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[Python] Python 安裝與基礎教學

on Python, jupyter, Big Data

本篇文章主要為資料科學導論中的 Python 程式語言的基礎教學，用於描述如何安裝 Python 環境以及 Python 相關基礎語法介紹，相關內容大綱如下所示。

大綱

  • 安裝 Python 與 Jupyter
  • Python 與資料科學
    • Python 特色
    • Python 環境架構與 Python Script
    • Python 語言與資料科學
  • Python 語法基礎
    • 1.變數（variables）與資料型態、型別（types）
    • 2.基本運算與是非邏輯（logic）
    • 3.list、dict
    • 4.if-else 陳述句
    • 5.迴圈
    • 6.函式（function）
    • 7.檔案（File）
    • 8.函式庫（libraries）
    • 9.錯誤偵測（try catch）
    • 10.物件導向（object）

安裝 Python 與 Jupyter

什麼是 Jupyter Notebook

Jupyter 主要提供一個網頁介面，讓使用者可以透過瀏覽器撰寫程式，可以在上面進行 Python 、R 或 Scala 程式的開發！功能相當強大。其特色如下：

  1. 適合開發資料科學相關的 Python 程式時使用，簡單的網頁編譯器，可以打完程式隨即執行
  2. 可以用 Markdown 語法做豐富的筆記文件、寫數學式子、執行程式
  3. 可以方便的看到用 Python 視覺化圖型的結果

可以參考此篇文章來安裝 Python 及 Jupyter

安裝步驟教學

Python 與資料科學

Python 特色
  1. 易寫、易讀、易學
  2. 免費、開源，你可以自由的發布複製程式碼、閱讀它的原始碼、並把更動的部分用於新的開源軟件中
  3. 跨平台，可以在這些平臺上執行，包括 Linux、Windows、MacOS 等
  4. 擁有強大的社群以及生態系統
Python 環境架構與 Python Script
  • Python 腳本以 .py 作檔案名稱結尾
  • 內容包含的就是 Python 程式，也就是一連串的 Python 指令
  • 通常會用自己偏好的文字編輯器來撰寫程式，例如：最新流行的 VSCode然後再執行它
  • 可以在命令提示字元(cmd)輸入「python xxx.py」來執行 xxx.py 這個 python 腳本

假設我們有一個檔案叫 hello.py ，內容如下， 我們可以在命令提示字元用 python 指令來執行它

python hello.py

Python 語言與資料科學

Python 本身就是拿來做做資料科學的應用？

  • Python 本身並非被特地設計用來做資料科學應用
  • Python 除了資料分析外，也常被拿來做網站後端，撰寫 API、IoT 開發板開發等應用
  • Python 生態系統裡有很多第三方套件是專門為資料科學與科學計算而生

Python 常見做資料科學應用的套件：

  • numpy：做向量矩陣轉換
  • scipy：可以針對矩陣進行許多常見的統計計算
  • pandas：做資料分析與資料處理
  • matplotlib：做資料視覺化
  • scikit-learn：做機器學習
  • opencv：做影像辨識

Python 語法基礎

1.變數（variables）與資料型態、型別（types）
  • 賦予名字給某個值
  • 在程式裡重複使用
  • 值可以不斷被改變
  • 變數規則：

❖ 變數名稱保留字：

❖ 指定變數的語法： 

x = 20

在此之後 x 即代表 20 請注意這個等號並不是數學裡相等的意思，而是「指定」，左右不能互換

❖ 使用變數： 

x * 40

結果 = 4000

  • 資料型態、型別（types）
    • int：整數
    • float：浮點數
    • str：字串

❖ int：Integer，整數，沒有小數點

可以使用 type 來判斷目前資料的型態

EX: 

type(0)  
type(-124819)

Output 為：
int
int

❖ float：Float，浮點數，有小數點的數字

可以使用 type 來判斷目前資料的型態

EX: 

type(3.5)

Output 為：
float

❖ str：String，字串，任何用單引號（'）或雙引號（"）括起來的文字都是字串

可以使用 type 來判斷目前資料的型態

EX: 

type('hello world')  
type("你好")  
type('3') #即使內容是數字，如果用引號括起來就是字串

Output 為：
str
str
str

str 可以相加，會把兩個字串連在一起 

'A' + 'Python'

Output 為：
APython

2.基本運算與是非邏輯（logic）
  • 運算元、運算子
  • 基本的加減乘除

❖ 算數運算子
EX: 

print(5 + 3)  
print(25 - 13)  
print(5 * 3)  
print(25 / 5)

