[2023] 按照第八周的内容进行 python 语言编程 [结束]。
1.从数据处理到人工智能
1.1.python库之数据分析
Numpy:表达N维数组的最基本库
- Python接口使用,C语言实现,计算速度优异
- Python数据分析及科学计算的基础库,支撑Pandas等
- 提供直接的矩阵运算、广播函数、线性代数等
Pandas:Python数据分析高层次应用库
- 提供简单易用的数据结构和数据分析工具
- 理解数据类型与索引的关系,操作索引即操作数据
- Python最主要的数据分析功能库,基于Numpy开发
Series = 索引 + 一维数据 DataFrame = 行列索引 + 二维数据
Scipy:数学、科学和工程计算功能库
- 提供了一批数学算法及工程数据运算功能
- 类似Matlab,可用于如傅里叶变换、信号处理等应用
1.2.python库之数据可视化
Matplotlib:高质量的二维数据可视化功能库
- 提供了超过100种数据可视化展示效果
- 通过matplotlib.pyplot子库调用各种可视化效果
- Python最主要的数据可视化功能库,基于Numpy开发
Seaborn:统计类数据可视化功能库
- 提供了一批高层次的统计类数据可视化展示效果
- 主要展示数据间分布、分类和线性代数关系等内容
- 基于Matplotlib开发,支持Numpy和Pandas
Mayavi:三维科学数据可视化功能库
- 提供了一批简单易用的3D科学计算数据可视化展示效果
- 目前版本是Mayavi2,三维可视化最主要的第三方库
- 支持Numpy、TVTK、Traits、Envisage等第三方库
1.3.python库之文本处理
PyPDF2:用来处理pdf文件的工具集
- 提供了一批处理PDF文件的计算功能
- 支持获取信息、分隔/整合文件、加解密等
- 完全python语言实现,不需要额外依赖,功能稳定
NLTK:自然语言文本处理第三方库
- 提供了一批简单易用的自然语言文本处理功能
- 支持语言文本分类、标记、语法句法、语义分析等
- 最优秀的Python自然语言处理库
Python-docx:创建或更新Microsoft Word文件的第三方库
- 提供创建或更新.doc.docx等文件的计算功能
- 增加并配置段落、图片、表格、文字等,功能全面
1.4.python库之机器学习
Scikit-learn:机器学习方法工具集
- 提供一批统一化的机器学习方法功能接口
- 提供聚类、分类、回归、强化学习等计算功能
- 机器学习最基本且最优秀的Python第三方库
TensorFlow:AlphaGo背后的机器学习计算框架
- 谷歌公司推动的开源机器学习框架
- 将数据流图作为基础,图节点代表运算,边代表张量
- 应用机器学习方法的一种方式,支撑谷歌人工智能应用
MXNet:基于神经网络的深度学习计算框架
- 提供可扩展的神经网络及深度学习计算功能
- 可用于自动驾驶、机器翻译、语音识别等众多领域
- Python最重要的深度学习计算框架
2.实例:霍兰德人格分析雷达图
霍兰德人格分析:
- 霍兰德认为:人格兴趣与职业之间应有一种内在的对应关系
- 人格分类:研究型、艺术型、社会型、企业型、传统型、现实型
- 职业:工程师、实验员、艺术家、推销员、记事员、社会工作者
霍兰德人格分析雷达图:
- 需求:雷达图方式验证霍兰德人格分析
- 输入:各职业人员结合兴趣的调研数据
- 输出:雷达图
代码:
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import matplotlib matplotlib.rcParams['font.family']='SimHei' radar_labels = np.array(['研究型(I)','艺术型(A)','社会型(S)',\ '企业型(E)','常规型(C)','现实型(R)']) #雷达标签 nAttr = 6 data = np.array([[0.40, 0.32, 0.35, 0.30, 0.30, 0.88], [0.85, 0.35, 0.30, 0.40, 0.40, 0.30], [0.43, 0.89, 0.30, 0.28, 0.22, 0.30], [0.30, 0.25, 0.48, 0.85, 0.45, 0.40], [0.20, 0.38, 0.87, 0.45, 0.32, 0.28], [0.34, 0.31, 0.38, 0.40, 0.92, 0.28]]) #数据值 data_labels = ('艺术家', '实验员', '工程师', '推销员', '社会工作者','记事员') angles = np.linspace(0, 2*np.pi, nAttr, endpoint=False) data = np.concatenate((data, [data[0]])) angles = np.concatenate((angles, [angles[0]])) fig = plt.figure(facecolor="white") plt.subplot(111, polar=True) plt.plot(angles,data,'o-', linewidth=1, alpha=0.2) plt.fill(angles,data, alpha=0.25) plt.thetagrids(angles*180/np.pi, radar_labels,frac = 1.2) plt.figtext(0.52, 0.95, '霍兰德人格分析', ha='center', size=20) legend = plt.legend(data_labels, loc=(0.94, 0.80), labelspacing=0.1) plt.setp(legend.get_texts(), fontsize='large') plt.grid(True) plt.savefig('holland_radar.jpg') plt.show()
3.从web解析到网络空间
3.1.python库之网络爬虫
Requests:网络爬虫功能库
- 提供简单易用的类http协议网络爬虫功能
- 支持连接池、ssl、Cookles、HTTP(S)代理等
- Python最主要的页面级网络爬虫功能库
Scrapy:网络爬虫框架
- 提供构建网络爬虫系统的框架功能,功能半成品
- 支持批量和定时网页爬取、提供数据处理流程等
pyspider:web网页爬取系统
- 提供完整的网页爬取系统构建功能
- 支持数据库后端、消息队列、优先级、分布式架构等
- python最重要的网络爬虫第三方库
3.2.python库之web信息提取
Beautiful Soup:HTML 和XML的解析库
- 提供解析html和xml等web信息功能
- 又名beautifulsoup4或bs4,可以加载多种解析引擎
- 常与网络爬虫库搭配使用,如Scrapy、request等
Re:正则表达式解析和处理功能库
- 提供了定义和解析正则表达式的一批通用功能
- 可用于各类场景,包括定点的web信息提取
- python标准库之一,不用安装
Python-Goose:提取文章类型web页面功能库
- 提供了对web页面中文章信息/视频等元数据的提取功能
- 针对特定类型web页面,应用覆盖面较广
- python最主要的web信息提取库
3.3.Python库之web网站开发
Django:web应用框架
- 提供了构建web系统的基本应用框架
- MTV模式:模型(model)、模板(Template)、视图(Views)
- Python最重要的web应用框架,但是略显复杂
Pyramid:规模适中的web应用框架
- 提供了简单方便构建web系统的应用框架
- 不大不小,规模适中,适合快速构建并适度扩展类应用
- python产品级web应用框架,起步简单扩展性好
Flask:web应用开发微框架
- 提供最简单构建web系统的应用框架
- 特点:简单,规模小,快速
3.4.python库之网络应用开发
WeRoBot:微信公众号开发框架
- 提供了解析微信服务器消息及反馈消息的功能
- 建立微信机器人的重要技术手段
aip:百度AI开放平台接口
- 提供了访问百度AI服务的python功能接口
- 语音、人脸、OCR、NLP、知识图谱、图像搜索等领域
MyQR:二维码生成第三方库
- 提供了生成二维码的系列功能
- 基本二维码、艺术二维码和动态二维码
4.从人机交互到艺术设计
4.1.python库之图形用户界面
PyQt5:Qt开发框架的python接口
- 提供创建Qt5程序的python API接口
- Qt是非常成熟的跨平台桌面应用开发系统,完备GUI
- 推荐的python GUI开发第三方库
wxPython:跨平台GUI开发框架
- 提供了专用于python的跨平台GUI框架
- 理解数据类型与索引的关系,操作索引即操作数据
- python最主要的数据分析功能库,基于Numpy开发
PyGOject:使用GTK+开发GUI的功能库
- 提供了整合GTK+、WebKitGTK+等库的功能
- GTK+:跨平台的一种用户图形界面GUI框架
4.2.python库之游戏开发
PyGame:简单的游戏开发功能库
- 提供了基于SDL的简单游戏开发功能及实现引擎
- 理解游戏对外部输入的响应机制及角色构建和交互机制
- python游戏入门最主要的第三方库
Panda3D:开源、跨平台的3D渲染和游戏开发库
- 一个3D游戏引擎,提供python和C++两种接口
- 支持很多先进特性:法线贴图、光泽贴图、卡通渲染等
cocos2d:构建2D游戏和图形界面交互式应用的框架
- 提供基于openGL的游戏开发图形渲染功能
- 支持GPU加速,采用树形结构分层管理游戏对象类型
- 适用于2D专业级游戏开发
4.3.python库之虚拟现实
VR Zero:在树莓派上开发VR应用的python库
- 提供大量与VR开发相关的功能
- 针对树莓派的VR开发库,支持设备小型化,配置简单化
- 适合初学者实践VR开发及应用
