目的：了解Python基本語法

資料型別
for-loop
while-loop
清單(list)
tuple是什麼？
Python特殊的清單處理方式
if的用法
以if控制迴圈的break和continue
函數：將計算結果直接於函數內印出或回傳(return)出函數外
匿名函數
物件導向範例
NumPy (Python中用於處理numerical array的套件)
一維序列
二維矩陣

練習

運用range(5),for以及append()建立一清單，其內容為[0,1,4,9,16]
運用range(5), if以及for建立一清單，其內容為[0,4,16]
試輸出99乘法表
試輸出99乘法表(以清單表示)
寫一個函數factorial(n)。
建立一函數 f。輸入: 一個 2 維矩陣，輸出: 該2維矩陣內的所有數值加總。

資料型別

整數(int)



In [1]:

    
a=1



In [2]:

    
type(a)









    Out[2]:





int



In [3]:

    
b=3



In [4]:

    
type(b)









    Out[4]:





int

兩整數相除，輸出結果為浮點數(float)。(備註：Python 3開始)



In [5]:

    
a/b









    Out[5]:





0.3333333333333333



In [6]:

    
type(a/b)









    Out[6]:





float

在Python3，兩整數相除，需以//運算子來相除，方能真正用整數儲存該結果。



In [7]:

    
a//b









    Out[7]:





0



In [8]:

    
type(a//b)









    Out[8]:





int

兩整數相加，其輸出仍然為整數。



In [9]:

    
a+b









    Out[9]:





4



In [10]:

    
type(a+b)









    Out[10]:





int

浮點數(float)

Python不需宣告型別。一個數字將會被判別為整數(int)或浮點數(float)，需看該數是否有小數點存在。



In [11]:

    
type(1)









    Out[11]:





int



In [12]:

    
type(1.)









    Out[12]:





float



In [13]:

    
type(1.E-5)









    Out[13]:





float

字串(str)



In [14]:

    
mystr='Hello World!'



In [15]:

    
type(mystr)









    Out[15]:





str

將該字串所有字變成大寫



In [16]:

    
mystr.upper()









    Out[16]:





'HELLO WORLD!'

將該字串所有字變成小寫



In [17]:

    
mystr.upper().lower()









    Out[17]:





'hello world!'

取出該字串前三個字



In [18]:

    
mystr[0:3]









    Out[18]:





'Hel'

檢查某字串片段是否存在於該字串



In [19]:

    
'Wor' in mystr









    Out[19]:





True



In [20]:

    
'WOR' in mystr









    Out[20]:





False



In [21]:

    
'WOR' in mystr.upper()









    Out[21]:





True

以len()看字串長度



In [22]:

    
len(mystr)









    Out[22]:





12



In [23]:

    
mystr='   hi   '

清除左右空白



In [24]:

    
mystr.strip()









    Out[24]:





'hi'

清除左空白



In [25]:

    
mystr.lstrip()









    Out[25]:





'hi   '

清除右空白



In [26]:

    
mystr.rstrip()









    Out[26]:





'   hi'

置換字串內的h成f



In [27]:

    
mystr.replace('h','f')









    Out[27]:





'   fi   '

布林(Boolean)



In [28]:

    
t=True #真
f=False #假



In [29]:

    
t==f  #真等於假？









    Out[29]:





False



In [30]:

    
t==t  #真等於真？









    Out[30]:





True



In [31]:

    
t!=f  #真不等於假？









    Out[31]:





True



In [32]:

    
t==f or t!=f   #真等於假 或是 真不等於假？









    Out[32]:





True



In [33]:

    
t==f and t!=f  #真等於假 和 真不等於假？









    Out[33]:





False



In [34]:

    
not t  #非真？









    Out[34]:





False

回索引

for-loop



In [35]:

    
for j in range(5):
    print(j)

以上，我們使用了range()這個內建函數，它到底是什麼？



In [36]:

    
r=range(5)
print( type(r) )









    



<class 'range'>

用type()檢查變數r的型別，我們發現了r=range(5)是屬於'range'這個類別的一個物件。

接下來，我們以內建函數hasattr()去檢查range(5)這個物件是不是可疊代(iterable):

首先以help()函數檢查一下hasattr()的用法：



In [37]:

    
help(hasattr)









    



Help on built-in function hasattr in module builtins:

hasattr(obj, name, /)
    Return whether the object has an attribute with the given name.
    
