如何使用Python進行數(shù)學(xué)建模

Python 是一種易于學(xué)習(xí)又功能強大的編程語言。它提供了高效的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還能簡單有效地面向?qū)ο缶幊?。Python 優(yōu)雅的語法和動態(tài)類型，以及解釋型語言的本質(zhì)，使它成為多數(shù)平臺上寫腳本和快速開發(fā)應(yīng)用的理想語言。

Python 解釋器及豐富的標準庫，提供了適用于各個主要系統(tǒng)平臺的源碼或機器碼，這些可以到 Python 官網(wǎng)：

https://www.python.org/

Python 解釋器易于擴展，可以使用 C 或 C++（或者其他可以從 C 調(diào)用的語言）擴展新的功能和數(shù)據(jù)類型。Python 也可用作可定制化軟件中的擴展程序語言。

簡單來說，易用，需要深入理解和記憶的東西不需要很多，其次庫多，可以讓編寫者集中精神研究邏輯。其次就是免費了，使用起來沒有什么成本。最后就是它真的很火，側(cè)面的好處就是別人遇到的問題早就被解決，生態(tài)良好。

我們經(jīng)常說，Python一行勝千語：

是因為Python 是一種解釋型語言，在程序開發(fā)階段可以為你節(jié)省大量時間，因為不需要編譯和鏈接。解釋器可以交互式使用，這樣就可以方便地嘗試語言特性，寫一些一次性的程序，或者在自底向上的程序開發(fā)中測試功能。它也是一個順手的桌面計算器。

Python 程序的書寫是緊湊而易讀的。Python 代碼通常比同樣功能的 C，C++，Java 代碼要短很多，有如下幾個原因：

1.高級數(shù)據(jù)類型允許在一個表達式中表示復(fù)雜的操作；

2.代碼塊的劃分是按照縮進而不是成對的花括號；

3.不需要預(yù)先定義變量或參數(shù)。

也就是說，樣板代碼變少了，一些獨特的語法糖也讓編寫的效率更高。

Python可以以很多的形式被運行，一種是命令行終端，一種是腳本的樣子。

 python -c command [arg] ...

其中 command 要換成想執(zhí)行的指令，就像命令行的?-c 選項。由于 Python 代碼中經(jīng)常會包含對終端來說比較特殊的字符，通常情況下都建議用英文單引號把 command 括起來。

有些 Python 模塊也可以作為腳本使用?？梢赃@樣輸入：

python -m module [arg] ...

這會執(zhí)行 module 的源文件，就跟你在命令行把路徑寫全了一樣。

在運行腳本的時候，有時可能也會需要在運行后進入交互模式。這種時候在文件參數(shù)前，加上選項?-i 就可以了。

如果可能的話，解釋器會讀取命令行參數(shù)，轉(zhuǎn)化為字符串列表存入 sys 模塊中的 argv 變量中。執(zhí)行命令：

 import sys

你可以導(dǎo)入這個模塊并訪問這個列表。這個列表最少也會有一個元素；如果沒有給定輸入?yún)?shù)，sys.argv[0] 就是個空字符串。如果給定的腳本名是 '-' (表示標準輸入)，sys.argv[0] 就是 '-'。使用 -c command 時，sys.argv[0] 就會是 '-c'。如果使用選項 -m module，sys.argv[0] 就是包含目錄的模塊全名。在 -c command 或 -m module 之后的選項不會被解釋器處理，而會直接留在 sys.argv 中給命令或模塊來處理。

有些東西不得不說，因為它時時刻刻存在，所以請原諒我的啰嗦。

最后講一下編碼信息，你看到的程序其實和你看到的小說沒有什么區(qū)別，都是一堆0101010，但是為啥0101010就變成了你看到的字符，其實是因為編碼的緣故。

在編輯器的右下角，大概率都會看到這個

默認情況下，Python 源碼文件以 UTF-8 編碼方式處理。在這種編碼方式中，世界上大多數(shù)語言的字符都可以同時用于字符串字面值、變量或函數(shù)名稱以及注釋中——盡管標準庫中只用常規(guī)的 ASCII 字符作為變量或函數(shù)名，而且任何可移植的代碼都應(yīng)該遵守此約定。要正確顯示這些字符，你的編輯器必須能識別 UTF-8 編碼，而且必須使用能支持打開的文件中所有字符的字體。

