NumPy 秘籍第二版 一、上手IPython

布客飞龙
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原文链接： gitee.com

一、上手IPython

原文：Chapter 1. Winding Along with IPython

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

感谢一译的支持

在本章中，我们将介绍以下秘籍：

  • 安装IPython
  • 使用IPython作为shell
  • 阅读手册页
  • 安装matplotlib
  • 运行IPython笔记本
  • 导出IPython笔记本
  • 导入Web笔记本
  • 配置笔记本服务器
  • 探索SymPy配置文件

简介

IPython可以在ipython.org/上找到，是一个免费的开源项目，可用于Linux，Unix，Mac OS X和Windows。 IPython作者只要求你在任何使用IPython的科学工作中引用IPython。 IPython提供了交互式计算的架构。 这个项目最值得注意的部分是IPython shell。 IPython提供以下组件，其中包括：

  • 交互式Python shell（基于终端和Qt应用程序）
  • 一个Web笔记本（在IPython 0.12和更高版本中可用），支持富媒体和绘图

IPython与Python版本2.5,2.6,2.7,3.1,3.2,3.3和3.4兼容。 兼容性取决于IPython版本。 例如，IPython 2.3.0需要Python 2.7或3.3+。

您可以通过访问www.pythonanywhere.com/try-ipython…在云中尝试IPython而无需在系统上安装它。 与本地安装的软件相比，有一点延迟，所以这不如真实的东西好。 但是， IPython交互式shell中提供的大多数功能似乎都可用。 PythonAnywhere也有一个Vi（m）编辑器，如果你喜欢vi，它显然很棒。 您可以保存和编辑IPython会话中的文件。

安装IPython

IPython可以通过各种方式安装，具体取决于您的操作系统。 对于基于终端的shell，依赖于readline。 Web笔记本需要tornado和zmq。

除了安装IPython之外，我们还将安装setuptools，它将为您提供easy_install命令。 easy_install命令是Python的流行??包管理器。 一旦有easy_install，就可以安装pip。 pip命令类似于easy_install，并添加了卸载等选项。

操作步骤

本节介绍如何在Windows，Mac OS X和Linux上安装IPython。 它还描述了如何使用easy_install和pip或从源安装IPython及其依赖项：

  • 在 Windows 上安装 IPython 和setuptools：在IPython网站上可以获得Python 2或Python 3的二进制Windows安装程序 。 另请参阅ipython.org/ipython-doc…。

    使用pypi.python.org/pypi/setupt…中的安装程序安装setuptools。 然后安装pip，如下所示：

    cd C:\Python27\scripts
python .\easy_install-27-script.py pip

  • 在 Mac OS X 上安装 IPython：如果需要，请安装Apple Developer Tools（Xcode）。Xcode 可以在developer.apple.com/xcode/找到。 按照easy_install/pip说明，或本节后面提供的安装说明进行操作。

  • Installing IPython on Linux：由于有很多Linux发行版，本节不会详尽无遗：

    • 在Debian上，键入以下命令：

      $ su – aptitude install ipython python-setuptools

    • 在Fedora上，魔术命令如下：

      $ su – yum install ipython python-setuptools-devel

    • 以下命令将在Gentoo上安装IPython：

      $ su – emerge ipython

    • 对于Ubuntu，安装命令如下：

      $ sudo apt-get install ipython python-setuptools

  • **使用easy_install或pip安装 IPython **：使用easy_install安装本章中秘籍所需的IPython和所有依赖项。使用以下命令：

