Introdução 1 - Python & Spyder¶
Modelação Numérica 2016/17¶
Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente
Licenciatura em Meteorologia, Oceanografia e Geofísica
Licenciatura em Engenharia Geoespacial
DEGGE-FCUL
Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e Energia
Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa
Introdução ao Python¶
Adaptado de IRIS: https://nbviewer.jupyter.org/github/obspy/docs/blob/master/workshops/2015-08-03_iris/01_Python_Crash_Course.ipynb
Esta aula é dedicada a explorar alguns comandos básicos de Python e a conhecer o ambiente Spyder. Segue os comandos passo a passo. Assegura-te de que percebes como funcionam todas as linhas de comando e funções.
NumPy para utilizadores de Matlab¶
Se estás habituado a utilizar Matlab, aqui ficam alguns links úteis:
Spyder¶
Explora o que podes fazer no Spyder:
- Vê quais as funções disponíveis no Menú (File, Edit, Search, Source, Run, Debug, etc...).
- Vê como funcionam as várias janelas do Spyder e o que podes fazer em cada uma delas.
- Aprende a utilizar teclas de atalho para poderes trabalhar mais rapidamente.
- Utiliza "#%%" para separar diferentes blocos de código.
x = "Hello World!"
x.
Ajuda¶
- Usa o ponto de interrogação para pedir ajuda sobre funções ou métodos.
x.lower?
Importação de módulos¶
# Importa a função 'print' do Python 3, com a seguinte utilização: print("Hello")
from __future__ import print_function
# Importar NumPy - módulo de funções numéricas
import numpy as np
# Importar MatplotLib - módulo de gráficos
import matplotlib.pyplot as plt
# Parâmetros dos gráficos
plt.style.use('ggplot')
plt.rcParams['figure.figsize'] = 12, 8
1. Números¶
Em Python as variáveis são definidas de forma dinâmica com base na sua sintaxe, sem ser necessário definir o tipo.
# Três tipos básicos de números
a = 1 # Inteiros
b = 2.0 # Reais (floating point)
c = 3.0 + 4j # Complexos
# Verificar o tipo das variáveis
type(a)
# A aritmética funciona como esperado...
d = a + b # (int + float = float)
e = c ** 2 # c ao quadrado
2. Variáveis boleanas¶
estado1 = True
estado2 = not estado1
print(estado1)
print(estado2)
print(b)
print(b > 100)
3. Frases (strings)¶
# Podem-se usar plicas (') ou aspas () para criar frases
local = "Faculdade de Ciencias"
# As frases/palavras podem ser concatenadas com +
onde_estou_eu = "Eu estou na " + local
# Print things with the print() function.
print(local)
print(onde_estou_eu)
# Em python tudo são objectos..
# As frases (strings) têm muitos métodos anexados para manipulações comuns.
print(local.upper())
# Acede-se a letras ou conjuntos de letras com parêntesis rectos.
print(local[0], local[:5], local[3:9])
# Utilizam-se índices negativos para aceder a posições opr ordem inversa (a começar do fim).
print(local[-1], local[-9:])
4. Listas¶
# As listas são escritas com parêntesis rectos e são simples colecções ordenadas de items (de tipo arbitrário)
TudoJunto = [a, c, local, 1, 2, 3, "hello"]
print(TudoJunto)
# Acede-se aos elementos das listas utilizando a mesma síntaxe que para as frases
# Importante: Em Python os índices começam em zero!
print(TudoJunto[0])
print(TudoJunto[:3])
print(TudoJunto[2:-2])
print(TudoJunto[-3:])
# Podem-se juntar mais elementos à lista utilizando o método 'append'
# (Existem também outros métodos auxiliares para listas)
TudoJunto.append("tu")
print(TudoJunto)
5. Dicionários¶
# Os dicionários têm campos reconhecidos pelos seus nomes, sem ordem inerente.
# Tal como as listas, podem conter items de qualquer tipo
info = {
"nome": "Sara",
"apelido": "Silva",
"idade": 48,
"filhos": ["Ana", "Miguel"]
}
# Acede-se aos items chamando o campo dentro de parêntesis rectos.
print(info["filhos"])
# Adicionam-se novos items, explicitado o campo.
print(info)
info["musica"] = "jazz"
print(info)
