Python 数据科学基础：核心编程概念回顾

嘿，各位数据科学爱好者！今天，咱们要一起深入探讨 Python 在数据科学领域的基石。Python 已经成为数据科学、机器学习以及人工智能等领域不可或缺的工具。它的语法简洁、生态系统强大，拥有海量的库和框架，使得数据处理、分析和可视化变得轻松高效。那么，为了更好地掌握数据科学，让我们从 Python 的基础知识开始复习吧！这篇文章旨在带你回顾 Python 编程的核心概念，为后续的数据科学学习打下坚实的基础。我们会深入探讨输入输出、数据类型、控制流、函数、模块以及面向对象编程等关键知识点。准备好了吗？让我们一起开始 Python 数据科学之旅吧！

Python 输入输出：与程序互动的第一步

在 Python 编程中，输入输出是程序与用户交互的关键方式。通过输入，程序可以接收用户的指令和数据；通过输出，程序可以将结果展示给用户。input() 函数和 print() 函数是 Python 中最常用的输入输出工具。它们简单易用，功能强大，是每个 Python 程序员必须掌握的基础知识。

获取用户输入：input() 函数

input() 函数允许程序从用户那里获取输入。当程序执行到 input() 函数时，它会暂停执行，等待用户输入内容。用户输入完成后，按下回车键，input() 函数会将用户输入的内容作为字符串返回。需要注意的是，input() 函数获取到的所有输入内容，无论用户输入的是数字、字母还是其他字符，都会被当作字符串处理。因此，如果我们需要将输入的内容作为数字进行计算，需要使用类型转换函数，例如 int() 或 float()，将字符串转换为整数或浮点数。

让我们来看一个简单的例子：

a = int(input('请输入 a 【整数】:'))
b = int(input('请输入 b 【整数】:'))
print(f'你输入的 a 是：{a}，b 是：{b}')

在这个例子中，我们首先使用 input() 函数提示用户输入两个整数，并将输入的内容分别赋值给变量 a 和 b。由于 input() 函数返回的是字符串，我们使用 int() 函数将字符串转换为整数。然后，我们使用 print() 函数将用户输入的内容输出到屏幕上。这个例子展示了 input() 函数的基本用法，以及如何将用户输入的内容转换为我们需要的数据类型。

input() 函数还可以接受一个字符串作为参数，用于向用户显示提示信息。例如，input('请输入您的姓名：') 会在屏幕上显示“请输入您的姓名：”，并等待用户输入。这个提示信息可以帮助用户了解程序需要什么样的输入，从而提高用户体验。

输出结果：print() 函数

print() 函数用于将程序的结果输出到屏幕上。它可以接受多个参数，并将它们以空格分隔的形式输出。print() 函数还可以接受一些可选参数，用于控制输出的格式，例如 sep 参数用于指定分隔符，end 参数用于指定输出的结尾字符。

下面是一些 print() 函数的用法示例：

print('Hello, world!')  # 输出字符串
print(1, 2, 3)  # 输出多个数字，以空格分隔
print('a', 'b', 'c', sep=',')  # 输出多个字符，以逗号分隔
print('This is the first line.', end='\n')
print('This is the second line.')  # 输出两行文本

在这些例子中，我们展示了 print() 函数的多种用法。print('Hello, world!') 输出一个简单的字符串。print(1, 2, 3) 输出多个数字，它们之间用空格分隔。print('a', 'b', 'c', sep=',') 输出多个字符，它们之间用逗号分隔。print('This is the first line.', end='\n') 和 print('This is the second line.') 输出两行文本，end='\n' 表示第一行文本的结尾字符是换行符。

print() 函数还可以使用格式化字符串来输出更复杂的内容。格式化字符串是一种特殊的字符串，它可以包含占位符，用于在输出时插入变量的值。Python 提供了多种格式化字符串的方法，例如 % 格式化、str.format() 方法以及 f-strings。f-strings 是 Python 3.6 引入的一种新的格式化字符串的方法，它使用起来更加简洁方便。

让我们来看一个使用 f-strings 的例子：

name = 'Alice'
age = 30
print(f'My name is {name}, and I am {age} years old.')  # 使用 f-strings 输出