    $ sudo easy_install ipython pyzmq tornado readline

    或者，您可以通过在终端中键入此命令，首先使用easy_install安装pip：

    $ sudo easy_install pip

    之后，使用pip安装IPython：

    $ sudo pip install ipython pyzmq tornado readline

  • 从源码安装：如果您想使用最前沿的开发版本，那么从源代码安装适合您：

    1. 从github.com/ipython/ipy…下载最新的源存档。

    2. 从存档中解压缩源代码：

      $ tar xzf ipython-<version>.tar.gz

    3. 相反，如果你安装了Git，你可以克隆Git仓库：

      $ git clone https://github.com/ipython/ipython.git

    4. 访问已下载的源中的根目录：

      $ cd ipython

    5. 运行安装脚本。 这可能需要您使用sudo运行命令，如下所示：

      $ sudo python setup.py install

工作原理

我们使用几种方法安装了IPython。 大多数这些方法都安装了最新的稳定版本，除非您从源代码安装，这将安装开发版本。

另见

使用IPython作为shell

科学家和工程师习惯于进行实验。 IPython是由科学家创建的。 许多人将IPython提供的交互式环境视为对MATLAB，Mathematica，Maple和R的直接回答。

以下是IPython shell的功能列表：

  • TAB 补全
  • 历史机制
  • 内联编辑
  • 能够使用%run调用外部Python脚本
  • 能够调用与操作系统shell交互的魔术函数
  • 访问系统命令
  • pylab开关
  • 访问Python调试器和分析器

操作步骤

本节描述了如何使用IPython shell：

  • pylab：pylab开关自动导入所有SciPy，NumPy和matplotlib包。 没有这个开关，我们必须自己导入这些包。

    我们需要做的就是在命令行中输入以下指令：

    $ ipython --pylab
Type "copyright", "credits" or "license" for more information.

IPython 2.4.1 -- An enhanced Interactive Python.
?         -> Introduction and overview of IPython's features.
%quickref -> Quick reference.
help      -> Python's own help system.
object?   -> Details about 'object', use 'object??' for extra details.

Welcome to pylab, a matplotlib-based Python environment [backend: MacOSX].
For more information, type 'help(pylab)'.

In [1]: quit()
quit() or Ctrl + D quits the IPython shell.

  • 保存会话：我们可能希望能够返回我们的实验。 在IPython中，很容易保存会话以供以后使用。 这是通过以下命令完成的：

    In [1]: %logstart
Activating auto-logging. Current session state plus future input saved.
Filename       : ipython_log.py
Mode           : rotate
Output logging : False
Raw input log  : False
Timestamping   : False
State          : active

    可以使用以下命令关闭日志记录：

    In [9]: %logoff
Switching logging OFF

  • 执行系统 shell 命令：您可以通过在命令前加上!来执行IPython默认配置文件中的系统shell命令。 例如，以下输入将获取当前日期：

    In [1]: !date

    实际上，任何前缀为!的行 被发送到系统shell。 我们还可以存储命令输出，如下所示：

    In [2]: thedate = !date
In [3]: thedate

  • 显示历史：我们可以使用 %hist命令显示命令的历史记录，如下所示：

    In [1]: a = 2 + 2

In [2]: a
Out[2]: 4

In [3]: %hist
a = 2 + 2
a
%hist

    这是命令行界面（CLI）环境中的常见功能。 我们还可以使用-g开关查找历史记录：

    In [5]: %hist -g a = 2
 1: a = 2 + 2

工作原理

我们看到了许多所谓的魔术函数。 这些函数以%字符开头。 如果在一行中单独使用魔术函数，则%前缀是可选的。

另见

阅读手册页

我们可以使用help命令打开NumPy函数的文档。 没有必要知道函数的名称。 我们可以键入几个字符，然后让tab补全它。 例如，让我们浏览arange()函数的可用信息。

操作步骤

我们可以通过以下任一方式浏览可用信息：

  • 调用help函数：调用help命令。 键入函数的几个字符，然后按Tab键（请参见下面的截图）：How to do it...

  • 使用问号来查询：另一种选择是在功能名称后面添加问号。 当然，您将需要知道函数名称，但您不必键入help命令：

    In [3]: arange?

