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【第一章:人工智能基础】01.Python基础及常用工具包-(2)Python函数与模块

news 来源：原创 2025/6/7 5:41:10

第一章人工智能基础

第一部分：Python基础及常用工具包

第二节：Python函数与模块

内容：定义和使用函数，模块的导入与使用，常见标准库

一、引言

函数和模块是编程中复用代码、组织结构的关键。在人工智能项目中，我们常常需要将代码封装为函数，或者使用第三方模块来处理数据、训练模型等。本节将介绍如何定义函数、导入模块，以及 Python 中常见的标准库。

二、函数的定义与使用

1. 定义函数

使用 def 关键字来定义函数：

def greet(name):print("Hello, " + name)

2. 调用函数

greet("Alice")

3. 带返回值的函数

def add(a, b):return a + bresult = add(3, 5)
print(result)  # 输出：8

4. 参数类型

默认参数：

def greet(name="World"):print("Hello, " + name)greet()           # 输出：Hello, World
greet("Python")   # 输出：Hello, Python

可变参数（*args, **kwargs）：

def print_all(*args):for arg in args:print(arg)print_all(1, 2, 3)

三、模块的导入与使用

Python 模块是以 .py 文件存在的可复用脚本。我们可以导入自己编写的模块或 Python 提供的标准模块。

1. 导入模块的几种方式

import math
print(math.sqrt(16))  # 输出：4.0

from math import sqrt
print(sqrt(25))       # 输出：5.0

import math as m
print(m.pi)           # 输出：3.141592653589793

2. 自定义模块导入

假设有一个文件 mymath.py，内容如下：

# mymath.py
def square(x):return x * x

在主程序中可以导入使用：

import mymath
print(mymath.square(4))  # 输出：16

四、常见标准库简介

Python 标准库提供了很多实用模块，以下是人工智能开发中常见的一些：

模块名	作用
`math`	数学运算，如开平方、三角函数等
`random`	随机数生成
`datetime`	日期时间处理
`os`	与操作系统交互（如文件操作）
`sys`	系统相关参数和函数
`json`	JSON 格式解析与生成
`re`	正则表达式处理
`collections`	提供更丰富的数据结构，如 `Counter`, `defaultdict` 等

1. `math` — 数学运算

常用方法

方法	功能
`math.sqrt(x)`	计算平方根
`math.pow(x, y)`	计算 x 的 y 次幂
`math.sin(x)` / `math.cos(x)` / `math.tan(x)`	三角函数，参数为弧度
`math.factorial(n)`	计算阶乘（n 必须为非负整数）
`math.ceil(x)`	向上取整
`math.floor(x)`	向下取整
`math.pi`	π 常量

示例

import mathprint(math.sqrt(16))      # 输出：4.0
print(math.pow(2, 3))    # 输出：8.0
print(math.sin(math.pi/2))  # 输出：1.0
print(math.factorial(5)) # 输出：120
print(math.ceil(3.2))    # 输出：4
print(math.floor(3.8))   # 输出：3
print(math.pi)           # 输出：3.141592653589793

2. `random` — 随机数生成

常用方法

方法	功能
`random.random()`	返回 0 到 1 之间的随机浮点数
`random.randint(a, b)`	返回区间 [a, b] 的随机整数
`random.choice(seq)`	从序列中随机选取一个元素
`random.shuffle(list)`	将列表随机打乱（原地修改）
`random.sample(population, k)`	从总体中随机抽取 k 个不重复元素

示例

import randomprint(random.random())          # 输出：0 到 1 之间的随机数
print(random.randint(1, 10))   # 输出：1 到 10 的随机整数
print(random.choice(['A', 'B', 'C']))  # 随机选一个字符
lst = [1, 2, 3, 4, 5]
random.shuffle(lst)
print(lst)                     # 输出打乱后的列表
print(random.sample(lst, 3))   # 从列表随机抽取3个元素

3. `datetime` — 日期时间处理

常用类和方法

类/方法	功能
`datetime.datetime.now()`	获取当前日期和时间
`datetime.date.today()`	获取当前日期
`datetime.datetime.strptime(date_string, format)`	字符串转时间对象
`datetime.datetime.strftime(format)`	时间对象转字符串
`timedelta(days=, hours=, minutes=)`	时间间隔，用于加减时间

