[Python与数学建模-入门使用]-3复合数据类型

  数值类型、布尔类型数据不可再分解为其他类型,而列表、元组、集合和字典类型的数据包含多个相互关联的数据元素,所以称它们为复合数据类型。字符串其实也是一种复合数据,其元素是单个字符。
  列表、元组和字符串是有顺序的数据元素的集合体,称为序列(sequence)。序列可以通过各数据元素在序列中的位置编号(索引)来访问数据元素。集合和字典属于无顺序的数据集合体,数据元素没有特定的排列顺序,因此不能像序列那样通过位置编号来访问数据元素。

1list列表

  关于list列表,需要对其说明如下三点:
  (1)列表的构造是通过英文状态下的方括号完成的,即[]。a=[]表示a为空列表,列表中的元素是不受任何限制的,可以存放数值、字符串及其他数据结构的内容。
  (2)列表是一种序列,即每个元素是按照顺序存入的,这些元素都有一个属于自己的位置(或下标)。
  (3)列表是一种可变类型的数据结构,即可以实现对列表的修改,包括增加、删除和修改列表中的元素值。
  “列表是一种序列”指的是可以通过索引(或下标)的方式实现列表元素的获取,Python中的索引都是用英文状态下的方括号表示,而且,对于位置索引来说,都是从0开始。

1.1索引

  列表的索引可分为如下四种:
  (1)正向索引,元素的索引从左边第一个元素的索引为0开始,从左到右逐个递增,最右边的索引为“列表元素-1”
  (2)负向索引,元素的索引从最后一个元素为-1开始,从右到左逐个递减,最左边元素的索引为“-列表元素个数”
  (3)切片索引,切片索引指的是按照固定的步长,连续取出多个元素,可以用[start:end:step]表示,start指索引元素的起始位置;end指索引元素的终止位置(注意,end位置的元素是取不到的!),step指索引的步长,默认为1,表示逐个取出一连串的列表元素。
  (4)无限索引,,无限索引是指在切片过程中不限定起始元素的位置或终止元素的位置,甚至起始和终止元素的位置都不限定,可以用[::step]表示。第一个冒号是指从列表的第一个元素开始获取;第二个冒号是指到最后一个元素结束(包含最后一个元素值)。
  索引示例如下:
  程序文件Pz1_9.py

a=["张三", "男", 23, "江苏", "硕士", "已婚", ["身高172", "体重70"]]
print(a[0])      #显示第一个元素:张三
print(a[-1])     #显示最后一个元素:['身高172', '体重70']
print(a[-1][1])  #显示最后一个元素中的第二个元素:体重70
print(a[-3:])    #显示后三个元素
print(a[:3])     #显示前三个元素
print(a[::2])    #显示奇数位置的元素
print(a[0:-1])   #显示第一个元素到倒数第二个元素

1.2列表元素的增加

  如果需要往列表中增加元素,可使用Python提供的三种方法,即append、extend和insert。Python方法的调用格式为object.method,函数的调用格式为function(object),两者是有区别的;如果从广义的角度来看“方法”和函数,它们都属于对象的处理函数。
  (1)append
  append是列表所特有的方法,该方法每次往列表的尾部增加一个元素。
  (2)extend
  extend方法可以往列表的尾部添加多个元素。
  (3)insert
  insert方法可以在列表的指定位置插入新值,该方法需要传递两个参数:第一个参数是索引(或下标),表示插入的位置;第二个参数是具体插入的值,既可以是一个常量,也可以是一个列表,如果是列表,就是以嵌套列表的形式插入。
  增加列表元素示例如下:
  程序文件Pz1_10.py

a=[1,2,3]; a.append(4)  #在列表末尾添加数字4
print(a)    #显示:[1, 2, 3, 4]
a.extend([3,2,1])  #在列表末尾添加3个元素
print(a)    #显示:[1, 2, 3, 4, 3, 2, 1]
a.insert(0,-1)   #把-1插到第一个元素的位置
print(a)    #显示:[-1, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1]

