【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程笔记（一）：Python Numpy教程(1)

最近开了一个新坑——【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程，准备认真学习并记录自己的学习历程。

【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程笔记

由官方授权的CS231n课程笔记翻译知乎专栏——智能单元，比较详细地翻译了课程笔记，我这里就是参考和总结。

【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程笔记（一）：Python Numpy教程

这个课程将使用Python编程语言来完成课程的所有作业。Python是一门伟大的通用编程语言，在一些常用库（numpy, scipy, matplotlib）的帮助下，它又会变成一个强大的科学计算环境。

对于没有Python经验的同学，这篇教程可以帮助你们快速了解Python编程环境和如何使用Python作为科学计算工具。

Python

Python是一种高级的，动态类型的多范型编程语言。很多时候，大家会说Python看起来简直和伪代码一样，这是因为你能够通过很少行数的代码表达出很有力的思想。举个例子，下面是用Python实现的经典的quicksort算法例子：

def quicksort(arr):
    if len(arr) <= 1:
        return arr
    pivot = arr[len(arr) // 2]
    left = [x for x in arr if x < pivot]
    middle = [x for x in arr if x == pivot]
    right = [x for x in arr if x > pivot]
    return quicksort(left) + middle + quicksort(right)

print(quicksort([3,6,8,10,1,2,1]))
# Prints "[1, 1, 2, 3, 6, 8, 10]"

解析：

arr = [3,6,8,10,1,2,1]
pivot = arr[len(arr) // 2]
left = [x for x in arr if x < pivot]
middle = [x for x in arr if x == pivot]
right = [x for x in arr if x > pivot]
print('left:',left)
print('middle:',middle)
print('right:',right)

> left: [3, 6, 8, 1, 2, 1]
> middle: [10]
> right: []

Python版本

目前有两种不同的Python支持版本，2.7和3.5。有点令人困惑的是，Python 3.0对该语言引入了许多向后不兼容的更改，因此为2.7编写的代码在3.5以下可能无法工作，反之亦然。对于这个类，所有代码都将使用Python 3.5。

如何查看版本呢？使用python --version命令。

基本数据类型

和大多数编程语言一样，Python拥有一系列的基本数据类型，比如整型、浮点型、布尔型和字符串等。这些类型的使用方式和在其他语言中的使用方式是类似的。

数字：整型和浮点型的使用与其他语言类似。

x = 3
print(type(x)) # Prints "<class 'int'>"
print(x)       # Prints "3"
print(x + 1)   # Addition; prints "4"
print(x - 1)   # Subtraction; prints "2"
print(x * 2)   # Multiplication; prints "6"
print(x ** 2)  # Exponentiation; prints "9"
x += 1
print(x)  # Prints "4"
x *= 2
print(x)  # Prints "8"
y = 2.5
print(type(y)) # Prints "<class 'float'>"
print(y, y + 1, y * 2, y ** 2) # Prints "2.5 3.5 5.0 6.25"

需要注意的是，Python中没有 x++ 和 x-- 的操作符。

Python还有复杂数字的内置类型，具体细节可以查看文档。

布尔型：Python实现了所有的布尔逻辑，但用的是英语，而不是我们习惯的操作符（比如&&和||等）。

t = True
f = False
print(type(t)) # Prints "<class 'bool'>"
print(t and f) # Logical AND; prints "False"
print(t or f)  # Logical OR; prints "True"
print(not t)   # Logical NOT; prints "False"
print(t != f)  # Logical XOR; prints "True"

字符串：Python对字符串的支持非常棒。

hello = 'hello'    # String literals can use single quotes
world = "world"    # or double quotes; it does not matter.
print(hello)       # Prints "hello"
print(len(hello))  # String length; prints "5"
hw = hello + ' ' + world  # String concatenation
print(hw)  # prints "hello world"
hw12 = '%s %s %d' % (hello, world, 12)  # sprintf style string formatting
print(hw12)  # prints "hello world 12"

字符串对象有一系列有用的方法，比如：

s = "hello"
print(s.capitalize())  # Capitalize a string; prints "Hello"
print(s.upper())       # Convert a string to uppercase; prints "HELLO"
print(s.rjust(7))      # Right-justify a string, padding with spaces; prints "  hello"
print(s.center(7))     # Center a string, padding with spaces; prints " hello "
print(s.replace('l', '(ell)'))  # Replace all instances of one substring with another;
                                # prints "he(ell)(ell)o"
print('  world '.strip())  # Strip leading and trailing whitespace; prints "world"

