Python学习笔记：从基础到实践（1）

终于，学习笔记系列文章与你见面了。作为一个小站全新的非原创系列，我将尝试着探索目前人工智能的创造潜力上限，并在成文的过程中尽可能多地使用生成式人工智能（AIGC）技术。

本次「Python学习笔记」系列文章，全程仅使用了一段 103 字的用户提示词，其余内容均由 OpenAI 的 GPT-3.5 模型生成。

在成文过程中，我使用了独立开发者「方糖」开发的 DeepGPT 程序，这是一个使用 AgentGPT 的提示词在纯前端进行任务分拆和结果输出的程序。

最终，GPT-3.5 模型所创作的内容多达 29536 字，我使用半小时左右的时间进行了文字排版，以使内容符合一个小站的排版规范。同时，为了阅读方便，全文将分拆为若干章节发出。

当然，Python 也是我即将在大学学习的内容之一。在日后的学习中，我会根据实际需要对内容进行补充或者简单修改。

由于当前 AIGC 生成的内容的版权归属尚不明朗，本文不加「原创」标签。

Python的历史

Python是一种简单易学且功能强大的编程语言，被广泛应用于各种领域，包括软件开发、数据科学、人工智能等。对于初学者来说，掌握Python的基础知识是迈向编程世界的重要一步。本文将为你介绍Python的历史、基础知识以及语法，帮助你了解Python程序、消除编程恐惧，并逐渐开始编写自己的代码。

Python由Guido van Rossum于上世纪90年代初创造，并于1991年发布了第一个版本。它的名字来源于电视剧《Monty Python’s Flying Circus》。Python的设计哲学强调代码的可读性和简洁性，以及提供多种编程范式的支持。随着时间的推移，Python逐渐成为了一门备受欢迎的编程语言，因其易学性和强大的生态系统而受到广泛关注。

A graphical representation of the history and popularity of Python programming language. — 图/DALL·E

自1991年第一个Python版本发布以来，Python一直在快速发展。它的简单易学、易用、具有丰富的库、跨平台性和强大的数据处理能力是Python吸引广泛用户的重要原因。Python逐渐被越来越多的人使用，并成为数据科学、人工智能、Web开发、自动化测试、游戏开发等领域的首选编程语言。在2020年的开发者调查中，Python成为了最受欢迎的编程语言之一。

Python的基础知识

Python是一种解释型、高级、通用的编程语言，它由Guido van Rossum于1991年创建。相比于其他编程语言，Python的语法相对简单，容易学习，同时还有着丰富的函数库和工具。这些特点使得Python成为了非常受欢迎的编程语言之一。

Python的基础知识包括数据类型、运算符、控制流、函数等内容。首先，Python中的数据类型包括整数、浮点数、布尔值、字符串、列表、元组、字典、集合等，其中字符串是一种非常重要的数据类型，因为程序中的很多操作都需要字符串的支持。其次，Python中的运算符有算术运算符、比较运算符、逻辑运算符、赋值运算符等，通过这些运算符可以对数据进行操作和处理。此外，Python还提供了if/else、while、for等控制流语句，用于控制程序的运行流程。最后，Python中的函数是一段可重用的代码块，可以通过函数名称进行调用，并可以传递参数和返回值。

Python 的安装

在安装Python之前，需要先安装Python的虚拟环境，以防止因为不同版本的Python冲突而导致的问题。可以使用Anaconda、virtualenv等工具来创建虚拟环境。接着，可以从Python官网上下载Python的安装包，然后运行安装程序进行安装。在安装完成后，可以使用pip命令来安装库和依赖，例如pip install requests用于安装requests库。

Python的语法

Python的代码块使用缩进来表示，每个代码块都必须用相同数量的空格缩进。Python中用冒号来表示代码块的开始，如if语句、函数定义等。在Python中，变量名必须以字母或下划线开头，不能以数字开头，并且变量名区分大小写。

同时，Python有许多内置函数和方法，如len()、print()、append()、pop()等，可以帮助我们更加方便地处理数据。

除了Python自带的模块外，还有许多第三方库可以使用，如NumPy、Pandas、Scipy、TensorFlow等。通过使用这些库，可以大大提高自己的编程效率和质量。

变量

什么是变量？

在编程中，变量是用于存储数据的容器。你可以将变量想象成一个标签，用于引用存储在计算机内存中的数据。Python中的变量可以存储各种数据类型，如整数、浮点数、字符串等。