    This is done by calling getattr(obj, name) and catching AttributeError.



In [38]:

    
hasattr(range(5), '__iter__')









    Out[38]:





True



In [39]:

    
r=range(5).__iter__()        # 取得range(5)的疊代器
print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出









    



0
1
2
3
4






    



---------------------------------------------------------------------------
StopIteration                             Traceback (most recent call last)
<ipython-input-39-5dd2806f4c0e> in <module>()
      5 print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
      6 print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出
----> 7 print( r.__next__() )        # 進行疊代並印出

StopIteration:

小結

若物件(object)為可疊代(iterable)：
- 表示我們可用__iter__()以及__next__()來操控該物件，一個一個的去取得物件裡面的元素。
- 物件裡面的元素亦可簡單的以for迴圈來取得。
複習以下函數的意義：hasattr(),__iter__(),__next__(),range()

回索引

while-loop



In [40]:

    
i=0
while(i<5):
    print(i)
    i+=1      # i=i+1的簡寫

常用於不確定要跑幾次，要跑到直到條件滿足才跳出迴圈的情形。例如：嘗試擷取某網頁，直到失敗次數太多或是擷取成功為止。

回索引

清單(list)

定義：包含元素的一個集合。清單內的元素可重複，且每個元素都有一個索引(index)。



In [41]:

    
array=[1,2,2,3,4,5]  #建立一個清單
print(array)
print(array[0])      #印出清單內的第一個元素
print(array[-1])     #印出清單內最後一個元素









    



[1, 2, 2, 3, 4, 5]
1
5



In [42]:

    
type([1,2,2,3,4,5]) #以type查看清單型別，確定清單(list)的型別就是list。









    Out[42]:





list



In [43]:

    
hasattr([1,2,3,4,5],'__iter__') # 若是[1,2,3,4,5]為可疊代物件，那我們就可以用迴圈來疊代出清單內的所有元素。









    Out[43]:





True



In [44]:

    
for j in [1,2,3,4,5]:
    print(j,j**2)



In [45]:

    
for j in [1,2.,'字串',3,range(10),5,[1,1,1,2,2,2]]:
    print(j,'\t',type(j),'\t',hasattr(j,'__iter__'))









    



1 	 <class 'int'> 	 False
2.0 	 <class 'float'> 	 False
字串 	 <class 'str'> 	 True
3 	 <class 'int'> 	 False
range(0, 10) 	 <class 'range'> 	 True
5 	 <class 'int'> 	 False
[1, 1, 1, 2, 2, 2] 	 <class 'list'> 	 True

從以上得知：

清單裡的元素可以有不同的型別(type)。
字串(str)和清單(list)一樣，是可以疊代的物件。因此，他們可以用for迴圈來進行內容的提取，例如：



In [46]:

    
for j in 'Python':
    print(j)









    



P
y
t
h
o
n

使用append()添加新元素至清單內



In [47]:

    
array=[1,2,3]
array.append(4)
print(array)









    



[1, 2, 3, 4]

使用del 刪除清單內元素



In [48]:

    
print(array)
del array[2]  #刪除清單內的第二個元素
print(array)









    



[1, 2, 3, 4]
[1, 2, 4]

我們可使用len()去得知清單的長度



In [49]:

    
array=[10,20,30,40]
print(len(array))

使用enumerate()去列舉清單



In [50]:

    
enumerate(array)









    Out[50]:





<enumerate at 0x7ff5541025a0>



In [51]:

    
type(enumerate(array))









    Out[51]:





enumerate



In [52]:

    
hasattr(enumerate,'__iter__')









    Out[52]:





True



In [53]:

    
for j in enumerate(array):
    print(j)









    



(0, 10)
(1, 20)
(2, 30)
(3, 40)



In [54]:

    
print(  type( (0,10) ) )









    



<class 'tuple'>

回索引

tuple是什麼？



In [55]:

    
array=(1,2,3,"abc")
print(array)









    



(1, 2, 3, 'abc')



In [56]:

    
del array[1]









    



---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-56-811224d29713> in <module>()
----> 1 del array[1]

TypeError: 'tuple' object doesn't support item deletion



In [57]:

    
array.append(5)









    



---------------------------------------------------------------------------
AttributeError                            Traceback (most recent call last)
<ipython-input-57-02b372a4b65b> in <module>()
----> 1 array.append(5)

