PYTHON程序設(shè)計(jì) 課件 【ch10】常用的第三方庫(kù)

常用的第三方庫(kù)“計(jì)算機(jī)類精品系列教材Python程序設(shè)計(jì)第十章01第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入一、第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入第三方庫(kù)常用的安裝方法為使用pip安裝模塊。自Python3.4之后，pip就作為Python標(biāo)準(zhǔn)的外部庫(kù)安裝工具而被包含在安裝庫(kù)中，因此可以直接使用，除目標(biāo)庫(kù)外，還可以將目標(biāo)庫(kù)所依存的庫(kù)一并安裝。通常從Windows的命令提示符或Acondaprompt或PyCharm的Terminal窗口的命令行中輸入安裝指令，如圖10-1所示，即可從網(wǎng)絡(luò)上下載所需文件，自動(dòng)安裝目標(biāo)庫(kù)。一、第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入若需要安裝第三方庫(kù),則輸入以下指令。pipinstall工目標(biāo)庫(kù)名稱若需要卸載庫(kù),則輸入以下指令。pipuninstall目標(biāo)庫(kù)名稱若需要更新已安裝的庫(kù),則輸入以下指令。pipinstallupgrade目標(biāo)庫(kù)名稱如果使用的是PyCharm開發(fā)環(huán)境，則可以在窗口中安裝和卸載第三方庫(kù)，具體操作如下。（1）單擊PyCharm的Terminal窗口右下角的Python解釋器，彈出如圖10-2所示的解釋器設(shè)置菜單。一、第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入（2）選擇菜單中的“InterpreterSettings…”命令，彈出如圖10-3所示的解釋器設(shè)置對(duì)話框。一、第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入（3）在解釋器設(shè)置對(duì)話框中，單擊下方的“+”按鈕，彈出如圖10-4所示的第三方庫(kù)安裝對(duì)話框。一、第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入（4）在第三方庫(kù)安裝對(duì)話框中，在上方的搜索欄里輸入需要安裝的第三方庫(kù)名稱，在左側(cè)列表中，將顯示可以安裝的第三方庫(kù)，選擇需要安裝的第三方庫(kù)后，單擊左下角的“InstallPackage”按鈕即可安裝。此外，在本對(duì)話框中可以同時(shí)安裝多個(gè)第三方庫(kù)，在安裝成功之前不要關(guān)閉對(duì)話框，否則，沒有安裝成功的第三方庫(kù)將不會(huì)繼續(xù)安裝。由于默認(rèn)安裝的第三方庫(kù)是從官網(wǎng)下載的，速度比較慢，因此，可以單擊圖10-4中的“ManageRepositories”按鈕設(shè)置國(guó)內(nèi)第三方庫(kù)鏡像源。國(guó)內(nèi)常用的Python第三方庫(kù)鏡像源有阿里鏡像源(/pypil/simple/）和清華大學(xué)鏡像源(/simple)。Python鏡像源管理對(duì)話框如圖10-5所示。一、第三分庫(kù)的安裝與導(dǎo)入設(shè)置好鏡像源后，關(guān)閉第三方庫(kù)安裝對(duì)話框，重新打開第三方庫(kù)安裝對(duì)話框后，就可以從設(shè)置的國(guó)內(nèi)鏡像源上下載Python第三方庫(kù)。Python第三方庫(kù)安裝完成后,可以像標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)一樣使用import語(yǔ)句或from…import語(yǔ)句將第三方庫(kù)引入程序。為了方便調(diào)用和簡(jiǎn)化代碼，可以使用“as”給第三方庫(kù)起一個(gè)簡(jiǎn)易的別名。importrequestsimportnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotasplt02網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)requests庫(kù)二、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)requests庫(kù)01HTTP概念在介紹requests庫(kù)前，先介紹一下HTTP基本概念。HTTP(HyperTextTransferProtocol)又稱超文本傳輸協(xié)議，是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用較為廣泛的一種請(qǐng)求-響應(yīng)協(xié)議，它指定了客戶端可能發(fā)送給服務(wù)器什么樣的消息，以及得到什么樣的響應(yīng)。HTTP協(xié)議采用URL作為定位網(wǎng)絡(luò)資源的標(biāo)識(shí)符，URL是通過(guò)HTTP協(xié)議存取資源的Internet路徑，一個(gè)URL對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)資源，其基本格式如下。