第一章：Python基础入门

1.1 认识Python

1.1.1 Python简介

• Python的历史与发展

  Python由荷兰人Guido van Rossum于1989年圣诞节期间创建，并于1991年首次发布。Python的名字来源于Guido喜欢的英国喜剧团体Monty Python，而不是蟒蛇。经过30多年的发展，Python已成为全球最流行的编程语言之一。

• Python的特点与优势

  Python最大的特点是简洁易读的语法和强大的表达能力。就像我们日常使用的自然语言一样，Python代码读起来几乎像英语句子，这使得学习曲线非常平缓。

  # 其他语言可能需要很多行代码来表达的逻辑，Python只需要一行
  # 例如，打印1到10中的偶数：
  print([i for i in range(1, 11) if i % 2 == 0])
  # 输出: [2, 4, 6, 8, 10]
  

• Python的应用领域

  Python就像一把瑞士军刀，几乎可以用于任何领域：

  • 网站开发（Django, Flask）
  • 数据分析与可视化（Pandas, Matplotlib）
  • 人工智能与机器学习（TensorFlow, PyTorch）
  • 自动化脚本（日常工作自动化）
  • 游戏开发（Pygame）
  • 科学计算（NumPy, SciPy）

• Python 2与Python 3的区别

  Python 2已于2020年1月1日停止支持。Python 3修复了许多设计缺陷，但不完全向后兼容。主要区别包括：

  • 打印语句：Python 2使用print "Hello"，Python 3使用print("Hello")
  • 整数除法：Python 2中3/2=1，Python 3中3/2=1.5
  • 字符串处理：Python 3默认使用Unicode编码

  本教程将完全基于Python 3进行讲解。

1.1.2 为什么选择Python作为入门语言

• 简洁易读的语法

  想象你在学习一门外语。有些语言语法复杂，有很多例外规则，而Python就像是一门语法简单、规则统一的语言。Python使用缩进来组织代码块，没有复杂的括号和分号，代码看起来整洁有序。

  # 一个简单的条件语句示例
  temperature = 30
  if temperature > 25:
      print("今天天气真热！")
  else:
      print("今天天气不错！")
  

• 丰富的库和框架

  Python就像是带有无数插件的工具箱。无论你想做什么，很可能已经有现成的库可以帮助你。就像你不需要自己制作每一个厨房工具就能做出美食一样，Python的库让你能够站在巨人的肩膀上开发应用。

• 广泛的应用场景

  从简单的计算器到复杂的人工智能系统，Python都能胜任。这就像学习一种既能用于日常对话，又能用于学术研究的语言，投资回报率极高。

• 活跃的社区支持

  当你遇到问题时，全球数百万Python开发者组成的社区可以提供帮助。这就像有一个24小时在线的巨大学习小组，随时可以解答你的疑问。

1.2 搭建Python开发环境

1.2.1 安装Python

• Windows系统安装Python

  1. 访问Python官网(https://www.python.org/downloads/)下载最新版Python安装包
  2. 运行安装程序，勾选"Add Python to PATH"选项
  3. 点击"Install Now"进行安装
  4. 安装完成后，打开命令提示符(CMD)，输入python --version验证安装

