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Python与AI大模型开发实战指南：从基础到RAG与Agent应用

发布时间：2026/8/18 22:11:18
Python与AI大模型开发实战指南：从基础到RAG与Agent应用 如果你正在寻找一套能让你从零开始系统掌握 Python 与 AI 大模型开发并能直接应用于实际项目的完整学习路径那么这篇文章就是为你准备的。这不是一个简单的工具评测而是一份面向 2026 年的、融合了 Python 基础、大模型核心原理Transformer、RAG 知识库与 AI Agent 开发的实战指南。我们将抛开空洞的理论直接聚焦于“学什么、怎么学、如何用”这三个核心问题并提供可落地的环境搭建、代码示例和项目思路确保你学完就能动手实践甚至构建自己的应用。本文的核心价值在于整合。市面上教程繁多但往往割裂Python 教程不涉及大模型大模型课程又假设你已有深厚基础。我们将打通从 Python 编程环境搭建到 Transformer 模型理解再到 RAG 和 Agent 这两个当前最热应用方向的完整链路。重点关注如何在个人开发环境可能只有 CPU 或入门级 GPU中运行和实验以及如何将这些技术组合起来解决真实问题。1. 核心能力速览Python 大模型学习路径全景在深入细节之前我们先通过一个表格快速了解这条学习路径覆盖的核心技术栈、学习目标及资源门槛让你对整体框架有一个清晰的认识。能力模块核心内容学习目标资源门槛最低产出物Python 编程基础语法、数据结构、函数、面向对象、常用库requests, pandas能编写脚本处理数据、调用 API任何能安装 Python 的电脑CPU即可自动化脚本、数据清洗工具大模型核心Transformer注意力机制、编码器-解码器结构、位置编码理解 ChatGPT、LLaMA 等模型的工作原理无需 GPU可通过代码模拟和小模型理解能读懂模型架构图和相关论文RAG 知识库实战文档加载、向量化、检索、与大模型结合问答构建基于私有文档的智能问答系统需向量数据库如 Milvus/Chroma可使用 CPU 版本本地知识库问答 DemoAI Agent 开发智能体架构、工具调用、任务规划、记忆开发能自主使用工具完成复杂任务的 AI 助手依赖大模型 API如 OpenAI或本地小模型能联网搜索、处理文件的自动化 Agent本地化部署与微调模型量化、LoRA/QLoRA 微调、Ollama/LM Studio 使用在消费级显卡上运行和定制专属模型建议 8GB 显存如 RTX 3060/4060或使用 CPU 推理本地运行的定制化模型服务这条路径的特点是渐进式和实战驱动。你不需要一开始就拥有高性能显卡可以从 Python 和 API 调用开始逐步深入到本地部署和微调。2. 适用场景与使用边界这套组合技术栈适合哪些人又能解决什么问题适合人群在校学生/转行者希望系统学习 AI 应用开发构建有竞争力的项目作品集。后端/全栈开发者希望将大模型能力集成到现有产品中如添加智能客服、内容生成或数据分析功能。数据分析师/业务人员希望用 Python 和 AI 提升数据处理与洞察效率。技术爱好者对 AI 感兴趣希望从原理到应用完整走一遍而不仅仅是调用 API。能解决的核心问题信息过载通过 RAG让大模型基于你的私有文档公司 Wiki、产品手册、个人笔记进行精准问答。流程自动化通过 AI Agent将重复性的、多步骤的任务如信息搜集、报告生成、数据监控自动化。成本与隐私控制通过本地模型部署和微调在保护数据隐私的同时降低对商用 API 的长期依赖成本。技术理解断层弥补从“调用 API”到“理解并定制模型”之间的知识鸿沟。使用边界与注意事项硬件限制复杂的模型训练和大型向量检索需要相应的计算资源。本文会提供从低配到高配的多种方案。数据安全与合规使用外部大模型 API 时切勿上传敏感数据。本地部署是处理敏感信息的更佳选择。模型幻觉所有大模型都可能产生“一本正经的胡说八道”。RAG 通过引用源文档来缓解但不能根除。关键应用必须加入人工审核环节。版权与伦理生成内容时需注意版权问题。使用开源模型和自有数据是规避风险的有效方式。3. 环境准备与前置条件工欲善其事必先利其器。一个干净、可管理的开发环境是高效学习的第一步。3.1 操作系统Windows 10/11用户基数大教程丰富。macOS开发体验好但 ARM 芯片M1/M2/M3的 GPU 加速生态仍在完善。Linux (Ubuntu 推荐)服务器部署和深度学习开发的首选兼容性最好。3.2 基础软件安装Python 版本推荐使用Python 3.10或3.11。这是目前主流 AI 框架PyTorch, TensorFlow和库兼容性最好的版本。安装建议使用Miniconda或Anaconda创建独立的虚拟环境避免包冲突。# 创建名为 ai_learn 的虚拟环境指定 Python 3.10 conda create -n ai_learn python3.10 conda activate ai_learn代码编辑器/IDEVS Code是绝佳选择配合 Python、Pylance、Jupyter 等插件。Git用于版本控制和克隆开源项目。CUDA 和 cuDNN (可选针对 NVIDIA GPU 用户)如果你有 NVIDIA 显卡并打算进行本地模型训练或推理需要安装对应版本的 CUDA 工具包。可通过nvidia-smi命令查看显卡支持的 CUDA 最高版本。