http://host[:port][path]其中:host為合法的Internet主機(jī)域名或P地址;port為端口號(hào)，默認(rèn)為80號(hào)端口;path為請(qǐng)求資源的路徑。例如:/weather40d/101090201.shtml上述代碼中，主機(jī)為，端口號(hào)沒有設(shè)置，則其為默認(rèn)值80，請(qǐng)求資源地址為weather40d/101090201.shtml。二、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)requests庫(kù)02requests庫(kù)的常用函數(shù)requests庫(kù)是用Python編寫的處理HTTP的第三方庫(kù)，其最大優(yōu)點(diǎn)是程序編寫過(guò)程接近正常URL的訪問(wèn)過(guò)程。requests庫(kù)的常用函數(shù)如表10-1所示。二、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)requests庫(kù)03發(fā)送HTTP請(qǐng)求使用requests庫(kù)可以向服務(wù)器發(fā)送GET和POST兩類HTTP請(qǐng)求來(lái)獲取相應(yīng)資源，請(qǐng)求資源后會(huì)返回一個(gè)Response對(duì)象，其存儲(chǔ)了服務(wù)器響應(yīng)的內(nèi)容，Response對(duì)象的屬性如表10-2所示。利用requests庫(kù)可以向服務(wù)器發(fā)送GET請(qǐng)求,其語(yǔ)法格式如下。response對(duì)象=requests.get(url[,data])其中：url為請(qǐng)求資源的地址;data為請(qǐng)求參數(shù)，如果沒有請(qǐng)求參數(shù)，則該參數(shù)可以省略。二、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)requests庫(kù)03發(fā)送HTTP請(qǐng)求requests庫(kù)在請(qǐng)求資源時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)連接異常,這些異常被封裝在requests庫(kù)的exceptions模塊中，requests庫(kù)連接異常的類型和說(shuō)明如表10-3所示。03數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)01數(shù)組的屬性在numpy數(shù)組中,用維度一詞來(lái)表示訪問(wèn)數(shù)組元素所使用的索引的數(shù)量,維度又稱軸,每個(gè)維度都有標(biāo)識(shí)，通常從0開始，numpy規(guī)定最外層為0軸，從外向內(nèi)依次增加，直至包含最基本元素的層。每個(gè)維度包含的元素的個(gè)數(shù)稱為長(zhǎng)度，由長(zhǎng)度組成的元組稱為數(shù)組的形狀(shape)，因此，形狀中元素的個(gè)數(shù)即為數(shù)組的維度數(shù)，又稱數(shù)組的階。numpy數(shù)組還有一個(gè)屬性dtype，用來(lái)描述數(shù)組中每個(gè)元素的數(shù)據(jù)類型、字節(jié)順序、在內(nèi)存中所占字節(jié)數(shù)等基本信息。numpy數(shù)組的屬性函數(shù)如表10-4所示。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)02數(shù)組的創(chuàng)建使用numpy庫(kù)之前，須提前將其導(dǎo)入。通常使用import語(yǔ)句的as語(yǔ)法，將numpy庫(kù)用np來(lái)導(dǎo)入，本節(jié)的所有程序均默認(rèn)已安裝并導(dǎo)入numpy庫(kù)。導(dǎo)入numpy庫(kù)的代碼如下。importnumpyasnpnumpy庫(kù)提供了多種生成數(shù)組的方法，可以直接用列表、元組來(lái)生成數(shù)組，也可以用內(nèi)建的函數(shù)快速生成線性數(shù)組、全0或全1數(shù)組、單位矩陣等，還可以生成各類隨機(jī)數(shù)組。（1）使用array()函數(shù)生成數(shù)組將列表、元組作為參數(shù)傳遞給array)函數(shù)生成numpy一維數(shù)組。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)02數(shù)組的創(chuàng)建（2）使用arange()函數(shù)生成數(shù)組arange()函數(shù)的語(yǔ)法格式如下。array=np.arange(start,stop,step-1)arange()函數(shù)的功能是生成大于或等于start且小于stop的步長(zhǎng)值為step的等差數(shù)組，步長(zhǎng)值參數(shù)可以為整數(shù)，也可以為小數(shù)，默認(rèn)為1。