在这个例子中，我们使用 f-strings 将变量 name 和 age 的值插入到字符串中。f-strings 的语法非常简单，只需要在字符串前面加上字母 f，然后在字符串中使用花括号 {} 包裹变量名即可。f-strings 是 Python 中最推荐的格式化字符串的方法，因为它既简洁又高效。

数据类型：Python 世界的基石

在 Python 中，数据类型是构建程序的基石。每种数据类型都有其特定的属性和用途。理解不同的数据类型以及它们之间的转换方式，对于编写高效且可靠的 Python 代码至关重要。Python 提供了多种内置数据类型，包括数字、字符串、列表、元组、字典和集合。每种数据类型都有其独特的特点和适用场景。掌握这些数据类型，可以帮助我们更好地组织和处理数据，从而编写出更强大的程序。

数字类型：整数、浮点数和复数

Python 中的数字类型主要包括整数（int）、浮点数（float）和复数（complex）。整数用于表示没有小数部分的数字，例如 1、100 和 -20。浮点数用于表示带有小数部分的数字，例如 3.14、2.718 和 -0.5。复数用于表示具有实部和虚部的数字，例如 1 + 2j。Python 支持对数字进行各种算术运算，包括加法、减法、乘法、除法、取模和幂运算。

a = 10
b = 3.14
c = 2 + 3j

print(type(a))  # 输出 <class 'int'>
print(type(b))  # 输出 <class 'float'>
print(type(c))  # 输出 <class 'complex'>

print(a + b)  # 输出 13.14
print(a * b)  # 输出 31.400000000000002
print(c.real)  # 输出 2.0
print(c.imag)  # 输出 3.0

在这个例子中，我们定义了三个变量 a、b 和 c，分别表示整数、浮点数和复数。我们使用 type() 函数来查看变量的类型。我们还展示了如何对数字进行算术运算，以及如何访问复数的实部和虚部。需要注意的是，浮点数的运算可能会存在精度问题，这是由于计算机内部表示浮点数的方式导致的。因此，在进行浮点数比较时，应该使用一定的容差。

字符串类型：文本的表示

字符串（str）用于表示文本。在 Python 中，字符串是不可变的序列，这意味着一旦创建，就不能修改字符串的内容。字符串可以使用单引号、双引号或三引号来定义。单引号和双引号定义的字符串没有任何区别，三引号定义的字符串可以跨越多行。

Python 提供了丰富的字符串操作方法，例如字符串连接、切片、查找、替换和格式化。

s = 'Hello, world!'

print(len(s))  # 输出 13
print(s[0])  # 输出 H
print(s[7:12])  # 输出 world
print(s + ' This is a test.')  # 输出 Hello, world! This is a test.
print(s.replace('world', 'Python'))  # 输出 Hello, Python!

在这个例子中，我们定义了一个字符串 s。我们使用 len() 函数来获取字符串的长度。我们使用切片操作来访问字符串的子串。我们使用 + 运算符来连接字符串。我们使用 replace() 方法来替换字符串中的子串。这些例子展示了字符串的一些基本操作。

列表类型：有序的集合

列表（list）是一种有序的集合，可以包含任意类型的元素。列表是可变的，这意味着可以修改列表的内容。列表使用方括号 [] 来定义，元素之间用逗号 , 分隔。

Python 提供了丰富的列表操作方法，例如添加元素、删除元素、插入元素、排序和反转。

l = [1, 2, 'a', 'b', 3.14]

print(len(l))  # 输出 5
print(l[0])  # 输出 1
l.append('c')  # 在列表末尾添加元素
print(l)  # 输出 [1, 2, 'a', 'b', 3.14, 'c']
l.insert(2, 'x')  # 在索引 2 处插入元素
print(l)  # 输出 [1, 2, 'x', 'a', 'b', 3.14, 'c']
l.remove('a')  # 删除元素 'a'
print(l)  # 输出 [1, 2, 'x', 'b', 3.14, 'c']
del l[0]  # 删除索引 0 处的元素
print(l)  # 输出 [2, 'x', 'b', 3.14, 'c']
l.sort() # TypeError: '<' not supported between instances of 'str' and 'int'