pyovr:Oculus Rift的python开发接口
- 针对Oculus VR设备的python开发库
- 基于成熟的VR设备,提供全套文档,工业级应用设备
Vizard:基于python的通用VR开发引擎
- 专业的企业级虚拟现实开发引擎
- 支持多种主流VR硬件设备
4.4.python库之图形艺术
Quads:迭代的艺术
- 对图片进行四分迭代,形成像素风
- 可以生成动图或静图图像
- 简单易用,具有很高展示度
ascii_art:ASCII艺术库
- 将普通图片转为ASCII艺术风格
- 输出可以是纯文本或彩色文本
- 可采用图片格式输出
turtle:海龟绘图体系
5.实例:玫瑰花绘制
使用turtle进行绘制
代码:
import turtle as t # 定义一个曲线绘制函数 def DegreeCurve(n, r, d=1): for i in range(n): t.left(d) t.circle(r, abs(d)) # 初始位置设定 s = 0.2 # size t.setup(450*5*s, 750*5*s) t.pencolor("black") t.fillcolor("red") t.speed(100) t.penup() t.goto(0, 900*s) t.pendown() # 绘制花朵形状 t.begin_fill() t.circle(200*s,30) DegreeCurve(60, 50*s) t.circle(200*s,30) DegreeCurve(4, 100*s) t.circle(200*s,50) DegreeCurve(50, 50*s) t.circle(350*s,65) DegreeCurve(40, 70*s) t.circle(150*s,50) DegreeCurve(20, 50*s, -1) t.circle(400*s,60) DegreeCurve(18, 50*s) t.fd(250*s) t.right(150) t.circle(-500*s,12) t.left(140) t.circle(550*s,110) t.left(27) t.circle(650*s,100) t.left(130) t.circle(-300*s,20) t.right(123) t.circle(220*s,57) t.end_fill() # 绘制花枝形状 t.left(120) t.fd(280*s) t.left(115) t.circle(300*s,33) t.left(180) t.circle(-300*s,33) DegreeCurve(70, 225*s, -1) t.circle(350*s,104) t.left(90) t.circle(200*s,105) t.circle(-500*s,63) t.penup() t.goto(170*s,-30*s) t.pendown() t.left(160) DegreeCurve(20, 2500*s) DegreeCurve(220, 250*s, -1) # 绘制一个绿色叶子 t.fillcolor('green') t.penup() t.goto(670*s,-180*s) t.pendown() t.right(140) t.begin_fill() t.circle(300*s,120) t.left(60) t.circle(300*s,120) t.end_fill() t.penup() t.goto(180*s,-550*s) t.pendown() t.right(85) t.circle(600*s,40) # 绘制另一个绿色叶子 t.penup() t.goto(-150*s,-1000*s) t.pendown() t.begin_fill() t.rt(120) t.circle(300*s,115) t.left(75) t.circle(300*s,100) t.end_fill() t.penup() t.goto(430*s,-1070*s) t.pendown() t.right(30) t.circle(-600*s,35) t.done()
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F#探险之旅(二):函数式编程(上)-函数式编程范式简介 F#主要支持三种编程范式:函数式编程(Functional Programming,FP)、命令式编程(Imperative Programming)和面向对象(Object-Oriented,OO)的编程。回顾它们的历史,FP是最早的一种范式,第一种FP语言是IPL,产生于1955年,大约在Fortran一年之前。第二种FP语言是Lisp,产生于1958,早于Cobol一年。Fortan和Cobol都是命令式编程语言,它们在科学和商业领域的迅速成功使得命令式编程在30多年的时间里独领风骚。而产生于1970年代的面向对象编程则不断成熟,至今已是最流行的编程范式。有道是“*代有语言出,各领风骚数十年”。 