  C:\Users\用户名> python --version
  Python 3.10.0
  

• macOS系统安装Python

  macOS通常预装了Python 2.7，但我们需要安装Python 3：

  1. 推荐使用Homebrew安装：首先安装Homebrew，然后在终端执行：

     brew install python3
     

  2. 或者从Python官网下载macOS安装包并安装
  3. 安装后，在终端输入python3 --version验证安装

• Linux系统安装Python

  大多数Linux发行版预装了Python。在终端中：

  1. 对于Ubuntu/Debian：

     sudo apt update
     sudo apt install python3 python3-pip
     

  2. 对于Fedora：

     sudo dnf install python3 python3-pip
     

  3. 验证安装：python3 --version

• 验证安装是否成功

  无论使用哪种操作系统，安装完成后，打开终端或命令提示符，输入：

  python --version  # 或 python3 --version
  

  如果显示Python版本号（如Python 3.10.0），则表示安装成功。

1.2.2 选择并安装IDE/编辑器

• IDLE（Python自带）

  IDLE是Python自带的简单集成开发环境，适合初学者：

  • 优点：无需额外安装，界面简单，包含交互式解释器
  • 缺点：功能有限，不适合大型项目
  • 使用方法：在命令行输入idle或从开始菜单启动

• PyCharm（专业IDE）

  PyCharm是功能最全面的Python IDE，有社区版(免费)和专业版：

  1. 从JetBrains官网(https://www.jetbrains.com/pycharm/download/)下载
  2. 运行安装程序，按提示完成安装
  3. 首次启动时，可以选择UI主题和插件

  PyCharm就像一辆全功能的豪华汽车，有自动驾驶辅助（代码补全）、导航系统（跳转到定义）和安全气囊（调试工具）。

• Visual Studio Code（轻量级编辑器）

  VS Code是一款轻量级但功能强大的编辑器，通过插件支持Python：

  1. 从官网(https://code.visualstudio.com/)下载安装
  2. 安装Python扩展：点击扩展图标，搜索"Python"并安装
  3. 安装Python扩展包：打开终端，运行pip install pylint

  VS Code就像一辆可以根据需要改装的汽车，基础版轻便实用，随着你的需求增加，可以不断添加新功能。

• Jupyter Notebook（交互式开发）

  Jupyter Notebook特别适合数据分析和学习：

  1. 安装：pip install notebook
  2. 启动：在命令行输入jupyter notebook
  3. 浏览器会自动打开Notebook界面

  Jupyter Notebook就像是一本可以运行代码的电子笔记本，你可以边写笔记边执行代码，非常适合学习和实验。

1.2.3 第一个Python程序

• 使用交互式解释器

  Python的交互式解释器让你可以立即看到代码执行结果，非常适合学习和测试：

  1. 打开命令行或终端
  2. 输入python或python3启动解释器
  3. 看到>>>提示符后，输入Python代码并按回车执行

  >>> print("你好，Python世界！")
  你好，Python世界！
  >>> 2 + 3
  5
  >>> name = "小明"
  >>> print(f"你好，{name}！")
  你好，小明！
  >>> exit()  # 退出解释器
  

• 创建并运行Python脚本文件

  对于需要保存和重复执行的代码，我们使用.py文件：

  1. 打开文本编辑器或IDE
  2. 创建新文件，输入以下代码：

  # 文件名: hello.py
  # 这是我的第一个Python程序
  
  print("你好，Python世界！")
  
  # 计算并显示1到100的和
  total = sum(range(1, 101))
  print(f"1到100的和是: {total}")
  
  # 获取用户输入
  name = input("请输入你的名字: ")
  print(f"你好，{name}！欢迎学习Python！")
  

  3. 保存为hello.py
  4. 在命令行中，导航到文件所在目录，执行：

     python hello.py  # 或 python3 hello.py
     

• 理解Python程序的执行过程

  Python程序执行过程可以类比为阅读和执行食谱的过程：

  1. 解析阶段：Python解释器阅读你的代码（食谱），检查语法错误
  2. 编译阶段：将代码转换为字节码（内部表示），类似于理解食谱步骤
  3. 执行阶段：逐行执行字节码，就像按步骤烹饪食物

  与编译型语言不同，Python是解释型语言，代码在运行时才被转换为机器能理解的形式，这就是为什么Python程序可以直接运行而不需要单独的编译步骤。

1.3 Python基本语法

1.3.1 Python代码结构

• 缩进与代码块

  Python使用缩进来表示代码块，这与使用花括号的语言不同：

  # 使用4个空格作为标准缩进
  if temperature > 30:
      print("天气炎热")
      print("记得多喝水")
  else:
      print("天气适宜")
      if is_sunny:
          print("是个出游的好日子")
  