如果想详细查看字符串方法，请看文档。

容器Containers

译者注：有知友建议container翻译为复合数据类型，供读者参考。

Python有以下几种容器类型：列表（lists）、字典（dictionaries）、集合（sets）和元组（tuples）。

列表Lists

列表就是Python中的数组，但是列表长度可变，且能包含不同类型元素。

xs = [3, 1, 2]    # Create a list
print(xs, xs[2])  # Prints "[3, 1, 2] 2"
print(xs[-1])     # Negative indices count from the end of the list; prints "2"
xs[2] = 'foo'     # Lists can contain elements of different types
print(xs)         # Prints "[3, 1, 'foo']"
xs.append('bar')  # Add a new element to the end of the list
print(xs)         # Prints "[3, 1, 'foo', 'bar']"
x = xs.pop()      # Remove and return the last element of the list
print(x, xs)      # Prints "bar [3, 1, 'foo']"

列表的细节，同样可以查阅文档。

切片Slicing：为了一次性地获取列表中的元素，Python提供了一种简洁的语法，这就是切片。

nums = list(range(5))     # range is a built-in function that creates a list of integers
print(nums)               # Prints "[0, 1, 2, 3, 4]"
print(nums[2:4])          # Get a slice from index 2 to 4 (exclusive); prints "[2, 3]"
print(nums[2:])           # Get a slice from index 2 to the end; prints "[2, 3, 4]"
print(nums[:2])           # Get a slice from the start to index 2 (exclusive); prints "[0, 1]"
print(nums[:])            # Get a slice of the whole list; prints "[0, 1, 2, 3, 4]"
print(nums[:-1])          # Slice indices can be negative; prints "[0, 1, 2, 3]"
nums[2:4] = [8, 9]        # Assign a new sublist to a slice
print(nums)               # Prints "[0, 1, 8, 9, 4]"

在Numpy数组的内容中，我们会再次看到切片语法。

循环Loops：我们可以这样遍历列表中的每一个元素：

animals = ['cat', 'dog', 'monkey']
for animal in animals:
    print(animal)
# Prints "cat", "dog", "monkey", each on its own line.

如果想要在循环体内访问每个元素的指针，可以使用内置的**enumerate**函数

animals = ['cat', 'dog', 'monkey']
for idx, animal in enumerate(animals):
    print('#%d: %s' % (idx + 1, animal))
# Prints "#1: cat", "#2: dog", "#3: monkey", each on its own line

列表推导List comprehensions：在编程的时候，我们常常想要将一种数据类型转换为另一种。下面是一个简单例子，将列表中的每个元素变成它的平方。

nums = [0, 1, 2, 3, 4]
squares = []
for x in nums:
    squares.append(x ** 2)
print(squares)   # Prints [0, 1, 4, 9, 16]

使用列表推导，你就可以让代码简化很多：

nums = [0, 1, 2, 3, 4]
squares = [x ** 2 for x in nums]
print(squares)   # Prints [0, 1, 4, 9, 16]

列表推导还可以包含条件：

nums = [0, 1, 2, 3, 4]
even_squares = [x ** 2 for x in nums if x % 2 == 0]
print(even_squares)  # Prints "[0, 4, 16]"

字典Dictionaries

字典用来储存（键, 值）对，这和Java中的Map差不多。你可以这样使用它：

d = {'cat': 'cute', 'dog': 'furry'}  # Create a new dictionary with some data
print(d['cat'])       # Get an entry from a dictionary; prints "cute"
print('cat' in d)     # Check if a dictionary has a given key; prints "True"
d['fish'] = 'wet'     # Set an entry in a dictionary
print(d['fish'])      # Prints "wet"
# print(d['monkey'])  # KeyError: 'monkey' not a key of d
print(d.get('monkey', 'N/A'))  # Get an element with a default; prints "N/A"
print(d.get('fish', 'N/A'))    # Get an element with a default; prints "wet"
del d['fish']         # Remove an element from a dictionary
print(d.get('fish', 'N/A')) # "fish" is no longer a key; prints "N/A"

