《從零開始的Python筆記》Day#1:初見Python

這篇筆記會從最基本最基礎最簡單的語法開始介紹，請大家務必熟悉每一個語法和功能。

🖥️ Python 簡介與環境設置

在開始寫程式之前，我們還需要建立一個可以寫程式的環境。大家在網路上搜尋相關資料的話會有一堆教你如何快速安裝Anaconda或是0基礎上手VSCode的教學，但我認為這兩個其實真的不是很適合初學者。即使是號稱初學者最友善的Anaconda，其安裝過程中會牽扯到本身電腦環境相關的問題存在，導致有些人一裝就能用，有些人則是搞了半天還是不能用，這情況在指導學員時很常遇到。

Google Colab 介紹

Google Colab 是一個由 Google 提供的基於雲端的 Python 互動式開發環境。它非常適合用於學習 Python、機器學習、數據分析以及運行小型到中型的深度學習模型。

什麼是 Google Colab？

• Google Colab，全名為 Google Collaboratory，是一個基於 Jupyter Notebook 的雲端 IDE(Integrated Development Environment)。
• 它允許用戶直接在瀏覽器中編寫和執行 Python 程式碼。
• 提供 免費 GPU（圖形處理器）和 TPU（張量處理器），適合用於機器學習和深度學習相關的開發。

Google Colab 的主要特點

1. 免費使用
2. 1. 無需安裝任何軟體，僅需 Google 帳號即可使用。
   2. 範圍內的免費資源，包括 GPU 和 TPU，可用於模型訓練。
2. 基於雲端的存儲
3. 1. 任何項目存儲於 Google Drive 中，實現即時保存與分享。
3. Jupyter Notebook 專業支持
4. 1. 支援 Python 腳本的 Markdown 語法、可視化結果呈現等。
4. 豐富的資料夾與圖表集成
5. 1. 與 Google Drive 集成，方便讀寫檔案。

使用 Google Colab

1️⃣ 開啟 Google Colab

1. 登錄 Google 帳戶。
2. 訪問 Google Colab 官方網站，或直接從 Google Drive 中創建新筆記本：

• 操作路徑：在 Google Drive 中點擊 + 新增 > 更多 > Google Colaboratory。

2️⃣ Google Colab 界面介紹

進入 Colab 會看到的基本界面包含以下幾個主要部分：

• 代碼單元格：
  - 每個單元格可以輸入和執行 Python 代碼。- 點擊單元左側的「▶」按鈕可以執行該單元。
• Markdown 單元格：
  - 支持撰寫 Markdown 格式的文字，用於編寫說明、註解或報告。- 在單元格類型中選擇 Markdown，即可切換輸入模式。

3️⃣ 新建和執行代碼單元

1. 點擊上方的 ＋代碼 按鈕新增代碼單元格。
2. 輸入你的 Python 程式碼後，點擊左側的 ▶ 执行。

💡在這種Notebook中有許多方便的快捷鍵可以使用!

4️⃣ 儲存與分享

• 自動保存：
  - Google Colab 文件會自動保存至 Google Drive 中，無需手動保存。
• 分享文檔：
  - 點擊右上角的 分享 按鈕，設定權限後就可以分享給其他用戶。

如何將 Google Colab 與 Google Drive 連接？

Google Colab 支持與 Google Drive 整合，這對於存取文件或保存數據非常有效。

1️⃣ 授權 Google Drive

在 Google Colab 中運行以下命令即可掛載 Google Drive：

from google.colab import drive

drive.mount('/content/drive')

💡執行命令後，系統會提示需要授權。在授權頁面選擇你的 Google 帳戶並完成授權。

2️⃣ 掛載完成的文件位置

掛載完成後，你的 Google Drive 文件將出現在 /content/drive/My Drive/ 目錄下，可以直接通過路徑操作 Drive 中的文件。

例如，讀取 Drive 中的文件：

• 目前預設的文件路徑為 /content/drive/My Drive/filename。
• 實際的路徑可以在Google Drive中查看

3️⃣ 文件操作案例

掛載成功後可以執行對 Google Drive 文件的操作，如讀取或寫入 CSV 文件。

# 讀取 CSV 文件：

import pandas as pd

file_path = '/content/drive/My Drive/data.csv'
data = pd.read_csv(file_path)# 保存到 Google Drive

file_path = '/content/drive/My Drive/output.csv'
data.to_csv(file_path, index=False)

如何啟用 GPU/TPU？

Google Colab 提供了免費的硬件加速器，如 GPU 和 TPU。

• 點擊工具欄中的 編輯 > 筆記本設置。
• 在「硬件加速器」選項中選擇 GPU 或 TPU。

💡啟用後，模型訓練的執行效率大幅提升，特別適合進行人工智慧和深度學習任務。

🔗 Python 的基本執行方式

互動式模式（REPL）

• 在終端(Terminal)或命令提示字元輸入 python 開啟互動式界面。適合即時測試簡單的程式碼片段。

範例：

>>> print("Hello, Python!")
Hello, Python!

