Python初探：从零开始的编程奇妙之旅

一、Python是什么

Python是一门多用途的高级编程语言，以其简洁、易读的语法而脱颖而出。
在深度学习领域，Python扮演着至关重要的角色。其丰富的科学计算库（如NumPy、Pandas、Matplotlib）和强大的深度学习框架（如TensorFlow、PyTorch）使其成为研究、开发和部署深度学习模型的首选工具。
Python的灵活性和社区支持为深度学习从业者提供了广阔的创新空间，推动了人工智能领域的发展。无论是初学者还是专业人士，Python都是探索深度学习世界的理想之选。

二、Python解释器

Python解释器是一种执行Python代码的程序，可以进行各种算术计算。你可以在交互式环境中使用Python解释器进行实时计算，也可以将算法写入脚本文件并运行。

1）算术计算
以下是Python解释器进行算术计算的示例：

# 加法计算
sum_result = 7 + 4
print("加法结果:", sum_result)

# 减法计算
difference_result = 15 - 8
print("减法结果:", difference_result)

#乘法计算
multiplication_result = 3 * 5
print("乘法结果:", multiplication_result)

# 除法计算
quotient_result = 20 / 4
print("除法结果:", quotient_result)

# 求余计算
remainder_result = 17 % 3
print("求余结果:", remainder_result)

# 指数计算
exponential_result = 2 ** 4
print("指数结果:", exponential_result)

实际运行效果：
在这里插入图片描述

2）数据类型
Python中有许多内置的数据类型，它们用于存储和操作不同类型的数据。以下是一些常见的Python数据类型：
2.1）整数（int）

用于表示整数值，可以是正数、负数或零。
支持基本的数学运算，如加法、减法、乘法和除法。

x = 10
y = -5
result = x + y

2.2）浮点数（float）

用于表示带有小数点的数值。
适用于需要更精确的数学运算。

pi = 3.14159
radius = 2.5
area = pi * (radius ** 2)

2.3）字符串（str）

用于表示文本数据，可以使用单引号或双引号。
支持字符串拼接、切片、替换等操作。

message = "Hello, Python!"
substring = message[7:13]
new_message = message.replace("Python", "World")

2.4）列表（list）

有序的可变集合，可以包含不同类型的元素。
支持索引和切片操作，以及列表之间的合并和嵌套。

my_list = [1, 2, 'apple', 3.14]
my_list.append('orange')
element = my_list[2]

2.5）元组（tuple）

有序的不可变集合，通常用于存储不可变的数据。
支持索引和切片操作，但不支持元素的修改。

my_tuple = (1, 2, 'banana', 3.14)
element = my_tuple[2]

2.6）集合（set）

无序的不重复集合，用于存储唯一的元素。
支持集合操作，如并集、交集、差集等。

my_set = {1, 2, 3, 3, 4}
my_set.add(5)

2.7）字典（dict）

用于存储键值对，每个键都是唯一的。
支持通过键访问值，以及添加、删除键值对。

my_dict = {'name': 'John', 'age': 25, 'city': 'New York'}
my_dict['gender'] = 'Male'

2.8）布尔值（bool）

用于表示真或假的值。
主要用于条件判断和控制流程。
布尔值在控制程序的流程中非常重要，常用于条件语句和循环。例如，它们可以用于检查某个条件是否满足，以确定程序的下一步操作。

is_true = True
is_false = False

if is_true:
    print("It's true!")
else:
    print("It's false.")

