Py程序与基础教程 5

Ch14数值日期和时间处理本章要点：14.1相关模块概述14.2cmath模块和复数数学函数14.3数值运算模块NumPy14.4日期和时间处理14.5综合应用举例资源下载提示2课件等资源：扫描封底的“课件下载”二维码，在公众号“书圈”中下载。素材（源码）：扫描本书目录上方的二维码下载。讲解视频：扫描封底刮刮卡中的二维码，再扫描书中相应章节中（位于每章最前）的二维码，作为开源的补充阅读和学习资源。

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题库自测平台：扫描封底刮刮卡中的二维码，登录网站（），进入本书“题库”页面，选择相应章节练习数值处理的相关模块1．Python标准库中包括下列数值处理相关模块。numbers模块：数值抽象类。包含类Complex、Real、Rational、Integral。math模块：数学函数。cmath模块：复数运算数学函数。decimal模块：高精度数值运算。fractions模块：分数运算模块。random模块：随机数模块。2．数值运算模块NumPy。Python扩展模块NumPy提供了更高效的数值处理功能。NumPy模块主要提供数组和矩阵处理功能，还包括高级功能，如傅立叶变换等。NumPy的官网地址为“http://”。3．科学计算模块SciPy。Python扩展模块SciPy提供了用于科学计算的功能。SciPy模块包括统计、优化、整合、线性代数、傅里叶变换、信号和图像处理、常微分方程求解器等功能。SciPy的官网地址为“”日期和时间处理的相关模块Python标准库的datetime模块包含各种用于日期和时间处理的类calendar模块包含用于处理日历的函数和类time模块包含用于处理时间的函数cmath模块和复数数学函数Python标准模块cmath中提供了许多用于复数运算的函数cmath模块包含的常量和函数，其API如表14-1（1）~（6）所示……cmath模块中函数的参数可以为整数、浮点数、复数，或其它可以自动转换为复数或浮点数的对象，即具有__complex__()或__float__()方法的对象cmath模块包含的常量和函数(1)表14-1（1）cmath的常量和函数（一）：常量名称说明示例结果e数学常量ee2.718281828459045pi数学常量pipi3.141592653589793表14-1（2）cmath的常量和函数（二）：转换函数（笛卡儿坐标和极坐标）名称说明示例结果phase(x)返回math.atan2(x.imag,x.real)phase(complex(-1.0,0.0))3.141592653589793polar(x)返回(abs(x),phase(x))，即(r,phi)polar(3+4j)(5.0,0.9272952180016122)rect(r,phi)返回(r,phi)对应的复数，即r*(cos(phi)+sin(phi)*1j)rect(1,pi/4)(0.7071067811865476+0.7071067811865476j)cmath模块包含的常量和函数(2)表14-1（3）cmath的常量和函数（三）：幂和对数运算名称说明示例结果exp(x)返回e**xexp(3+4j)(-13.128783081462158-15.200784463067954j)log10(x)返回log10xlog10(3+4j)(0.6989700043360187+0.4027191962733731j)sqrt(x)返回x的平方根sqrt(3+4j)(2+1j)表14-1（4）cmath的常量和函数（四）：三角函数名称说明示例结果acos(x)返回x的反余弦acos(3+4j)(0.9368124611557198-2.305509031243477j)asin(x)返回x的反正弦asin(3+4j)(0.6339838656391766+2.305509031243477j)atan(x)返回x的反正切atan(3+4j)(1.4483069952314644+0.15899719167999918j)cos(x)返回x的余弦cos(2*pi)(1+0j)sin(x)返回x的正弦sin(pi/2)(1+0j)tan(x)返回x的正切tan(pi/4)(0.9999999999999999+0j)cmath模块包含的常量和函数(3)表14-1（5）cmath的常量和函数（五）：双曲线函数表14-1（6）cmath的常量和函数（六）：判别函数名称说明示例结果acosh(x)返回x的双曲线反余弦acosh(1)0jasinh(x)返回x的双曲线反正弦asinh(1)(0.8813735870195429+0j)atanh(x)返回x的双曲线反正切atanh(0.1)(0.10033534773107558+0j)cosh(x)返回x的双曲线余弦cosh(1)(1.5430806348152437+0j)sinh(x)返回x的双曲线正弦sinh(0.1)(0.10016675001984403+0j)tanh(x)返回x的双曲线正切tanh(0.1)(0.09966799462495582+0j)名称说明示例结果isfinite(x)判断x.real和x.imag是否都为有限值isfinite(3+4j)Trueisinf(x)判断x.real和x.imag是否其一为无穷大isinf(3+4j)Falseisnan(x)判断x.real和x.imag是否其一为非数值isnan(3+4j)False数值运算模块NumPyNumPy库是Python的数值计算扩展，用于高效存储和处理数组和矩阵，许多科学计算库（包括matplotlib、pandas、SciPy和SymPy等）都基于NumPy。NumPy是Python数值计算的基石，它提供了两种基本的对象——ndarray（N-dimensionalarrayobject，N维数组对象，即数组）和ufunc（universalfunctionobject，通用函数对象）。ndarray是存储单一数据类型的多维数组，而ufunc则是能够对数组进行处理的通用函数数值运算模块的基本使用Python的列表可以用作数组，但由于列表的元素可以是任何对象，故列表中所保存的是对象的指针，对于数值运算会浪费内存和CPU计算时间。而Python标准库array不支持多维数值，也不支持数值运算函数，同样不适合数值计算Python扩展模块NumPy提供数组和矩阵处理功能（类似于MATLAB），提供了更高效的数值处理功能使用NumPy模块一般遵循如下几个步骤（1）安装NumPy模块。具体步骤请参见本教程第1章相关内容。（2）使用importnumpy语句导入NumPy模块。（3）创建数组。（4）处理数组。创建数组（1）【例14.1】通过array函数创建数组示例>>>importnumpyasnp>>>a=np.array([1,2,3])