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)02數(shù)組的創(chuàng)建（3）使用linspace()函數(shù)生成數(shù)組linspace()函數(shù)的語(yǔ)法格式如下。array=linspace(start,stop,num[,endpoint=True])linspace()函數(shù)的功能是生成大于或等于start且小于或等于stop的包含num個(gè)元素的等差數(shù)組。等差數(shù)組的步長(zhǎng)值由上述3個(gè)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算得到，默認(rèn)包含終值stop，如果不包含終值stop，則設(shè)置endpoint=False即可。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)02數(shù)組的創(chuàng)建（4）使用ones()、zeros()和eye()函數(shù)生成數(shù)組ones()函數(shù)可以生成全1數(shù)組，zeros()函數(shù)可以生成全0數(shù)組，eye()函數(shù)可以生成單位矩陣。例如，生成含有n個(gè)元素的一維全1或全0數(shù)組。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)02數(shù)組的創(chuàng)建（5）使用隨機(jī)函數(shù)生成數(shù)組。使用random.rand(m,n)可以生成在區(qū)間[0,1]內(nèi)均勻分布的mn的小數(shù)數(shù)組。使用random.randint(start,stop,num)可以生成區(qū)間start和stop內(nèi)的num個(gè)隨機(jī)整數(shù)。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)03數(shù)據(jù)類型numpy支持的數(shù)據(jù)類型比Python內(nèi)置的數(shù)據(jù)類型要多很多，基本上可以和C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)上，其中部分類型與Python內(nèi)置的類型相對(duì)應(yīng)。常用的numpy基本類型如表10-5所示。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)03數(shù)據(jù)類型在numpy中，數(shù)據(jù)類型對(duì)象(dtype）用來(lái)描述與數(shù)組對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域是如何使用的，它描述了數(shù)據(jù)的以下幾個(gè)方面:●數(shù)據(jù)的類型(整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)或Python對(duì)象)?！駭?shù)據(jù)的大?。ㄈ缯麛?shù)使用多少個(gè)字節(jié)存儲(chǔ))?！駭?shù)據(jù)的字節(jié)順序（小端法或大端法)?！裨诮Y(jié)構(gòu)化類型的情況下，字段的名稱、每個(gè)字段的數(shù)據(jù)類型和每個(gè)字段所取的內(nèi)存塊的部分?！袢绻麛?shù)據(jù)類型是子數(shù)組，那么它的形狀和數(shù)據(jù)類型是什么。字節(jié)順序?qū)?shù)據(jù)類型預(yù)先設(shè)定，“<”表示小端法（最小值存儲(chǔ)在最小的地址，即低位組放在最前面)，“>”表示大端法（最重要的字節(jié)存儲(chǔ)在最小的地址，即高位組放在最前面)。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)03數(shù)據(jù)類型在numpy中，dtype對(duì)象構(gòu)造的語(yǔ)法格式如下。numpy.dtype(object,align,copy)其中：object為要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)類型對(duì)象；align如果為True，則填充字段使其類似C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體；copy復(fù)制dtype對(duì)象，如果為False，則是對(duì)內(nèi)置數(shù)據(jù)類型對(duì)象的引用。例如：三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)04數(shù)組的運(yùn)算（1）數(shù)組和數(shù)據(jù)的運(yùn)算。在numpy中，數(shù)組和數(shù)據(jù)的運(yùn)算原則：?jiǎn)蝹€(gè)數(shù)據(jù)和數(shù)組的每個(gè)元素進(jìn)行運(yùn)算。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)04數(shù)組的運(yùn)算（2）相同形狀數(shù)組的運(yùn)算。