这些数据类型提供了灵活性和功能，使得Python成为一个强大的编程语言。在实际编程中，会经常使用这些数据类型来处理各种数据和问题。

3）变量
在Python中，变量是用于存储数据值的标识符。变量允许在程序中引用和操作数据。以下是有关Python变量的一些重要信息：
3.1）变量的赋值：

使用等号（=）将一个值赋给变量。
变量的命名规则：可以包含字母、数字和下划线，但不能以数字开头。

age = 25 		# 将值25赋给变量age 
name = "John"
is_student = True

3.2）动态类型

Python是一种动态类型语言，不需要显式声明变量的类型。
变量的类型是根据赋给它的值自动推断的。
这种动态性使得Python更加灵活，但也需要程序员在编写代码时注意变量的类型。

x = 10      # 整数类型
y = 3.14    # 浮点数类型
message = "Hello"   # 字符串类型

3.3）变量的重新赋值

变量可以在程序中多次赋值，且可以更改其存储的数据类型。

count = 5
count = "five"  # 变量类型从整数变为字符串

3.4）变量的引用

使用变量名来引用变量存储的值。
变量允许在程序中重复使用相同的值，使代码更易读且易维护。

height = 180
width = 120
area = height * width

3.5）删除变量

使用del关键字可以删除变量。

x = 10
del x
# 现在 x 不存在

3.6）变量命名规范

遵循一定的命名规范，使得代码可读性更好。通常使用小写字母和下划线组合，如my_variable。

first_name = "John"
last_name = "Doe"
full_name = first_name + " " + last_name

变量是Python中非常基础和重要的概念，它们用于存储和操作程序中的数据。良好的变量命名和使用可以提高代码的可读性和可维护性。

4）if语句
当编写Python程序时，经常需要根据条件执行不同的代码块。这时候就可以使用if语句。if语句用于根据条件判断来执行不同的代码。下面用一个实例来说明：

假设你正在制作一个简单的登录系统，需要用户输入用户名和密码。
使用if语句可以检查用户输入是否正确。

# 用户输入用户名和密码
username = input("请输入用户名: ")
password = input("请输入密码: ")

# 验证用户名和密码
if username == "admin" and password == "password":
    print("登录成功！欢迎回来，管理员。")
else:
    print("登录失败，请检查用户名和密码。")

在这个例子中，if语句检查用户输入的用户名是否是"admin"且密码是否是"password"，如果满足这两个条件，就输出登录成功的消息，否则输出登录失败的消息。

此外，if语句还可以与elif（else if的缩写）结合使用，处理多个条件。

# 判断用户年龄段
age = int(input("请输入您的年龄: "))

if age < 18:
    print("您是未成年人。")
elif age < 65:
    print("您是成年人。")
else:
    print("您是老年人。")

在这个例子中，程序根据用户输入的年龄判断用户所属的年龄段，并输出相应的消息。

总的来说，if语句是编写具有条件逻辑的程序时的基本工具，它使你能够根据不同情况采取不同的行动。

5）for语句
当需要对一个序列（例如列表、字符串等）中的每个元素执行相同的操作时，for语句是一个很有用的工具。下面通过一个简单的例子来说明：

# 定义一个数字列表
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]

# 使用 for 循环计算总和
total = 0
for number in numbers:
    total += number

print("列表中所有数字的总和为:", total)

在这个例子中，for语句用于遍历列表中的每个数字，并将它们累加到变量total中。最后，输出总和。

此外，for语句也可以与range()函数结合使用，用于生成一系列数字。

# 使用 for 循环打印数字 0 到 4
for i in range(5):
    print(i)

这个例子中，range(5)生成了一个包含0到4的数字序列，然后for循环遍历这个序列并打印每个数字。
总的来说，for语句是一个遍历序列的强大工具，它允许你对序列中的每个元素执行操作，从而简化了代码的编写。

6）函数
在Python中，函数是一段可重用的代码块，用于执行特定的任务或实现特定的功能。函数允许你将一系列操作封装在一个独立的单元中，通过给它一个名称，你可以在程序的其他地方多次调用这个单元。
6.1）函数的定义

使用 def 关键字来定义函数，后面跟着函数的名称和一对小括号，括号内是函数的参数列表（可以为空）。

def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

在这个例子中，我们定义了一个名为greet的函数，它接受一个参数name，并打印出问候语。
6.2）函数的调用

要使用函数，只需使用其名称后跟一对小括号，并传递实际的参数值。

greet("Alice")

