书名：人工智能数据素养
作者名：孙越等编著
本章字数：6337字
更新时间：2025-02-18 08:57:52

第2章 Python数据分析基础

2.1 Python基础

2.1.1 Python简介

如今，计算机已经广泛应用于各行各业。计算机能够执行各种程序，完成各种任务，而各种程序语言都是由程序员设计的。

Python是一种跨平台的计算机程序设计语言，是一种结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的高层次的脚本语言。Python的创始人是荷兰的吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum）。1989年，在荷兰阿姆斯特丹，Guido为了打发圣诞节，决心开发一个新的脚本解释程序，作为对ABC语言的继承。ABC语言是Guido参与设计的一种教学语言，在他看来，ABC语言非常优美和强大，是专门为非专业程序员设计的。但是ABC语言并没有获得成功，究其原因，Guido认为是其非开放性。于是，Guido决心在Python中避免犯同一错误。同时，他还想在Python中实现在ABC语言中闪现过但未曾实现的东西。

就这样，Python在Guido手中诞生了。Python（大蟒蛇）这一编程语言的名字，取自英国20世纪70年代首播的电视喜剧《蒙提·派森的飞行马戏团》（Monty Python's Flying Circus）。目前，Python已经成为广受欢迎的程序设计语言之一。Python清晰划一的设计风格使其成为一门易读、易维护，并且用途广泛的语言。Python的设计哲学是优雅、明确、简单。Python开发者一般会拒绝花哨的语法，而选择明确没有或少有歧义的语法。作为一种解释型脚本语言，Python可以应用于以下领域。

● Web和Internet开发。

● 科学计算和统计。

● 人工智能。

● 桌面界面开发。

● 软件开发。

● 后端开发。

● 网络爬虫。

Python的解释器将Python的源代码翻译成计算机可以识别的机器语言并执行。从官方网站可以免费下载Python，然后安装在Windows、Linux、UNIX、Mac OS X等操作系统中。Python的安装界面如图2-1所示，在Windows系统进行安装时，必须勾选“Add Python 3.7 to PATH”选项。

图2-1 Python的安装界面

安装路径可以选择默认位置，也可以自定义位置，如图2-2所示。

图2-2 选择自定义位置安装Python

在安装完毕后，就可以使用集成开发环境来尝试编程了。

集成开发环境（IDE）是专门用于软件开发的程序，其集成了几款专门为软件开发而设计的工具。这些工具通常包括处理代码的编辑器（如语法高亮和自动补全等），构建、执行、调试工具，以及某种形式的源代码控制。

不同的IDE各有特点，但都试图实现一个共同的要求，即快速开发可扩展性和可管理的代码。可以根据需求选择适合自己的IDE。IDLE是Python软件包自带的一个集成开发环境，可以方便地创建、运行、调试Python程序。IDLE是开发Python程序的基本IDE，具备基本的IDE功能，是非商业Python开发的不错选择。在安装好Python后，IDLE也会自动安装。使用IDLE就可以轻松编写出执行Python的程序。

另外，常用的IDE还有PyCharm、Spyder、Eclipse+PyDev、Atom、Jupyter Notebook、Sublime Text等，读者可在今后的学习中再作比较。

下面来编写第一个Python程序。

保存后按键盘上的F5键，屏幕将显示如下结果。

上面的程序非常简单、易于实现，如果之后需要编写非常复杂的代码，那么程序将变得十分复杂、难以理解，此时要如何编写呢？

使用注释就可以给程序添加解释并补充其他信息，让复杂的地方便于理解。在Python中，可以使用哈希字符（＃）将注释添加在语句上方或末尾处。

在Python中，对于类定义、函数定义、流程控制语句、异常处理语句等，行尾的冒号和下一行的缩进代表了下一个代码块的开始，而缩进的结束则表示此代码块的结束。无论是手动敲击空格键，还是使用Tab键添加空格，在通常情况下都将4个空格长度默认为1个缩进量（在默认情况下，按1次Tab键表示添加4个空格），如上述代码中for语句块的缩进形式。

在Python中，变量是存储在内存中的值，这意味着使用变量就会在内存中占有位置，当程序需要存储数据时就需要用到变量，Python解释器会根据不同的变量类型开辟不同的内存空间存储变量值。在使用变量时，无须提前声明，只需要给变量赋值即可。变量的命名规范如下。

● 变量名可以包含字母、数字、下画线，但是不能以数字开头。

● 变量不能以系统关键字命名。

● 除了下画线，其他符号不能作为变量名称使用。

● 在变量名中要区分字母大小写。

● 在变量名中不允许出现空格字符。

可以通过“=”为变量赋值，不过此处的“=”与其在数学中的含义不同，在Python中，“=”是赋值运算符，其左侧声明了一个内存区域中的变量，右侧可以是数字、字符串、变量或表达式。其语法格式为：