1.3.列表元素的删除

  列表元素的删除有三种方法,分别是pop、remove和clear。
  (1)pop
  pop可以完成列表元素两种风格的删除,pop()删除列表的末尾元素,pop(n)删除列表索引n位置的元素。
  (2)remove
  remove方法删除指定的元素。如果列表中有多个与要删除元素相同的元素,则删除从左边数的第一个元素。如果要删除的元素在列表中不存在,则报错。
  (3)clear
  clear方法是清空列表,即把列表中的所有元素全部删除,返回的是一个空列表。删除列表元素示例如下:
  程序文件Pz1_11.py

a=[10, 20, 30, 5, 8, 5, 8, 6, 6];
a.pop()  #删除最后一个元素
print(a)  #显示:[10, 20, 30, 5, 8, 5, 8, 6]
a.pop(2)  #删除第3个元素
print(a)  #显示:[10, 20, 5, 8, 5, 8, 6]
a.remove(8); a.remove(8) #依次从左往右删除两个8
print(a)  #显示:[10, 20, 5, 5, 6]
a.clear()  #清空列表
print(a)   #显示:[]
image.png

2tuple、dict字典和set集合

2.1tuple元组

  元组是一个不可改变的列表。不可改变意味着它不能被修改。元组只是逗号分隔的对象序列(不带括号的列表)。为了增加代码的可读性,通常将元组放在一对圆括号中:

my_tuple=1,2,3    #第一个元组
my_tuple=(1,2,3)   #与上面相同
singleton=1,       #逗号表明该对象是一个元组

  元组与列表类似,关于元组同样需要做三点说明:
  (1)元组通过英文状态下的圆括号构成,即() a=()表示a为空元组,b1=(9,)表示b1为只有一个元素9的元组;b2=(9)表示b2为整数9。
  (2)元组仍然是一种序列,所以几种获取列表元素的索引方法同样可以使用到元组对象中。
  (3)与列表最大的区别是,元组不再是一种可变类型的数据结构。
  由于元组只是存储数据的不可变容器,因此其只有两种可用的“方法”,分别是count和index,它们的功能与列表中的count和index方法完全一样。

2.2dict字典

  字典是非常常用的一种数据结构,核心就是以键值对的形式存储数据,关于Python中的字典做如下四点说明:
  (1)构造字典对象需要使用大括号表示,即{}。每一个字典元素都是以键值对的形式存在,并且键值对之间用英文状态下的冒号隔开,即key: value。
  (2)键在字典中是唯一的,不能有重复,对于字符型的键需要用引号引起来。值可以是单个值,也可以是多个值构成的列表、元组或字典。
  (3)字典不再是序列,无法通过位置索引完成元素值的获取,只能通过键索引实现。
  (4)字典与列表一样,都是可变类型的数据结构。
  除了使用大括号“{}”来构造字典外,也可以使用dict()函数,或者先创建空的字典,再使用[]运算符以键设值。修改字典的方法必须针对“键”来设置该元素的新值。如果要新增字典的“键值”对,只要加入新的“键值”即可。语法范例如下:
  程序文件Pz1_12.py

d={'姓名':'张三','年龄':33,'子女':{'子':'张四','女':'张玲'}}  #构造字典
print(d)  #显示:{'姓名': '张三', '年龄': 33, '子女': {'子': '张四', '女': '张玲'}}
print(d['年龄'])  #显示年龄的值,输出:33
d['年龄']=35    #将字典中'年龄'键的值修改为35
print(d)  #显示修改后字典:{'姓名': '张三', '年龄': 35, '子女': {'子': '张四', '女': '张玲'}}
d['户籍']='烟台'  #新增元素
print(d)   #显示新增元素后的字典:{'姓名': '张三', '年龄': 35, '子女': {'子': '张四', '女': '张玲'}, '户籍': '烟台'}
d.pop('子女')  #删除元素
print(d)  #显示删除元素后的字典:{'姓名': '张三', '年龄': 35, '户籍': '烟台'}

