Python编程入门：探索数据使用Python

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"Pythonlearn.pdf是Coursera上'Python for Everybody'课程的教科书，内容涵盖使用Python探索数据的基础知识。此书的前五章在MOOC平台提供。" 在"Python for Everybody"这本书中，作者Charles R. Severance探讨了如何利用Python语言进行数据的探索与分析。这本书是对Allen B. Downey、Jeﬀ Elkner等人编写的"ThinkPython: How to Think Like a Computer Scientist"一书的“remix”版本，即在原有基础上进行了改编和扩展。书中首先介绍了Python编程的基础概念，包括变量、数据类型（如整数、浮点数、字符串）、流程控制（如条件语句和循环结构）以及函数的使用。这些基础知识是所有编程学习者的必经之路，对于理解计算机如何执行指令至关重要。接着，书中深入讲解了Python的数据结构，如列表、元组、字典和集合。这些数据结构提供了处理和组织复杂数据的有效方式，尤其在处理数据集或进行数据分析时非常有用。例如，列表允许动态存储多个项目，而字典则通过键值对提供快速访问。 Python的文件操作也在书中有所涉及，这是读取和写入数据到磁盘的基本方法。了解如何打开、读取、写入和关闭文件是处理大量数据或保存程序结果的关键技能。此外，书中还涵盖了网络编程的基础，包括HTTP协议和Web爬虫的实现。这对于获取网络上的数据非常有用，尤其是在进行数据科学项目时，能够从网页抓取信息并进行分析。 Python的正则表达式也是学习的重点，它用于处理和匹配文本模式，是数据清洗和预处理的重要工具。通过正则表达式，开发者可以高效地查找、替换或提取特定格式的文本。最后，Python for Everybody还涵盖了数据库的概念和使用，包括如何使用Python的SQLite库与数据库交互。这使得数据的存储和查询更为系统化，对于处理大量结构化数据的应用程序非常重要。 "Python for Everybody"是一本适合初学者入门的教材，旨在通过Python语言帮助读者建立计算机科学思维，并掌握数据处理和分析的基础技能。书中结合实例和练习，让学习者能够逐步提高编程能力和数据分析能力。

