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1. Getting Started¶

Python 語言的版本目前還常見有 2.x 及 3.x 兩種，除了維護舊系統相容性的顧慮外，建議新建系統及初學者都使用 3.x 版。 本課程內容規劃使用 Python 3，程式碼則在 3.6 版本的環境下測試。

參考文件¶

Python官方的文件就是很好的學習及參考手冊，可以online查詢，也可以下載來offline使用。

基本認識¶

Python是直譯式的高階程式語言，可以想成是直譯器每讀一行程式碼就執行一行，不像C++需要經過編譯器讀過全部的程式碼，翻譯成機器碼（binary code）後才能給電腦執行。安裝完Python的開發環境後，可以透過不同的介面執行以下的初學範例：

• python
• ipython (or jupyter console)
• jupyter qtconsole
• jupyter notebook
• spyder
• Microsoft Visual Studio Code
• Google Colaboratory

初學體驗1¶

用print在視窗或console畫面上輸出文字，在python中用單引號或雙引號包住的都當作是文字資料。

初學體驗2¶

算數運算比小算盤、工程計算機還好用，精度更高，輸入更直覺，數字再大也不是問題。

python語法的算術運算符號：

• + 加
• - 減
• * 乘
• ** 次方
• / 除（結果為浮點數）
• // 除法取商（結果如同取floor，捨棄小數點後的數字）
• % 除法取餘數

比較運算子：

• < 小於
• > 大於
• == 等於
• <= 小於或等於
• >= 大於或等於
• != 不等於

比較結果為 True 或 False。兩個比較的表述式可以連續串接，等同於"而且"的邏輯，兩個比較結果都必須同時成立。例如： 1 < 3 > 2 串接了兩個比較的陳述，即 1 < 3 而且 3 > 2。可以串接的表述式個數沒有限制，只是如果串得太長了，程式碼會比較不好閱讀、比較難除錯。

初學體驗3¶

除了一些數學常數外，程式碼中通常很少看得到用固定數值作運算，會像用代數來解決應用問題一樣，運用符號來代表問題中未知的或可變動的量，稱為變數（variable）。 將值用等號 "=" 指定給變數名稱。假設某物體初始位置$x_{0}$，在初速$v_{0}$及加速度$a$的條件下，計算移動的物體在時間$t$時的位置， $x_{t} = x_{0} + v_{0}t + \frac{1}{2}at^2$。

若想查看目前執行階段使用了哪些變數、函數庫或模組等，只要是ipython或jupyter系列的介面，都可以輸入 %whos 命令查看。

最後的輸出會存在一個特殊的變數名稱 _ 中。

初學體驗4¶

ipython 或 jupyter console 從一開始就是設計成便利的互動式人機介面，所以很多開發的工作，不用離開ipython系列的介面就可以完成。還有很多方便的指令，可以輸入 %lsmagic 查詢。事實上，在大部分的系統中預設都是 Automagic，所以這些指令的前綴符號 % 是可以省略的。常用的操作：

• ? ： ipython功能簡介
• 物件? ： 該物件的說明。例如：x0?會顯示變數x0的資料型態（int）的說明，%whos?會顯示%whos指令的說明。
• help(物件) : 顯示該物件的python說明。
• %quickref ： 指令快速查詢。
• %whos : 顯示目前執行階段使用中的變數和物件
• %store : 儲存變數以供跨越不同執行階段持續使用（重新開啟後仍然存在）
• %env ： 顯示環境變數。
• %set_env : 設定環境變數
• %pwd ： 顯示目前工作目錄。
• %cd ： 切換目前工作目錄到指定位置
• %ls : 列出檔案和目錄
• %copy : 複製檔案或目錄
• %mkdir : 新增目錄
• %rmdir : 移除目錄
• !<系統指令> : 執行目前作業系統下支援的指令
• %run <檔案.py> : 在 ipython 中執行 script 檔
• %matplotlib : 設定 matplotlib 如何支援繪圖顯示
• %%writefile filename ： 將此 cell 以下內容寫入 filename 檔案

完整的 magic 命令可在官方說明文件查詢。

初學體驗5¶

Python除了本身內建不少常用的函式外，官方的開發也制定了相當多功能的標準函式庫（Python Standard Library），但針對五花八門的各種不同應用仍嫌不足，仍然需要許多非官方開發的函式庫套件來支援。例如：

• 矩陣、陣列的操作運算，要用numpy
• 科學運算常結合 numpy 及 scipy 套件
• 資料分析、機器學習，常被使用的是 pandas、scikit-learn、和tensorflow
• 圖表繪製，一定要會用幾乎是標準的 matplotlib，寫過 Matlab 的人對 matplotlib 的語法會很容易上手

函式庫有一些不同的包裝方式，我們通稱為模組（module），在使用模組之前，要先做 import 讓 python 直譯器知道不是內建的函式名字要去哪裡找。常用的語法如下：

import module
import module1, module2
import module as name

from module import name
from module import name1, name2
from module import *
from module import name as alias_name

以繪製圖表為例，以下示範將 Matlab 常用的範例函數的向量場畫出來。