对于初学者前期可跳过直接使用 CPU 或 API 进行学习。3.3 核心 Python 库准备在你的虚拟环境中安装以下基础库pip install numpy pandas matplotlib seaborn jupyter notebook pip install requests tqdm这些库将贯穿整个学习过程用于数据处理、可视化和网络请求。4. 第一阶段Python 核心与 AI 应用桥梁学习 Python 不是为了学语法而学语法目标应直接对准 AI 应用开发中的高频任务。4.1 必学语法与数据结构重点列表推导式、字典、JSON 处理、函数定义、错误处理try-except。为什么重要大模型的输入输出通常是 JSON 格式数据处理离不开列表和字典。实战练习写一个脚本读取一个包含多条问答对的 JSON 文件并随机抽选一条进行提问。4.2 关键第三方库requests调用大模型 API 的基石。import requests import json # 调用 OpenAI 兼容 API 的示例需替换为你的 base_url 和 api_key def ask_llm(prompt): url http://localhost:11434/api/generate # 例如本地 Ollama 服务 payload { model: qwen2.5:7b, prompt: prompt, stream: False } headers {Content-Type: application/json} try: response requests.post(url, datajson.dumps(payload), headersheaders, timeout60) response.raise_for_status() # 检查 HTTP 错误 return response.json().get(response, No response) except requests.exceptions.RequestException as e: return f请求出错: {e} # 测试 answer ask_llm(用一句话解释 Transformer 模型。) print(answer)pandas处理用于微调或评估的表格数据CSV, Excel。json/yaml读写配置文件、处理 API 响应。4.3 面向 AI 的项目结构从一开始就养成良好的项目组织习惯your_ai_project/ ├── config/ # 配置文件 │ └── settings.yaml ├── data/ # 原始数据、训练数据 │ ├── raw/ │ └── processed/ ├── src/ # 源代码 │ ├── __init__.py │ ├── data_loader.py │ └── llm_client.py ├── notebooks/ # Jupyter 实验笔记 │ └── 01_experiment.ipynb ├── tests/ # 单元测试 ├── requirements.txt # 项目依赖 └── README.md5. 第二阶段深入大模型心脏——Transformer理解 Transformer 是理解一切现代大模型的前提。这里我们避开复杂的数学公式用代码和比喻来建立直觉。5.1 注意力机制模型如何“聚焦”想象一下在翻译句子“The cat sat on the mat”时翻译“sat”这个词模型需要更多地关注“cat”而不是“mat”。这就是注意力。我们可以用一个简化的自注意力示例来感受import torch import torch.nn.functional as F # 假设我们有3个词的嵌入向量每个向量维度为4 batch_size, seq_len, d_model 1, 3, 4 x torch.randn(batch_size, seq_len, d_model) # 输入序列 # 定义可学习的权重矩阵在实际模型中它们是通过线性层得到的 W_q torch.randn(d_model, d_model) W_k torch.randn(d_model, d_model) W_v torch.randn(d_model, d_model) # 计算 Query, Key, Value Q torch.matmul(x, W_q) K torch.matmul(x, W_k) V torch.matmul(x, W_v) # 计算注意力分数 (简化版未做缩放和Mask) attention_scores torch.matmul(Q, K.transpose(-2, -1)) # [1, 3, 3] attention_weights F.softmax(attention_scores, dim-1) # 归一化得到权重 # 加权求和得到输出 output torch.matmul(attention_weights, V) # [1, 3, 4] print(注意力权重:\n, attention_weights) print(加权后的输出形状:, output.shape)这段代码展示了自注意力的核心计算通过Q和K的交互计算词与词之间的相关性权重然后用这个权重对V进行加权求和得到新的表示。多头注意力就是并行做多次这样的操作让模型从不同角度理解信息。5.2 位置编码告诉模型词的顺序Transformer 本身没有循环结构它需要额外的信息来知道单词的顺序。