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Julia Data Science

Welcome - Julia Data Science (julialang.org)

第一章 前言

  • 什么是数据科学？
  • 数字素养
    • 操作数据
    • 可视化数据
  • 软件工程

第二章 为什么选择 Julia

  • 从未编过程
  • 有编程经验
    • 使用 Julia，Python 或 R 的分钟级运行时间可能会缩短为秒级
    • 在 Julia 中，你可以自定义各种各样的代码
    • 在 Julia 中，你仅需要阅读 Julia 代码，并且不需要学习其他语言来加速原来的代码
    • Julia 用户能够轻松地共享和重用来自不同包的代码
    • 而 Julia 有着令人惊叹的项目管理方案和绝佳的包管理器
  • Julia 想实现什么？
    • 简单且快速、大规模的数据与计算、容易地创建和操作原型代码
    • Julia vs. 其他编程语言
    • 两语言问题
      • 发原型（易编程）和方案实现 （速度快）将采用相同的语言
      • 代码和数学关系的一对一
    • 多重派发
  • Julia 应用案例

第三章 Julia 基础

  • 开发环境
  • 语法
    • Julia 是一种即时编译的动态类型语言
    • Julia 允许用户进行类型声明
    • Julia 允许用户通过多重派发定义不同参数类型组合的函数行为
    • 变量
      • 整数和实数默认使用 64 位存储
      • 使用 typeof() 函数可以查看变量的类型
      • methodswith() 函数，它可以为输出所有可用于指定类型的函数
    • 用户定义类型
      • 使用 struct（也称为复合类型）来定义结构化数据
      • 可以通过将 struct 作为参数传递给 fieldnames() 检查字段名称列表
      • 要使用 struct，必须创建单个实例（或 “对象”）
      • fieldnames() 函数可检查字段名称列表
      • struct 实例的值在构造后无法修改。如果需要，可以创建 mutable struct
      • 可变对象一般来说更慢且更容易出现错误。因此，尽可能确保所有类型都是不可变的
    • 布尔运算和数值比较
    • 函数
      • 函数声明以关键字 function 开始，后接函数名称。然后在 "()" 里定义参数，这些参数由 "," 分隔。接着在函数体内部定义我们希望 Julia 对传入参数执行的操作。函数里定义的所有变量都会在函数返回后删除。
      • 紧凑的赋值形式
      • 如果想定义关于所有浮点数和整数类型的函数，那么需要使用 abstract type 作为函数签名，例如 AbstractFloat 或 Integer
      • 可以使用 supertypes() 和 subtypes() 函数查看类型间的关系
      • struct 有基本的输出样式，可以为自定义类型定义新的 Base.show() 方法
    • 多返回值
      • 与返回值的形式类似，依次为每个返回值定义一个变量
      • 定义一个变量来接受所有的返回值，然后通过 first() 或 last() 访问每个返回值
    • 关键字参数
      • 某些函数可以接受关键字参数而不是位置参数。这些参数与常规参数类似，只是定义在常规函数参数之后且使用分号";" 分隔。
    • 匿名函数
      • 很多情况下，我们不关心函数名称，只想快速创建函数。因此我们需要匿名函数
      • 使用 −>，−> 的左侧定义参数名称。−> 的右侧定义了想对左侧参数进行的操作。
    • 条件表达式 If-Elseif-Else
    • for 循环
    • while 循环
      • 在条件语句中，循环和函数内定义的变量仅存在于其内部。这就是变量的作用域。我们需要通过 global 关键字告诉 Julia while 循环中的 n 是全局作用域中的 n
  • 原生数据结构
    • 它们都能够保存同类型或异构的数据。因为它们都是集合， 所以都能通过 for 循环进行遍历。
    • 对运算符和函数进行广播
      • 可以使用点运算符广播像 ∗（乘）或 +（加）这样的数学运算
      • 函数也能通过这种操作实现广播
    • 带感叹号 ! 的函数
      • 当函数改变了一个或多个它们的参数时，按照 Julia 惯例，应该在函数名后追加 !。这个惯例警告用户该函数并不单纯，它具有副作用。
    • 字符串
      • 使用双引号分隔符表示字符串
      • 也可以定义一个多行字符串
      • 使用三引号通常更清晰
        • 当使用三引号时，Julia 会忽略开头的缩进和换行。
      • 字符串连接
        • ∗ 运算符或 join() 函数
      • 字符串插值
        • 使用美元符号 $ 在字符串中插入你想包含的内容
      • 字符串处理
        • contains()，startswith() 与 endswith()
        • lowercase()，uppercase()，titlecase() 与 lowercasefirst()
        • replace()
        • split()
      • 字符串转换
        • 可以使用 string() 函数将数字转为字符串。
        • 函数 parse() 将字符串转为数字。
          • 希望能够安全地进行这些转换。此时就需要介绍 tryparse() 函数。
    • 元组
      • 元组是包含多种不同类型的固定长度容器。同时元组是不可变对象
