大数据可视化 第2版 课件 第12章 Python可视化基础

面向新工科高等院校大数据专业系列教材大数据可视化（第2版）大数据可视化（第2版）第12章Python可视化基础可视化是一种强大的工具，用于以直观和可理解的方式传达复杂的数据模式和关系。它们在数据分析中发挥着至关重要的作用，提供了通常难以从原始数据或传统数字表示中辨别出来的见解。【导读案例】数据分析和机器学习的可视化图表11例Python语言是由荷兰人吉多·范罗苏姆在1980年代末设计的，于1994年1月正式发布，经过近三十年的发展演进，如今已经成为主流的程序设计语言。第12章Python可视化基础01Python编程语言02Python开发环境目录/CONTENTS03Python可视化工具—PyEchartsPART01Python编程语言Python是一种解释型程序语言，即其程序不需要编译，运行时才被翻译成机器执行的语言，每执行一次都要翻译一次。了解Python的一个好方法是使用交互式shell（俗称“壳”，用来区别于“核”）进行操作，shell是“为使用者提供操作界面”的软件。Python标准版包括一个IDLE程序，它提供了一个shell以及编辑Python程序的工具。12.1

Python编程语言Python支持多种程序设计范式，包括程序式、结构式、面向对象、函数式、脚本式，其语法简洁，易于学习，具备了垃圾收集、动态类型检查、异常处理机制等特色。Python的程序库模块多得不计其数，游戏、多媒体、数学运算、视频处理、系统程序、网站网页、机器人等等领域，都可见其运用之处，广受各界采用。12.1.1

Python的语言特色Python的核心概念不多，语法简洁清晰，程序代码清楚易懂，它强制使用空白符作为语句缩进，开发软件时易于编写功能，之后也易于维护修改，提供了一致的程序设计模型。与C、C++、Java等程序语言相比，Python的开发速度快，相同功能需要的程序代码行数较少。所以，使用Python可以提高程序开发人员与软件工程师的生产力，在较短时间内完成较多功能。12.1.1

Python的语言特色Python常被昵称为胶水语言，它能够把用其他语言制作的各种模块（尤其是C/C++）很轻松地联结在一起。常见的一种应用情形是，使用Python快速生成程序的原型（有时甚至是程序的最终界面），然后对其中有特别要求的部分，用更合适的语言改写，比如3D游戏中的图形渲染模块，性能要求特别高，就可以用C/C++重写，而后封装为Python可以调用的扩展类库。但在使用扩展类库时需要考虑平台问题，某些平台可能不提供跨平台的实现。12.1.1

Python的语言特色Python是纯粹的自由软件，源代码和解释器CPython遵循GNU通用公共许可证许可，为此成立了非营利组织Python软件基金会，开发人员也逐渐演变成Python开发团队，并拥有广大的社团。Python语言的各项开发工作都记录在Python功能增进建议书之中，规范并定义各种扩充与延伸功能的技术规格，让整个Python社区拥有共同遵循的原则和依据。12.1.2

Python语言的版本目前在用的Python版本分为2.x与3.x（又称为Python3000或py3k），两个版本不完全兼容。学习与查询相关数据时，应看清楚适用版本。虽然3.x版已推出一段时日，但仍有很多人以2.x版开发程序，使用者众多，很多程序代码只相容于2.x版，某些程序库模块也尚未更新提供3.x的版本。Python的2.7版本发布至今已相当普及，也是2.x的最后一版，该版本进入了纠错和维护的稳定状态。关于Python各版本之间功能与特色的差异详情，可以到Python官方网站的文件区（/）查询。本书相关各章在介绍时使用的是Python版本3.12。12.1.2

Python语言的版本PART02Python开发环境为执行Python程序，需要搭建好Python程序的运行环境。理论上，只要Python程序运行环境的每一个具体实现都遵守Python语言的规格，而且程序员也按照标准编写Python程序，那么所编写的程序代码不管在哪一个程序运行环境里都应该能正确无误地得到执行。换句话说，在Windows上编写的Python程序，也可以放到Linux上执行，只要两处都安装了相兼容的Python运行环境即可，因此Python具备良好的可移植性。12.2

