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來源：Python愛好者社區

ID:python_shequ

作者：深度沉迷學習

Python語言：

簡要概括一下Python語言在數據分析、挖掘場景中常用特性：

1. 列表（可以被修改），元組（不可以被修改）
2. 字典（<k,v>結構）
3. 集合（同數學概念上的集合）
4. 函數式編程（主要由lambda()、map()、reduce()、filter()構成）

Python數據分析常用庫：

Python數據挖掘相關擴展庫

NumPy

提供真正的數組，相比Python內置列表來說速度更快，NumPy也是Scipy、Matplotlib、Pandas等庫的依賴庫，內置函數處理數據速度是C語言級別的，因此使用中應盡量使用內置函數。

示例：NumPy基本操作

import numpy as np # 一般以np為別名
a = np.array([2, 0, 1, 5])
print(a)
print(a[:3])
print(a.min())
a.sort() # a被覆蓋
print(a)
b = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(b*b)

輸出：

[2 0 1 5]
[2 0 1]
0
[0 1 2 5]
[[ 1 4 9]
 [16 25 36]]

Scipy

NumPy和Scipy讓Python有了MATLAB味道。Scipy依賴于NumPy，NumPy提供了多維數組功能，但只是一般的數組并不是矩陣。比如兩個數組相乘時，只是對應元素相乘。Scipy提供了真正的矩陣，以及大量基于矩陣運算的對象與函數。

Scipy包含功能有最優化、線性代數、積分、插值、擬合、特殊函數、快速傅里葉變換、信號處理、圖像處理、常微分方程求解等常用計算。

示例：Scipy求解非線性方程組和數值積分

# 求解方程組
from scipy.optimize import fsolve
def f(x):
 x1 = x[0]
 x2 = x[1]
 return [2 * x1 - x2 ** 2 - 1, x1 ** 2 - x2 - 2]
result = fsolve(f, [1, 1])
print(result)
# 積分
from scipy import integrate
def g(x): # 定義被積函數
 return (1 - x ** 2) ** 0.5
pi_2, err = integrate.quad(g, -1, 1) # 輸出積分結果和誤差
print(pi_2 * 2, err)

輸出：

[ 1.91963957 1.68501606]
3.141592653589797 1.0002356720661965e-09

Matplotlib

Python中著名的繪圖庫，主要用于二維繪圖，也可以進行簡單的三維繪圖。

示例：Matplotlib繪圖基本操作

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
x = np.linspace(0, 10, 10000) # 自變量x，10000為點的個數
y = np.sin(x) + 1 # 因變量y
z = np.cos(x ** 2) + 1 # 因變量z
plt.figure(figsize=(8, 4)) # 設置圖像大小
# plt.rcParams['font.sans-serif'] = 'SimHei' # 標簽若有中文，則需設置字體
# plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 保存圖像時若負號顯示不正常，則添加該句
# 兩條曲線
plt.plot(x, y, label='$sin (x+1)$', color='red', linewidth=2) # 設置標簽，線條顏色，線條大小
plt.plot(x, z, 'b--', label='$cos x^2+1$')
plt.xlim(0, 10) # x坐標范圍
plt.ylim(0, 2.5) # y坐標范圍
plt.xlabel("Time(s)") # x軸名稱
plt.ylabel("Volt") # y軸名稱
plt.title("Matplotlib Sample") # 圖的標題
plt.legend() # 顯示圖例
plt.show() # 顯示作圖結果

輸出：

Pandas

Pandas是Python下非常強大的數據分析工具。它建立在NumPy之上，功能很強大，支持類似SQL的增刪改查，并具有豐富的數據處理函數，支持時間序列分析功能，支持靈活處理缺失數據等。

Pandas基本數據結構是Series和DataFrame。Series就是序列，類似一維數組，DataFrame則相當于一張二維表格，類似二維數組，它每一列都是一個Series。為定位Series中的元素，Pandas提供了Index對象，類似主鍵。

DataFrame本質上是Series的容器。

示例：Pandas簡單操作

import pandas as pd
s = pd.Series([1, 2, 3], index=['a', 'b', 'c'])
d = pd.DataFrame([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9], [10, 11, 12], [13, 14, 15], [16, 17, 18]], columns=['a', 'b', 'c'])
d2 = pd.DataFrame(s)
print(s)
print(d.head()) # 預覽前5行
print(d.describe())
# 讀取文件(路徑最好別帶中文)
df=pd.read_csv("G:\data.csv", encoding="utf-8")
print(df)