    • 命名元组
      • 快捷语法。在命名元组的构造开始时，首先在值之前添加 ";"
      • 当组成命名元组的值已经在变量中定义，或者你想避免过长的行时，这一语法非常有用
    • Ranges
      • start:stop
      • start:step:stop
      • 将 range“实例化” 到集合中，可以使用函数 collect()
    • 数组
      • 数组类型
        • Vector{T}
          • 一维数组。Array{T, 1} 的别名。
        • Matrix{T}
          • 二维数组。Array{T, 2} 的别名。
      • 数组构造
        • 用于 Julia 数组的低级构造器是默认构造器
        • 它接手元素类型作为 "{}" 括号内的类型参数，并将元素类型传递到构造器里，构造器后跟需要的维度。
        • 语法别名
          • zeros(), ones()
        • 使用 fill! 函数将想要的元素填充到数组的每一个元素上
        • 可以使用数组字面量创建数组
          • 数组字面量能在 "[]" 括号前接收指定的类型
        • 数组推断
        • 串联函数创建数组
          • cat()
            • 沿着指定的 dims 串联输入的数组
          • vcat()
            • 垂直串联，cat(...; dims=1) 的缩写
      • 数组检测
        • eltype(): 数组中的元素类型
        • length(): 元素的总数
        • ndims(): 维度的个数
        • size(): 默认情况下将返回包含所有数组维度的元组
      • 数组索引和切片
        • Julia 也为数组的第一个和最后一个元素定义了特殊的关键字：begin 和 end
        • 类似 matlab
      • 数组操作
        • 数组的单个元素或数组的子集，索引或切片赋值
        • 改变形状
        • 第三种操作数组的方式是按元素应用函数。这会用到点运算符 "."，其也被称为广播
        • 另一种在向量中广播函数的方法是使用 map()
        • mapslices() 函数可以沿着特定的数组维度应用函数
      • 数组迭代
        • 常见的操作是使用 for 循环迭代数组。应用于数组的 for 循环会逐个返回元素
        • 使用 eachindex() 函数结合 for 循环来迭代每个数组索引
        • Julia 是 “列优先存储”
          • 进行这些循环时使用特定的函数
            • eachcol: 先沿着列方向迭代
            • eachrow: 先沿着行方向迭代
    • Pair
      • Pair 是一种包含两个对象的数据结构
      • 这两个元素分别存储在字段 first 和 second
      • 在大多数情况下，使用 first() 和 last() 更简单
    • 字典
      • 构造
      • 向 Dict 构造器传递由 (key, value) 元组构成的向量
      • 向 Dict 构造器传递多组 key => value
      • 使用 zip() 函数将两个对象 “粘合” 起来
      • 使用相应的 key 作为索引即可检索到 Dict 的 value
      • 使用 keys 和 in 检查一个 Dict 是否有特定的 key
      • 使用 delete!() 函数删除 key
      • 使用 pop!() 函数在返回值时删除键
    • Symbol
      • Symbol 实际上并不是一种数据结构。它是一种类型，并且其行为类似于字符串。
      • string() 和 Symbol() 用于 Symbol 与字符串的转换
    • Splat 运算符
      • 展开运算符（类似 python 的解包）
    • 文件系统
      • Julia 中内置了处理不同操作系统差异 的功能。这一部分位于 Julia 核心库 Base 的 Filesystem 模块
      • 确保代码能够运行在不同操作系统的文件系统 上。这可以通过 joinpath()，@__FILE__() 和 pkgdir() 函数轻松实现。
    • Julia 标准库
      • 使用特定的模块或函数前，需要将标准库模块导入到环境中
    • 日期
    • 随机数
      • 先导入 Random 模块
      • using Random: seed!
      • rand()
      • 支持无参数
      • 获取多个随机数
      • 在不同的区间抽样
      • 给区间指定步长
      • 可以组合和匹配参数
      • 支持元素集构成的元组
      • 也支持数组
      • 还可以是 Dict
      • randn() 从标准正态分布中生成
      • 只接受 AbstractFloat 或 Complex 的子类型
      • seed!
      • 生成器要每次生成相同的随机数序列
      • 在脚本开头调用 seed!() 是不够好的。为了避免 rand() 或 randn() 依赖全局变量，那么可以转而定义一个 seed!() 的实例，然后将它传递给 rand() 或 randn() 的第一个参数
    • Downloads
      • 从互联网上下载文件到本地，可以用通过 download() 函数实现