工作原理

TAB 补全取决于readline，因此您需要确保它已安装。 问号为您提供来自docstrings的信息。

安装matplotlib

matplotlib（按惯例全部小写）是一个非常有用的Python绘图库，我们将需要将它用于以下秘籍以及稍后的秘籍。 它依赖NumPy，但很可能已经安装了NumPy。

操作步骤

我们将看到如何在Windows，Linux和Mac OS X上安装matplotlib，以及如何从源代码安装它：

  • 在 Windows 上安装 matplotlib：您可以使用Enthought发行版安装它，也可以称为Canopy。

    可能需要将msvcp71.dll文件放在C:\Windows\system32目录中。 您可以从www.dll-files.com/dllindex/dl…获取它。

  • 在 Linux 上安装 matplotlib：让我们看看如何在各种Linux发行版中安装matplotlib：

    这是Debian和Ubuntu上的安装命令：

    $ sudo apt-get install python-matplotlib

    • Fedora / Redhat上的安装命令如下：

      $ su - yum install python-matplotlib

  • 从源码安装：您可以从Sourceforge的tar.gz发布下载最新的源代码，或使用以下命令从Git仓库获取：

    $ git clone git://github.com/matplotlib/matplotlib.git

    一旦下载，就像往常一样使用以下命令构建和安装matplotlib：

    $ cd matplotlib
$ sudo python setup.py install

  • 在 Mac OS X 上安装 matplotlib：从sourceforge.net/projects/ma…获取最新的DMG文件并进行安装。 您还可以使用Mac端口，Fink或 Homebrew包管理器。

另见

运行IPython笔记本

IPython有一个令人兴奋的功能 - 网络笔记本。 所谓的 笔记本服务器 可以通过Web为笔记本提供服务。 我们现在可以启动笔记本服务器并获得基于Web的IPython环境。 此环境具有常规IPython环境具有的大多数功能。 IPython笔记本的功能包括：

  • 显示图像和内联图
  • 在文本单元格中使用HTML和Markdown（这是一种简化的类似HTML的语言，请参阅en.wikipedia.org/wiki/Markdo…）
  • 导入和导出笔记本

做好准备

在开始之前，我们应该确保安装了所有必需的软件。 依赖tornado和zmq。 详细信息请参阅本章中的“安装 IPython”秘籍。

操作步骤

  • 运行笔记本：我们可以使用以下命令启动笔记本：

    $ ipython notebook

[NotebookApp] Using existing profile dir: u'/Users/ivanidris/.ipython/profile_default'
[NotebookApp] The IPython Notebook is running at: http://127.0.0.1:8888
[NotebookApp] Use Control-C to stop this server and shut down all kernels.

    如您所见，我们使用的是默认配置文件。 服务器在本地计算机上的端口8888上启动。 稍后您将在本章的中学习如何配置这些设置。 笔记本在默认浏览器中打开；这也是可配置的（参见下面的截图）：

    How to do it...

    IPython列出了启动笔记本的目录中的所有笔记本。 在此示例中，未找到任何笔记本。 按Ctrl + C可以停止服务器。

  • **在 pylab 模式下运行笔记本：使用以下命令在pylab 模式下运行Web笔记本：

    $ ipython notebook --pylab

    这将加载SciPy，NumPy和matplotlib模块。

  • 使用内联图运行笔记本：我们可以使用以下命令，使用inline指令显示 matplotlib 内联图：

    $ ipython notebook --pylab inline

    以下步骤演示了IPython笔记本功能：

    1. 单击New Notebook按钮来创建新笔记本。How to do it...
    2. 使用arange()函数创建一个数组。 键入以下截图中显示的命令，然后单击Cell / Run：How to do it...
    3. 然后输入以下命令并按Enter。 您将在Out [2]中看到输出，如以下截图所示：How to do it...
    4. 将 sinc()函数应用于数组并绘制结果，如此截图所示：

    How to do it...

