Python Scipy 实例教程

2 The Python language 12

2.1 First steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Basic types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Control Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4 Defining functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5 Reusing code: scripts and modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.6 Input and Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.7 Standard Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.8 Exception handling in Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.9 Object-oriented programming (OOP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.6 Full code examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4 Matplotlib: plotting 97

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.2 Simple plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.3 Figures, Subplots, Axes and Ticks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.4 Other Types of Plots: examples and exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.5 Beyond this tutorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.6 Quick references . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.7 Full code examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5 Scipy : high-level scientific computing 184

5.6 Statistics and random numbers: scipy.stats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

5.7 Numerical integration: scipy.integrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

5.8 Fast Fourier transforms: scipy.fftpack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

5.9 Signal processing: scipy.signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

5.10 Image manipulation: scipy.ndimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

5.11 Summary exercises on scientific computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

5.12 Full code examples for the scipy chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

6 Getting help and finding documentation 259

7 Advanced Python Constructs 264

8.3 Interoperability features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

8.4 Array siblings: chararray, maskedarray, matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

8.6 Contributing to NumPy/Scipy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

9 Debugging code 314

9.1 Avoiding bugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

9.2 Debugging workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

9.3 Using the Python debugger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

9.4 Debugging segmentation faults using gdb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

10 Optimizing code 325

11.2 Storage Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

11.3 Linear System Solvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

11.4 Other Interesting Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

12 Image manipulation and processing using Numpy and Scipy 352

12.1 Opening and writing to image files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

12.2 Displaying images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

12.3 Basic manipulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

12.4 Image filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

12.5 Feature extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

12.6 Measuring objects properties: ndimage.measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

13.4 Examples for the mathematical optimization chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

13.7 Optimization with constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

13.8 Full code examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

13.9 Examples for the mathematical optimization chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

14 Interfacing with C 439

14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

14.2 Python-C-Api . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

14.3 Ctypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

14.4 SWIG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

14.5 Cython . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

14.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

14.7 Further Reading and References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

14.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

15.6 Full code for the figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

15.7 Solutions to this chapter’s exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502

16 Sympy : Symbolic Mathematics in Python 505

16.1 First Steps with SymPy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506

16.2 Algebraic manipulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

16.3 Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

16.4 Equation solving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510

16.5 Linear Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

17 Scikit-image: image processing 513

17.1 Introduction and concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

17.8 Full code examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

17.9 Examples for the scikit-image chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

18 Traits: building interactive dialogs 538

18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

18.2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

18.3 What are Traits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

19 3D plotting with Mayavi 557

19.1 Mlab: the scripting interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558

19.2 Interactive work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564

19.3 Slicing and dicing data: sources, modules and filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565

20.3 Supervised Learning: Classification of Handwritten Digits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582

20.4 Supervised Learning: Regression of Housing Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

20.5 Measuring prediction performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589

20.6 Unsupervised Learning: Dimensionality Reduction and Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . 594

20.7 The eigenfaces example: chaining PCA and SVMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

20.8 Parameter selection, Validation, and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603

20.9 Examples for the scikit-learn chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610

Index 652