輸出：

a 1
b 2
c 3
dtype: int64
 a b c
0 1 2 3
1 4 5 6
2 7 8 9
3 10 11 12
4 13 14 15
 a b c
count 6.000000 6.000000 6.000000
mean 8.500000 9.500000 10.500000
std 5.612486 5.612486 5.612486
min 1.000000 2.000000 3.000000
25% 4.750000 5.750000 6.750000
50% 8.500000 9.500000 10.500000
75% 12.250000 13.250000 14.250000
max 16.000000 17.000000 18.000000
Empty DataFrame
Columns: [1068, 12, 蔬果, 1201, 蔬菜, 120104, 花果, 20150430, 201504, DW-1201040010, 散稱, 生鮮, 千克, 0.973, 5.43, 2.58, 否]
Index: []

Scikit-Learn

Scikit-Learn依賴NumPy、Scipy和Matplotlib，是Python中強大的機器學習庫，提供了諸如數據預處理、分類、回歸、聚類、預測和模型分析等功能。

示例：創建線性回歸模型

from sklearn.linear_model import LinearRegression
model= LinearRegression()
print(model)

1. 所有模型都提供的接口：

model.fit()：訓練模型，監督模型是fit(X,y)，無監督模型是fit(X)

1. 監督模型提供的接口：

model.predict(X_new)：預測新樣本model.predict_proba(X_new)：預測概率，僅對某些模型有用（LR）

1. 無監督模型提供的接口：

model.ransform()：從數據中學到新的“基空間”model.fit_transform()：從數據中學到的新的基，并將這個數據按照這組“基”進行轉換

Scikit-Learn本身自帶了一些數據集，如花卉和手寫圖像數據集等，下面以花卉數據集舉個栗子，訓練集包含4個維度——萼片長度、寬度，花瓣長度和寬度，以及四個亞屬分類結果。

示例：

from sklearn import datasets # 導入數據集
from sklearn import svm
iris = datasets.load_iris() # 加載數據集
clf = svm.LinearSVC() # 建立線性SVM分類器
clf.fit(iris.data, iris.target) # 用數據訓練模型
print(clf.predict([[5, 3, 1, 0.2], [5.0, 3.6, 1.3, 0.25]]))

輸出：

[0 0]

Keras

Keras是基于Theano的深度學習庫，它不僅可以搭建普通神經網絡，還可以搭建各種深度學習模型，如自編碼器、循環神經網絡、遞歸神經網絡、卷積神經網絡等，運行速度也很快，簡化了搭建各種神經網絡模型的步驟，允許普通用戶輕松搭建幾百個輸入節點的深層神經網絡，定制度也很高。

示例：簡單的MLP（多層感知器）

from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense, Dropout, Activation
from keras.optimizers import SGD
model = Sequential() # 模型初始化
model.add(Dense(20, 64)) # 添加輸入層（20節點）、第一隱藏層（64節點）的連接
model.add(Activation('tanh')) # 第一隱藏層用tanh作為激活函數
model.add(Dropout(0.5)) # 使用Dropout防止過擬合
model.add(Dense(64, 64)) # 添加第一隱藏層（64節點）、第二隱藏層（64節點）的連接
model.add(Activation('tanh')) # 第二隱藏層用tanh作為激活函數
model.add(Dense(64, 1)) # 添加第二隱藏層（64節點）、輸出層（1節點）的連接
model.add(Activation('sigmod')) # 第二隱藏層用sigmod作為激活函數
sgd=SGD(lr=0.1,decay=1e-6,momentum=0.9,nesterov=True) # 定義求解算法
model.compile(loss='mean_squared_error',optimizer=sgd) # 編譯生成模型，損失函數為平均誤差平方和
model.fit(x_train,y_train,nb_epoch=20,batch_size=16) # 訓練模型
score = model.evaluate(X_test,y_test,batch_size=16) # 測試模型

參考：

• Keras中文文檔
• 如何計算兩個文檔的相似度（二）

Genism

Genism主要用來處理語言方面的任務，如文本相似度計算、LDA、word2Vec等。

示例：

import logging
from gensim import models
logging.basicConfig(format='%(asctime)s : %(levelname)s : %(message)s',
 level=logging.INFO)
sentences = [['first', 'sentence'], ['second', 'sentence']] # 將分好詞的句子按列表形式輸入
model = models.Word2Vec(sentences, min_count=1) # 用以上句子訓練詞向量模型
print(model['sentence']) # 輸出單詞sentence的詞向量