󾋻 CHAPTER 󾋸. 为什么要学编程？

• ⾸先，需要掌握编程语⾔（Python）本⾝⸺ 熟悉词汇和语法。能够准确地拼写这⻔新语

⾔中的单词，并且掌握如何使⽤这⻔新语⾔正确地“造句”。

• 其次，学会讲故事。在写故事的过程中，通过⽂字和句式的组合，向读者传达思想。编故

事的艺术与能⼒通过写作与反馈得以提⾼。在编程中，程序即故事，待解决的问题即传达

的想法。

当掌握⼀种编程语⾔（如Python）之后，你会发现学习其他编程语⾔，如JavaScript或者C++，

就会容易许多。虽然新的编程语⾔拥有很多不同的词汇和语法，但你已经学会解决问题的技能，

所有编程语⾔本质上都是相通的。

Python的词汇和句式上⼿很快，但要能写出⼀些连贯的程序来解决⼀个全新的问题，尚需时⽇磨

练。讲授编程就像讲授写作⼀样。先对程序进⾏阅读和解释，然后编写简单的程序，接着逐步编

写更复杂的程序。当达到⼀定⽔平，你就形成了⾃⼰的编程⻛格，⾃然而然地去应对问题，通过

编写程序解决它。⼀旦修炼到这个程度，编程就变成⼀个愉悦且富有创造⼒的过程了。

我们从Python程序的词汇和结构讲起。第⼀次阅读时，⼀定要耐⼼学习那些简单的例⼦。

󾋸.󾋻 词汇与句⼦

与⼈类语⾔不同的是，Python的词汇数量实际上相当少。我们称这些“词汇”为“保留字”，它

们是Python中具有特殊意义的词汇。对于Python来说，程序中出现的这些词汇，它们有且仅有

⼀个含义。等下你在编程时，你⾃⼰定义的词汇称为变量。变量命名⾮常⾃由，但有⼀点，你不

能使⽤Python的保留字作为变量名。

从某种意义上讲，我们训练⼀只狗时会使⽤⼀些特殊的词汇，⽐如“坐下”、“停下”和“拿

来”。跟狗说话时不⽤这些保留字的话，它们就会傻傻地看着你，直到你对它说出保留字。举

例来说，“我希望更多的⼈通过散步来促进健康。”，而⼤多数狗听到的可能是，“吧啦吧啦散

步吧啦吧啦。”这是因为在狗的语⾔中“散步”是保留字。很多⼈可能觉得⼈类和猫之间的语⾔

没有保留字

󾋸

Python的保留字如下：

and del global not with

as elif if or yield

assert else import pass

break except in raise

class finally is return

continue for lambda try

def from nonlocal while

就这么多词汇。Python⽐狗训练有素多了。当你说“try”，Python会毫⽆差错地执⾏try。

后续章节会介绍这些保留字及它们的适⽤场合。现在，我们只关注怎么与Python对话（就像⼈跟

狗说话）。教Python说话是件有意思的事情，把想要说的话⽤引号括起来就可以了。

print('Hello world!')

这就是我们写出的第⼀个语法正确的Python语句。我们的句⼦以函数 print 开头，后⾯跟⼀个⽂

本字符串，⽤单引号括起来。

󾋸

http://xkcd.com/󾋹󾋺󾋸/

󾋸.󾋼. 与PYTHON对话 󾋼

󾋸.󾋼 与Python对话

我们已经掌握了Python的⼀个词汇与⼀个简单语句，接下来需要了解如何与Python对话，测试

我们的新语⾔技能。

与Python对话之前，必须先在计算机上安装Python软件，学会如何启动Python。本章包含许多

细节，建议查看 www.py󾋻e.com，⽹站上有Python在Mac和Windows系统上配置和启动的详

细说明和视频演⽰。当打开终端或者命令⾏窗口，输⼊python，Python解释器会以交互模式启

动，如下所⽰：

Python 3.5.1 (v3.5.1:37a07cee5969, Dec 6 2015, 01:54:25)

[MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.

>>>

‘>>>’提⽰符表⽰Python解释器在询问，“你希望我下⼀步做什么？”。Python已经准备好与

你对话。你需要掌握的是怎样说Python语⾔，发起⼀个对话。

举个例⼦，你对Python语⾔最简单的词汇或句⼦⼀⽆所知，想要使⽤宇航员的标准⽤语（喊

话）。宇航员在⼀个遥远的星球登陆，试着和这个星球的居⺠⽤以下语句对话:

>>> I come in peace, please take me to your leader

File "<stdin>", line 1

I come in peace, please take me to your leader

SyntaxError: invalid syntax

>>>

事情进展好像并不顺利。除⾮你反应迅速，否则这个星球的居⺠可能会拿⻓⽭刺向你，向你吐口

⽔，然后把你放在⽕上烤，当成晚饭吃掉。

幸运的是，旅⾏时你带了这本书，及时翻到了这⼀⻚，再试⼀次：

>>> print('Hello world!')

Hello world!

这次看起来效果不错，试着与他们继续对话：

>>> print('You must be the legendary god that comes from the sky')

You must be the legendary god that comes from the sky

>>> print('We have been waiting for you for a long time')

We have been waiting for you for a long time

>>> print('Our legend says you will be very tasty with mustard')

Our legend says you will be very tasty with mustard

>>> print 'We will have a feast tonight unless you say

File "<stdin>", line 1

print 'We will have a feast tonight unless you say

SyntaxError: Missing parentheses in call to 'print'

>>>

󾋽 CHAPTER 󾋸. 为什么要学编程？

上⾯的对话⼀直进展顺利，只到你在使⽤Python语⾔的时候犯了⼀个⾮常小的错误，Python就

⼜把⻓⽭拿出来了。

此时，你应该意识到，Python虽然⾮常复杂与强⼤，但在语法上⾮常挑剔，并不那么智能。对话

中必须使⽤正确的语法。

在某种意义上，当你使⽤别⼈写的程序时，Python就在你和其他程序员之间充当中间⼈。

Python是程序编写者将对话进⾏下去的⼀种⽅式。在阅读完短短⼏章之后，你将成为Python

程序员中的⼀员，与你的程序使⽤者进⾏对话。

结束与Python解释器的第⼀次谈话之前，你可能要知道如何正确地与这个星球的居⺠说“再

⻅”：

>>> good-bye

Traceback (most recent call last):