尽管强大的FP语言(SML,Ocaml,Haskell及Clean等)和类FP语言(APL和Lisp是现实世界中最成功的两个)在1950年代就不断发展,FP仍停留在学院派的“象牙塔”里;而命令式编程和面向对象编程则分别凭着在商业领域和企业级应用的需要占据领先。今天,FP的潜力终被认识——它是用来解决更复杂的问题的(当然更简单的问题也不在话下)。 纯粹的FP将程序看作是接受参数并返回值的函数的集合,它不允许有副作用(side effect,即改变了状态),使用递归而不是循环进行迭代。FP中的函数很像数学中的函数,它们都不改变程序的状态。举个简单的例子,一旦将一个值赋给一个标识符,它就不会改变了,函数不改变参数的值,返回值是全新的值。 FP的数学基础使得它很是优雅,FP的程序看起来往往简洁、漂亮。但它无状态和递归的天性使得它在处理很多通用的编程任务时没有其它的编程范式来得方便。但对F#来说这不是问题,它的优势之一就是融合了多种编程范式,允许开发人员按照需要采用最好的范式。 关于FP的更多内容建议阅读一下这篇文章:Why Functional Programming Matters(中文版)。F#中的函数式编程 从现在开始,我将对F#中FP相关的主要语言结构逐一进行介绍。标识符(Identifier) 在F#中,我们通过标识符给值(value)取名字,这样就可以在后面的程序中引用它。通过关键字let定义标识符,如: let x = 42 这看起来像命令式编程语言中的赋值语句,两者有着关键的不同。在纯粹的FP中,一旦值赋给了标识符就不能改变了,这也是把它称为标识符而非变量(variable)的原因。另外,在某些条件下,我们可以重定义标识符;在F#的命令式编程范式下,在某些条件下标识符的值是可以修改的。 标识符也可用于引用函数,在F#中函数本质上也是值。也就是说,F#中没有真正的函数名和参数名的概念,它们都是标识符。定义函数的方式与定义值是类似的,只是会有额外的标识符表示参数: let add x y = x + y 这里共有三个标识符,add表示函数名,x和y表示它的参数。关键字和保留字关键字是指语言中一些标记,它们被编译器保留作特殊之用。在F#中,不能用作标识符或类型的名称(后面会讨论“定义类型”)。它们是: abstract and as asr assert begin class default delegate do donedowncast downto elif else end exception extern false finally forfun function if in inherit inline interface internal land lazy letlor lsr lxor match member mod module mutable namespace new nullof open or override private public rec return sig static structthen to true try type upcast use val void when while with yield 保留字是指当前还不是关键字,但被F#保留做将来之用。可以用它们来定义标识符或类型名称,但编译器会报告一个警告。如果你在意程序与未来版本编译器的兼容性,最好不要使用。它们是: atomic break checked component const constraint constructor continue eager event external fixed functor global include method mixinobject parallel process protected pure sealed trait virtual volatile 文字值(Literals) 文字值表示常数值,在构建计算代码块时很有用,F#提供了丰富的文字值集。与C#类似,这些文字值包括了常见的字符串、字符、布尔值、整型数、浮点数等,在此不再赘述,详细信息请查看F#手册。 与C#一样,F#中的字符串常量表示也有两种方式。一是常规字符串(regular string),其中可包含转义字符;二是逐字字符串(verbatim string),其中的(")被看作是常规的字符,而两个双引号作为双引号的转义表示。下面这个简单的例子演示了常见的文字常量表示: let message = "Hello World"r"n!" // 常规字符串let dir = @"C:"FS"FP" // 逐字字符串let bytes = "bytes"B // byte 数组let xA = 0xFFy // sbyte, 16进制表示let xB = 0o777un // unsigned native-sized integer,8进制表示let print x = printfn "%A" xlet main = print message; print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面