  缩进就像是段落的层级，帮助我们一眼看出代码的结构。错误的缩进会导致语法错误或逻辑错误。

• 注释的使用（单行注释与多行注释）

  注释是写给人看的，不会被执行：

  # 这是单行注释，用#开头
  
  print("Hello")  # 也可以在代码后添加注释
  
  '''
  这是多行注释
  使用三个单引号或三个双引号
  可以跨越多行
  '''
  
  """
  这也是多行注释
  通常用于函数和类的文档说明
  """
  

  好的注释就像菜谱中的小贴士，帮助理解代码的目的和工作原理。

• 语句与表达式

  • 表达式：产生一个值，如2 + 2、name.upper()
  • 语句：执行一个操作，如赋值语句x = 5、条件语句if-else

  # 表达式示例
  price = 100
  discount = 0.1
  final_price = price * (1 - discount)  # 这里price * (1 - discount)是表达式
  
  # 语句示例
  if final_price > 50:  # 条件语句
      print("价格仍然较高")
  

• 命名规范与标识符

  标识符是变量、函数、类等的名称，命名规则：

  • 只能包含字母、数字和下划线
  • 不能以数字开头
  • 区分大小写
  • 不能使用Python关键字（如if, for, class等）

  命名约定：

  • 变量和函数名：小写，单词间用下划线连接（snake_case）
  • 类名：首字母大写（PascalCase）
  • 常量：全大写，单词间用下划线连接

  # 良好的命名示例
  user_name = "张三"  # 变量名
  def calculate_total_price():  # 函数名
      pass
  class ShoppingCart:  # 类名
      pass
  MAX_RETRY_COUNT = 3  # 常量
  