2.3set集合

  在Python中,集合是一个无序排列的、不重复的集合体,类似于数学中的集合概念,可对其进行交、并、差等运算。集合和字典都属于无序集合体,有许多操作是一致的。

2.3.1集合的创建

  在Python中,创建结合有两种方式:一种是用一对大括号将多个用逗号分隔的数据括起来;另一类是使用set()函数,该函数可以将字符串、列表、元组等类型的数据转换成集合类型的数据。
  集合中不能有相同元素,如果在创建集合时有重复元素,Python会自动删除重复的元素。集合的这个特性非常有用,例如,要删除列表中大量重复的元素,可以先用set()函数将列表转换成集合,再用list()函数将集合转换成列表,操作效率非常高。
  集合操作范例如下:
  程序文件Pz1_13.py

a=set('abcde')  #把字符串转化为集合
print(a)   #每次输出是不一样的,如输出:{'a', 'd', 'e', 'c', 'b'}
b=[1,2,2,2,3,5,6,6]
c=set(b)   #转化为集合,去掉重复元素
print(list(c))  #显示去掉重复元素列表,输出:[1, 2, 3, 5, 6]

2.3.2集合的常用方法

  Python以面向对象方式为集合类型提供了很多方法,集合的常用方法见表1.8。


image.png

image.png

3序列的一些使用操作

  在Python语言中,string字符串、list列表、tuple元组都是属于序列的数据类型。

3.1string字符串的实用操作

  内置函数str()可将数值数据转化为字符串,  例如

str()     #输出空字符串:''
str(123)  #输出字符串:'123'

  要串接多个字符串,可以使用“+”符号,例如:

print('大学'+'中庸'+'论语'+'孟子')  #输出:大学中庸论语孟子

  字符串的函数很多,下面介绍几个实用的函数。
  (1)len()
  该函数获取字符串的长度。

len('happy')    #输出:5

  (2)count()
  该函数找出子字符串出现的次数。
str="Good Morning"

str.count('o')   #输出:3

  (3)eval()函数
  与字符串有关的一个重要函数是eval,该函数的作用是把字符串的内容作为对应的Python语句来执行,例如:

x='12+23'
eval(x)     #输出:35

  (4)find()函数
  find()从字符串中查找子字符串,返回值为子字符串所在位置的最左端索引。如果没有找到则返回-1。扩展的rfind()方法表示从右向左查找。
  例如,下面获取字符串“def”的位置,位于第3个位置(从0开始计数)。

str='abcdefghijk'
ind=str.find('def')   #输出:3

  (5)split()函数
  该函数用于将字符串分割成序列,返回分割后的字符串列表。如果不提供分隔符,那么程序将会把所有空格作为分隔符。
  例如:

str1="I am a student"
List1=str1.split()    #输出:['I', 'am', 'a', 'student']
str2="1,2,3,4"
List2=str2.split(',')  #逗号","作为分隔符,输出:['1', '2', '3', '4']

  (6)strip()函数
  该函数用于去除字符串开头和结尾的空格字符(不包括字符串内部的空格),同时S.strip([chars])可去除指定字符。扩展的函数lstrip()用于去除字符串开始(最左边)的所有空格,rstrip()用于去除字符串尾部(最右边)的所有空格。
  例如,去除字符串前后两端的空格:

str="    I am a teacher   "
print(str.strip())      #输出:I am a teacher

  (7)join()函数
  该函数通过某个字符拼接序列中的字符串元素,然后返回一个拼接好的字符串。可以认为join()函数是split()函数的逆方法。
  例如,采用空格(' ')(注意不是空字符,中间有一个空格)拼接字符串

List=['I','am','a','teacher']
print(' '.join(List))      #输出:I am a teacher

3.2几个序列操作函数

image.png

  (1)map()函数
  map()函数的调用格式为:
  map(func, *iterables)
  map()函数接收一个函数func和一个列表,把函数func依次作用在列表的每个元素上,得到一个新的列表。例如:

a=map(pow,range(6),[2 for b in range(6)])
list(a)   #输出:[0, 1, 4, 9, 16, 25]

