1.1 科学计算工具及流程
最后更新于：2022-04-01 11:21:24
# 1.1 科学计算工具及流程
> 作者 : Fernando Perez, Emmanuelle Gouillart, Gaël Varoquaux, Valentin Haenel
## 1.1.1 为什么是Python？
### 1.1.1.1 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
### 1.1.1.2 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
### 1.1.1.3 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
## 1.1.2 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/](http://ipython.org/) 
* **Numpy** : 提供了强大数值数组对象以及程序去操作它们。[http://www.numpy.org/](http://www.numpy.org/)
* **Scipy** : 高级的数据处理程序。优化、回归插值等[http://www.scipy.org/](http://www.scipy.org/)
* **Matplotlib** : 2D可视化，“出版级”的图表[http://matplotlib.sourceforge.net/](http://matplotlib.sourceforge.net/) 
* **Mayavi** : 3D可视化[http://code.enthought.com/projects/mayavi/](http://code.enthought.com/projects/mayavi/) 
## 1.1.3 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](http://ipython.org/)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Python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](http://ipython.org/ipython-doc/dev/index.html)
### 1.1.3.1 命令行交互
启动ipython:
In [1]:
```
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.
```
### 1.1.3.2 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](https://www.enthought.com/products/epd/)）中，你可以从开始按钮使用_Scite_。在[Python(x,y)](https://code.google.com/p/pythonxy/)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](http://sourceforge.net/projects/spe/)。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：
In [2]:
```
%run my_file.py
```
```
Hello world
```
In [3]:
```
s
```
Out[3]:
```
'Hello world'
```
In [4]:
```
%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。
### 1.1.3.3 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_和_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_run_和_whos_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
In [6]:
```
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
In [7]:
```
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：
In [5]:
```
alias
```
```
Total number of aliases: 12
```
Out[5]:
```
[('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. <tab>to view the object’s attributes. Besides Python objects and keywords, tab completion also works on file and directory names.</tab>
```
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.
```