#一维数组>>>b=np.array([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])#二维数组>>>a

array([1,2,3])>>>barray([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])创建数组（2）【例14.2】通过arange、linspace和logspace函数创建数组示例>>>a=np.arange(0,10,2)>>>a

array([0,2,4,6,8])>>>b=np.linspace(0,2*np.pi,10)>>>barray([0.,0.6981317,1.3962634,2.0943951,2.7925268,3.4906585,4.1887902,4.88692191,5.58505361,6.28318531])>>>c=np.logspace(0,2,10)>>>carray([1.,1.66810054,2.7825594,4.64158883,7.74263683,12.91549665,21.5443469,35.93813664,59.94842503,100.])处理数组数组元素的存取方法和Python列表的存取方法相同数组也支持常用的运算符操作，例如：+、-、*、/等NumPy内置许多针对数组的每个元素分别进行操作的函数，这些函数称之为universalfunction，一般基于C语言级别实现，因此其计算速度非常快【例14.3】数组处理示例>>>importnumpyasnp>>>x=np.linspace(0,2*np.pi,10)>>>y=np.sin(x)>>>yarray([0.00000000e+00,6.42787610e-01,9.84807753e-01,8.66025404e-01,3.42020143e-01,-3.42020143e-01,-8.66025404e-01,-9.84807753e-01,-6.42787610e-01,-2.44929360e-16])>>>y+1array([1.,1.64278761,1.98480775,1.8660254,1.34202014,0.65797986,0.1339746,0.01519225,0.35721239,1.])数组应用举例使用模块NumPy中的函数可以实现数值处理；结合Matplotlib中的绘图函数可以很方便地输出各种处理结果【例14.4】数组应用示例（funcfig.py）：利用NumPy模块中的函数和Matplotlib中的绘图函数绘制y=x2和y=2x的图形importnumpyasnp #导入模块importmatplotlib.pyplotasplt #导入模块importmath #导入模块x=np.linspace(0,10,100) #x轴坐标值y1=np.power(x,2) #y1=x**2y2=np.exp2(x) #y2=2**xplt.plot(x,y1,x,y2) #绘制图形plt.show() #显示图形日期和时间处理概述datetime模块：日期和时间类calendar模块：日历函数和类time模块：时间函数相关术语epoch（新纪元）：系统规定的时间起始点UTC（CoordinatedUniversalTime）：协调世界时DST（DaylightSavingTime）：夏令时time模块中的daylight属性用于判定是否使用夏令时。>>>time.daylight#输出：0epoch（新纪元）epoch（新纪元）是系统规定的时间起始点。Unix系统于1970/1/10:0:0开始。日期和时间在内部表示为从epoch开始的秒数。time模块中的函数使用对应C语言函数库中的函数，故只能处理1970/1/1至2038/12/31之间的日期和时间。使用time模块的gmtime()函数可以获取当前系统的起始点。例如：>>>importtime;time.gmtime(0)time.struct_time(tm_year=1970,tm_mon=1,tm_mday=1,tm_hour=0,tm_min=0,tm_sec=0,tm_wday=3,tm_yday=1,tm_isdst=0)时间对象time模块的struct_time对象是一个命名元组，用于表示时间对象，包括9个字段属性，即tm_year、tm_mon、tm_mday、tm_hour、tm_min、tm_sec、tm_wday、tm_yday和tm_isdst在time模块中主要包含localtime（将时间秒数转换为本地时间）、gmtime（将时间秒数转换为本地时间，无时区变换，是UTC时间）、time（将时间转换为浮点数）、gmtime(0)（获取当前系统的起始点）、mktime（localtime()的反函数，将本地时间转换为秒数）、sleep（暂停线程执行，睡眠指定的秒数）、ascitime（将时间元组转换为时间字符串）、ctime（将秒表示的时间转换为本地时间字符串）、strftime（将struct_time对象格式化为字符串）和strptime（时间字符串解析为struct_time对象）等函数>>>st=time.gmtime()>>>st.tm_year#输出：2024time模块time模块包含如下用于测量程序性能的函数。