工作原理

内联选项能够显示matplotlib内联图。 与pylab模式结合使用时，无需导入NumPy，SciPy和matplotlib软件包。

另见

导出IPython笔记本

有时，您会想要与朋友或同事交换笔记本。 Web笔记本提供了几种导出数据的方法。

操作步骤

可以使用以下选项导出Web笔记本：

  • Print选项：Print按钮实际上不打印笔记本，但允许您将笔记本导出为PDF或HTML文档。

  • 下载笔记本：使用Download按钮将笔记本下载到您选择的位置。 我们可以指定是否要将笔记本下载为.py文件，这只是一个普通的Python程序，或者以JSON格式下载为.ipynb 文件。 我们在上一个秘籍中创建的笔记本在导出后如下所示：

    {
 "metadata": {
  "name": "Untitled1"
 }, 
 "nbformat": 2, 
 "worksheets": [
  {
    "cells": [
    {
      "cell_type": "code", 
      "collapsed": false, 
      "input": [
        "plot(sinc(a))"
      ], 
      "language": "python", 
      "outputs": [
      {
        "output_type": "pyout", 
        "prompt_number": 3, 
        "text": [
          "[<matplotlib.lines.Line2D at 0x103d9c690>]"
        ]
      }, 
      {
        "output_type": "display_data", 
        "png": "iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAXkAAAD9CAYAAABZVQdHAAAABHNCSVQICAgIf...
          mgkAAAAASUVORK5CYII=\n"
      }
      ], 
      "prompt_number": 3
    }
    ]
  }
  ]
}

    注意

    为简洁起见，省略了一些文本。 此文件不用于编辑甚至阅读，但如果忽略图像表示部分，则该文件非常易读。 JSON的更多信息请参阅en.wikipedia.org/wiki/JSON。

  • 保存笔记本：使用Save按钮保存笔记本。 这将自动以原生JSON 格式，.ipynb导出笔记本。 该文件将存储在最初启动IPython的目录中。

导入Web笔记本

Python 脚本可以作为Web笔记本导入。 显然，我们还可以导入以前导出的笔记本。

操作步骤

此秘籍向您展示如何将Python脚本导入为Web笔记本。

使用以下命令加载Python脚本：

% load vectorsum.py

以下截图显示了将vectorsum.py加载到笔记本页面后所看到的示例，来自《NumPy Beginner's Guide》：

How to do it...

配置笔记本服务器

公共笔记本服务器需要是安全的。 您应该设置密码并使用SSL证书连接它。 我们需要证书通过HTTPS提供安全通信（更多信息请参阅en.wikipedia.org/wiki/Transp…）。 HTTPS在Internet上广泛使用的标准HTTP协议之上添加了一个安全层。 HTTPS还会加密从客户端发送到服务器和返回的数据。 证书机构通常是为网站颁发证书的商业组织。 Web浏览器具有证书机构的知识，可以识别证书。 网站管理员需要创建证书并由证书机构签名。

操作步骤

以下步骤描述了如何配置安全的笔记本服务器：

  1. 我们可以从IPython生成密码。 启动一个新的IPython会话并输入以下命令：

    In [1]: from IPython.lib import passwd

In [2]: passwd()
Enter password: 
Verify password: 
Out[2]: 'sha1:0e422dfccef2:84cfbcbb3ef95872fb8e23be3999c123f862d856'

    在输入的第二行，系统将提示您输入密码。 你需要记住这个密码。 生成一个长字符串。 复制此字符串，因为稍后您将需要它。

  2. 要创建SSL 证书，您需要在路径中使用openssl命令。

    设置openssl命令不是火箭科学，但它可能很棘手。 不幸的是，它超出了本书的范围。 但有个好消息，有大量的在线教程可以帮助您进一步。

    执行以下命令来创建名为mycert.pem的证书：

    $ openssl req -x509 -nodes -days 365 -newkey rsa:1024 -keyout mycert.pem -out mycert.pem
Generating a 1024 bit RSA private key
......++++++
........................++++++
writing new private key to 'mycert.pem'
-----
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:
State or Province Name (full name) [Some-State]:
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:
Organizational Unit Name (eg, section) []:
Common Name (eg, YOUR name) []:
Email Address []:

    openssl工具会提示您填写一些字段。 更多信息请查看相关的手册页，如下所示：

    $ man openssl

  3. 使用以下命令为服务器创建特殊配置文件：

    $ ipython profile create nbserver

  4. 编辑配置文件。 在此示例中，可以在~/ .ipython / profile_nbserver / ipython_notebook_config.py中找到它。