在这个例子中，我们定义了一个列表 l。我们使用 len() 函数来获取列表的长度。我们使用索引来访问列表的元素。我们使用 append() 方法在列表末尾添加元素。我们使用 insert() 方法在列表中插入元素。我们使用 remove() 方法删除列表中的元素。我们使用 del 语句删除列表中的元素。这些例子展示了列表的一些基本操作。

元组类型：不可变的序列

元组（tuple）是一种不可变的序列，类似于列表。元组使用圆括号 () 来定义，元素之间用逗号 , 分隔。由于元组是不可变的，因此不能修改元组的内容。元组通常用于存储不应该被修改的数据，例如坐标、日期和时间。

t = (1, 2, 'a', 'b', 3.14)

print(len(t))  # 输出 5
print(t[0])  # 输出 1
# t.append('c')  # 报错：AttributeError: 'tuple' object has no attribute 'append'

在这个例子中，我们定义了一个元组 t。我们使用 len() 函数来获取元组的长度。我们使用索引来访问元组的元素。由于元组是不可变的，因此不能使用 append() 方法来添加元素。尝试添加元素会抛出 AttributeError 异常。

字典类型：键值对的集合

字典（dict）是一种键值对的集合。字典使用花括号 {} 来定义，键和值之间用冒号 : 分隔，键值对之间用逗号 , 分隔。字典中的键必须是唯一的，且必须是不可变类型（例如字符串、数字或元组）。字典中的值可以是任意类型。

字典提供了快速的键查找功能。可以通过键来访问字典中的值，也可以通过键来修改或删除字典中的键值对。

d = {'name': 'Alice', 'age': 30, 'city': 'New York'}

print(len(d))  # 输出 3
print(d['name'])  # 输出 Alice
d['age'] = 31  # 修改键 'age' 的值
print(d)  # 输出 {'name': 'Alice', 'age': 31, 'city': 'New York'}
d['gender'] = 'female'  # 添加键值对
print(d) # 输出 {'name': 'Alice', 'age': 31, 'city': 'New York', 'gender': 'female'}
del d['city']  # 删除键 'city' 对应的键值对
print(d)  # 输出 {'name': 'Alice', 'age': 31, 'gender': 'female'}

在这个例子中，我们定义了一个字典 d。我们使用 len() 函数来获取字典中键值对的数量。我们使用键来访问字典中的值。我们使用键来修改字典中的值。我们使用 del 语句删除字典中的键值对。这些例子展示了字典的一些基本操作。

集合类型：无序的唯一元素集合

集合（set）是一种无序的唯一元素集合。集合使用花括号 {} 或 set() 函数来定义。集合中的元素必须是不可变类型（例如字符串、数字或元组）。集合的主要用途是去除重复元素和进行集合运算，例如并集、交集和差集。

s = {1, 2, 3, 2, 1}
print(s)  # 输出 {1, 2, 3}，重复元素被自动去除

s1 = {1, 2, 3}
s2 = {3, 4, 5}
print(s1 | s2)  # 输出 {1, 2, 3, 4, 5}，并集
print(s1 & s2)  # 输出 {3}，交集
print(s1 - s2)  # 输出 {1, 2}，差集

在这个例子中，我们定义了一个集合 s。我们看到，重复元素被自动去除。我们还展示了集合的并集、交集和差集运算。集合是一种非常有用的数据类型，特别是在需要处理唯一元素或进行集合运算时。

总结

本文回顾了 Python 编程的一些基础知识，包括输入输出和数据类型。input() 函数和 print() 函数是 Python 中最常用的输入输出工具。Python 提供了多种内置数据类型，包括数字、字符串、列表、元组、字典和集合。理解这些数据类型以及它们之间的转换方式，对于编写高效且可靠的 Python 代码至关重要。掌握这些基础知识，可以为后续的数据科学学习打下坚实的基础。希望这篇文章能够帮助你更好地理解 Python 编程，并在数据科学的道路上走得更远！

在接下来的文章中，我们将继续深入探讨 Python 的其他核心概念，例如控制流、函数、模块以及面向对象编程。敬请期待！