輸出：

2017-10-24 19:02:40,785 : INFO : collecting all words and their counts
2017-10-24 19:02:40,785 : INFO : PROGRESS: at sentence #0, processed 0 words, keeping 0 word types
2017-10-24 19:02:40,785 : INFO : collected 3 word types from a corpus of 4 raw words and 2 sentences
2017-10-24 19:02:40,785 : INFO : Loading a fresh vocabulary
2017-10-24 19:02:40,785 : INFO : min_count=1 retains 3 unique words (100% of original 3, drops 0)
2017-10-24 19:02:40,785 : INFO : min_count=1 leaves 4 word corpus (100% of original 4, drops 0)
2017-10-24 19:02:40,786 : INFO : deleting the raw counts dictionary of 3 items
2017-10-24 19:02:40,786 : INFO : sample=0.001 downsamples 3 most-common words
2017-10-24 19:02:40,786 : INFO : downsampling leaves estimated 0 word corpus (5.7% of prior 4)
2017-10-24 19:02:40,786 : INFO : estimated required memory for 3 words and 100 dimensions: 3900 bytes
2017-10-24 19:02:40,786 : INFO : resetting layer weights
2017-10-24 19:02:40,786 : INFO : training model with 3 workers on 3 vocabulary and 100 features, using sg=0 hs=0 sample=0.001 negative=5 window=5
2017-10-24 19:02:40,788 : INFO : worker thread finished; awaiting finish of 2 more threads
2017-10-24 19:02:40,788 : INFO : worker thread finished; awaiting finish of 1 more threads
2017-10-24 19:02:40,788 : INFO : worker thread finished; awaiting finish of 0 more threads
2017-10-24 19:02:40,789 : INFO : training on 20 raw words (0 effective words) took 0.0s, 0 effective words/s
2017-10-24 19:02:40,789 : WARNING : under 10 jobs per worker: consider setting a smaller `batch_words' for smoother alpha decay
[ -1.54225400e-03 -2.45212857e-03 -2.20486755e-03 -3.64410551e-03
 -2.28137174e-03 -1.70348200e-03 -1.05830852e-03 -4.37875278e-03
 -4.97106137e-03 3.93485563e-04 -1.97932171e-03 -3.40653211e-03
 1.54990738e-03 8.97102174e-04 2.94041773e-03 3.45200230e-03
 -4.60584508e-03 3.81468004e-03 3.07120802e-03 2.85422982e-04
 7.01598416e-04 2.69670971e-03 4.17246483e-03 -6.48593705e-04
 1.11404411e-03 4.02203249e-03 -2.34672683e-03 2.35153269e-03
 2.32632101e-05 3.76200466e-03 -3.95653257e-03 3.77303245e-03
 8.48884694e-04 1.61545759e-03 2.53374409e-03 -4.25464474e-03
 -2.06338940e-03 -6.84972096e-04 -6.92955102e-04 -2.27969326e-03
 -2.13766913e-03 3.95324081e-03 3.52649018e-03 1.29243149e-03
 4.29229392e-03 -4.34781052e-03 2.42843386e-03 3.12117115e-03
 -2.99768522e-03 -1.17538485e-03 6.67148328e-04 -6.86432002e-04
 -3.58940102e-03 2.40547652e-03 -4.18888079e-03 -3.12567432e-03
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 -2.50071986e-04 4.15537134e-03 -3.89242987e-03 4.88173496e-03
 -3.34603712e-03 3.18462006e-03 1.57053335e-04 3.51517834e-03
 -1.20337342e-03 -1.81524854e-04 3.57784083e-05 -2.36600707e-03
 -3.77405947e-03 -1.70441647e-03 -4.51521482e-03 -9.47134569e-04
 4.53894213e-03 1.55767589e-03 8.57840874e-04 -1.12304837e-03
 -3.95945460e-03 5.37869288e-04 -2.04461766e-03 5.24829782e-04
 3.76719423e-03 -4.38512256e-03 4.81262803e-03 -4.20147832e-03
 -3.87057988e-03 1.67581497e-03 1.51928759e-03 -1.31744961e-03
 3.28474329e-03 -3.28777428e-03 -9.67226923e-04 4.62622894e-03
 1.34165725e-03 3.60148447e-03 4.80416557e-03 -1.98963983e-03]

參考：

• 如何計算兩個文檔的相似度（二）

本次筆記是對數據分析和挖掘中常用工具的簡要介紹，詳細使用會在以后筆記中進行介紹。