6. Funções¶
# As funções são definidas com a palavra-chave "def".
# O corpo da função é o bloco identado que aparece depois da sintaxe
# de definição da função e normalmente e normalmente termina com um comando de "return"
def vezes(a, b):
return a * b
# Para se chamar uma função utilizam-se parêntesis curvos.
print(vezes(2, 3))
# Os argumentos das funções podem ter valores pré-definidos.
def tempo(distancia, velocidade=80.0):
return distancia / velocidade
# Se não for definido um valor diferente, o valor pré-definido é utilizado.
print(tempo(1000))
print(tempo(1000,100))
7. Importar¶
Para importar funções e objectos que não fazem parte do espaço pré-definido, é necessário importá-las.
# Importar o módulo math, e chamar os seus métodos utilizando o ponto '.'
import math
a = math.cos(4 * math.pi)
# Também se podem importar funções específicas de cada módulo.
from math import pi
b = 2.0 * pi
# E até lhes podemos dar novos nomes se não gostarmos dos nomes pré-definidos.
from math import cos as coseno
c = coseno(b)
print(c)
8. Ciclos e condições¶
Os ciclos e condições são indispensáveis para qualquer operação não trivial. É importante notar que os espaços em branco contam no Python. Tudo o que tem a mesma identação é interpretado como fazendo parte do mesmo bloco!
temp = ["a", "b", "c"]
# Um ciclo clássico é o para-cada (for), ex:
for item in temp:
print(item)
# A função 'range()' é útil.
for i in range(5):
print(i)
# As condições se-então (if/else) funcionam como esperado.
idade = 77
#idade = -1.
if idade >= 0 and idade < 10:
print("Menos de 10 anos.")
elif idade >= 10:
print("Mais do que 10 anos.")
else:
print("O quê???")
# As listas compreensivas são uma forma simpática de escrever ciclos de forma compacta.
a = list(range(10))
print(a)
b = [i ** 2 for i in a]
print(b)
# Ciclo 'for' equivalente para gerar b.
b = []
for i in a:
b.append(i ** 2)
print(b)
# Os ciclos 'enquanto' (while) são executados repetidamente, enquanto as condições são verdadeiras ("True").
feliz = False
doces = 0
print(doces)
while not feliz:
doces += 1
print('doces = ' + str(doces))
if doces >= 20:
feliz = True
print('20 doces... Mmm...')
print('doces = '+ str(doces))
9. Excepções¶
No processamento automático de scripts, por veses acontecem coisas inesperadas que fazem com que o Python pare a execução do código e levante uma Exception (podemos pensar nisto como um erro). Às vezes, mesmo assim, gostaríamos que o código continuasse a correr...
while True:
try:
x = int(raw_input("Escreve um numero: "))
break
except ValueError:
print("Oh-oh! Isso não é um número válido. Tenta outra vez...")
Mas cuidado, continuar sempre em caso de Excepções pode mascarar erros nos códigos.
# Outro exemplo:
def isto_falha():
x = 1/0
try:
isto_falha()
except ZeroDivisionError as detail:
print('Temos um problema: ' + str(detail))
10. NumPy¶
O NumPy é um dos módulos mais utilizados pela comunidade científica. No centro do Numpy estão as variáveis de tipo "ndarray" (matrizes n-dimensionais). As operações com matrizes NumPy são económicas em memória utilizada e computacionalmente rápidas (as computações internas são feitas em C). É boa ideia trabalhar com as arrays e funções do NumPy sempre que possível.
import numpy as np
# Criar uma matriz com um milhão de amostras, igualmente espaçadas, entre 1 e 100.
x = np.linspace(0, 100, 1E6)
# A maioria das operações é aplicada elemento a elemento.
y = x ** 2
# Recorre a C e Fortran para fazer os cálculos mais rapidamente.
print(y.sum())
11. Fazer gráficos¶
Os gráficos são frequentemente feitos com o módulo matplotlib. A interface do matplotlib é semelhante à do matlab.