    配置文件非常大，因此我们将省略其中的大部分行。 我们需要更改的行如下：

    c.NotebookApp.certfile = u'/absolute/path/to/your/certificate'
c.NotebookApp.password = u'sha1:b...your password'
c.NotebookApp.port = 9999

    请注意，我们指向我们创建的SSL证书。 我们设置了密码并将端口更改为9999。

  5. 使用以下命令，启动服务器来检查更改是否有效：

    $ ipython notebook --profile=nbserver
[NotebookApp] Using existing profile dir: u'/Users/ivanidris/.ipython/profile_nbserver'
[NotebookApp] The IPython Notebook is running at: https://127.0.0.1:9999
[NotebookApp] Use Control-C to stop this server and shut down all kernels.

    服务器在端口9999上运行，您需要通过https连接它。 如果一切顺利，您应该看到一个登录页面。 此外，您可能需要在浏览器中接受安全例外。

    How to do it...

工作原理

我们为公共服务器创建了一个特殊的配置文件。有一些已存在的示例配置文件，例如默认配置文件。 创建配置文件会将profile_<profilename>文件夹，配置文件以及其他，添加到.ipython目录中。 然后可以使用 - profile =<profile_name>命令行选项加载配置文件。 我们可以使用以下命令列出配置文件：

$ ipython profile list

Available profiles in IPython:
 cluster
 math
 pysh
 python3

 The first request for a bundled profile will copy it
 into your IPython directory (/Users/ivanidris/.ipython),
 where you can customize it.

Available profiles in /Users/ivanidris/.ipython:
 default
 nbserver
 sh

另见

探索SymPy配置文件

IPython有SymPy示例配置文件。 SymPy是Python符号数学库。 我们可以简化代数表达式或微分函数，类似于Mathematica和Maple。 SymPy显然是一款有趣的软件，但对于NumPy的旅程来说并不是必需的。 将此视为可选或奖励秘籍。 像甜点一样，随意跳过它，尽管你可能会错过本章最甜蜜的部分。

做好准备

使用easy_install或pip安装SymPy：

$ sudo easy_install sympy
$ sudo pip install sympy

操作步骤

以下步骤将帮助您浏览SymPy配置文件：

  1. 查看配置文件，该文件位于~/.ipython/profile_sympy/ipython_config.py。 内容如下：

    c = get_config()
app = c.InteractiveShellApp

# This can be used at any point in a config file to load a sub config
# and merge it into the current one.
load_subconfig('ipython_config.py', profile='default')

lines = """
from __future__ import division
from sympy import *
x, y, z, t = symbols('x y z t')
k, m, n = symbols('k m n', integer=True)
f, g, h = symbols('f g h', cls=Function)
"""

# You have to make sure that attributes that are containers already
# exist before using them.  Simple assigning a new list will override
# all previous values.

if hasattr(app, 'exec_lines'):
 app.exec_lines.append(lines)
else:
 app.exec_lines = [lines]

# Load the sympy_printing extension to enable nice printing of sympy expr's.
if hasattr(app, 'extensions'):
    app.extensions.append('sympyprinting')
else:
    app.extensions = ['sympyprinting']

    此代码完成以下操作：

    • 加载默认配置文件
    • 导入SymPy包
    • 定义符号

  2. 使用此命令来使用SymPy配置文件启动IPython：

    $ ipython --profile=sympy

  3. 使用以下截图中显示的命令，展开代数表达式：How to do it...

另见

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