AttributeError: 'tuple' object has no attribute 'append'



In [58]:

    
array[2]=0









    



---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-58-cefb8d0a519b> in <module>()
----> 1 array[2]=0

TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

結論：不可新增刪除覆蓋tuple內的元素，因此tuple可以被看做是唯讀的list。

list可以被取set()。

set的定義：集合內元素不允許重複，且集合內的元素無索引。



In [59]:

    
set([1,1,2,3,3,4,1,2,'alpha','beta'])









    Out[59]:





{1, 2, 3, 4, 'beta', 'alpha'}



In [60]:

    
type( {1, 2, 3, 4, 'beta', 'alpha'} )









    Out[60]:





set



In [61]:

    
st={1,1,2,3,3,4,1,2,'alpha','beta'}
print(st)
print(hasattr(st,'__iter__'))









    



{1, 2, 3, 4, 'beta', 'alpha'}
True



In [62]:

    
for j in st:
    print(j)









    



1
2
3
4
beta
alpha



In [63]:

    
print(st[0])









    



---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-63-55c26b6e8a4b> in <module>()
----> 1 print(st[0])

TypeError: 'set' object does not support indexing

也就是先前說的，set內的元素並無索引。

回索引

Python特殊的清單處理方式

將range(5)裡面的東西抓出來，放到一清單叫做lst，可有各種寫法：

第一種



In [64]:

    
lst=[]
for j in range(5):
    lst.append(j)
print(lst)









    



[0, 1, 2, 3, 4]

第二種



In [65]:

    
lst=[j for j in range(5)]   #此是非常Python的寫法(Pythonic way of coding)
print(lst)









    



[0, 1, 2, 3, 4]

第三種



In [66]:

    
lst=list(range(5))
print(lst)









    



[0, 1, 2, 3, 4]

第四種



In [67]:

    
lst=[*range(5)]
print(lst)









    



[0, 1, 2, 3, 4]

練習0-1. 運用range(5),for以及append()建立一清單，其內容為[0,1,4,9,16]



In [68]:

    
#法一：
lst=[]
for j in range(5):
    #完成接下來的部分









    



  File "<ipython-input-68-d813af186245>", line 4
    #完成接下來的部分
             ^
SyntaxError: unexpected EOF while parsing



In [69]:

    
#法二：
#提示： lst=[.....]

回索引

練習0-2. 運用range(5), if以及for建立一清單，其內容為[0,4,16]



In [70]:

    
# 法一：
lst=[]
for j in range(5):
    #完成接下來的部分









    



  File "<ipython-input-70-8d48153b1e33>", line 4
    #完成接下來的部分
             ^
SyntaxError: unexpected EOF while parsing



In [71]:

    
#法二：
#提示： lst=[.....]

回索引

if的用法

if...elif..else的使用 :



In [72]:

    
x=5

if(x==1):
    print('x is 1')
elif(x==2):
    print('x is 2')
else:
    print('x is neither 1 nor 2.')









    



x is neither 1 nor 2.

例：取range(10)內的偶數並印出：

法一



In [73]:

    
for j in range(10):
    if(j%2==0):
        print(j)

法二



In [74]:

    
[j for j in range(10) if j%2==0]









    Out[74]:





[0, 2, 4, 6, 8]

回索引

以if控制迴圈的break和continue



In [75]:

    
for j in range(5):
    print(j)
    if(j==2):
        break      #中斷，跳出迴圈



In [76]:

    
for j in range(5):
    if(j==2):
        continue  #略過以下程式碼，並繼續疊代至下一個元素
    print(j)

回索引

練習1. 試著輸出以下內容

1 1 1 1 2 2 1 3 3 1 4 4 1 5 5 2 1 2 2 2 4 2 3 6 2 4 8 2 5 10 3 1 3 3 2 6 3 3 9 3 4 12 3 5 15



In [77]:

    
#提示：使用for, range(),print()

for i in range(1,4):
    #完成接下來的部分









    



  File "<ipython-input-77-5042f5bdc6bc>", line 4
    #完成接下來的部分
             ^
SyntaxError: unexpected EOF while parsing

回索引

練習2. 試著輸出以下內容

[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] [2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18] [3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27] [4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36] [5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45] [6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54] [7, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56, 63] [8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 72] [9, 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81]



In [78]:

    
#提示：使用for, range(),print()，以及建立一個清單(list)
#完成接下來的部分

回索引

函數：將計算結果直接於函數內印出或回傳(return)出函數外

例一



In [79]:

    
def square(x):
    print(x*x)



In [80]:

    
def square_return(x):
    return(x**2)

square(x)將只會印出x, 而square_return(x)將會回傳x。



In [81]:

    
square(2)



In [82]:

    
square_return(2)









    Out[82]:





4

可另一變數res接收square_return(x)回傳的值。



In [83]:

    
res=square_return(2)



In [84]:

    
print(res)

需注意的是，square(x)並不會回傳值，因此res將接收到None(無)。



In [85]:

    
res=square(2)



In [86]:

    
print(res)









    



None

例二：寫一個函數add(a, b)。其輸入為 a和b，輸出為 a+b。



In [87]:

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



In [88]:

    
addResult=add(5,7)
print(addResult)

複習：Java函數寫法(輸入x，回傳x平方)



In [89]:

    
%%file testSquare.java
public class testSquare{
    public static void main(String args[]){
        int y=square(2);
        System.out.println(y);
    }
    
    static int square(int x){
        return x*x;
    }
}









    



Writing testSquare.java



In [90]:

    
!javac testSquare.java
!java testSquare

回索引

練習3：寫一個函數factorial(n)。

其作用為：

輸入：$n$，輸出：$1*2*3*....*n$



In [91]:

    
# 修改以下程式碼，以完成函數factorial(n)
def factorial(n):
    if(n==0):
        return ???
    if(n!=0):
        return ???









    



  File "<ipython-input-91-83c44308df6d>", line 4
    return ???
           ^
SyntaxError: invalid syntax

回索引

匿名函數

一般函數寫法



In [92]:

    
def f(x,y):
    return x+y



In [93]:

    
f(1,2)









    Out[93]:





3

使用匿名函數，並將匿名函數給予名稱f。此方法得到的函數等同於上述使用一般函數寫法的結果。



In [94]:

    
f=lambda x,y:x+y



In [95]:

    
f(1,2)









    Out[95]:





3

將匿名函數直接拿來使用，不給名稱，用完就丟。



In [96]:

    
(lambda x,y:x+y)(1,2)  # 1+2=3









    Out[96]:





3



In [97]:

    
(lambda x:x*x)(7)      # 7X7=49









    Out[97]:





49

回索引

物件導向範例

範例：提款機



In [98]:

    
class Customer(object):
    def __init__(self, name, balance=0.0):
        self.name=name             #當物件被新建立，姓名以及餘額兩個屬性將被初始化
        self.balance=balance

    def withdraw(self, amount):    #提款
        if amount > self.balance:  #若要提取大於帳戶餘額的數目，將提出錯誤訊息
            raise RuntimeError('Amount greater than available balance.')
        self.balance -= amount
        return self.balance
    
    def deposit(self, amount):     #存款
        self.balance += amount
        return self.balance

第1行：所有Python3類別都是object這個類別的子類別。
第2行：當物件產生時，初始子init()(等同Java中的建構子)將初始化屬於該物件的一些屬性。此範例中，屬於該物件的兩個屬性，也就是人名和帳戶餘額將被建立。
所有方法都要接收物件本身為第一個參數。依照慣例，大家將該物件本身稱作self。



In [99]:

    
a=Customer("Bill",100)
a.withdraw(70)









    Out[99]:





30



In [100]:

    
a.deposit(60)









    Out[100]:





90



In [101]:

    
a.withdraw(100)









    



---------------------------------------------------------------------------
RuntimeError                              Traceback (most recent call last)
<ipython-input-101-c8963c03a85e> in <module>()
----> 1 a.withdraw(100)

<ipython-input-98-efdfd8238341> in withdraw(self, amount)
      6     def withdraw(self, amount):    #提款
      7         if amount > self.balance:  #若要提取大於帳戶餘額的數目，將提出錯誤訊息
----> 8             raise RuntimeError('Amount greater than available balance.')
      9         self.balance -= amount
     10         return self.balance

RuntimeError: Amount greater than available balance.