Output 為：
8
12
15
5

print(21 % 2) # 21 / 2 的餘數為 1，所以結果為 1  
print(3 ** 5) # 3 的 5 次方

Output 為：
1
243

  • 比較運算子
    • 如何判斷兩個數字是否相等？
    • 兩串文字是否相等？
    • 數字 A 是否大於數字 B？
    • 我們可以用 == 來知道兩個值是否相等，用 != 來知道兩個值是否不相等

EX： 

print(2 == 2)  
print(2 == 5)  
print(3 != 3)  
print(3 != 4)

Output：
True
False
False
True

結果可以看出這些比較判斷所呈現的結果，只有 True or False

請注意 

== 和 = 是完全不一樣的
= 用於指定，將左項指定為右項的值，左右不可交換
== 用於比較，比較兩者是否相等，左右可以交換

另外比較運算子也可用於字串 EX： 

print('word' == 'word')  
print('word' != 'world')

Output：
True
True

  • 邏輯運算子
    • 條件 X 成立「而且」條件 Y 成立
    • 條件 X 成立「或者」條件 Y 成立
    • 條件 X 「不成立」

EX： 

print(True and True)  
print(True and False)  
print(True or False)  
print(False or False)  
print(not True)  
print(not False)

Output：
True
False
True
False
False
True

3.list、dict

當資料如果有一整串時，例如：十屆金鐘獎的得主、多個人名、多個品牌種類， 在 Python 裡，list 可以表示這種類型的資料

❖ List

用一對中括弧 [] 來代表一個 list 的開始與結束，list 中的元素用逗號分隔

EX： 

a = ['Ben', 'Polo', 'Ken', 'Archer']  
len(a)  #可以用 len 函式來檢視它的長度  
a[0]  #取得 list 中的元素  
a[-1]  #從後面取得 list 中的元素

Output：
4
'Ben'
'Archer'

語法剖析：

1. a 是我們想檢視的 list
2. index 是從 0 開始而非 1
3. 因此 'Ben' 在這個 list 中的位置是 0 而非 1

取得 list 中的「其中一部分」

EX： 

a = ["1", "2", "3", "4", "5", "6", "7"]  
print(a[3:6])  
print(l[:5])

Output：
['4', '5', '6', '7']
['1', '2', '3', '4']

語法剖析：

  1. 中括弧裡面的內容包含一個冒號：
  2. 冒號前是開始位置
  3. 冒號後是結束位置
  4. 結果並不包含結束項

改變 list 中的內容：

EX： 

a[0] = 'first'  
print(a)

Output：
['first', '2', '3', '4', '5', '6', '7']

增加 list 的內容 可以使用 append 方法：

EX： 

a.append('eight')  
print(a)

Output：
['first', '2', '3', '4', '5', '6', '7', 'eight']

❖ Dictionary

  1. 用一對大括弧 {} 來表示一個 dict 的開始與結束
  2. 每一個元素都是一組 key-value
  3. key 即是索引，每個索引對到一個值
  4. key 與 value 中間用冒號隔開，每組之間用逗號隔開
  5. 使用方法很類似 list，但 dict 是以 key 代表值的位置，因此我們可以用以下語法查看內容：

EX： 

a_dict = {'name': 'Ben', 'height': 178}  
print(a_dict['height']) 

#增加資料到字典中
a_dict['age'] = 'xx'  
print a_dict

#更新字典內的元素
a_dict.update({'height': 200})  
print a_dict

Output：
178
{'name': 'Ben', 'height': 178, 'age': 'xx'} {'name': 'Ben', 'height': 200, 'age': 'xx'}

至於要如何將 dict 裡的資料全部讀出來，可以透過下列語法：

# 遍歷整個字典資料
for rec in a_dict:  
    print rec, a_dict[rec]
4.if-else 陳述句

if 陳述句可以用來實現所謂的判斷流程，讓某些程式只有在某個條件成立時才會執行

if 語法需要注意的細節：

  1. if 陳述句之後，必須加一個冒號
  2. 只有在該判斷式成立時才會執行的程式碼，稱為 if 區塊（if block），if block 裡面的每一行程式碼，前面都必須縮排
  3. else 後面也必須增加冒號，下面的內容叫 else block，else block 裡面的內容也必須縮排