如果不使用默認編碼，要聲明文件所使用的編碼，文件的第一行要寫成特殊的注釋。語法如下所示：

# -*- coding: encoding -*-

其中 encoding 可以是 Python 支持的任意一種 codecs。

比如，要聲明使用 Windows-1252 編碼，你的源碼文件要寫成：

# -*- coding: cp1252 -*-

關(guān)于第一行規(guī)則的一種例外情況是，源碼以 UNIX "shebang" 行開頭。這種情況下，編碼聲明就要寫在文件的第二行。例如：

#!/usr/bin/env python3# -*- coding: cp1252 -*-

這可能會回答，為什么代碼一開始會有一行奇怪的東西。

本來是想直接給大家寫一些教程的，但是官網(wǎng)寫的真的太好啦！

https://docs.python.org/zh-cn/3.8/tutorial/introduction.html

大家直接去看。

字符串是可以被索引（下標訪問）的，第一個字符索引是 0。單個字符并沒有特殊的類型，只是一個長度為一的字符串:

>>>>>> word = 'Python'>>> word[0] # character in position 0'P'>>> word[5] # character in position 5'n'

索引也可以用負數(shù)，這種會從右邊開始數(shù):

>>>>>> word[-1] # last character'n'>>> word[-2] # second-last character'o'>>> word[-6]'P'

注意 -0 和 0 是一樣的，所以負數(shù)索引從 -1 開始。

除了索引，字符串還支持切片。索引可以得到單個字符，而切片可以獲取子字符串:

>>>>>> word[0:2] # characters from position 0 (included) to 2 (excluded)'Py'>>> word[2:5] # characters from position 2 (included) to 5 (excluded)'tho'

注意切片的開始總是被包括在結(jié)果中，而結(jié)束不被包括。這使得 s[:i] + s[i:] 總是等于 s

>>>>>> word[:2] + word[2:]'Python'>>> word[:4] + word[4:]'Python'

切片的索引有默認值；省略開始索引時默認為0，省略結(jié)束索引時默認為到字符串的結(jié)束:

>>>>>> word[:2] # character from the beginning to position 2 (excluded)'Py'>>> word[4:] # characters from position 4 (included) to the end'on'>>> word[-2:] # characters from the second-last (included) to the end'on'

您也可以這么理解切片：將索引視作指向字符之間，第一個字符的左側(cè)標為0，最后一個字符的右側(cè)標為 n ，其中 n 是字符串長度。例如:

第一行數(shù)標注了字符串 0...6 的索引的位置，第二行標注了對應(yīng)的負的索引。那么從 i 到 j 的切片就包括了標有 i 和 j 的位置之間的所有字符。

對于使用非負索引的切片，如果索引不越界，那么得到的切片長度就是起止索引之差。例如， word[1:3] 的長度為2。

試圖使用過大的索引會產(chǎn)生一個錯誤:

>>>>>> word[42] # the word only has 6 charactersTraceback (most recent call last): File "", line 1, inIndexError: string index out of range

但是，切片中的越界索引會被自動處理:

>>>>>> word[4:42]'on'>>> word[42:]''

Python 中的字符串不能被修改，它們是 immutable 的。因此，向字符串的某個索引位置賦值會產(chǎn)生一個錯誤:

>>>>>> word[0] = 'J'Traceback (most recent call last): File "", line 1, inTypeError: 'str' object does not support item assignment>>> word[2:] = 'py'Traceback (most recent call last): File "", line 1, inTypeError: 'str' object does not support item assignment

如果需要一個不同的字符串，應(yīng)當新建一個:

>>>>>> 'J' + word[1:]'Jython'>>> word[:2] + 'py''Pypy'

記不住？string就是個不可變的列表，完事兒了。

老師！等下！

什么是列表啊？

Python 中可以通過組合一些值得到多種復(fù)合數(shù)據(jù)類型。其中最常用的列表，可以通過方括號括起、逗號分隔的一組值（元素）得到。一個列表可以包含不同類型的元素，但通常使用時各個元素類型相同:

粗糙點的話，這就介紹完了

但是為了完整性，這里要補一些,Python 編程語言中有四種集合數(shù)據(jù)類型：

列表（List）是一種有序和可更改的集合。允許重復(fù)的成員。

元組（Tuple）是一種有序且不可更改的集合。允許重復(fù)的成員。

集合（Set）是一個無序和無索引的集合。沒有重復(fù)的成員。

詞典（Dictionary）是一個無序，可變和有索引的集合。沒有重復(fù)的成員。

選擇集合類型時，了解該類型的屬性很有用。為特定數(shù)據(jù)集選擇正確的類型可能意味著保留含義，并且可能意味著提高效率或安全性。

上面的都可以叫數(shù)據(jù)容器，也就是放東西的罐子。我們要對它動手動腳的，也就是要操作它。無外乎2種操作：取一些（看看里面有啥），改一些（比如調(diào)整順序，刪除）。

再總結(jié)一下，就是你做完操作，有沒有對這個原來的東西有副作用的。這樣的抽象模型是理解對數(shù)據(jù)操作的必由之路。

按說看懂了吧？

我假定你有其它語言的經(jīng)驗，這里就直接開始了

我們來想想，上面的代碼做了什么？初始化要使用的變量，開始操作變量，在一個合適的時機輸出結(jié)果。

第一行含有一個多重賦值: 變量 a 和 b 同時得到了新值 0 和 1. 最后一行又用了一次多重賦值, 這展示出了右手邊的表達式，在任何賦值發(fā)生之前就被求值了。右手邊的表達式是從左到右被求值的。

while 循環(huán)只要它的條件（這里指：a < 10）保持為真就會一直執(zhí)行。Python 和 C 一樣，任何非零整數(shù)都為真；零為假。這個條件也可以是字符串或是列表的值，事實上任何序列都可以；長度非零就為真，空序列就為假。在這個例子里，判斷條件是一個簡單的比較。

標準的比較操作符的寫法和 C 語言里是一樣：< （小于）、 > （大于）、 == （等于）、 <= （小于或等于)、 >= （大于或等于）以及 != （不等于）。

循環(huán)體是縮進的：縮進是 Python 組織語句的方式。在交互式命令行里，你得給每個縮進的行敲下 Tab 鍵或者（多個）空格鍵。實際上用文本編輯器的話，你要準備更復(fù)雜的輸入方式；所有像樣的文本編輯器都有自動縮進的設(shè)置。交互式命令行里，當一個組合的語句輸入時, 需要在最后敲一個空白行表示完成（因為語法分析器猜不出來你什么時候打的是最后一行）。注意，在同一塊語句中的每一行，都要縮進相同的長度。

print() 函數(shù)將所有傳進來的參數(shù)值打印出來. 它和直接輸入你要顯示的表達式(比如我們之前在計算器的例子里做的)不一樣， print() 能處理多個參數(shù)，包括浮點數(shù)，字符串。字符串會打印不帶引號的內(nèi)容, 并且在參數(shù)項之間會插入一個空格, 這樣你就可以很好的把東西格式化。

縮進這個事情，其實Python的創(chuàng)始人說，沒有那么夸張，只是必要的縮進會對閱讀代碼有益，現(xiàn)在看到是比較糟糕的設(shè)計，最好還是使用括號來匹配。

end參數(shù)可以取消輸出

再看看分支結(jié)構(gòu)，分支結(jié)構(gòu)是賦予計算機判斷能力的本源動力

可以有零個或多個 elif 部分，以及一個可選的 else 部分。關(guān)鍵字 'elif' 是 'else if' 的縮寫，適合用于避免過多的縮進。一個 if ... elif ... elif ... 序列可以看作是其他語言中的 switch 或 case 語句的替代。再最新的3.10版本已經(jīng)有了switch語句，但是太新的特性了，不建議使用。

Python 中的 for 語句與你在 C 或 Pascal 中所用到的有所不同。Python 中的 for 語句并不總是對算術(shù)遞增的數(shù)值進行迭代（如同 Pascal），或是給予用戶定義迭代步驟和暫停條件的能力（如同 C），而是對任意序列進行迭代（例如列表或字符串），條目的迭代順序與它們在序列中出現(xiàn)的順序一致。?

words = ['cat', 'window', 'defenestrate']for w in words:    print(w, len(w))

在遍歷同一個集合時修改該集合的代碼可能很難獲得正確的結(jié)果。通常，更直接的做法是循環(huán)遍歷該集合的副本或創(chuàng)建新集合：

for user, status in users.copy().items():    if status == 'inactive':        del users[user]
# Strategy:  Create a new collectionactive_users = {}for user, status in users.items():    if status == 'active':        active_users[user] = status

for 語句用于對序列（例如字符串、元組或列表）或其他可迭代對象中的元素進行迭代:

for_stmt ::=  "for" target_list "in" expression_list ":" suite              ["else" ":" suite]