  (2)reduce()函数
  它的调用格式为:
  reduce(function, sequence[, initial])
  其中function是有两个参数的函数,sequence是元组、列表、字典和字符串等可迭代对象,initial是可选的初始值。
  reduce的工作过程是 :在迭代sequence的过程中,首先把前两个元素传给函数参数,函数加工后,然后把得到的结果和第三个元素作为两个参数传给函数参数,函数加工后得到的结果又和第四个元素作为两个参数传给函数参数,依次类推。如果传入了initial值,那么首先传的就不是sequence的第一个和第二个元素,而是initial值和第一个元素。经过这样的累计计算之后合并序列到一个单一返回值。


image.png

  (3)filter()函数
  它的调用格式为:
  filter(function or None, iterable)
  filter的主要作用是通过function对iterable中的元素进行过滤,并返回一个迭代器(iterator),其中是function返回True的元素。如果function传入None,则返回所有本身可以判断为True的元素。


image.png

  (4)zip()函数
  zip(列表1,列表2,…):将多个列表或元组对应位置的元素组合为元组,并返回包含这些元组的zip对象。例如:
a=range(1,5)
b=range(5,9)
c=zip(a,b)
list(c)    #输出:[(1, 5), (2, 6), (3, 7), (4, 8)]
#*操作符将元组分为了两个独立的参数进行传递。
list(zip(*zip(a,b)))   #输出:[(1, 2, 3, 4), (5, 6, 7, 8)]

  (5)enumerate()函数
  enumerate()函数枚举列表、元组或其他可迭代对象的元素,返回枚举对象,枚举对象中的每个元素是包含下标和元素值的元组。该函数对字符串、字典同样有效。例如:

a=[(1, 5), (2, 6), (3, 7)]
for b in enumerate(a): print(b) 
输出结果:
(0, (1, 5))
(1, (2, 6))
(2, (3, 7))

  再看一下enumerate()函数用于列表推导式:

a=[(1, 5), (2, 6), (3, 7)]
print([value[0] for (ind,value) in enumerate(a)])  #输出:[1, 2, 3]
print([value[1] for (ind,value) in enumerate(a)])  #输出:[5, 6, 7]

3.3列表推导式和元组生成器推导式

  (1)列表推导式
  列表推导式可以说是Python程序开发时应用最多的技术之一。列表推导式在一个序列的值上应用一个任意表达式,将其结果收集到一个新的列表中并返回。它的基本形式是一个中括号里面包含一个for语句对一个可迭代对象进行迭代。例如:

B=[[0]*6 for i in range(4)]
输出:
[[0, 0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0, 0]]

  下面通过几个示例来进一步体会列表推导式的强大功能。
  ①使用列表推导式实现嵌套列表的平铺

a=[[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]]
b=[d for c in a for d in c]   #输出:[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

  ②过滤不符合条件的元素
  在列表推导式中可以使用if子句来进行筛选,例如:

a=[-1,-2,6,8,-10,3]
b=[i for i in a if i>0]  #输出:[6, 8, 3]

  ③在列表推导式中使用多个循环,实现多序列元素的任意组合,并且可以结合条件语句过滤特定元素,例如:

c=[(x,y) for x in range(5) if x%2==0 for y in range(5) if y%2==1]
#输出:[(0, 1), (0, 3), (2, 1), (2, 3), (4, 1), (4, 3)]

  (2)元组生成器推导式
从形式上看,元组生成器推导式与列表推导式非常接近,只是元组生成器推导式使用圆括号而不是列表推导式所使用的方括号。与列表推导式不同的是,元组生成器推导式的结果是一个生成器对象,而不是列表,也不是元组。使用生成器对象的元素时,需要将其转化为列表或元组。例如:
g1=((i+1)**2 for i in range(6))
g2=tuple(g1) #输出:(1, 4, 9, 16, 25, 36)

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