EX：
判斷奇偶數，no % 2 為 0

num = input('please input a n')

if num%2 == 0:  
    print(num, 'even')
else:  
    print(num, 'odd')
5.迴圈

迴圈 (loop) 就是在特定程式區塊 (block) 中，重複執行相同的工作，分為 for 迴圈及 while 兩種，下列再詳細描述

❖ for
for 迴圈擁有一個計數器，稱為迴圈變數。這使得 for 迴圈能夠知道過程中的執行順序

EX： 

no = [1,2,3,4,5,6,7,8,9]

for i in no:  
    print i

Output：
1
2
3
4
5
6
7
8
9

❖ while
利用一個返回結果為布林值的表達式作為循環條件，當這個表達式的返回值為「true」時，則反覆執行循環內的程式碼；若表達式的返回值為「false」，則不再執行循環體內的代碼，繼續執行循環體下面的代碼

EX： 

# While 迴圈
x=0  
while x < 10:  
    print 'x is currently: ',x
    print 'x is still less than 10, adding 1 to x' 
    x+=1
else:  
    print 'All Done!'

Output：
x is currently: 0
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 1
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 2
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 3
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 4
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 5
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 6
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 7
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 8
x is still less than 10, adding 1 to x
x is currently: 9
x is still less than 10, adding 1 to x
All Done!

6.函式（function）

將重複使用的程式碼轉換為一個函式，有效簡化程式碼，並可重複利用，也可將函式當成一個函式的輸入(lambda)

先前章節我們有使用過的函式：

  • print: 印出某個值
  • len: 取得一個串列的長度
  • type: 取得一個值的型別

EX： 

len(list)

5

語法剖析：

  1. len 是函式名稱
  2. 函式名稱之後須加一對括弧，括弧間的是函式的輸入
  3. 在這裡只有一個輸入，即 list
  4. 若有多個輸入值，則用逗號分隔( , )
  5. (非語法) 5 是這個函數呼叫的輸出

函式撰寫方式

EX： 

# 函式
def addNum(a, b): # 函式命名標準會採取駝峰式的樣式  
    return a+b #Return
print addNum(1,4)

Output：
5

如果要在函式的輸入值不預先定義有幾個，可以透過下列語法：

# 接受多個 Key/Value 參數
def make_two_lists(**kwargs):  
    keys,values = [],[]
    for k,v in kwargs.items():
        keys.append(k)
        values.append(v) 
    return [keys,values]

make_two_lists(david='M', Mary = 'F', John='M')

Output：
[['John', 'Mary', 'david'], ['M', 'F', 'M']]

7.檔案（file）

本章節主要描述該如何讀取檔案內容以及對檔案的操作

❖ 寫檔

EX： 

#將Hello World 寫入檔案中 
fid = open('test.txt', 'w')  
fid.write('Hello\nWorld')  
fid.close()

❖ 讀檔

EX： 

# 一行一行讀取檔案
with open('test.txt', 'r') as fid:  
    for line in fid:
        print("Line: " + line.strip())

# 讀取檔案中所有內容
with open('test.txt', 'r') as fid:  
    s = fid.read() 
    print "讀取檔案中所有內容line =>",s

Output：
Line: Hello
Line: World
讀取檔案中所有內容line => Hello World

8.函式庫（libraries）

函式庫是使用 Python 不可或缺的一環，沒有函式庫的 Python 簡直沒有用處！

所謂的函式庫：

  1. 前人或神人寫好的一堆函式
  2. 使用者可以「引用」(import) 函式庫來使用這些函式
  3. 讓程式碼更簡潔且開發更快速

EX： 

# 引用函式庫，並顯示目前的時間
import time

# 我們可以使用這個函式庫裡面的函式strftime
proc_time = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")  
print(proc_time)

Output：
2017-09-21 06:51:11

也可以只引用函式庫中的其中某幾個函式
EX： 

# from 後面接的是函式庫名稱，import 後接的是函式名稱
from random import choice  
choice([1, 5, 7, 3, 9, 0])

Output：
5

9.錯誤偵測（try catch）

程式在執行的過程中，往往會遇到錯誤狀況，例如：型別錯誤，資料讀取錯誤等，為了避免一發生錯誤程式就停止且能夠即時紀錄或顯示錯誤資訊，就必須做好錯誤判斷的處理

EX： 

# 處理 IO Exception
try:  
    f = open('testfile','w') 
    f.write('Test write this')
except IOError: #處理IOError  
    print("Error: Could not find file or read data")
else:  
    print("Content written succesfully")
f.close()
10.物件導向（object）

待補

Reference
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