腳本模式

• 編寫 .py 檔案後終端(Terminal)或命令提示字元執行：

python hello.py

Notebook

• 在notebook中撰寫程式可以即時輸出結果由
• 於可以建立多個Cell並且分別做不同任務(如:資料處理、視覺化、模型訓練等)，因此很適合資料科學家使用
• Google Colab、Kaggle Notebook、Jupyter Notebook皆屬於這種形式

🧱 基本語法與規範

輸出函數 print()

用來在終端顯示結果。

print("Hello, World!")
name = "Alice"
print(f"Hi, {name}!")  # 格式化字串輸出

輸入函數 input()

接收使用者輸入，回傳資料類型為字串。

name = input("請輸入你的名字: ")
print(f"你好, {name}!")

註解

註解過的程式碼是不會被執行的，可用於說明程式功能。

• 單行註解使用 #。多行註解使用三對引號 ''' 或 """。

# 這是一個單行註解"""這是一個多行註解"""

PEP 8 編碼規範

為了方便團隊合作與提升可讀性，寫程式時會依照編碼規範來統一撰寫風格，其中PEP8為Python 官方提供的語法風格指導原則。

• 縮排使用 4 個空格，不要使用 TAB
• 每行最多 79 字符，若程式碼過長，可使用反斜線 () 或括號將其分成多行
• 使用清晰的變數/函數名稱
• • 變數和函數名稱：使用小寫字母組成，單詞間以 底線 _ 分隔（稱為 snake_case）
  • 類名稱：使用首字母大寫的駝峰命名法（PascalCase）
  • 常數名稱：使用全大寫字母，單詞間以 底線 _ 分隔

# 正確命名方式
variable_name = "example" # 變數（snake_case）

def my_function():   # 函數（snake_case）    
	pass

class MyClass:             # 類（PascalCase）    
	pass
	
MAX_CONNECTIONS = 100      # 常數（全大寫 + 底線）

• 其餘規範可自行查詢

🔢 變數

Python內建的資料型態如下所示，其中的字串與容器型態會在後續的筆記中介紹。

• 數值型態：int, float, bool
• 字串型態：str, chr
• 容器型態：list, dict, tuple

變數型態轉換

變數的宣告與指派

和其他程式語言(如:C/C++)不同，Python中的變數不需明確宣告型別，直接賦值即可。

💡變數的型態對於資料科學中的運算非常重要!

基本賦值

x = 10        # 整數
pi = 3.14     # 浮點數
name = "Alice" # 字串
is_happy = True # 布林值

變數的意義

程式碼”x = 10"的解讀是: 將”10"這個值設定給”x”這個變數，等號在此是”設定”的意思，而不是傳統數學上的等於。

因此，如果有使用原本變數做任何運算，都要在賦值回指定的變數，變數的值才會改變。

x = 10 # 將10設定給x
print(x)

x + 10 # 將x的值(10)取出並加上10，沒有賦值動作
print(x)

x = x + 10 # 將x的值取出(10)並加上10，再賦值給x
print(x)

# 輸出
10
10
20

查看變數型別type()

print(type(x))        # <class 'int'>
print(type(pi))       # <class 'float'>
print(type(name))     # <class 'str'>
print(type(is_happy)) # <class 'bool'>

🧮 簡單運算與邏輯

算術運算符

a = 10
b = 3

print(a + b)    # 13
print(a / b)    # 3.3333333333333335
print(a // b)   # 3 （整數除法）
print(a % b)    # 1 （取餘數）
print(a ** b)   # 1000 （10 的 3 次方）

比較運算符

比較運算符的功能是用來比較兩個值，運算結果會回傳布林值 (True 或 False)。

x = 10
y = 20

# 大於與小於
print(x > y)    # False
print(x < y)    # True

# 等於與不等於
print(x == 10)  # True
print(x != y)   # True

# 大於等於與小於等於
print(x >= 10)  # True
print(x <= y)   # True

基本邏輯運算符

邏輯運算符是用於處理布林值邏輯判斷並組合多個條件，運算結果會返回布林值（True 或 False）。

x = True
y = False

print(x and y)   # False，因為 x 為 True，但 y 為 False，所以結果是 False
print(x and True)  # True，因為 x 和條件中的 True 都為 True
print(not x) # False, 不是True, 就是False