表達式列表會被求值一次；它應(yīng)該產(chǎn)生一個可迭代對象。系統(tǒng)將為 expression_list 的結(jié)果創(chuàng)建一個迭代器，然后將為迭代器所提供的每一項執(zhí)行一次子句體，具體次序與迭代器的返回順序一致。每一項會按標準賦值規(guī)則 (參見賦值語句) 被依次賦值給目標列表，然后子句體將被執(zhí)行。當所有項被耗盡時 (這會在序列為空或迭代器引發(fā) StopIteration 異常時立刻發(fā)生)，else 子句的子句體如果存在將會被執(zhí)行，并終止循環(huán)。

第一個子句體中的 break 語句在執(zhí)行時將終止循環(huán)且不執(zhí)行 else 子句體。第一個子句體中的 continue 語句在執(zhí)行時將跳過子句體中的剩余部分并轉(zhuǎn)往下一項繼續(xù)執(zhí)行，或者在沒有下一項時轉(zhuǎn)往 else 子句執(zhí)行。

for 循環(huán)會對目標列表中的變量進行賦值。這將覆蓋之前對這些變量的所有賦值，包括在 for 循環(huán)體中的賦值:

for i in range(10):    print(i)    i = 5

目標列表中的名稱在循環(huán)結(jié)束時不會被刪除，但如果序列為空，則它們根本不會被循環(huán)所賦值。提示：內(nèi)置函數(shù) range() 會返回一個可迭代的整數(shù)序列，適用于模擬 Pascal 中的：

 for i := a to b do

這種效果；例如 list(range(3)) 會返回列表 [0, 1, 2]。

當序列在循環(huán)中被修改時會有一個微妙的問題（這只可能發(fā)生于可變序列例如列表中）。會有一個內(nèi)部計數(shù)器被用來跟蹤下一個要使用的項，每次迭代都會使計數(shù)器遞增。當計數(shù)器值達到序列長度時循環(huán)就會終止。這意味著如果語句體從序列中刪除了當前（或之前）的一項，下一項就會被跳過（因為其標號將變成已被處理的當前項的標號）。類似地，如果語句體在序列當前項的前面插入一個新項，當前項會在循環(huán)的下一輪中再次被處理。這會導(dǎo)致麻煩的程序錯誤，避免此問題的辦法是對整個序列使用切片來創(chuàng)建一個臨時副本：

for x in a[:]:    if x < 0:         a.remove(x)

一般重復(fù)語句主要有兩種類型的循環(huán)：

1）重復(fù)一定次數(shù)的循環(huán)，這個稱謂計數(shù)循環(huán)。

比如打印1到99之間所有的整數(shù)，就是重復(fù)99次執(zhí)行print( )指令。

2）重復(fù)直至發(fā)生某種情況時結(jié)束的循環(huán)，成為條件循環(huán)。也就是說只有條件為True，循環(huán)才會一直持續(xù)下去。

比如猜數(shù)字，如果沒猜中就繼續(xù)猜，如果猜中了就退出。

循環(huán)的知識太多了，其實就是簡簡單單的重復(fù)，但是最難的就是什么時候停下來再做別的事情。

在C語言里面的循環(huán)大多數(shù)是小于一個什么數(shù)字，也就是變相的輸出了一些算數(shù)級數(shù)，在Python里面有著更加優(yōu)雅的寫法。

for i in range(5):    print(i)

給定的終止數(shù)值并不在要生成的序列里；range(10) 會生成10個值，并且是以合法的索引生成一個長度為10的序列。range也可以以另一個數(shù)字開頭，或者以指定的幅度增加（甚至是負數(shù)；有時這也被叫做 '步進'）

但是更加的常見一種用法是：

a = ['Mary', 'had', 'a', 'little', 'lamb']for i in range(len(a)):    print(i, a[i])

我相信你一定會看到這個寫法。

當然Python里面還有別的寫法：

函數(shù)返回一個枚舉對象。iterable 必須是一個序列，或 iterator，或其他支持迭代的對象。enumerate() 返回的迭代器的 __next__() 方法返回一個元組，里面包含一個計數(shù)值（從 start 開始，默認為 0）和通過迭代 iterable 獲得的值。