数据类型

Python支持多种数据类型，其中最常见的包括：

整数（int）：表示整数值，例如：10。
浮点数（float）：表示带有小数部分的数字，例如：3.14。
字符串（str）：表示文本信息，可以用单引号或双引号括起来，例如："Hello World"。
布尔型（bool）：表示真（True）或假（False）的值，用于逻辑判断。

变量声明与赋值

在Python中，你可以通过赋值语句来创建变量并为其赋值。例如，要创建一个名为x的整数变量并赋值为10，可以使用以下代码：

x = 10

同样，要创建一个名为message的字符串变量并赋值为"Hello World"，可以使用以下代码：

message = "Hello World"

打印输出

Python中的print()函数用于将信息输出到控制台。你可以使用print()函数来显示变量的值，例如：

print(x)
print(message)

实际示例

以下是一个完整的Python代码示例，演示了如何声明变量、赋值以及打印输出：

x = 10
message = "Hello World"
print(x)
print(message)

运行这段代码，你将在控制台看到整数变量10和字符串变量"Hello World"的值。

函数

Python中的函数是程序员最常使用的基本概念之一。一个函数是由一系列语句组成的代码块，用于执行特定任务并可被多次调用。下面介绍Python函数的一些基本概念及使用方法。

定义函数

在Python中定义一个函数，需要使用关键字“def”，如下所示：

def function_name(parameters):
    function_body

其中，function_name为函数名称，parameters为函数参数，function_body为函数体。例如，下面是一个简单的示例函数：

def say_hello():
    print("Hello World!")

调用函数

def function_name(parameter1, parameter2, ...):
    # function body
    return result

定义好函数后，可以通过函数名调用函数，在程序中执行函数体。例如：

say_hello()

这将依次执行函数体中的语句，输出”Hello World!“。

参数传递

函数可以接受零个或多个参数，参数用于在调用函数时向函数传值。例如，下面是一个接受参数的函数：

def say_hello(name):
    print("Hello ", name, "!")

在调用该函数时，需要传递一个参数值，如下所示：

say_hello("Tom")

这将输出”Hello Tom!”。

下面是一个简单的例子，展示了如何定义并使用一个函数：

def add_numbers(x, y):
    sum = x + y
    return sum

result = add_numbers(3, 4)
print(result)

在这个例子中，我们定义了一个add_numbers函数，它接受两个参数x和y，并返回它们的和。在函数的定义中，我们将这两个参数相加并将结果保存在sum变量中，然后使用return返回该变量。我们使用add_numbers函数计算3和4的和，并将结果赋值给result变量。最后我们打印result的值为7。

关于参数传递，Python支持两种传递参数的方式：位置参数和关键字参数。在上面的例子中，我们使用了位置参数。也就是说，我们将参数3和4按照顺序传递给函数，函数体内将参数自动对应到函数定义中的参数x和y。而关键字参数则可以根据参数名称传递参数，如下所示：

def add_numbers(x, y):
    sum = x + y
    return sum

result = add_numbers(y=3, x=4)
print(result)

在这个例子中，我们使用了关键字参数来传递参数。与位置参数不同，无需按照顺序传递参数，而是根据参数名称进行传递。在上述代码中，我们使用了y=3和x=4来传递参数，并且结果与上述使用位置参数传递参数的例子相同。

返回值

函数可以返回一个值，返回值用于将函数中的计算结果传递到调用函数的位置。例如，下面是一个带返回值的函数：

def add_two_numbers(a, b):
    return a + b

在调用该函数时，可以获得函数返回的计算结果，如下所示：

result = add_two_numbers(3, 5)
print(result)

这将输出”8″。

五. 作用域

在Python中，变量的作用域分为全局变量和局部变量。全局变量是在函数以外定义的变量，可以在程序的任何位置访问；局部变量是在函数内定义的变量，只能在函数内使用。例如：

# 全局变量
name = "Tom"

def say_hello():
    # 局部变量
    message = "Hello " + name
    print(message)

say_hello()

这将输出”Hello Tom”。

常用内置函数和自定义函数

在Python中，除了可以自己定义函数，还可以使用Python内置函数。Python内置函数是Python解释器内置的，可以直接调用。以下是一些常用的Python内置函数：

print()：用于在控制台输出文本。
input()：等待用户输入文本，并返回该文本。
len()：返回一个集合（如字符串、列表）的长度。
range()：用于生成一个数字序列。
max()和min()：返回集合中的最大值和最小值。