想要知道字典的其他特性，请查阅文档。

循环Loops：在字典中，用键来迭代更加容易。

d = {'person': 2, 'cat': 4, 'spider': 8}
for animal in d:
    legs = d[animal]
    print('A %s has %d legs' % (animal, legs))
# Prints "A person has 2 legs", "A cat has 4 legs", "A spider has 8 legs"

如果你想要访问键和对应的值，那就使用 items 方法：

d = {'person': 2, 'cat': 4, 'spider': 8}
for animal, legs in d.items():
    print('A %s has %d legs' % (animal, legs))
# Prints "A person has 2 legs", "A cat has 4 legs", "A spider has 8 legs"

字典推导Dictionary comprehensions：和列表推导类似，但是允许你方便地构建字典。

nums = [0, 1, 2, 3, 4]
even_num_to_square = {x: x ** 2 for x in nums if x % 2 == 0}
print(even_num_to_square)  # Prints "{0: 0, 2: 4, 4: 16}"

集合Sets

集合是独立不同个体的无序集合。示例如下：

animals = {'cat', 'dog'}
print('cat' in animals)   # Check if an element is in a set; prints "True"
print('fish' in animals)  # prints "False"
animals.add('fish')       # Add an element to a set
print('fish' in animals)  # Prints "True"
print(len(animals))       # Number of elements in a set; prints "3"
animals.add('cat')        # Adding an element that is already in the set does nothing
print(len(animals))       # Prints "3"
animals.remove('cat')     # Remove an element from a set
print(len(animals))       # Prints "2"

和前面一样，要知道更详细的，查看文档。

循环Loops：在集合中循环的语法和在列表中一样，但是集合是无序的，所以你在访问集合的元素的时候，不能做关于顺序的假设。

animals = {'cat', 'dog', 'fish'}
for idx, animal in enumerate(animals):
    print('#%d: %s' % (idx + 1, animal))
# Prints "#1: fish", "#2: dog", "#3: cat"

集合推导Set comprehensions：和字典推导一样，可以很方便地构建集合：

from math import sqrt
nums = {int(sqrt(x)) for x in range(30)}
print(nums)  # Prints "{0, 1, 2, 3, 4, 5}"

元组Tuples

元组是一个值的有序列表（不可改变）。从很多方面来说，元组和列表都很相似。和列表最重要的不同在于，元组可以在字典中用作键，还可以作为集合的元素，而列表不行。例子如下：

d = {(x, x + 1): x for x in range(10)}  # Create a dictionary with tuple keys
t = (5, 6)        # Create a tuple
print(type(t))    # Prints "<class 'tuple'>"
print(d[t])       # Prints "5"
print(d[(1, 2)])  # Prints "1"

文档有更多元组的信息。

函数Functions

Python函数使用def来定义函数：

def sign(x):
    if x > 0:
        return 'positive'
    elif x < 0:
        return 'negative'
    else:
        return 'zero'

for x in [-1, 0, 1]:
    print(sign(x))
# Prints "negative", "zero", "positive"

我们常常使用可选参数来定义函数：

def hello(name, loud=False):
    if loud:
        print('HELLO, %s!' % name.upper())
    else:
        print('Hello, %s' % name)

hello('Bob') # Prints "Hello, Bob"
hello('Fred', loud=True)  # Prints "HELLO, FRED!"

函数还有很多内容，可以查看文档。

类Classes

Python对于类的定义是简单直接的：

class Greeter(object):

    # Constructor
    def __init__(self, name):
        self.name = name  # Create an instance variable

    # Instance method
    def greet(self, loud=False):
        if loud:
            print('HELLO, %s!' % self.name.upper())
        else:
            print('Hello, %s' % self.name)

g = Greeter('Fred')  # Construct an instance of the Greeter class
g.greet()            # Call an instance method; prints "Hello, Fred"
g.greet(loud=True)   # Call an instance method; prints "HELLO, FRED!"

更多类的信息请查阅文档。

【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程笔记（一）：Python Numpy教程(1)
【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程笔记（二）：Python Numpy教程(2)
【CS231n】斯坦福大学李飞飞视觉识别课程笔记（三）：Python Numpy教程(3)