将调用greet函数，并将字符串 “Alice” 传递给name参数。
6.3）函数的返回值

函数可以返回一个值，使用 return 关键字指定返回值。

def add_numbers(a, b):
    return a + b

在这个例子中，add_numbers函数返回参数a和b的和。
6.4）函数的参数

函数可以接受零个或多个参数，这些参数用于接收调用函数时传递的值。

def multiply(a, b):
    return a * b

在这个例子中，multiply函数接受两个参数a和b。
6.5）函数的文档字符串

良好的实践是在函数内添加文档字符串（docstring），用于描述函数的目的、参数和返回值。
文档字符串（docstring）是位于函数、模块或类定义内部的字符串，用于描述其目的、参数、返回值、使用示例和其他相关信息。
在函数内添加文档字符串的目的是提供对函数的说明，使得其他人或你自己在未来能够轻松理解函数的作用和如何正确使用它。

def square(x):
    """
    This function calculates the square of a number.

    Parameters:
    - x (int): The number to be squared.

    Returns:
    int: The square of the input number.

    Example:
    >>> square(3)
    9
    """
    return x ** 2

这就是Python函数的基本概念。通过合理使用函数，你可以使代码更模块化、可维护，同时提高代码的可重用性。函数是Python编程中的基本构建块之一，有助于将代码划分为小的、可管理的部分。

三、Python脚本文件

Python脚本文件是包含Python代码的文本文件，它可以被解释器读取和执行。脚本文件通常以 .py 为扩展名，并包含一系列Python语句，这些语句按照文件中的顺序依次执行。

下面是一个简单的Python脚本文件的例子：

# This is a Python script file

def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

if __name__ == "__main__":
    user_name = input("Enter your name: ")
    greet(user_name)

让我们来解释一下：
1）注释：行开头的 # 符号表示注释，用于在代码中添加注解或说明。注释内容对程序的执行没有影响。
2）函数定义：在这个例子中，有一个函数 greet，用于打印问候语。
3）条件判断： if name == “main”: 这一行检查脚本是否被直接执行而不是被导入到其他模块中。如果是主程序执行，就会执行相应的代码块。
4）用户输入： user_name = input("Enter your name: ") 用于接收用户输入的姓名。
5）函数调用： greet(user_name) 调用了之前定义的 greet 函数，输出了问候语。
运行Python脚本
要运行Python脚本文件，可以在命令行终端中使用python命令，后跟脚本文件的路径。例如：

python my_script.py

这将执行名为my_script.py的Python脚本文件。

脚本文件的作用

Python脚本文件用于执行一系列任务，可以包括数据处理、算法实现、自动化任务等。通过将相关代码组织到一个脚本文件中，可以方便地进行维护、分享和执行。
脚本文件通常包含了完整的程序逻辑，但也可以导入其他模块或库以使用其功能。这使得Python脚本文件成为一个灵活的工具，用于各种应用场景。

四、Numpy

当谈论NumPy时，实际上是在谈论一个Python中用于科学计算的强大库。NumPy的核心是多维数组对象（numpy.ndarray），它提供了高性能的数学运算和数据操作工具。

创建NumPy数组
NumPy数组可以由Python列表创建，这是一个简单而强大的开始。

import numpy as np

# 从列表创建数组
arr1 = np.array([1, 2, 3, 4, 5])

# 从嵌套列表创建二维数组
arr2 = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 生成等间隔的数组
arr3 = np.arange(0, 10, 2)		#从0开始，步长为2，直到10