  好的命名就像好的标签，一眼就能看出内容，无需额外解释。

1.3.2 变量与赋值

• 变量的概念

  变量是存储数据的容器，可以类比为贴有标签的盒子：

  # 创建一个名为age的变量，存储数值25
  age = 25
  

  在这个例子中，age是标签（变量名），25是盒子里的内容（值）。

• 变量命名规则

  好的变量名应该具有描述性，表明它存储的是什么：

  # 不好的命名
  a = 30
  
  # 好的命名
  age = 30
  temperature_celsius = 30
  monthly_salary = 30000
  

  想象你在整理家里的物品，使用"杂物盒"和"冬季衣物盒"哪个更容易找到东西？好的变量名也是如此。

• 赋值操作

  赋值使用等号=，将右侧的值存储到左侧的变量中：

  # 基本赋值
  name = "小红"
  age = 25
  
  # 变量的值可以更新
  age = 26  # 小红过生日了
  
  # 使用已有变量的值创建新变量
  next_year_age = age + 1
  

• 多重赋值

  Python允许在一行中给多个变量赋值：

  # 同时给多个变量赋相同的值
  x = y = z = 0  # x, y, z都等于0
  
  # 同时给多个变量赋不同的值
  name, age, city = "小明", 20, "北京"
  
  # 交换两个变量的值（不需要临时变量）
  a, b = 5, 10
  a, b = b, a  # 现在a=10, b=5
  

  这就像同时给多个盒子贴标签和放入物品，既方便又高效。

1.4 Python数据类型基础

1.4.1 数字类型

• 整数（int）

  整数是没有小数部分的数字，可以是正数、负数或零：

  age = 25  # 正整数
  temperature = -5  # 负整数
  count = 0  # 零
  
  # Python整数没有大小限制
  very_large_number = 10**100  # 10的100次方
  print(very_large_number)
  

  生活中的整数例子：年龄、人数、楼层数。

• 浮点数（float）

  浮点数是有小数部分的数字：

  height = 1.75  # 米
  weight = 68.5  # 千克
  pi = 3.14159
  
  # 科学计数法
  distance_to_sun = 1.496e11  # 1.496 × 10^11 米
  

  生活中的浮点数例子：身高、体重、温度、价格。

  注意：浮点数计算可能有精度问题：

  print(0.1 + 0.2)  # 输出0.30000000000000004而不是0.3
  

• 复数（complex）

  复数有实部和虚部，在科学计算和工程中使用：

  c = 3 + 4j  # 3是实部，4是虚部
  print(c.real)  # 输出3.0
  print(c.imag)  # 输出4.0
  

• 数值运算与内置函数

  Python支持所有基本数学运算：

  # 基本运算
  sum_result = 10 + 5  # 加法: 15
  difference = 10 - 5  # 减法: 5
  product = 10 * 5  # 乘法: 50
  quotient = 10 / 5  # 除法: 2.0 (结果总是浮点数)
  
  # 整数除法和余数
  integer_division = 10 // 3  # 整数除法: 3
  remainder = 10 % 3  # 取余: 1
  
  # 幂运算
  power = 2 ** 3  # 2的3次方: 8
  
  # 常用数学函数
  import math
  
  print(abs(-10))  # 绝对值: 10
  print(round(3.7))  # 四舍五入: 4
  print(math.sqrt(16))  # 平方根: 4.0
  print(math.sin(math.pi/2))  # 正弦函数: 1.0
  

  这些运算就像日常计算器的功能，帮助我们处理各种数值计算。

1.4.2 字符串类型

• 字符串的创建与表示

  字符串是文本数据，用单引号或双引号括起来：

  # 创建字符串的不同方式
  name = "小明"  # 双引号
  message = '你好，世界'  # 单引号
  
  # 多行字符串使用三引号
  address = """北京市海淀区
  中关村南大街5号
  邮编: 100081"""
  
  # 包含引号的字符串
  quote = "他说："Python很有趣！""
  # 或者使用不同类型的引号
  quote = '他说："Python很有趣！"'
  

• 字符串的基本操作

  字符串支持多种操作，就像处理文本一样：

  # 字符串拼接
  greeting = "你好，" + name  # 使用+号连接
  
  # 字符串重复
  stars = "*" * 10  # 输出"**********"
  
  # 获取字符串长度
  print(len(name))  # 输出2
  
  # 字符串索引和切片
  word = "Python"
  print(word[0])    # 'P' (第一个字符)
  print(word[-1])   # 'n' (最后一个字符)
  print(word[1:4])  # 'yth' (切片)
  

• 字符串常用方法

  Python提供了丰富的字符串方法：

  text = " Python 编程 "
  
  # 去除空白
  print(text.strip())  # "Python 编程"
  
  # 大小写转换
  print(text.upper())  # " PYTHON 编程 "
  print(text.lower())  # " python 编程 "
  
  # 查找和替换
  print(text.find("编程"))  # 返回位置8
  print(text.replace("Python", "Java"))  # " Java 编程 "
  
  # 分割字符串
  fruits = "苹果,香蕉,橙子"
  print(fruits.split(","))  # ['苹果', '香蕉', '橙子']
  

• 字符串格式化

  有多种方式格式化字符串：

  # 旧式格式化
  print("我叫%s，今年%d岁" % (name, age))
  
  # str.format()方法
  print("我叫{}，今年{}岁".format(name, age))
  
  # f-strings (Python 3.6+)
  print(f"我叫{name}，今年{age}岁")
  

1.4.3 列表类型

• 列表的创建与基本操作

  列表是有序的可变序列，可以存储不同类型的数据：

  # 创建列表
  shopping_list = ["苹果", "牛奶", "面包"]
  numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
  mixed = [1, "文本", 3.14, True]
  
  # 访问元素
  print(shopping_list[0])  # "苹果"
  print(numbers[-1])      # 5 (最后一个元素)
  
  # 修改元素
  shopping_list[1] = "酸奶"
  
  # 添加元素
  shopping_list.append("鸡蛋")
  shopping_list.insert(1, "香蕉")
  
  # 删除元素
  del shopping_list[0]  # 删除第一个元素
  shopping_list.remove("面包")  # 删除指定值
  popped = shopping_list.pop()  # 删除并返回最后一个元素
  