以下是使用Python内置函数的示例：

# 使用print函数输出文本
print('Hello, World!')

# 等待用户输入文本
name = input('请输入您的名字：')

# 使用len函数返回字符串的长度
string = 'Python'
print(len(string))

# 使用range函数生成数字序列
for i in range(5):
    print(i)

# 使用max函数返回列表中的最大值
numbers = [3, 4, 5, 1, 2]
print(max(numbers))

除了使用Python内置函数，我们还可以自己定义函数来完成我们需要的操作。如前所述，我们可以使用def关键字定义函数，同时可以传递参数。以下是一个自定义函数的示例：

def calculate_circle_area(radius):
    pi = 3.1415926
    area = pi * radius ** 2
    return area

radius = 10
circle_area = calculate_circle_area(radius)
print(f'半径为{radius}的圆的面积为{circle_area:.2f}。')

在这个例子中，我们定义了一个函数calculate_circle_area，它接受一个参数radius，计算圆的面积，并返回该面积。在函数的代码体中，我们首先定义了圆的周长（即3.1415926），然后通过公式pi * radius ** 2计算圆的面积，并将结果保存在变量area中。最后使用return语句返回该变量。我们使用这个函数计算半径为10的圆的面积，并将结果打印到控制台。

下面是一个自定义函数，用于计算列表中所有元素的平均值：

def calculate_average(numbers_list):
    """计算列表中所有元素的平均值"""
    total = sum(numbers_list)
    length = len(numbers_list)
    average = total / length
    return average

在调用该函数时，需要传递一个列表参数，如下所示：

ages = [23, 45, 22, 34, 50, 33]
average_age = calculate_average(ages)
print("平均年龄为：", average_age)

这将输出”平均年龄为： 35.166666666666664“。

除了上述示例中的几个函数，Python中还有很多内置函数和方法，可以根据需要查找并学习。同时，通过自己定义函数，我们可以扩展Python的功能，使它更适合我们的具体需求。

实践是学习编程的关键，建议通过编写实例代码进行练习，以巩固学习成果，并逐渐开始自己编写代码。

Python一大特点是支持模块化编程，模块是Python程序的基本组成部分之一。模块就是一个包含Python定义和声明的文件，可以包括Python函数、类和变量等。在Python中，模块可以被其他程序或模块调用，极大地提高了程序的复用性和可维护性。

Python中的模块包括标准模块、第三方模块和自定义模块。

引入模块

Python中使用import语句引入一个模块。语法如下：

import module_name

其中，module_name是要引入的模块名，可以是标准模块、第三方模块或自定义模块。

如果要使用模块中的函数、类或变量等内容，可以通过模块名加点号再加上内容名来使用。例如：

import math
 
print(math.pi)

这里引入了Python自带的math模块，并使用了其中的pi值。

Python标准模块

Python内置了大量的模块，这些模块称为Python标准模块，包括math、random、time等等，可以通过Python官方文档查看完整列表。这些模块都不需要额外安装，可以随时使用。

使用标准模块的步骤是引入并使用。例如，使用random模块生成一个1到100之间的随机数，代码如下：

import random
 
print(random.randint(1, 100))

randint是random模块中的一个函数，用于生成指定范围内的随机整数。

第三方模块

除了Python标准模块，还有许多第三方库可以使用，这些库提供了丰富的功能，可以大大提高Python程序的开发效率和质量。常用的第三方库有NumPy、Pandas、Scipy、TensorFlow等等。

安装第三方库的方式有多种，最简单的方法是使用pip命令。例如，安装jieba库可以使用以下命令：

pip install jieba

安装完成后，就可以在Python程序中引入并使用该库了。例如，使用jieba库进行中文文本分词，代码如下：

import jieba
 
text = "人生苦短，我用Python。"
words = jieba.cut(text)
 
print("/".join(words))

这里使用了jieba库进行中文分词，将一个文本字符串切分成多个单词。

自定义模块

自定义模块是指用户创建的模块，可以包含自己定义的函数、类和变量等。创建自定义模块的步骤是编写模块文件，在需要的地方引入模块并使用其中的内容。

例如，创建一个自定义模块mymodule，包含一个函数hello_world，代码如下：

# mymodule.py
def hello_world():
    print("Hello, world!")

在其他的Python程序中可以引入该模块并调用函数hello_world：

import mymodule
 
mymodule.hello_world()   # 输出"Hello, world!"

注意，创建自定义模块时，文件名和模块名要保持一致，并且在调用时不需要添加.py后缀。同时，模块名要符合Python的命名规则，即只能包含字母、数字和下划线，不能以数字开头。

总的来说，模块化编程是Python程序设计中的重要思想，它有助于提高代码的复用性和可维护性。掌握模块的使用方法，能够让我们更加高效地开发 Python 程序。