在數(shù)組與數(shù)組進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，須保持兩個(gè)數(shù)組之間的形狀相同。數(shù)組的加法、減法、乘法、除法均是進(jìn)行兩個(gè)數(shù)組元素對(duì)應(yīng)位的運(yùn)算。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)04數(shù)組的運(yùn)算(3）不同形狀數(shù)組的運(yùn)算。numpy規(guī)定了廣播規(guī)則，主要用于不同形狀數(shù)組之間的運(yùn)算。當(dāng)對(duì)兩個(gè)數(shù)組進(jìn)行操作時(shí)，numpy會(huì)逐元素比較它們的形狀。從尾（即最右邊）維度開始，然后向左逐漸比較。只有當(dāng)兩個(gè)維度相等或其中一個(gè)維度是1時(shí)，這兩個(gè)維度才會(huì)被認(rèn)為是兼容的。如果不滿足這些條件，則會(huì)拋出ValueError:operandscouldnotbebroadcasttogether異常，表明數(shù)組的形狀不兼容。最終結(jié)果數(shù)組的每個(gè)維度盡可能不為1，是兩個(gè)操作數(shù)各個(gè)維度中較大的值。numpy數(shù)組廣播規(guī)則:數(shù)組維度不同但是其后緣維度(即從末尾開始算起的維度）的軸長(zhǎng)度相等，或數(shù)組維數(shù)相同，其中有個(gè)軸的長(zhǎng)度為1，則可以進(jìn)行四則運(yùn)算。具體數(shù)組運(yùn)算廣播規(guī)則如圖10-6、圖10-7和圖10-8所示。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)04數(shù)組的運(yùn)算三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)05數(shù)組元素的訪問(wèn)（1）數(shù)組的索引像列表和元組一樣,可以通過(guò)索引來(lái)訪問(wèn)numpy數(shù)組元素。numpy在讀取一維數(shù)組時(shí)，和列表相同。二維數(shù)組分為行和列兩個(gè)維度，因此訪問(wèn)二維數(shù)組時(shí)，可以用[row][col]來(lái)表示，也可以用[row,col]來(lái)表示，兩者均表示訪問(wèn)數(shù)組行號(hào)為row、列號(hào)為col的元素。例如：運(yùn)行上述代碼的輸出結(jié)果如下。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)05數(shù)組元素的訪問(wèn)（2）數(shù)組的切片numpy數(shù)組的切片語(yǔ)法和列表的切片語(yǔ)法相同。但需要注意的是，列表的切片操作是復(fù)制元素，切片和原列表在內(nèi)存中是相互獨(dú)立的，而numpy數(shù)組的切片操作是產(chǎn)生一個(gè)視圖，視圖和原數(shù)組指向同一個(gè)內(nèi)存空間，兩者相互影響，若想對(duì)ndarray數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制操作，則可以使用.copy()函數(shù)。三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)06數(shù)組操作函數(shù)1.修改數(shù)組形狀（1）reshape(函數(shù)。numpy.reshape()函數(shù)可以在不改變數(shù)據(jù)的條件下修改數(shù)組形狀，其語(yǔ)法格式如下。numpy.reshape(arr,newshape,order='C')其中：arr為要修改形狀的數(shù)組;newshape為整數(shù)或整數(shù)數(shù)組，新的形狀應(yīng)當(dāng)兼容原有形狀；order為順序，'C'表示按行，'F'表示按列，'A'表示原順序，'k'表示元素在內(nèi)存中的順序。例如：三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)（2）flat迭代器。numpy提供了flat迭代器來(lái)遍歷數(shù)組元素。例如：06數(shù)組操作函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)（3）flatten()函數(shù)。flatten()函數(shù)將多維數(shù)組轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組，返回的是原數(shù)組的復(fù)制數(shù)組，對(duì)復(fù)制數(shù)組所做的修改不會(huì)影響原數(shù)組,其語(yǔ)法格式如下。array=ndarray.flatten(order='C')其中，order為轉(zhuǎn)換順序，'C'表示按行，F(xiàn)'表示按列，'A'表示原順序，K'表示元素在內(nèi)存中的順序。例如：06數(shù)組操作函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)（4）ravel()函數(shù)。