TensorFlow.js入門（一）一維向量的學習

TensorFlow的介紹

TensorFlow是谷歌基于DistBelief進行研發的第二代人工智能學習系統，其命名來源于本身的運作原理。Tensor（張量）意味着N維數組，Flow（流）意味着基于資料流圖的計算，TensorFlow為張量從流圖的一端流動到另一端計算過程。TensorFlow是将複雜的資料結構傳輸至人工智能神經網中進行分析和處理過程的系統。

TensorFlow是一個著名的開源的人工智能系統，被廣泛應用于語音識别或圖像識别等多項機器學習和深度學習領域。它目前支援的程式語言有： Java, Python, Go, Lua, R, JavaScript，其中2018年3 月 31 日，TensorFlow 宣布增加支援 JavaScript，并推出開源庫 TensorFlow.js 。

我們将會介紹在前端開發中TensorFlow的相關内容，即TensorFlow.js的學習與應用。

Tensorflow中的一維向量及其運算

tensor 是 TensorFlow.js 的資料中心單元：由一組數值組成的一維或多元數組。在 TensorFlow.js中，一維向量的構造函數主要為：tf.tensor()和tf.tensor1d()，具體的API文檔可以參考：

https://js.tensorflow.org/api/0.12.0/

。

可以用set()和get()函數分别擷取和設定向量中的元素值。

一維向量的運算函數有很多，說明如下：

tf.add() 兩個向量的對應元素的和
tf.sub() 兩個向量的對應元素的差
tf.mul() 兩個向量的對應元素的乘積
tf.div() 兩個向量的對應元素的商
tf.maximum() 兩個向量的對應元素的最大值
tf.minimum() 兩個向量的對應元素的最小值
tf.pow() 兩個向量的對應元素的幂

以上隻是一部分，還有更多的函數如： tf.abs(), tf.sin(), tf.cos(), tf.tan(), tf.tan()等。

簡單例子

在網頁中引入TensorFlow.js需要添加“script”标簽，如下：

<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/[email protected]"> </script>

我們通過一個小小的例子，來說明在TensorFlow.js中一維向量的使用方法，其完整的HTML代碼如下：

<html>
  <head>
    <!-- Load TensorFlow.js -->
    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/[email protected]"> </script>
    <!-- Place your code in the script tag below.-->
    <script>
        function show(){
            var a = [1,2,3,4,5];
            var b = [2,3,4,5,6];
            const vector1 = tf.tensor(a);
            const vector2 = tf.tensor(b);
            const res = vector2.add(vector1);
            document.getElementById("first_element").innerHTML = "第一個元素為" + res.get(0)+ ".";
            document.getElementById("whole_array").innerHTML = "向量："+res;
        }   
    </script>

  </head>

  <body>
  <p id="first_element"></p>
  <p id="whole_array"></p>
  <button onclick="show()" id="show" value="show">show</button>
  </body>

</html>

顯示的網頁如下圖：

實戰

在剛才的例子中，我們僅僅隻給出了一個簡單的例子，那麼，如果要實作稍微複雜一點的功能呢，比如下面的網頁：

我們可以用TensorFlow.js來實作這些向量運算。該網頁的完整的HTML代碼如下：

<html>
  <head>
    <!-- Load TensorFlow.js -->
    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/@tensorflow/[email protected]"> </script>
    <link href="https://maxcdn.bootstrapcdn.com/bootstrap/3.3.7/css/bootstrap.min.css" rel="stylesheet">
    <script src="https://cdn.bootcss.com/jquery/3.3.1/jquery.min.js"></script>
    <script src="tf_result.js"></script>
  </head>

<body>
    <center>
    <h2>TensorFlow向量（一維）學習</h2>
    <br><br>
    <div style="width:600px">

        <div>
            <label class="col-sm-2 control-label">向量運算</label>
            <div class="col-sm-10">
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="add" checked="checked"> 加
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline"  value="sub"> 減
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="mul"> 乘
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="div"> 除
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="max"> max
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="min"> min
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="abs"> abs
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="sin"> sin
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="cos"> cos
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="tan"> tan
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="exp"> exp
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="log"> log
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="sqrt"> sqrt
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="square"> square
                </label>
                <label class="radio-inline">
                <input type="radio" name="optionsRadiosinline" value="cubic"> cubic
                </label>
                <br><br>
            </div>
        </div>

        <div>
            <label for="vector1" class="col-sm-2 control-label">向量1</label>
            <div class="col-sm-10">
            <input type="text" class="form-control" id="vector1" placeholder="向量1">
            <br>
            </div>

        </div>

        <div>
            <label for="vector2" class="col-sm-2 control-label">向量2</label>
            <div class="col-sm-10">
            <input type="text" class="form-control" id="vector2" placeholder="向量2">
            <br>
            </div>
        </div>