例如，声明一个数值型变量Shuz。

＃创建一个变量Shuz，给它赋值为9999

变量的类型可以随时变更，也可以重新为变量Shuz赋值。同时，允许多个变量指向同一个值，如num1=num2=100，此时的变量num1和num2具有相同的内存地址，可以使用Python的内置函数id()返回变量所指的内存地址。

结果如下。

在Python中，最常用的运算符是赋值运算符“=”。此外，Python还提供了复合赋值运算符，如表2-1所示。

表2-1 复合赋值运算符

使用方式举例如下。

● a=a+b写为a+=b。

● a=a-b写为a-=b。

● a=a*b写为a*=b。

表2-1剩余的赋值运算符用法与上述3种相同，这种描述方式会使编写出来的代码更为简洁。

2.1.2 Python数据类型

Python的常用数据类型有6种，分别为数字（Number）、字符串（String）、布尔型（Bool）、列表（List）、元组（Tuple）和字典（Dict）。本节暂介绍前3种，即数字、字符串和布尔型。

1.数字

数字数据类型（Number），简称数字，用于存储数值。Python支持以下3种不同的数值类型。

（1）整型（int）：通常被称为整数，是整数或负数，不带小数点。

（2）浮点型（float）：由整数部分与小数部分组成。

（3）复数（complex）：由实数部分和虚数部分组成，可使用a+bj或complex（a，b）来表示，复数的实部a和虚部b都是浮点型。

Python同样支持使用算术运算符，如表2-2所示。

表2-2 算术运算符

算术运算符与数学运算一样，遵循运算的优先顺序，即先幂后乘除，最后加减。若优先级相同，则按照从左到右的顺序执行。另外，在Python运算中，不存在大括号与中括号，只有圆括号()，且圆括号内的运算优先执行。例如：

读者在计算上述列式后如果得出27，说明已经掌握了Python的算术运算符。如果未能得出这一结果，则可先对照下列步骤重新检查自己的运算过程。

● 先计算圆括号内的内容。

● 幂运算。

● 乘除（从左到右）。

● 加减（从左到右）。

2.字符串

字符串（String）是在Python中最常用的数据类型。

双引号（""）或单引号（＇＇）中的数据就是字符串。字符串可以是字母、符号和数字，也可以是计算机所能够表示的一切字符的集合。单字符在Python中也可作为一个字符串使用。

字符串可以拼接起来形成串联，拼接字符串的常用运算符有2种，如表2-3所示。

表2-3 拼接字符串的常用运算符

通过以下示例对拼接字符串的运算符进行简要说明。

运行代码后，输出结果如下。

3.布尔型

布尔数据类型（Bool），简称布尔型，用来表示真或假的值，通常用于条件判断和循环语句。布尔型提供了2个布尔值来表示真（对）或假（错），在Python中分别对应True（真或对）或False（假或错）。True和False是Python的关键字，其中，True对应数值1，False对应数值0（其实任何对象都可以转成布尔型，也可以直接用于条件判断，所有非0数值都可以当作True处理）。

布尔表达式需要先进行判断，然后回答“是”或“否”。Python提供了比较运算符，如表2-4所示。

表2-4 比较运算符

这时，请思考以下2个问题。

● a和b，分别赋值为8，此时a等于b吗？

● x和y，分别赋值为1和8，此时x大于等于y吗？

上述2个问题的代码编写如下。

计算机在判断后，将给出答案True或False。

初学者应注意的是，赋值运算符“=”和比较运算符“==”存在本质区别！布尔表达式比较复杂（复合布尔表达式），使用逻辑运算符相连。那么，逻辑运算符又有哪些呢？如表2-5所示。

表2-5 逻辑运算符

以下为逻辑运算符的演示代码，读者可以先自行对这3个复合布尔表达式进行判断。

计算机输出的结果如下。

如果自我判断的结果与计算机输出的结果相同，说明已基本掌握了逻辑运算符的相关知识。另外，运算符是有顺序的，其优先级顺序如表2-6所示。

表2-6 运算符的优先级顺序

2.1.3 常用的操作、函数和方法

Python作为一门编程语言，其可读性非常高，初学者在学习后可以调用许多内置的函数和方法，提高工作效率。下面先介绍一些有关数字的常用函数。

● int（x）：将x转换为整数。

● float（x）：将x转换为浮点数。

● max（x，y，z，…）：返回给定参数的最大值。

● min（x，y，z，…）：返回给定参数的最小值。

使用函数操作演示如下。

读者可自行编写代码，对比自己的运行结果是否与下方运行结果相同。

接下来介绍求和函数fsum()，此函数不同于前4个函数，使用时需要导入math库。

math库是Python提供的内置数学类函数库，不支持复数类型，其中包含了4个数学常数和44个函数。44个函数分为4类，包括16个数值表示函数、8个幂对数函数、16个三角对数函数和4个高等特殊函数。感兴趣的读者可自行深入研究。