回索引

NumPy (Python中用於處理numerical array的套件)

此套件用於建立數值陣列和做數值運算。

https://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/index.html



In [102]:

    
import numpy as np

內建常數$\pi$



In [103]:

    
np.pi









    Out[103]:





3.141592653589793

計算根號$\pi$



In [104]:

    
np.sqrt(np.pi)









    Out[104]:





1.7724538509055159

回索引

一維序列

用np.arange(n)建立一序列內容為[0 1 2 .....n-1]



In [105]:

    
np.arange(10)









    Out[105]:





array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])

用np.linspace(0,2.*np.pi,10)建立一個一維線性空間。起始為0，終點為 $\pi$ ，共10個點。



In [106]:

    
np.linspace(0,2.*np.pi,10)









    Out[106]:





array([ 0.        ,  0.6981317 ,  1.3962634 ,  2.0943951 ,  2.7925268 ,
        3.4906585 ,  4.1887902 ,  4.88692191,  5.58505361,  6.28318531])

將數列內所有數值+100



In [107]:

    
np.arange(10)+100









    Out[107]:





array([100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109])

將數列內所有數值取平方



In [108]:

    
np.arange(10)**2









    Out[108]:





array([ 0,  1,  4,  9, 16, 25, 36, 49, 64, 81])

以np.mean()計算出算數平均



In [109]:

    
np.mean( np.arange(10) )









    Out[109]:





4.5

以np.std()計算出標準差



In [110]:

    
np.std( np.arange(10) )









    Out[110]:





2.8722813232690143

檢驗Numpy序列和Python清單效能差異



In [111]:

    
a=np.random.normal(0,1,100000) # 100000個常態分佈亂數
b=np.random.normal(0,1,100000) # 100000個常態分佈亂數

list_a=list(a)
list_b=list(b)



In [112]:

    
%%timeit
res=a+b









    



51.8 µs ± 51.1 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000 loops each)



In [113]:

    
%%timeit

res=[] 
for j in range(len(list_a)):
    res.append(list_a[j]+list_b[j])









    



14.2 ms ± 20 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)

NumPy較快，因

有做vectorization (能把資料一次餵給多個算數邏輯閘，以加快運算速度。)
array裡的資料皆同型別，相加時不用一個個做型別判別。

回索引

二維矩陣

建立一矩陣



In [114]:

    
A=np.array([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])



In [115]:

    
A









    Out[115]:





array([[1, 2, 3],
       [4, 5, 6],
       [7, 8, 9]])

將$A$轉置 ($A^{T}$)



In [116]:

    
A.T









    Out[116]:





array([[1, 4, 7],
       [2, 5, 8],
       [3, 6, 9]])

$A\cdot A^{T}$



In [117]:

    
A.dot(A.T)









    Out[117]:





array([[ 14,  32,  50],
       [ 32,  77, 122],
       [ 50, 122, 194]])

截取片段：清單方式：以A [index0][index1] 取出二維陣列$A$的部分片段。



In [118]:

    
A[0]









    Out[118]:





array([1, 2, 3])



In [119]:

    
A[1:3]









    Out[119]:





array([[4, 5, 6],
       [7, 8, 9]])



In [120]:

    
A[1:3]









    Out[120]:





array([[4, 5, 6],
       [7, 8, 9]])



In [121]:

    
A[:][1:3]









    Out[121]:





array([[4, 5, 6],
       [7, 8, 9]])

截取片段：矩陣方式：以A [index0,index1] 取出二維陣列$A$的部分片段。(index0方向：垂直，index1方向：水平)



In [122]:

    
A









    Out[122]:





array([[1, 2, 3],
       [4, 5, 6],
       [7, 8, 9]])



In [123]:

    
A[1:3,:]









    Out[123]:





array([[4, 5, 6],
       [7, 8, 9]])



In [124]:

    
A[:,1:3]









    Out[124]:





array([[2, 3],
       [5, 6],
       [8, 9]])

檢查一下A的形狀



In [125]:

    
A.shape









    Out[125]:





(3, 3)

以條件找尋A裡面符合條件的數值



In [126]:

    
A>5









    Out[126]:





array([[False, False, False],
       [False, False,  True],
       [ True,  True,  True]], dtype=bool)



In [127]:

    
A[A>5]









    Out[127]:





array([6, 7, 8, 9])

回索引

練習4: 建立一函數 f。輸入: 一個 2 維矩陣，輸出: 該2維矩陣內的所有數值加總。



In [ ]:

    
A=np.array([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])



In [ ]:

    
def f(A)
    # 完成此函數
    return ???

回索引