 Student類的屬性變數,為 Student 類所有。同時, name 是外部傳來的引數,不是 Student 類所自帶的。故 self.name = name 的意思就是把外部傳來的引數 name 的值賦值給 Student類自己的屬性變數 self.name .

c. 和普通函式相比,在類中定義函式只有一點不同,就是第一引數永遠是類的本身例項變數 self, 並且呼叫時,不用傳遞該引數。 除此之外,類的方法(函式)和普通函式沒有啥區別。既可以用 預設引數、可變引數或者關鍵字引數等。

3). 限制外部對類例項屬性的訪問

如果不想讓例項中的內部屬性被外部屬性訪問,則把 name 和 score 變成 __name 和 __score 即可,如下程式碼所示:

class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.__name = name
        self.__score = score

    def print_property(self):
        print "%s: %d" %(self.__name,self.__score)
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>>> student= Student("hansry",99)
>>> student.print_property()
>>> student.__name()

hansry:99
Traceback (most recent call last):
AttributeError: 'Student' object has no attribute '__name'
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4). 開 API 使得外部程式碼能夠訪問到裡面的屬性,並且對其進行修改

class Student(object):

    def __init__(self, name, score):
        self.__name = name
        self.__score = score

    def print_property(self):
        print "%s: %d" %(self.__name,self.__score)

    def reset_name(self,change_name):
        self.__name = change_name


    def reset_score(self, change_score):
        self.__score = change_score 
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student= Student("hansry",99)
student.print_property()

hansry:99

student.reset_name("simona")
student.reset_score(91)
student.print_property()

simona:91
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5). self 的仔細用法

A. self代表類的例項,而非類。

class Student(object):
    def print_self(self):
        print(self)
        print(self.__class__)
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student=Student()
student.print_self()

<__main__.Student object at 0x7fd9095aed90>
<class '__main__.Student'>
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從上面例子可得,self代表的只是類的例項,而 self.class 才是類。

B. 定義類的時候,self最好寫上,因為它代表了類的例項。

四. Tensorflow 的安裝

1. Tensorflow 在 windows 的安裝和執行

1) 安裝docker: 首先要安裝 docker,就是類似於給你提供一個類似於linux的視窗,具體見官網的文件或者百度。到 docker 官網下載 Docker Toolbox,下載的版本可以為 DockerToolbox-1.10.2(備註:如果在window7 下安裝沒成功的就換 window 8或者 window 10), 然後安裝方法參照docker官網或者百度,這個比較簡單。

2) 安裝 tensorflow,進入tensorflow官網,版本選擇 0.6.0。DockerToolbox (即上面的軟體) 裝好之後,桌面會有個Docker Quickstart Terminal 的快捷鍵 這裡寫圖片描述, 雙擊執行,docker成功啟動後有如圖提示:這裡寫圖片描述,然後在符號 $ 後輸入以下命令:

docker run -it b.gcr.io/tensorflow/tensorflow
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回車後就會自動下載,保持網速良好,可能會等比較長時間,下載完成後會有:

這裡寫圖片描述

3) 等上述下載結束後,開啟windows命令提示符 (cmd),輸入以下命令:

FOR /f "tokens=*" %i IN ('docker-machine env --shell cmd default') DO %i
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執行成功後如下圖所示:
這裡寫圖片描述

4) 回到 Docker Quickstart Terminal,輸入以下命令:

docker run -it b.gcr.io/tensorflow/tensorflow-full
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待下載完成後,系統會自動進入linux shell,輸入python,開始你的tensorflow之旅吧,如下圖:

這裡寫圖片描述

2. Tensorflow 在 linux 下 的安裝和執行

在上述中已經提到如何安裝anaconda,當安裝成功後,安裝tensorflow就顯得容易很多:

1) source activate py35    啟用anaconda環境
2) conda install tensorflow  直接安裝tensorflow
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五. Tensorflow 的基本介紹

1. 為什麼要學 Tensorflow ?

Tensorflow 支援異構裝置分散式計算。

異構裝置: 指CPU、GPU 等核心進行有效地協同合作。與只依靠CPU相比,效能更高,功耗更低。
分散式: 分散式架構的目的在於幫助我們排程和分配計算資源, 使得上千萬、上億資料量的模型能夠有效地利用機器資源進行計算。

2.Tensorflow 的基本概念

1) TensorFlow的資料中央控制單元是tensor(張量),一個tensor由一系列的原始值組成,這些值被形成一個任意維數的陣列。

import tensorflow as tf  
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上面的是TensorFlow 程式典型的匯入語句,作用是:賦予Python訪問TensorFlow類(classes),方法(methods),符號(symbols)

3.The Computational Graph

TensorFlow 核心程式由2個獨立部分組成:

a.Building the computational graph 構建計算圖
b.Running the computational graph 執行計算圖

一個 computational graph(計算圖) 是一系列的 TensorFlow 操作排列成一個節點圖:

node1 = tf.constant(3.0, dtype=tf.float32)     #定義浮點精度型別的張量
node2 = tf.constant(4.0)   # also tf.float32 implicitly  
print(node1, node2)  
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Tensor("Const:0", shape=(), dtype=float32) Tensor("Const_1:0",shape=(), dtype=float32)  
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上面 print 出來的結果只是告訴我們這張圖裡面有什麼東西,並沒有真正執行這個張量圖,執行張量圖需要經過 Running the computational graph :

sess = tf.Session()  
print(sess.run([node1, node2])) 
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[3.0, 4.0]
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因為這張圖沒有新增計算,所以只是簡單的離散的張量,直接把他們輸出來而已。