numpy.ravel()函數(shù)的功能是將多維數(shù)組展平，順序通常是“C風(fēng)格”，返回的是數(shù)組視圖，修改會(huì)影響原始數(shù)組,其語(yǔ)法格式如下。numpy.ravel(a,order-'c')其中，order為展開順序，'℃'表示按行，F(xiàn)表示按列，'A'表示原順序，K'表示元素在內(nèi)存中的順序。例如:06數(shù)組操作函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)2.數(shù)組轉(zhuǎn)置numpy提供了數(shù)組轉(zhuǎn)置的函數(shù)，數(shù)組轉(zhuǎn)置的方法有兩種，一種是用transpose()函數(shù),另一種是直接用ndarray.T方式將MXN數(shù)組轉(zhuǎn)置為N×M數(shù)組。例如：06數(shù)組操作函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)3.數(shù)組連接numpy提供了hstack()函數(shù)和vstack()函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)組的水平和垂直堆疊運(yùn)算，其語(yǔ)法格式如下。array=numpy.hstack((a1,a2,a3...))array=numpy.vstack((a1,a2,a3...))其中，a1、a2、a3為多個(gè)數(shù)組。例如：06數(shù)組操作函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)06數(shù)組操作函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)1.極值函數(shù)numpy提供了amin()函數(shù)和amax()函數(shù)分別求數(shù)組中的元素沿指定軸的最小值和最大值,其語(yǔ)法格式如下。numpy.amin(a[,axis])numpy.amax(a[,axis])其中：a為數(shù)組;axis為指定的軸，如果未指定軸，則求整個(gè)數(shù)組的最小值或最大值。例如：07常用的統(tǒng)計(jì)函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)07常用的統(tǒng)計(jì)函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)2.中位數(shù)函數(shù)median()用于計(jì)算一個(gè)數(shù)組中元素的中位數(shù)（中值)，其語(yǔ)法格式如下。numpy.median(a[,axis])其中：a為數(shù)組；axis為指定的軸，如果未指定軸，則計(jì)算整個(gè)數(shù)組的中位數(shù)。例如:07常用的統(tǒng)計(jì)函數(shù)三、數(shù)學(xué)運(yùn)算numpy庫(kù)3.計(jì)算算術(shù)平均值函數(shù)mean()函數(shù)用于返回?cái)?shù)組中元素的算術(shù)平均值，如果提供了軸，則沿其計(jì)算。其語(yǔ)法格式和amin()、amax()和median()函數(shù)相同。例如:07常用的統(tǒng)計(jì)函數(shù)04繪圖Matplotlib庫(kù)四、繪圖Matplotlib庫(kù)matplotlib庫(kù)支持兩種繪圖風(fēng)格：一種是類Matlab風(fēng)格，通過(guò)命令“plt.方法()”繪圖，另一種是面向?qū)ο罄L圖風(fēng)格，本書采用類Matlab風(fēng)格。在繪制圖像時(shí)，需要提供曲線上若干個(gè)點(diǎn)的x、y坐標(biāo)，這些坐標(biāo)可以用numpy數(shù)組表達(dá)。在使用“plt.方法()”繪圖時(shí)，不同的繪圖方法指定不同的參數(shù)，用于設(shè)定線條顏色、線條形狀、圖例文字等格式信息?；镜睦L圖代碼如下。01繪圖風(fēng)格及顯示窗口四、繪圖Matplotlib庫(kù)繪圖結(jié)果是以獨(dú)立圖形窗口的形式顯示的。獨(dú)立圖形窗口可以放大、縮小，并且支持將圖形保存為多種圖片格式。根據(jù)以上代碼得到的圖形如圖10-9所示。在圖10-9中，圖形窗口底部有7個(gè)按鈕，其作用從左到右依次為：①重置視圖，顯示最初的視圖；②上一個(gè)視圖；下一個(gè)視圖；④移動(dòng)工具，用于拖動(dòng)繪圖的顯示區(qū)域；⑤縮放工具，可以拖曳出一個(gè)矩形窗口以放大選定的圖形區(qū)域；⑥設(shè)置圖形參數(shù)；⑦保存圖片。01繪圖風(fēng)格及顯示窗口四、繪圖Matplotlib庫(kù)02中文顯示設(shè)置matplotlib庫(kù)的默認(rèn)配置文件無(wú)法正確顯示中文，如果設(shè)置了中文標(biāo)題名，則無(wú)法正常顯示中文。如果需要在所繪圖形中正確顯示中文，則應(yīng)在繪圖開始處添加下列語(yǔ)句。plt.rcParams['font.sans-serif']=[u'SimHei']plt.rcParams['axes.unieode_minus']=Fa