15 December 2014

Cloga:这份文档是euroscipy关于Python科学计算资源的一个教程。英文版地址为:http://scipy-lectures.github.io/,是学习Python科学计算生态体系很好的资料,因此,我会陆续将它翻译为中文,相关Gitbub地址为:https://github.com/cloga/scipy-lecture-notes_cn完整的中文目录


本文的IPython版本

作者 : Fernando Perez, Emmanuelle Gouillart, Gaël Varoquaux, Valentin Haenel

1.1 为什么是Python?

1.1.1 科学家的需求

  • 获得数据(模拟,实验控制)
  • 操作及处理数据
  • 可视化结果... 理解我们在做什么!
  • 沟通结果:生成报告或出版物的图片,写报告

1.1.2 要求

  • 对于经典的数学方法及基本的方法,有丰富的现成工具:我们不希望重新编写程序去画出曲线、傅立叶变换或者拟合算法。不要重复发明轮子!
  • 易于学习:计算机科学不是我们的工作也不是我们的教育背景。我们想要在几分钟内画出曲线,平滑一个信号或者做傅立叶变换,
  • 可以方便的与合作者、学生、客户进行交流,代码可以存在于实验室或公司里面:代码的可读性应该像书一样。因此,这种语言应该包含尽可能少的语法符号或者不必要的常规规 定,使来自数学或科学领域读者愉悦的理解这些代码。
  • 语言高效,执行快...但是不需要是非常快的代码,因为如果我们花费了太多的时间来写代码,非常快的代码也是无用的。
  • 一个单一的语言/环境做所有事,如果可能的话,避免每个新问题都要学习新软件

1.1.3 现有的解决方案

科学家用哪种解决方案进行工作?

编译语言:C、C++、Fortran等。

  • 优势:

    • 非常快。极度优化的编译器。对于大量的计算来说,很难比这些语言的性能更好。
    • 一些非常优化的科学计算包。比如:BLAS(向量/矩阵操作)
  • 不足:

    • 使用起来令人痛苦:开发过程中没有任何互动,强制编译步骤,啰嗦的语法(&, ::, }}, ; 等),手动内存管理(在C中非常棘手)。对于非计算机学家他们是艰深的语言

脚本语言:Matlab

  • 优势:

    • 对不同的领域的多种算法都有非常的类库。执行很快,因为这些类库通常使用编译语言写的。
    • 友好的开发环境:完善的、组织良好的帮助,整合的编辑器等
    • 有商业支持
  • 不足:

    • 基础语言非常欠缺,会限制高级用户
    • 不是免费的

其他脚本语言:Scilab、Octave、Igor、R、IDL等。

  • 优势:

    • 开源、免费,或者至少比Matlba便宜。
    • 一些功能非常高级(R的统计,Igor的图形等。)
  • 不足:

    • 比Matlab更少的可用算法,语言也并不更高级
    • 一些软件更专注于一个领域。比如,Gnuplot或xmgrace画曲线。这些程序非常强大,但是他们只限定于一个单一用途,比如作图。

那Python呢?

  • 优势:

    • 非常丰富的科学计算包(尽管比Matlab少一些)
    • 精心设计的语言,允许写出可读性非常好并且结构良好的代码:我们“按照我们所想去写代码”。
    • 对于科学计算外的其他任务也有许多类库(网站服务器管理,串口接收等等。)
    • 免费的开源软件,广泛传播,有一个充满活力的社区。
  • 不足:

    • 不太友好的开发环境,比如与Matlab相比。(更加极客向)。
    • 并不是在其他专业软件或工具箱中可以找到算法都可以找到

1.2 Python科学计算的构成

与Matlba,Scilab或者R不同,Python并没有预先绑定的一组科学计算模块。下面是可以组合起来获得科学计算环境的基础的组件。

  • Python,通用的现代计算语言

    • Python语言:数据类型(字符string,整型int),流程控制,数据集合(列表list,字典dict),模式等等。
    • 标准库及模块
    • 用Pyhon写的大量专业模块及应用:网络协议、网站框架等...以及科学计算。
    • 开发工具(自动测试,文档生成)
  • IPython, 高级的Python Shell http://ipython.org/

ipython

Matplotlib

Mayavi

1.3 交互工作流:IPython和文本编辑器

测试和理解算法的交互工作:在这个部分我们描述一下用IPython的交互工作流来方便的研究和理解算法。

Python是一门通用语言。与其他的通用语言一样,没有一个绝对权威的工作环境,也不止一种方法使用它。尽管这对新人来说不太好找到适合自己的方式,但是,这使得Pyt hon被用于在网站服务器或嵌入设备中编写程序。

本部分的参考文档

IPython用户手册http://ipython.org/ipython- doc/dev/index.html

1.3.1 命令行交互

启动ipython:

print('Hello world')
Hello world

在对象后使用?运算符获得帮助:

In [2]: print
Type:          builtin_function_or_method
Base Class:    <type builtin_function_or_method>
String Form:   <built-in function print>
Namespace:     Python builtin
Docstring:
    print(value, ..., sep= , end=\n, file=sys.stdout)
    Prints the values to a stream, or to sys.stdout by default.
    Optional keyword arguments:
    file: a file-like object (stream); defaults to the current sys.stdout.
    sep:  string inserted between values, default a space.
    end:  string appended after the last value, default a newline.