File "<stdin>", line 1, in <module>

NameError: name 'good' is not defined

>>> if you don't mind, I need to leave

File "<stdin>", line 1

if you don't mind, I need to leave

SyntaxError: invalid syntax

>>> quit()

你会发现前两个错误提⽰是不同的。由于 if 是保留字，Python看到保留字会认为我们想说些什

么，但句⼦的语法是错的。

跟Python说“再⻅”的正确⽅法是，在交互模式的提⽰符’>>>’后输⼊ quit()。猜出这个命令

这可能会花费⼀些时间，所以⼿头备本书可能会派上⽤场。

󾋸.󾋽 术语：解释器与编译器

Python是⼀种⾼级语⾔，旨在较为⽅便地让⼈类进⾏读写，让计算进⾏读取与处理。其他⾼级语

⾔包括：Java、C++、PHP、Ruby、Basic、Perl以及JavaScript等。CPU⾥的硬件并不能理解

任何⼀种⾼级语⾔。

CPU能理解的语⾔称之为机器语⾔。机器语⾔⾮常简单，坦⽩讲，编写起来⾮常⽆聊。它全部由

󾋷和󾋸组成：

001010001110100100101010000001111

11100110000011101010010101101101

...

虽然机器语⾔表⾯看起来很简单，只有󾋷和󾋸，但它的语法⽐Python复杂得多。所以，很少有程序

员⽤机器语⾔编程。相反，借助各种翻译器，程序员可以编写像Python或JavaScript这样的⾼级

语⾔，这些翻译器会将程序转换成机器语⾔，再交由CPU执⾏。

因为机器语⾔依附于计算机硬件，所以不能在不同类型硬件之间移植。使⽤⾼级语⾔编写的程序

可以在不同的计算机之间移植，通过在另⼀台计算机上使⽤不同的编译器，或者重新编译代码，

⽣成⼀个适合这台计算机的机器语⾔版本。

编程语⾔的翻译器⼤体可分为两类：(󾋸)解释器与 (󾋹) 编译器。

󾋸.󾋽. 术语：解释器与编译器 󾋾

解释器读取程序员所写程序的源代码，解析源代码并实时解释指令。Python是⼀种解释器。当交

互式执⾏Python时，输⼊⼀⾏Python语句，Python就会⽴即处理它，并做好准备让我们输⼊下

⼀条语句。

Python语句中有⼀些地⽅会告诉Python，你想要Python记住等下会⽤到的⼀些数据。这时就

需要为数据挑选⼀个名称来记住它，这样之后就可以通过这个名称来获取对应的数据了。我们使

⽤变量（variable）来代表存储的数据。

>>> x = 6

>>> print(x)

>>> y = x * 7

>>> print(y)