介绍完关于数字的常用操作，现在来介绍关于字符串的操作。

字符串是计算机所能够表示的一切字符的集合，字符串中的字符排列遵循一定的顺序，如果改变了字符顺序，就会形成新的字符串。例如，字符串“我是中国人”，如果改成“中国人是我”，就成了新的字符串，而不是原来的了，这是一种有序排列。

Python字符串就是不可改变字符顺序的有序排列，通过索引（index）可以获取其中的数据元素。

● 正向索引：在Python中的字符串，第一个字符所在的位置是0，第二个字符所在的位置是1，以此类推。

● 反向索引：从-1开始，-1代表最后一个，-2代表倒数第二个，以此类推。

请注意，空格也是字符！

输入“我是一个中国人我热爱我的祖国也热爱地球母亲！”，以如下方式索引字符串中的数据元素。

代码运行结果如下。

可以看到，print（a[7]）（正向索引的第7位）所对应的位置显示出来就是1个空格。

另一种常用的字符串操作是切片（Slice），即从字符串序列中选取相应的元素组成一个新的字符串序列。切片使用的语法为：

● 开始索引就是切片切下的位置，0代表第一个元素，1代表第二个元素，-1代表最后一个元素。

● 结束索引就是切片终止索引（但不包含终止点）。

● 步长是指在每次获取完当前元素后，切片移动的方向和偏移量，默认为1。当步长为正整数时，取正向切片；当步长为负整数时，取反向切片。

请注意，索引元素和切片元素都必须使用方括号[]。

读者可以通过如下代码自行尝试。需要说明的是，切片是在序列中选取某个范围内的元素的机制，列表和元组也可以进行切片。

关于字符串操作，还有如下4个常用函数和方法，感兴趣的读者可以自行尝试，这里不再赘述。

● len（x）函数：字符计数。

● str（x）函数：把一个数字转换成一个字符串。

● subject.upper()方法：转换成大写字符串。

● subject.lower()方法：转换成小写字符串。

2.1.4 列表、元组、字典

在2.1.2节中已经介绍过Python的常用数据类型，如数字（Number）、字符串（String）、布尔型（Bool），本节将介绍另外3种常用数据类型：列表（List）、元组（Tuple）、字典（Dict）。

在Python中，我们既需要通过独立变量来保存数据，也需要通过序列来保存大量数据。在内存中，序列就是一块用来存放多个值的连续的内存空间。在Python中，常用的序列结构包括列表、元组、字典等。

1.列表

列表（List）是用于存储任意数目、任意类型的数据集合。

列表是内置的可变序列，是包含多个元素的有序且连续的内存空间。列表是可变的，可以更改其中的元素的值，也可以添加或删除其中的新元素。可以直接对列表a1进行赋值，并修改指定位置的数值，代码如下。

在列表a1中保存了6个数字，我们使用2.1.3节所提到的字符串的索引方式更改第一个元素的值，代码执行结果如下。

可以看出，第一个元素已经被更改了，列表的索引也是从0开始编号的。在列表a1中，最后一个元素60的索引编号是5。列表中最后一个元素的索引编号等于列表元素的总个数减1。

除了像列表a1一样将使用逗号分隔的值放在方括号中，并且为列表中的元素直接赋值，还有3种方法可创建列表。

（1）为列表直接添加元素（将使用逗号分隔的值放在方括号中）。

（2）在内存中预留位置，然后添加元素（list1=[None]*sz），方法如下。

代码执行结果如下。

（3）创建空列表，使用append()方法添加元素。

代码执行结果如下。

这3种创建列表的方法在未来的操作中将会起到非常重要的作用。

接下来介绍del语句，其可用于删除列表中指定位置的元素，例如：

读者输入代码并执行后会发现，元素30已被删除。

2.元组

元组（Tuple）是不可变序列，元组中的元素不能修改，这是它与列表的不同之处。

元组没有能够增加、修改、删除元素的方法。如果想要创建一个元组，必须将使用逗号分隔的元素放入圆括号中。

代码执行结果如下。

函数list()可以接收字符串、元组等其他序列、迭代器等生成列表。函数tuple()可以接收字符串、列表等其他序列、迭代器等生成元组。

函数range()返回可迭代对象，函数list()和函数tuple()是对象迭代器，可以把函数range()返回的可迭代对象分别转化为一个列表和一个元组，代码执行结果如下。

3.字典

字典（Dict）用于存放具有映射关系的数据。

字典相当于保存了两组数据，其中一组是关键数据，被称为键（Key）；另一组数据可通过键来访问，被称为值（Value）。例如，姓名：小明，民族：汉族。作为键的数据和作为值的数据是互相关联的。字典其实是“键值对”的无序可变序列，在字典中，每个元素都是一个“键值对”，可以通过键快速获取、删除、更新对应的值。键是任意的不可变数据，并且不可重复，而值可以是任意且可重复的数据。

使用大括号建立字典，并且根据键访问字典中的元素，同时为字典中某个元素重新赋值。