1.3.2 在编辑器中详尽描述算法

在文本编辑器中,创建一个my_file.py文件。在EPD(Enthought Python Distribution)中,你可以从开始按钮使用Scite。在Python(x,y)中, 你可以使用Spyder。在Ubuntu中, 如果你还没有最喜欢的编辑器,我们建议你安装Stani’s Python editor。在这个文件中,输入如下行:

s = 'Hello world'
print(s)

现在,你可以在IPython中运行它,并研究产生的变量:

%run my_file.py
Hello world
s
'Hello world'
%whos
Variable   Type    Data/Info
----------------------------
s          str     Hello world

从脚本到函数

尽管仅使用脚本工作很诱人,即一个满是一个接一个命令的文件,但是要有计划的逐渐从脚本进化到一组函数:

  • 脚本不可复用,函数可复用。

  • 以函数的角度思考,有助于将问题拆分为小代码块。

1.3.3 IPython提示与技巧

IPython用户手册包含关于使用IPython的大量信息,但是,为了帮你你更快的入门,这里快速介绍三个有用的功能:历史魔法函数别称tab完成

与Unix Shell相似,IPython支持命令历史。按上下在之前输入的命令间切换:

In [1]: x = 10
In [2]: <UP>
In [2]: x = 10

IPython通过在命令前加%字符的前缀,支持所谓魔法函数。例如,前面部分的函数runwhos都是魔法函数。请注意automagic设置默认是 启用,允许你忽略前面的%。因此,你可以只输入魔法函数仍然是有效的。

其他有用的魔法函数:

  • %cd 改变当前目录
cd ..
/Users/cloga/Documents
  • %timeit 允许你使用来自标准库中的timeit模块来记录执行短代码端的运行时间
timeit x = 10
10000000 loops, best of 3: 26.7 ns per loop
  • %cpaste 允许你粘贴代码,特别是来自网站的代码,前面带有标准的Python提示符 (即 >>>) 或ipython提示符的代码(即 in [3]):
In [5]: cpaste
Pasting code; enter -- alone on the line to stop or use Ctrl-D. :In [3]:
timeit x = 10
:--
10000000 loops, best of 3: 85.9 ns per loop
In [6]: cpaste
Pasting code; enter -- alone on the line to stop or use Ctrl-D. :>>> timeit x
= 10
:--
10000000 loops, best of 3: 86 ns per loop
  • %debug 允许你进入事后除错。也就是说,如果你想要运行的代码抛出了一个异常,使用%debug将在抛出异常的位置进入排错程序。
In [7]: x === 10
File "<ipython-input-6-12fd421b5f28>", line 1
x === 10 ^
  SyntaxError: invalid syntax
In [8]: debug
> /home/esc/anaconda/lib/python2.7/site-
packages/IPython/core/compilerop.py(87)ast_parse()
       86         and are passed to the built-in compile function."""
  ---> 87         return compile(source, filename, symbol, self.flags |
PyCF_ONLY_AST, 1)
88
  ipdb>locals()
  {’source’: u’x === 10\n’, ’symbol’: ’exec’, ’self’:
  <IPython.core.compilerop.CachingCompiler instance at 0x2ad8ef0>,
  ’filename’: ’<ipython-input-6-12fd421b5f28>’}

IPython help

  • 内置的IPython手册可以通过%quickref魔法函数进入。
  • 输入%magic会显示所有可用魔法函数的列表。

而且IPython提供了大量的别称来模拟常见的UNIX命令行工具比如ls等于list files,cp等于copy files以及rm等于remove files。输入alias可以显示所有的别称的列表:

alias
Total number of aliases: 12
[('cat', 'cat'),
 ('cp', 'cp'),
 ('ldir', 'ls -F -G -l %l | grep /$'),
 ('lf', 'ls -F -l -G %l | grep ^-'),
 ('lk', 'ls -F -l -G %l | grep ^l'),
 ('ll', 'ls -F -l -G'),
 ('ls', 'ls -F -G'),
 ('lx', 'ls -F -l -G %l | grep ^-..x'),
 ('mkdir', 'mkdir'),
 ('mv', 'mv'),
 ('rm', 'rm'),
 ('rmdir', 'rmdir')]

最后,提一下tab完成功能,我们从IPython手册引用它的描述:

Tab completion, especially for attributes, is a convenient way to explore the structure of any object you’re dealing with. Simply type object_name. to view the object’s attributes. Besides Python objects and keywords, tab completion also works on file and directory names.

In [1]: x = 10
In [2]: x.<TAB>
x.bit_length x.conjugate x.denominator x.imag x.numerator x.real
In [3]: x.real.
x.real.bit_length x.real.denominator x.real.numerator x.real.conjugate
x.real.imag x.real.real
In [4]: x.real.


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