  # 列表长度
  print(len(shopping_list))  # 当前列表长度
  

• 列表常用方法

  numbers = [3, 1, 4, 1, 5, 9, 2]
  
  # 排序
  numbers.sort()  # 原地排序 [1, 1, 2, 3, 4, 5, 9]
  sorted_numbers = sorted(numbers)  # 返回新列表
  
  # 反转
  numbers.reverse()  # [9, 5, 4, 3, 2, 1, 1]
  
  # 查找
  print(numbers.index(5))  # 返回位置1
  print(3 in numbers)      # True
  
  # 统计
  print(numbers.count(1))  # 2
  
  # 列表拼接
  new_list = numbers + [6, 7, 8]
  

• 列表切片

  切片操作可以获取子列表：

  numbers = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
  
  print(numbers[2:5])   # [2, 3, 4]
  print(numbers[:3])    # [0, 1, 2] (前三个)
  print(numbers[6:])    # [6, 7, 8, 9] (第六个到最后)
  print(numbers[::2])   # [0, 2, 4, 6, 8] (每隔一个)
  print(numbers[::-1])  # [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0] (反转)
  

1.4.4 元组类型

• 元组的特点与创建

  元组是不可变序列，适合存储不应修改的数据：

  # 创建元组
  coordinates = (39.9, 116.4)  # 北京经纬度
  colors = ("红", "绿", "蓝")  # RGB颜色
  single = (42,)  # 单元素元组必须有逗号
  
  # 访问元素
  print(coordinates[0])  # 39.9
  
  # 元组解包
  lat, lon = coordinates
  print(f"纬度: {lat}, 经度: {lon}")
  
  # 元组不可修改
  # coordinates[0] = 40.0  # 会报错
  

• 元组的应用场景

  元组常用于：

  • 函数返回多个值
  • 字典的键（因为不可变）
  • 保护数据不被修改

  # 函数返回多个值
  def get_user_info():
      return "张三", 30, "北京"
  
  name, age, city = get_user_info()
  

1.4.5 字典类型

• 字典的创建与基本操作

  字典是键值对的集合，适合存储关联数据：

  # 创建字典
  student = {
      "name": "李四",
      "age": 20,
      "major": "计算机科学"
  }
  
  # 访问元素
  print(student["name"])  # "李四"
  print(student.get("age"))  # 20
  
  # 添加/修改元素
  student["grade"] = "A"
  student["age"] = 21
  
  # 删除元素
  del student["major"]
  popped = student.pop("grade")
  
  # 检查键是否存在
  print("name" in student)  # True
  
  # 获取所有键/值
  print(student.keys())   # ['name', 'age']
  print(student.values()) # ['李四', 21]
  

• 字典的遍历

  # 遍历键
  for key in student:
      print(key)
  
  # 遍历键值对
  for key, value in student.items():
      print(f"{key}: {value}")
  

1.4.6 练习题

1. 字符串练习
   编写代码将"Python编程很有趣"中的"编程"替换为"学习"，并统计字母"n"出现的次数。

   text = "Python编程很有趣"
   # 你的代码
   

2. 列表练习
   创建一个购物清单列表，包含至少5种商品，然后：

   • 删除第三件商品
   • 在开头添加一件商品
   • 将列表按字母顺序排序

3. 元组练习
   创建一个包含3个城市名称的元组，然后：

   • 打印第二个城市
   • 尝试修改第一个城市（观察会发生什么）
   • 将元组转换为列表

4. 字典练习
   创建一个个人信息字典，包含姓名、年龄和爱好，然后：

   • 添加一个新的键值对（如：城市）
   • 删除年龄
   • 遍历并打印所有信息