Python开发环境常见的Python实施有CPython、StacklessPython、UnladenSwallow、IronPython、Jython、PyPy等等，各有其独特之处，例如CPython是Python官方团队以C语言编写开发的运行环境，具有标准地位，其源代码完全开放，可移植性最高。另外有些实施，如ActivePython、PythonXY、AnacondaPython等，是把CPython重新包装，再加入其他的程序库，专供特定领域使用，例如科学计算、数据分析与管理、数据库运用等。本书的Python程序范例都基于Windows和CPython环境来搭建Python3.x开发环境。12.2

Python开发环境请按照下列步骤完成安装并进行简单操作。步骤1：在计算机中为Python语言建立一个文件夹（例如：\Python）。步骤2：下载Python软件。互联网上有很多地方提供了下载服务。这里，我们选择在Python的官网上下载python。打开Python官网（）。选择下载Windows的最新版本，按屏幕提示，将Python软件下载到指定的文件夹。12.2.1安装Python开发环境步骤3：下载完成后单击执行下载的exe程序（打开文件），进入安装界面。（安装完成后，若再次单击该程序，可执行卸载Python的操作。）在选择安装时，可以把下方的“AddPython.exetoPATH”勾选上，直接默认把用户变量添加上，后续不用再添加。

图12-16Python安装界面12.2.1安装Python开发环境安装界面中可以选择默认安装或者自定义安装。由于默认安装路径层次比较深，可以选择自定义安装，例如将Python程序系统安装在前面定义的“\Python”目录中，以方便后续查找。最后界面如图所示，单击Close完成安装。

图12-17完成安装12.2.1安装Python开发环境步骤4：安装成功后，在安装目录可以看到Python安装文件相关信息，在“开始”菜单单击“Python3.12”>“Python3.12(32-bit)”命令，打开Python软件即可使用。

图12-18Python操作界面12.2.1安装Python开发环境安装后，Python3.x版缺省设置的安装路径是C:\Python。Windows“开始”菜单的“Python3.12”子菜单中会有“IDLE(Python3.1232-bit)”命令，这是一款简易的图形化开发编辑器。请分析并记录：（1）你实际选择安装的Python软件版本是：（2）你是否完成Python软件的安装？若未完成，则请简单分析原因是什么？12.2.1安装Python开发环境安装后的Python程序运行环境中主要部分是“解释器”，解释器负责执行程序，把Python程序交给它，它解析程序代码、检查语法有无错误、根据程序语义去完成任务（例如计算某个数学公式）、把数据存回文件、通过网络请求到某网站等等，而这些具体功能都会由某个程序库负责；解释器与众多程序库再加上Python运行环境的其他部分，将会往下层存取操作系统提供的服务，完成程序代码定义的功能。图12-19运行环境架构的简化示意图12.2.1安装Python开发环境Python程序运行环境可细分出许多部分，解释器的功能也可再细分，它是Python程序运行环境的门户。编写Python程序时，直接面对的就是解释器。Python具有丰富庞大的程序库，例如处理各种数据形式的程序库、网络连线的程序库、存取文件系统的程序库等。12.2.1安装Python开发环境我们通过向Python解释器发出指令来指挥计算机内部的计算过程。可以用交互模式启动Python解释器（shell）。shell允许用户在其中键入Python命令，然后显示执行结果。启动shell的具体细节因不同的Python安装而异。一般情况下，我们会使用IDLE应用程序，它提供的Pythonshell可以帮助我们创建和编辑Python程序。12.2.2执行Python程序在Windows“开始”菜单中单击“IDLE（Python3.1264-bit）”命令，屏幕显示IDLE窗口。