>>>

在这个例⼦中，我们让Python记住数值󾋽，并将󾋽赋值给变量 x，以便后续使⽤。为了确认

Python已经记住这个数值，使⽤ print 命令打印它。接下来，我们让Python获取变量 x 的

值并乘以󾋾，然后将结果赋给新变量 y。最后，打印出变量 y 的当前值。

尽管我们⼀次只输⼊了⼀⾏命令，但Python将其视为⼀个语句序列，后⾯的语句可以获取前⾯语

句的数据。四句组成的段落以⼀种有逻辑的和有意义的顺序编写，这就是我们写出的第⼀个简单

的多⾏程序。

如上所⽰，解释器的本质是进⾏交互式对话。而编译器需要将整个程序放在⼀个⽂件中，将⾼层

次的源代码翻译成低层次的机器语⾔，然后编译器将⽣成的机器语⾔放到⼀个⽂件中以便后续执

⾏。

如果你使⽤Windows系统，这些可执⾏的机器语⾔程序通常带有“.exe”或“.dll”后缀，分别

代表这是“可执⾏的”和“动态可加载库”。在Linux和Mac中没有这样的后缀来明确表⽰⽂件

是否是可执⾏的。

如果在⽂本编辑器中打开⼀个可执⾏⽂件，满眼望去完全看不懂：

^?ELF^A^A^A^@^@^@^@^@^@^@^@^@^B^@^C^@^A^@^@^@\xa0\x82

^D^H4^@^@^@\x90^]^@^@^@^@^@^@4^@ ^@^G^@(^@$^@!^@^F^@

^@^@4^@^@^@4\x80^D^H4\x80^D^H\xe0^@^@^@\xe0^@^@^@^E

^@^@^@^D^@^@^@^C^@^@^@^T^A^@^@^T\x81^D^H^T\x81^D^H^S

^@^@^@^S^@^@^@^D^@^@^@^A^@^@^@^A\^D^HQVhT\x83^D^H\xe8

....

机器语⾔的读写并不容易，好在借助解释器和编译器，能够使⽤Python或C这样的⾼级语⾔编写

程序。

通过对解释器与编译器的讨论，你应该对Python解释器本⾝有了⼀些了解。你应该想问那它⼜是

⽤什么语⾔写的？是⽤编译语⾔写的吗?当我们输⼊“python”，究竟发⽣了什么?

Python的解释器是⽤C语⾔编写的。你可以访问http://www.python.org⽹站，查看Python解

释器的源代码，如有你有意愿改造这些源代码也是可以的。Python本⾝就是⼀个程序，它被编

译成机器代码。当你（或计硬件供应商）在计算机上安装了Python，实际是上将⼀份编译好的

Python程序的机器代码拷⻉到你的计算机系统。在Windows中，Python可执⾏的机器代码很可

能位于以下⽂件夹中:

C:\Python35\python.exe

󾋿 CHAPTER 󾋸. 为什么要学编程？

要成为⼀名Python程序员，你并不⼀定的需要知道上述这些。但在⼀开始，花⼀些时间解释这些

细节问题，还是值得的。

󾋸.󾋾 编写⼀个程序

在Python解释器中输⼊命令是体验Python功能⾮常好的⽅式，但不建议采⽤这种⽅式来解决复

杂的问题。

编程时，我们在⽂本编辑器⾥把Python指令写到⼀个⽂件⾥，这个⽂件称为脚本。⼀般而⾔，

Python脚本以.py命名结尾。

要执⾏脚本，你必须告诉Python解释器脚本⽂件的名称。在Unix或Windows命令窗口中，你可

以像下⾯这样执⾏python hello.py：

csev$ cat hello.py

print('Hello world!')

csev$ python hello.py

Hello world!

csev$

“csev$”是操作系统提⽰符，“cat hello.py”是查看“hello.py”⽂件的内容，其中包含了⼀

⾏打印字符串的Python程序。

我们调⽤Python解释器，告诉它从“hello.py”⽂件中读取源代码，而不是⽤命令⾏交互式⼀⾏

⼀⾏地执⾏Python代码。

你会发现，没有必要在Python程序⽂件末尾加上 quit()。Python在读取源代码⽂件时，到达⽂

件末尾它会⾃⼰停⽌。

󾋸.󾋿 什么是程序？

程序的基本定义是，完成特定任务的⼀组Python语句序列。就算是前⾯简单的 hello.py 脚本也

是⼀个程序，不过只是⼀⾏代码的程序罢了，作⽤并不⼤。不过从最严格的定义上来说，它是⼀

个Python程序。

思考⼀个可以被程序解决的问题，然后看⼀看解决这个问题的程序，这可能是理解程序的最简单

⽅式。

假设，你想对Facebook上的发帖进⾏社会计算⽅⾯的研究，并且你感兴趣的问题是⼀系列帖⼦

中最常⽤的词汇是什么。你可以打印出这些发帖，然后通读⽂本，从中寻找最常⻅的词，但这需

要很⻓时间而且很容易出错。你也可以通过编写Python程序来快速且准确地处理这个任务，这样

会⽐较明智，周末你就可以做些其他有趣的事了。

举例来说，阅读以下内容，这是关于⼀个小丑和⼀辆⻋的⽂本，找出出现次数最多的单词，并统

计它出现的次数。

the clown ran after the car and the car ran into the tent

and the tent fell down on the clown and the car

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鵬舉

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