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 2000)
y = np.sin(x)
plt.plot(x, y, color="green", label="sine wave")
plt.legend()
plt.ylim(-1.1, 1.1)
plt.grid()
#plt.show()
# gravar a imagem num ficheiro
# para gravar noutros formatos de imagem basta mudar a extensão
plt.savefig('myplot1.pdf')
plt.savefig('myplot1.jpg')
12. Limpar variáveis¶
# Apagar uma ou mais variáveis.
a=1
b=2
del a, b
# Apagar todos os objectos, incluindo os módulos importados.
# Na linha de comando:
# %reset
# %reset -f
# Apagar gráficos
plt.close()
# Listar todos os objectos
dir()
# Função útil que apaga todas as variáveis, mas não apaga os objectos relacionados com os módulos importados nem funções globais.
# Pode-se inserir no início dos scripts e chamar com 'clear_all()'.
def clear_all():
"""Clears all the variables from the workspace of the spyder application."""
gl = globals().copy()
for var in gl:
if var[0] == '_': continue
if 'func' in str(globals()[var]): continue
if 'module' in str(globals()[var]): continue
del globals()[var]
if __name__ == "__main__":
clear_all()
Exercícios¶
Funções, NumPy, and Matplotlib¶
1. Funções, NumPy e Matplotlib¶
a) Escreve uma função que pega num vector NumPy x e em três números reais a, b e c como argumentos e calcula:
$$ f(x) = a x^2 + b x + c $$b) Faz o gráfico da função para valores arbitrários de a, b e c e para valores de x entre -3 e +3.
2. 99 Garrafas de cerveja¶
(tirado de http://www.ling.gu.se/~lager/python_exercises.html)
"99 Bottles of Beer" é uma canção tradicional dos EUA e Canadá. É típico cantá-la em viagens longas, porque é repetitiva, fácil de memorizar e pode-se cantá-la durante muito tempo. A letra da canção é a seguinte:
99 bottles of beer on the wall, 99 bottles of beer.
Take one down, pass it around, 98 bottles of beer on the wall.O mesmo verso é repetido, cada vez com uma garrafa a menos. A canção termina quando se chega às zero garrafas.
Escreve um script Python capaz de gerar todos os versos da canção.
3. A cifra de César¶
(tirado de http://www.ling.gu.se/~lager/python_exercises.html)
Em criptografia, o código de César é uma técnica de encriptação muito simples, na qual cada letra do texto é substituida por uma letra que fica um número de posições fixas mais à frente no alfabeto. Por exemplo, com um passo de 3, a letra A seria substituída por D, B por E, e assim consecutivamente. O método tem o nome de Júlio César, que o utilizou para comunicar com os seus generais.
ROT-13 ("rotação com passo de 13") é um exemplo da cifra de César em que o passo é 13. Em Python, a chave do ROT-13 pode-se representar com o seguinte dicionário:
chave = {'a':'n', 'b':'o', 'c':'p', 'd':'q', 'e':'r', 'f':'s', 'g':'t', 'h':'u',
'i':'v', 'j':'w', 'k':'x', 'l':'y', 'm':'z', 'n':'a', 'o':'b', 'p':'c',
'q':'d', 'r':'e', 's':'f', 't':'g', 'u':'h', 'v':'i', 'w':'j', 'x':'k',
'y':'l', 'z':'m', 'A':'N', 'B':'O', 'C':'P', 'D':'Q', 'E':'R', 'F':'S',
'G':'T', 'H':'U', 'I':'V', 'J':'W', 'K':'X', 'L':'Y', 'M':'Z', 'N':'A',
'O':'B', 'P':'C', 'Q':'D', 'R':'E', 'S':'F', 'T':'G', 'U':'H', 'V':'I',
'W':'J', 'X':'K', 'Y':'L', 'Z':'M'}
Implementa uma descodificação do ROT-13. Quando terminares, conseguirás descodificar as seguintes mensagens secretas:
Nir Prfne!
Cbe Ghgngvf, rfgrf Ebznabf fnb ybhpbf!Bónus: Escreve um codificador!