        <div >
            <div class="col-sm-offset-2 col-sm-10">
            <button class="btn btn-default" id="result">顯示結果</button>
            <button class="btn btn-default" id="clc">清空</button>
            </div>
        </div>

    </div>

    <table class="table" style="width:600px">
        <caption id="tf">運作結果</caption>
        <tbody>
            <tr class="success" id="table">
            </tr>
        </tbody>
    </table>

    </center>
</body>
</html>

在其中我們用到了tf_result.js，其完整的JavaScript代碼如下：

$(document).ready(function(){

    var flag; 
    /*
    flag = 1表示一進制運算
    flag = 2表示二進制運算
    */

    // 清空兩個輸入框的輸入
    $("#clc").click(function(){
        $("#vector1").val("");
        $("#vector2").val("");
    });

    // 是否允許"向量2"輸入框有輸入
    $("#vector1").click(function(){
        var op = $("input[name='optionsRadiosinline']:checked").val();
        var ops = ["add", "sub", "mul", "div", "max", "min"];
        if (ops.indexOf(op) == -1)
            flag = 1;
        else
            flag = 2;

        //文本框"向量2"禁用
        if(flag == 1){
            $("#vector2").val("");
            $("input[type='text']").each(function () {
　　          $("#vector2").attr("disabled", true);
            });

        }
        //文本框"向量2"啟用
        if(flag == 2){
            $("input[type='text']").each(function () {
　　          $("#vector2").attr("disabled", false);
            });
        }
    });

    // 利用tensorflow.js的運算函數，輸出計算結果
    $("#result").click(function(){

        if(flag == 1){
            var vector1 = $("#vector1").val().split(',').map(Number);
        }
        if(flag == 2){
            var vector1 = $("#vector1").val().toString().split(',').map(Number);
            var vector2 = $("#vector2").val().toString().split(',').map(Number);
            if(vector1.length != vector2.length)
                alert("輸入的兩個向量長度不一樣");
        }

        // 利用tensorflow.js的運算函數
        if( flag == 1 || ((flag == 2) && (vector1.length == vector2.length))){
            var op = $("input[name='optionsRadiosinline']:checked").val();
            const pow2 = tf.tensor(2).toInt(); // 計算平方
            const pow3 = tf.tensor(3).toInt(); // 計算三次方

            switch (op) // JavaScript的switch結構
            {
                case "add":  // 加法
                    res = tf.tensor(vector1).add(tf.tensor(vector2));
                    break;
                case "sub":  // 減法
                    res = tf.tensor(vector1).sub(tf.tensor(vector2));
                    break;
                case "mul":  // 乘法
                    res = tf.tensor(vector1).mul(tf.tensor(vector2));
                    break;
                case "div":  // 除法
                    res = tf.tensor(vector1).div(tf.tensor(vector2));
                    break;
                case "max":  // 兩個向量中的最大值，element-wise
                    res = tf.tensor(vector1).maximum(tf.tensor(vector2));
                    break;
                case "min":  // 兩個向量中的最小值，element-wise
                    res = tf.tensor(vector1).minimum(tf.tensor(vector2));
                    break;
                case "abs":  // 絕對值
                    res = tf.tensor(vector1).abs();
                    break;
                case "sin":  // 正弦函數
                    res = tf.tensor(vector1).sin();
                    break;
                case "cos":  // 餘弦函數
                    res = tf.tensor(vector1).cos();
                    break;
                case "tan":  // 正切函數
                    res = tf.tensor(vector1).tan();
                    break;
                case "exp":  // 指數函數，以e為底
                    res = tf.tensor(vector1).exp();
                    break;
                case "log":  // 對數函數，以e為底
                    res = tf.tensor(vector1).log();
                    break;
                case "sqrt":  // 平方根
                    res = tf.tensor(vector1).sqrt();
                    break;
                case "square":  // 平方
                    res = tf.tensor(vector1).pow(pow2);
                    break;
                case "cubic":  // 三次方
                    res = tf.tensor(vector1).pow(pow3);
                    break;
                default:
                    res = tf.tensor([]);
            }


            $("#table").html(""); // 清空原有表格中的資料
            // 輸入計算結果
            for(var i=0; i< res.shape; i++){
                $("tr").append("<td>"+res.get(i)+"</td>;");
            }
        }

    });

});

運作剛才的網頁，效果如下：

怎麼樣，是不是覺得TensorFlow.js也酷酷的呢？結合TensorFlow.js以及前端網頁方面的知識，我們可以給出許多酷炫的TensorFlow的應用，以後我們會慢慢講到。本次項目的Github位址為：

https://github.com/percent4/tensorflow_js_learning

。

注意：本人現已開通兩個微信公衆号：因為Python（微信号為：python_math）以及輕松學會Python爬蟲（微信号為：easy_web_scrape），歡迎大家關注哦~~

TensorFlow.js入門（一）一維向量的學習

TensorFlow的介紹

Tensorflow中的一維向量及其運算

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