图12-20PythonIDLE窗口12.2.2执行Python程序第一次启动IDLE时所看到的具体的启动消息，取决于当前正在运行的Python版本和正在使用的系统。重要的部分是图中最后一行的>>>，这是Python提示符，表示Python解释器正在进行展示交互式会话，等待给它的命令。在编程语言中，一个完整的命令称为语句（注意，不要使用中文的句号、引号等符号）。12.2.2执行Python程序下面是与Pythonshell交互的例子：>>>print("Hello,World!")Hello,World!>>>print(2+3)5>>>print("2+3=",2+3)2+3=512.2.2执行Python程序这里，我们尝试了三个使用Pythonprint语句的例子。第一个print语句要求Python显示文本短语“Hello,World！”，Python在下一行做出响应，打印出该短语。第二个print语句要求Python打印2与3之和。第三个print结合了这两个想法。Python打印出引号中的部分“2+3=”，然后是2+3的结果，即5。建议读者启动自己的Pythonshell并尝试执行这些例子。12.2.2执行Python程序Python允许将一系列语句放在一起，创建一个全新的命令或函数。下面的例子创建了一个名为hello的新函数（最后可以打两次回车键结束）：>>>defhello():print("Hello")print("计算机很有趣！")>>>12.2.2执行Python程序第一行告诉Python定义一个新函数，命名为hello。接下来两行缩进，表明它们是hello函数的一部分。最后的空白行（通过按两次回车键获得）让Python知道定义己完成，并且shell用另一个提示符进行响应。注意，键入定义并不会导致Python打印任何东西。我们告诉Python，当hello函数用作命令时应该发生什么，但实际上并没有要求Python执行它。12.2.2执行Python程序键入函数名称并跟上括号，函数就被调用了。下面是使用hello命令时发生的事情：>>>hello()Hello计算机很有趣！>>>这时，hello函数定义中的两个print语句按顺序执行了。12.2.2执行Python程序命令可以有可变部分，称为参数，放在括号中。让我们看一个使用参数、自定义问候语的例子。先是定义：>>>defgreet(person):print("Hello",person)print("Howareyou?")12.2.2执行Python程序现在我们可以使用定制的问候。>>>greet("John")HelloJohnHowareyou?>>>greet("Emily")HelloEmilyHowareyou?>>>12.2.2执行Python程序使用greet时，可以发送不同的名称，从而自定义结果。print是Python中的一个内置函数，当调用print函数时，括号中的参数告诉函数要打印什么。注意到，执行一个函数时，括号必须包含在函数名之后，即使没有给出参数也是如此。例如，可以使用print而不使用任何参数，创建一个空白的输出行。>>>print()>>>12.2.2执行Python程序但是如果只键入函数的名称，省略括号，函数将不会真正执行。这时，交互式Python会话将显示一些输出，表明名称所引用的函数，如下面的交互所示：>>>greet<functiongreetatOx8393aec>>>>print<built-infunctionprint）这里的0x8393aec是在计算机存储器中的位置（地址），其中恰好存储了greet函数的定义。12.2.2执行Python程序如果你在自己的计算机上尝试，肯定会看到不同的地址。如果将函数交互输入到Pythonshell中，当退出shell时，定义会丢失，下次希望再次使用它们时必须重新键入。12.2.2执行Python程序实际上，程序的创建通常是将定义写入独立的文件，称为“模块”或“脚本”。此文件保存在辅助存储器中，可以反复使用。模块文件是一个文本文件，可以用任何应用程序来编辑文本，例如记事本或文字处理程序，只要将程序保存为“纯文本”文件即可。有一种特殊类型的应用称为集成开发环境（IDE）简化了这个过程，它们专门设计用于帮助程序员编写程序，包括自动缩进、颜色高亮显示和交互式开发等功能。作为Pythonshell的IDLE就是一个简单却完整的开发环境。12.2.2执行Python程序我们来编写并运行一个完整的程序，以说明模块文件的使用。要将此程序键入IDLE，应选择File/NewFile菜单选项。这将打开一个空白（非shell）窗口，可以在其中键入程序。下面是程序的Python代码：12.2.2执行Python程序【程序实例12-1】一个简单的示例程序。#chaos.py#一个随意编写的简单程序，没有特定的目的defmain():print("该程序说明了一个随意的功能。")x=eval(input("输入0到1之间的数字:"))foriinrange(10):x=3.9*x*(1-x)print(x)main()12.2.2执行Python程序在IDLE中键入该程序之后，从菜单中选择File/Save，并保存为chaos.py。扩展名.py表示这是一个Python模块。保存程序时，因为IDLE默认在系统的Python文件夹中启动，建议将所有Python程序都放在一个专用的个人文件夹中。程序实例12-1中包含几行代码，定义了一个新函数main（程序通常放在一个名为main的函数中），文件的最后一行是调用此函数的命令。一旦我们将一个程序保存在这样的模块文件中，就可以随时运行它。12.2.2执行Python程序程序能以许多不同的方式运行，这取决于你使用的实际操作系统和编程环境。如果使用的是窗口系统，可以通过单击（或双击）模块文件的图标来运行Python程序。在命令行情况下，可以键入像pythonchaos.py这样的命令。使用IDLE时，只需打开该程序文件，从模块窗口菜单中选择Run/RunModule即可运行程序。12.2.2执行Python程序IDLE运行程序时，控制将切换到shell窗口。下面是看起来的样子：>>>=======================RESTART=======================该程序说明了一个随意的功能。输入0到1之间的数字:.250.731250.766441406250.69813501043853750.82189581879023040.57089401919693170.95539874836420990.1661867219544130.54041791206179260.96862893029980420.11850901017563877>>>12.2.2执行Python程序第一行是来自IDLE的通知，表明shell已重新启动。IDLE在每次运行程序时都会这样做，使程序运行在一个干净的环境中。然后，Python从上至下逐行运行该模块的各条语句（命令），就像在Python提示符下逐行键入它们一样。模块中的def会引导Python创建main函数，模块的最后一行导致Python调用main函数，从而运行程序。在这个例子中键入了“.25”，然后打印出10个数字的序列。12.2.2执行Python程序注意到，Python有时会在存储模块文件的（子）文件夹中创建另一个名为pycache的文件夹，这是Python存储伴随文件的地方，伴随文件的扩展名为.pyc。在本例中，Python可能会创建一个名为chaos.pyc的文件，这是Python解释器使用的中间文件。从技术上讲，Python采用混合编译/解释的过程。模块文件中的Python源代码被编译为较原始的指令，称为字节代码，然后解释这个字节代码（.pyc）。12.2.2执行Python程序如果有.pyc文件可用，则第二次运行模块就会更快。如果删除字节代码文件，Python会根据需要自动重新创建它们。在IDLE下运行模块，会将程序加载到shell窗口中。只需在shell提示符下键入命令main()，就可以要求Python再次运行该程序。12.2.2执行Python程序PART03Python可视化工具—PyEcharts数据可视化是提高用户对数据的理解程度，创新架构，增进体验的重要一环，富有表现力的Python语言可以发挥很大作用，PyEchart第三方库就是在这样的背景下诞生的。