位置编码就是加到词向量上的一串有规律的数字正弦和余弦函数。import numpy as np def get_positional_encoding(seq_len, d_model): 生成位置编码矩阵 PE np.zeros((seq_len, d_model)) for pos in range(seq_len): for i in range(0, d_model, 2): PE[pos, i] np.sin(pos / (10000 ** (i / d_model))) if i 1 d_model: PE[pos, i1] np.cos(pos / (10000 ** (i / d_model))) return torch.from_numpy(PE).float() # 示例序列长度为5向量维度为4的位置编码 pe get_positional_encoding(5, 4) print(位置编码矩阵:\n, pe)5.3 实践建议如何有效学习看动画搜索“The Illustrated Transformer”等文章可视化理解数据流动。读代码尝试阅读Hugging Face Transformers库中 Bert 或 GPT-2 的模型定义哪怕一开始看不懂全部。用小模型实验使用transformers库加载一个超小模型如distilbert-base-uncased输入文本观察中间层的注意力权重直观感受模型在“看”哪里。6. 第三阶段RAG 实战——构建你的私有知识库RAG 是目前让大模型“落地”最有效的技术之一。它通过“检索-增强-生成”三步让模型能基于特定知识库回答减少幻觉。6.1 RAG 系统核心组件一个典型的 RAG 系统包含以下模块文档加载器从 TXT、PDF、Word、网页、数据库等来源加载文本。文本分割器将长文档切分成适合模型处理的片段chunks。向量化模型将文本片段转换为数值向量嵌入。向量数据库存储和快速检索这些向量。大语言模型根据检索到的上下文生成最终答案。6.2 本地 RAG 快速搭建使用 LangChain Chroma这里我们使用LangChain这个流行的框架和轻量级向量数据库Chroma来快速搭建一个本地可运行的 RAG 系统。# 安装必要库 pip install langchain langchain-community langchain-chroma pypdf sentence-transformers# rag_demo.py from langchain_community.document_loaders import TextLoader, PyPDFLoader from langchain.text_splitter import RecursiveCharacterTextSplitter from langchain_huggingface import HuggingFaceEmbeddings from langchain_chroma import Chroma from langchain.prompts import ChatPromptTemplate from langchain_community.llms import Ollama # 假设使用本地 Ollama 服务 # 1. 加载文档 (以PDF为例) loader PyPDFLoader(./data/your_document.pdf) # 替换为你的PDF路径 documents loader.load() # 2. 分割文本 text_splitter RecursiveCharacterTextSplitter( chunk_size500, # 每个片段约500字符 chunk_overlap50 # 片段间重叠50字符保持上下文 ) texts text_splitter.split_documents(documents) print(f将文档切分成了 {len(texts)} 个片段) # 3. 嵌入模型与向量数据库 # 使用本地运行的嵌入模型无需联网 embedding_model HuggingFaceEmbeddings( model_nameBAAI/bge-small-zh-v1.5, # 一个优秀的中文小模型 model_kwargs{device: cpu}, # 使用 CPU有 GPU 可改为 cuda encode_kwargs{normalize_embeddings: True} ) # 创建并持久化向量数据库 vectorstore Chroma.from_documents( documentstexts, embeddingembedding_model, persist_directory./chroma_db # 数据库保存路径 ) vectorstore.persist() print(向量数据库已创建并保存。) # 4. 检索与问答 # 初始化本地 LLM (确保 Ollama 服务已启动并拉取了模型如 ollama pull qwen2.5:7b) llm Ollama(modelqwen2.5:7b, base_urlhttp://localhost:11434) # 定义提示词模板 prompt_template 请根据以下上下文来回答问题。如果你不知道答案就说不知道不要编造。 