process_time()：返回当前进程处理器运行时间。perf_counter()：返回性能计数器。monotonic()：返回单向时钟。用户可以使用程序运行到某两处的时间差值，计算该程序片段所花费的运行时间，也可以使用time.time()函数，该函数返回以秒为单位的系统时间（浮点数）【例14.5】测量程序运行时间（time_pmrunning.py）importtimedeftest():sum=0foriinrange(0,9999999):sum+=ireturnsumif__name__=='__main__':t1=time.monotonic()#单向时钟print(test())t2=time.monotonic()#单向时钟print('运行时间：',t2-t1)datetime模块（1）datetime模块包括datetime.MINYEAR和datetime.MAXYEAR两个常量，分别表示最小年份和最大年份，值为1和9999。datetime模块包含用于表示日期的date对象、表示时间的time对象以及表示日期和时间的datetime对象。timedelta对象表示日期或时间之间的差值，可以用于日期或时间的运算【例14.6】日期对象示例获取当前日期时间通过datetime模块的date.today()函数可以返回表示当前日期的date对象，通过其实例对象方法，可以获取其年、月、日等信息通过datetime模块的datetime.now()函数可以返回表示当前日期时间的datetime对象，通过其实例对象方法，可以获取其年、月、日、时、分、秒等信息>>>importdatetime>>>datetime.date.today()#当前日期datetime.date(2018,7,9)>>>datetime.datetime.now()#当前日期时间datetime.datetime(2018,7,9,21,17,3,983307)【例14.7】获取当前日期时间示例（datetimes.py）importdatetimed=datetime.date.today()dt=datetime.datetime.now()print("当前的日期是%s"%d)print("当前的日期和时间是%s"%dt)print("ISO格式的日期和时间是%s"%dt.isoformat())print("当前的年份是%s"%dt.year)print("当前的月份是%s"%dt.month)print("当前的日期是%s"%dt.day)print("dd/mm/yyyy格式是%s/%s/%s"%(dt.day,dt.month,dt.year))print("当前小时是%s"%dt.hour)print("当前分钟是%s"%dt.minute)print("当前秒是%s"%dt.second)日期时间格式化为字符串time模块中的strftime()函数将struct_time对象格式化为字符串【例14.8】日期时间格式化为字符串示例1【例14.9】日期时间格式化为字符串示例2>>>fromtimeimport*>>>strftime("%c",localtime())#输出：'SunJan2318:48:072022'>>>strftime("%Y年%m月%d日(%A)%H时%M分%S秒",localtime())'2022年01月23日(Sunday)18时48分07秒'>>>importdatetime>>>datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d%H:%M:%S')'2022-01-2318:49:18'日期时间字符串解析为日期时间对象time模块中的strptime()函数将时间字符串解析为struct_time对象【例14.10】日期时间字符串解析示例1【例14.11】日期时间字符串解析示例2>>>fromtimeimport*>>>strptime("30Nov00","%d%b%y")time.struct_time(tm_year=2022,tm_mon=11,tm_mday=30,tm_hour=0,tm_min=0,tm_sec=0,tm_wday=3,tm_yday=335,tm_isdst=-1)>>>datetime.datetime.strptime(‘2022-08-18','%Y-%m-%d')datetime.datetime(2022,8,18,0,0)综合举例：程序运行时间测量当程序的复杂度增加（例如，循环次数增大）时，程序运行的时间显著增加。通过time模块中的time()函数可以测量程序运行的时间【例14.12】程序运行时间测量（timing.py）importtimedeftiming(f,data):"""测量函数调用f(data)的运行时间分析"""start=time.time()#记录开始时间f(data)#运行f(data)end=time.time()#记录结束时间returnend-start#返回执行时间#测试代码if__name__=="__main__":importpi#参见14.7.2节foriinrange(3):n=10000*