# 生成均匀间隔的数组
arr4 = np.linspace(0, 1, 5) 		# 在0到1之间生成5个均匀间隔的数

这里，使用了np.array()函数从Python列表创建NumPy数组，并使用np.arange()和np.linspace()生成特定规律的数组。

数组的形状和维度
NumPy数组具有形状（shape）和维度（ndim），这使得能够了解和操作数组的结构。

import numpy as np

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

print(arr.shape)  # (2, 3)
print(arr.ndim)   # 2

# 修改数组形状
reshaped_arr = arr.reshape(3, 2)

数学运算的魔法
NumPy使得对数组进行各种数学运算变得容易。

import numpy as np

arr1 = np.array([1, 2, 3])
arr2 = np.array([4, 5, 6])

# 数组的基本运算
result1 = arr1 + arr2
result2 = arr1 * 2

# 数学函数运用
result3 = np.sqrt(arr1)

这里，演示了数组的基本运算，如加法和乘法，以及数学函数的应用，如np.sqrt()用于计算数组元素的平方根。

广播的魔法
广播机制使得对不同形状的数组进行操作变得更加灵活。

import numpy as np

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

# 广播
result = arr * 2

在这个例子中，将数组arr与标量2相乘，广播机制使得这个操作能够轻松地应用于整个数组。

统计学的艺术
NumPy提供了许多统计函数，用于计算数组的各种统计信息。

import numpy as np

arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])

# 计算平均值、中位数、标准差
mean_value = np.mean(arr)
median_value = np.median(arr)
std_dev = np.std(arr)

数组的索引和切片
通过索引和切片，我们可以轻松地访问和操作数组的特定元素或子集。

import numpy as np

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

# 获取特定元素
element = arr[1, 2]

# 切片操作
row_slice = arr[0, :2]
column_slice = arr[:, 1]

这里，展示了如何使用索引和切片来访问数组的元素和子集。

这些例子展示了NumPy的一些基本和强大的功能。通过使用这些功能，你可以更轻松地进行数据操作、数学计算和统计分析，为进一步的科学计算和数据分析提供了强大的工具。

五、Matplotlib

Matplotlib是一个用于创建数据可视化图表的Python库，可以绘制各种类型的图表，包括折线图、散点图、柱状图、饼图等。它是Python科学计算生态系统中最流行的绘图库之一，适用于数据分析、研究、机器学习等多个领域。
以下是Matplotlib的一些关键概念和用法：

安装Matplotlib
如果你尚未安装Matplotlib，可以使用以下命令安装：

pip install matplotlib

绘制简单的折线图
使用Matplotlib，你可以很容易地创建简单的折线图。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [2, 4, 6, 8, 10]

# 绘制折线图
plt.plot(x, y)

# 显示图表
plt.show()

散点图和标签
Matplotlib支持绘制散点图，并可以添加标签和标题。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [2, 4, 6, 8, 10]

# 绘制散点图
plt.scatter(x, y, label='Data Points')

# 添加标签和标题
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.title('Scatter Plot Example')

# 添加图例
plt.legend()

# 显示图表
plt.show()

柱状图
Matplotlib可以用于绘制各种类型的柱状图，如垂直柱状图和水平柱状图。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
categories = ['Category A', 'Category B', 'Category C']
values = [3, 7, 5]

# 绘制垂直柱状图
plt.bar(categories, values, color='skyblue')

# 添加标签和标题
plt.xlabel('Categories')
plt.ylabel('Values')
plt.title('Bar Chart Example')

# 显示图表
plt.show()

饼图
Matplotlib还支持绘制饼图，用于显示各部分在整体中的占比。

import matplotlib.pyplot as plt

# 数据
labels = ['Label A', 'Label B', 'Label C']
sizes = [30, 45, 25]

# 绘制饼图
plt.pie(sizes, labels=labels, autopct='%1.1f%%', startangle=90, colors=['gold', 'lightskyblue', 'lightcoral'])

# 添加标题
plt.title('Pie Chart Example')

# 显示图表
plt.show()

这些只是Matplotlib的一小部分功能。Matplotlib提供了丰富的功能，可以适应各种图表需求。通过学习Matplotlib，你将能够以清晰而有吸引力的方式可视化数据，使得数据更易于理解和分享。