上下文 {context} 问题{question} 请用中文给出答案 prompt ChatPromptTemplate.from_template(prompt_template) # 构建检索问答链 from langchain.chains import RetrievalQA qa_chain RetrievalQA.from_chain_type( llmllm, chain_typestuff, retrievervectorstore.as_retriever(search_kwargs{k: 3}), # 检索最相关的3个片段 chain_type_kwargs{prompt: prompt} ) # 进行提问 question 文档中提到了哪些关键技术 result qa_chain.invoke({query: question}) print(f问题{question}) print(f答案{result[result]})6.3 效果验证与调优检索质量检查检索到的片段是否真的与问题相关。可以调整chunk_size、chunk_overlap和检索数量k。生成质量答案是否准确、流畅可以优化提示词模板。性能向量检索和模型生成的速度如何对于大规模数据考虑使用Milvus或Qdrant等专业向量数据库。7. 第四阶段AI Agent 开发——让模型学会使用工具AI Agent 是大模型从“聊天机器人”走向“自动执行体”的关键。其核心思想是让大模型能够调用外部工具如搜索、计算、读写文件来完成复杂任务。7.1 Agent 的核心循环典型的 Agent 遵循“感知-思考-行动”循环感知接收用户指令和当前环境状态。思考大模型决定下一步该做什么调用哪个工具或直接给出答案。行动执行选择的工具获取结果。观察将工具执行结果反馈给大模型进入下一轮循环直到任务完成。7.2 使用 LangChain 构建简易 Agent我们构建一个能进行简单数学计算和获取当前日期的 Agent。pip install langchain langchain-community langchain-experimental# simple_agent.py from langchain.agents import Tool, AgentExecutor, create_react_agent from langchain.prompts import PromptTemplate from langchain_community.llms import Ollama from datetime import datetime import math # 1. 定义工具函数 def calculator(input_str): 执行数学计算。输入是一个数学表达式字符串。 try: # 警告使用 eval 有安全风险仅用于演示。生产环境应用安全评估或专用库。 result eval(input_str, {__builtins__: None}, {math: math}) return f计算结果: {result} except Exception as e: return f计算错误: {e} def get_current_time(_): 获取当前日期和时间。 now datetime.now() return f当前时间是: {now.strftime(%Y-%m-%d %H:%M:%S)} # 2. 将函数包装成 LangChain Tool 对象 tools [ Tool( nameCalculator, funccalculator, description用于执行数学计算。输入应该是一个有效的数学表达式例如 3 * 5 2。 ), Tool( nameTime, funcget_current_time, description用于获取当前的日期和时间。输入可以忽略。 ) ] # 3. 初始化大模型使用本地 Ollama llm Ollama(modelqwen2.5:7b, base_urlhttp://localhost:11434, temperature0) # 4. 创建 ReAct 风格的 Agent prompt PromptTemplate.from_template( 你是一个有帮助的助手可以使用以下工具 {tools} 使用以下格式 问题你需要回答的输入问题 思考你应该总是先思考要做什么 行动要采取的行动应该是 [{tool_names}] 中的一个 行动输入该行动的输入 观察行动的结果 ... (这个 思考/行动/行动输入/观察 循环可以重复多次) 思考我现在知道最终答案了 最终答案对原始问题的最终答案 开始 问题{input} 思考{agent_scratchpad} ) agent create_react_agent(llm, tools, prompt) agent_executor AgentExecutor(agentagent, toolstools, verboseTrue, handle_parsing_errorsTrue) # 5. 运行 Agent questions [ 3 的 5 次方是多少, 今天的日期是什么, 先计算 15 除以 4 的余数然后告诉我现在的时间。 ] for question in questions: print(f\n{*50}) print(f用户问题: {question}) result agent_executor.invoke({input: question}) print(fAgent 最终答案: {result[output]})运行这个脚本你会看到 Agent 的思考过程Thought、它选择的工具Action以及工具返回的结果Observation最终整合出答案。