示例

from datetime import datetime, date, timedeltanow = datetime.now()
print(now)                    # 当前时间，格式如 2025-06-06 14:30:00.123456today = date.today()
print(today)                  # 当前日期，格式如 2025-06-06# 字符串转时间对象
dt = datetime.strptime("2025-06-06 12:00", "%Y-%m-%d %H:%M")
print(dt)# 时间对象转字符串
print(now.strftime("%Y/%m/%d %H:%M:%S"))# 计算未来时间
future = now + timedelta(days=7)
print(future)

4. `os` — 操作系统相关功能

常用方法

方法	功能
`os.getcwd()`	获取当前工作目录
`os.listdir(path)`	列出指定目录下的文件和文件夹
`os.mkdir(path)`	创建新目录
`os.remove(path)`	删除文件
`os.rename(src, dst)`	重命名文件或目录
`os.path.exists(path)`	判断路径是否存在
`os.path.join(path1, path2, ...)`	拼接路径，适应不同操作系统

示例

import osprint(os.getcwd())          # 输出当前目录路径
print(os.listdir('.'))      # 列出当前目录文件和文件夹if not os.path.exists('test_dir'):os.mkdir('test_dir')   # 创建新目录os.rename('test_dir', 'new_dir')  # 重命名目录# 删除文件示例（请确保文件存在）
# os.remove('some_file.txt')path = os.path.join('new_dir', 'file.txt')
print(path)                # 输出类似 new_dir/file.txt

5. `json` — JSON 数据解析与生成

常用方法

方法	功能
`json.dumps(obj)`	将 Python 对象编码成 JSON 字符串
`json.loads(json_str)`	将 JSON 字符串解码成 Python 对象
`json.dump(obj, file)`	将 Python 对象写入文件（JSON 格式）
`json.load(file)`	从文件读取 JSON 并转换为 Python 对象

示例

import jsondata = {"name": "Alice", "age": 25, "scores": [90, 85, 88]}# 转成 JSON 字符串
json_str = json.dumps(data)
print(json_str)# 从 JSON 字符串解析
data2 = json.loads(json_str)
print(data2['name'])# 写入文件
with open('data.json', 'w') as f:json.dump(data, f)# 从文件读取
with open('data.json', 'r') as f:content = json.load(f)print(content)

6. `re` — 正则表达式

常用函数

函数	功能
`re.match(pattern, string)`	从字符串开头匹配正则表达式
`re.search(pattern, string)`	在字符串中搜索匹配的第一个位置
`re.findall(pattern, string)`	返回所有匹配的字符串列表
`re.sub(pattern, repl, string)`	替换匹配字符串

示例

import retext = "My phone number is 123-456-7890."# 搜索电话号码
match = re.search(r'\d{3}-\d{3}-\d{4}', text)
if match:print("Found phone number:", match.group())# 查找所有数字
numbers = re.findall(r'\d+', text)
print(numbers)  # ['123', '456', '7890']# 替换数字为 '*'
new_text = re.sub(r'\d', '*', text)
print(new_text)  # My phone number is ***-***-****

7. `collections` — 额外的数据结构

常用类

类	功能
`Counter`	计数器，统计元素出现次数
`defaultdict`	带默认值的字典
`namedtuple`	命名元组，类似结构体
`deque`	双端队列，支持高效的头尾插入删除

示例

from collections import Counter, defaultdict, namedtuple, deque# Counter 统计字符出现频率
c = Counter("abracadabra")
print(c)  # Counter({'a': 5, 'b': 2, 'r': 2, 'c': 1, 'd': 1})# defaultdict，访问不存在的键返回默认值
dd = defaultdict(int)
dd['key'] += 1
print(dd['key'])  # 输出：1# namedtuple 定义简单类
Point = namedtuple('Point', ['x', 'y'])
p = Point(10, 20)
print(p.x, p.y)# deque 双端队列
d = deque([1, 2, 3])
d.appendleft(0)  # 左端插入
d.append(4)      # 右端插入
print(d)         # deque([0, 1, 2, 3, 4])