图12-21PyEchat绘图示例12.3

Python可视化工具——PyEchartsEcharts是一个由百度开源的数据可视化工具，它是一个纯JavaScript的商业级数据图表库，凭借着良好的交互性，精巧的图表设计，可以为用户提供直观生动，可交互，可高度个性化定制的数据可视化图表，赋予了用户对数据进行挖掘整合的能力。Echarts的可视化类型很多，但是它需要通过导入js库在JavaWeb项目上运行，而PyEcharts则可以很好地运行在Python环境下。PyEcharts库是一个用于生成Echarts图表的类库，它是一款将Python程序设计语言与可视化JS工具Echarts结合起来的强大的开源的数据可视化工具。

PyEcharts=Python+Echarts12.3

Python可视化工具——PyEcharts安装PyEcharts的操作步骤如下：步骤1：打开命令行（运行）窗口。步骤2：在“运行”对话框中输入（注意图12-16中提到的路径设置）：pipinstallpyecharts步骤3：当出现如图所示的信息时，即代表下载成功，可以继续下一步的操作。

图12-22安装提示12.3.1安装PyEcharts使用unicode编码来处理字符串和文件，而Python3.x默认使用unicode编码。12.3.2应用实例【程序实例12-2】柱状图-Bar。#导入柱状图-Barfrompyecharts.chartsimportBarfrompyechartsimportoptionsasopts#设置柱状图的主标题与副标题#设置行名columns=["Jan","Feb","Mar","Apr","May","Jun","Jul","Aug","Sep","Oct","Nov","Dec"]12.3.2应用实例#设置数据data1=[2.0,4.9,7.0,23.2,25.6,76.7,135.6,162.2,32.6,20.0,6.4,3.3]data2=[2.6,5.9,9.0,26.4,28.7,70.7,175.6,182.2,48.7,18.8,6.0,2.3]#创建柱状图对象bar=Bar()bar.set_global_opts(title_opts=opts.Titl