verboseTrue参数让这个过程可视化非常适合调试和学习。7.3 扩展 Agent 能力联网搜索集成SerpAPI或DuckDuckGo Search工具。文件操作添加读取、写入本地文件的工具。代码执行在沙箱环境中安全地执行 Python 代码需极其谨慎。多 Agent 协作设计多个具有不同专长的 Agent让它们通过通信协作解决更复杂的问题。8. 第五阶段本地模型部署与轻量化微调当你想完全掌控数据隐私或需要定制模型行为时本地部署和微调是必经之路。8.1 本地模型推理Ollama 入门Ollama 是目前最简单的本地大模型运行工具支持一键拉取和运行众多开源模型。# 安装 Ollama (请访问官网 https://ollama.com 下载) # 拉取一个模型例如 7B 参数的 Qwen2.5 ollama pull qwen2.5:7b # 运行模型并与它聊天 ollama run qwen2.5:7b在 Python 中调用import requests import json def ask_ollama(prompt, modelqwen2.5:7b, base_urlhttp://localhost:11434): url f{base_url}/api/generate payload { model: model, prompt: prompt, stream: False } response requests.post(url, jsonpayload) return response.json()[response] print(ask_ollama(你好请介绍一下你自己。))8.2 使用 LM Studio 或 Text Generation WebUI对于图形界面爱好者LM Studio和Text Generation WebUI提供了更友好的模型下载、加载和聊天界面也通常内置了 OpenAI 兼容的 API 服务器方便你的 Python 代码连接。8.3 轻量化微调LoRA/QLoRA微调全部模型参数成本高昂。LoRA 技术通过为模型添加少量可训练的参数来适配新任务极大降低了资源需求。# 示例使用 PEFT 和 Transformers 库进行 LoRA 微调 # 这是一个高度简化的概念性代码框架实际运行需要准备数据集和调整大量参数 pip install transformers datasets accelerate peft# lora_finetune_demo.py (概念框架) from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer, TrainingArguments from peft import LoraConfig, get_peft_model, TaskType from trl import SFTTrainer import torch # 1. 加载基础模型和分词器 model_name Qwen/Qwen2.5-7B-Instruct model AutoModelForCausalLM.from_pretrained( model_name, torch_dtypetorch.bfloat16, device_mapauto ) tokenizer AutoTokenizer.from_pretrained(model_name) tokenizer.pad_token tokenizer.eos_token # 2. 配置 LoRA lora_config LoraConfig( task_typeTaskType.CAUSAL_LM, r8, # LoRA 秩 lora_alpha32, lora_dropout0.1, target_modules[q_proj, v_proj] # 针对 Qwen 模型 ) model get_peft_model(model, lora_config) model.print_trainable_parameters() # 查看可训练参数会发现只占原模型极小一部分 # 3. 准备训练参数和数据集 (此处省略数据集加载代码) training_args TrainingArguments( output_dir./lora_qwen, per_device_train_batch_size4, gradient_accumulation_steps4, num_train_epochs3, logging_steps10, save_steps100, learning_rate2e-4, fp16True, # 混合精度训练节省显存 ) # 4. 创建 Trainer 并开始训练 (需要准备格式化的数据集 train_dataset) # trainer SFTTrainer( # modelmodel, # argstraining_args, # train_datasettrain_dataset, # tokenizertokenizer, # ) # trainer.train()重要提示实际微调需要高质量的数据集、仔细的超参数调优和足够的 GPU 资源QLoRA 可在 12GB 显存上微调 7B 模型。