4.Tensorflow 的節點操作

我們可以組合Tensor節點操作(操作仍然是一個節點)來構造更加複雜的計算:

node3 = tf.add(node1, node2)  
print("node3:", node3)  
print("sess.run(node3):", sess.run(node3))  
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node3:Tensor("Add:0", shape=(), dtype=float32)  
sess.run(node3):7.0  
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5.Placeholders 和 feed_dict 的使用

一個計算圖可以引數化的接收外部的輸入,作為一個placeholders(佔位符),一個佔位符是允許後面提供一個值的。

a = tf.placeholder(tf.float32)  
b = tf.placeholder(tf.float32)  
adder_node = a + b  # + provides a shortcut for tf.add(a, b)  
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我們定義了2個輸入引數a和b,然後提供一個在它們之上的操作,但是我們並沒有提供給他們具體的值,即沒有具體的張量提供計算,但是圖是已經建好的。

feed_dict(傳遞字典)引數傳遞具體的值到run方法的佔位符來進行多個輸入,從而來計算這個圖。

sess = tf.Session()  
print(sess.run(adder_node, {a:3, b:4.5}))  
print(sess.run(adder_node, {a: [1,3], b: [2,4]})) 
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7.5
[ 3.  7.]
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這裡寫圖片描述

增加另外的操作來讓計算圖更加複雜,比如

a = tf.placeholder(tf.float32)  
b = tf.placeholder(tf.float32)  
adder_node = a + b  # + provides a shortcut for tf.add(a, b)  
add_and_triple = adder_node *3.  

sess = tf.Session()  
print(sess.run(add_and_triple, {a:3, b:4.5}))  
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22.5
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這裡寫圖片描述

6. tf.Variable( ) 的使用, 並構造線性模型

在訓練模型中,我們通常想讓一個模型可以接收任意多個輸入,比如大於1個,好讓這個模型可以被訓練,在不改變輸入的情況下,
我們需要改變這個計算圖去獲得一個新的輸出。變數允許我們增加可訓練的引數到這個計算圖中,它們被構造成有一個型別和初始值:

W = tf.Variable([.3], dtype=tf.float32)  
b = tf.Variable([-.3], dtype=tf.float32)  
x = tf.placeholder(tf.float32)  
linear_model = W*x + b  
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當你呼叫tf.constant ()時常量被初始化,它們的值是不可以改變的,而變數當你呼叫tf.Variable()時沒有被初始化,
在TensorFlow程式中要想初始化這些變數,你必須明確呼叫一個特定的操作,如下:

init = tf.global_variables_initializer()  
sess.run(init)  
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要實現初始化所有全域性變數的TensorFlow子圖的的處理是很重要的,直到我們呼叫sess.run,這些變數都是未被初始化的。
既然x是一個佔位符,我們就可以同時地對多個x的值進行求值linear_model,例如:

print(sess.run(linear_model, {x: [1,2,3,4,5]}))
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[ 0.  0.30000001  0.60000002  0.90000004  1.20000005]
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7. 構造損失函式(loss function)

雖然已經建立了一個線性模型,如何在訓練資料上對這個模型進行評估,我們需要一個y佔位符來提供一個期望的值,並且我們需要寫一個loss function(損失函式),一個損失函式度量當前的模型和提供的資料差距有多大。

我們將會使用一個標準的損失模式來線性迴歸,它的增量平方和(最小二乘)就是當前模型與提供的資料之間的損失,linear_model - y 建立一個向量,其中每個元素都是對應的示例錯誤增量。這個錯誤的方差我們稱為tf.square。然後
,我們合計所有的錯誤方差用以建立一個標量,用tf.reduce_sum 計算出所有示例的錯誤。

W = tf.Variable([.3], dtype=tf.float32)   
b = tf.Variable([-.3], dtype=tf.float32)  
x = tf.placeholder(tf.float32)  
linear_model = W*x + b       

y = tf.placeholder(tf.float32)  
squared_deltas = tf.square(linear_model - y)  #||liner_model - y||^2_{2}
loss = tf.reduce_sum(squared_deltas)  #sum

init = tf.global_variables_initializer()  
sess=tf.Session()
sess.run(init) 

print(sess.run(loss, {x: [1,2,3,4, 5], y: [0, -1, -2, -3, 2]}))   
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8. optimizers(優化器)

Tensorflow提供optimizers(優化器),它能慢慢改變每一個變數以最小化損失函式,最簡單的優化器是gradient descent(梯度下降),它根據變數派生出損失的大小, 來修改每個變數。通常手工計算變數符號是乏味且容易出錯的,因此,TensorFlow使用函式tf.gradients 來進行迭代優化w 和 b:

argminw,bf(w,b)argminw,bf(w,b)

wheref(w,b)=ni=1(wxi+byi)2wheref(w,b)=∑i=1n(w∗xi+b−yi)2

import tensorflow as tf

W = tf.Variable([.3], dtype=tf.float32)   
b = tf.Variable([-.3], dtype=tf.float32)  
x = tf.placeholder(tf.float32)  
linear_model = W*x + b       

y = tf.placeholder(tf.float32)  
squared_deltas = tf.square(linear_model - y)  #||liner_model - y||^2_{2}
loss = tf.reduce_sum(squared_deltas)  #sum

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01)  
train = optimizer.minimize(loss)  
init = tf
            
           

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