建议先从 Hugging Face 上的公开数据集中找一个小任务开始实践。9. 资源占用与性能观察指南在不同阶段对硬件资源的需求差异很大。Python 基础与 API 调用阶段几乎无特殊要求普通电脑即可。本地 RAG 阶段向量化使用BAAI/bge-small-zh-v1.5这类小模型在 CPU 上运行内存占用约 1-2GB。向量检索Chroma 数据库内存占用与文档数量成正比百万级片段可能需要数 GB 内存。LLM 推理如果使用本地 7B 模型如通过 Ollama在 CPU 上推理速度较慢内存需求约 14GB。若有 GPU如 RTX 3060 12GB推理速度会大幅提升显存占用约 8-10GB取决于量化程度。本地模型微调阶段全参数微调7B 模型需要 40GB 显存个人用户几乎无法实现。LoRA/QLoRA 微调可将显存需求降低到 12GB-24GB使得消费级显卡如 RTX 3090/4090成为可能。CPU 训练极其缓慢不推荐。性能观察命令Windows使用任务管理器查看 CPU、内存、GPU 使用情况。Linux/macOS使用htop、nvidia-smiNVIDIA GPU、gpustat等命令。优化建议从 API 开始前期学习使用 OpenAI、DeepSeek 等 API成本低无需考虑硬件。本地推理使用量化模型Ollama 和 LM Studio 默认提供量化版模型如qwen2.5:7b-q4_K_M能在更小显存下运行。云服务过渡对于微调等重负载任务可以按需使用 Google Colab、AutoDL、Lambda GPU 等云服务。10. 常见问题与排查方法问题现象可能原因排查方式解决方案安装包失败网络超时、依赖冲突、Python 版本不匹配查看错误信息使用pip install -U pip setuptools wheel使用国内镜像源如-i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple创建新的虚拟环境。Ollama 服务启动失败端口被占用、模型未下载、权限问题检查ollama serve日志使用netstat -ano查看端口更改服务端口确保已用ollama pull下载模型以管理员权限运行。本地模型推理速度极慢在 CPU 上运行、模型未量化、内存不足检查任务管理器/nvidia-smi使用 GPU 运行选择量化版本模型如-q4关闭不必要的程序。RAG 检索结果不相关文本分割不合理、嵌入模型不匹配、检索参数k太小打印出检索到的原始文本片段检查调整chunk_size和chunk_overlap尝试不同的嵌入模型增大k值。Agent 陷入循环或调用错误工具提示词设计不佳、工具描述不清、模型能力有限开启verboseTrue观察思考过程优化提示词清晰定义工具功能和输入格式尝试更强的模型。微调时显存不足 (OOM)批次大小太大、模型参数过多、未使用梯度累积监控nvidia-smi显存使用减小per_device_train_batch_size使用gradient_accumulation_steps启用fp16/bf16使用 QLoRA。API 调用返回 429 错误请求频率超限查看 API 提供商的速率限制降低请求频率添加请求间隔如time.sleep(1)购买更高 tier 的 API 服务。11. 最佳实践与项目启动建议明确目标小步快跑不要想着一口吃成胖子。先从“用 Python 调用大模型 API 完成一个特定任务”开始再到“为这个任务添加 RAG 支持”最后尝试“用 Agent 自动化整个流程”。版本控制与依赖管理务必使用git并使用requirements.txt或environment.yaml精确记录所有依赖包及其版本。配置与密钥管理API Key、数据库密码等敏感信息永远不要硬编码在代码中。使用环境变量os.getenv或配置文件如.env文件并加入.gitignore。日志记录在关键步骤添加日志便于调试和追踪程序运行状态。可以使用 Python 内置的logging模块。测试与验证为你的核心功能如文档加载、向量检索、API 调用编写单元测试。对于生成式 AI可以设计一些标准问题来验证答案的准确性。关注开源社区Hugging Face、GitHub、LangChain和LlamaIndex的官方文档和 Discord 频道是解决问题的宝库。合规与伦理先行在构建可能涉及用户数据、生成内容或自动化决策的系统前务必了解相关法律法规和平台政策。这条从 Python 到大模型应用开发的路径其核心价值在于将分散的知识点串联成一个可执行的技能树。最值得你立即尝试的不是去啃完所有理论而是按照本文的步骤亲手搭建一个最简单的 RAG 问答系统。在这个过程中你会遇到环境配置、包版本冲突、API 调用失败等各种问题而解决这些问题的经验远比被动阅读更有价值。最容易踩的坑往往在环境配置和依赖管理上。因此强烈建议从 Conda 虚拟环境开始并严格记录每个项目的依赖。当你成功运行起第一个本地模型或者让 Agent 自动完成了一个小任务时你会获得巨大的正反馈这是持续学习的最佳动力。下一步你可以选择一个垂直领域深入比如用 RAG 构建法律咨询助手、用 Agent 自动化数据分析报告、或者微调一个适合你写作风格的文案生成模型。技术的组合是无限的关键在于找到那个能解决你实际问题的切入点然后动手去实现它。

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