金融計算程式運用(一)【1】

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📖研習進度 ：

1. 安裝Anaconda環境

2. pip與conda不同

3. 建立虛擬環境(Virtual Environment)

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Conda Commands

參考網址：https://docs.conda.io/projects/conda/en/latest/user-guide/tasks/index.html

• 重要指令整理：

## Creating and Removing an environment with commands
$conda create --name NCCU109_2 python=3.9
$conda remove --name NCCU109_2 --all

## Specifying a location for an environment
$conda create --prefix ./Test_envs python=3.9
$conda remove --prefix /Users/chenzhenghui/Test_envs --all

## Install Package
$conda install PKGNAME
$conda install jupyter qtconsole

## Activating juyter qtconsole
$jupyter qtconsole

## Activating an environment
$conda activate NCCU109_2

## Deactivating an environment
$conda deactivate

## Get virtual environment list
$conda env list

Python程式結構

Python程式可分解為模組(module)、敘述(statement)、表達式(expression)與物件(object)：

1. Programs are composed of modules.

2. Modules contain statements.

3. Statements contain expressions.

4. Expressions create and process objects.

其中，Python裡的東西全部皆為物件！

Everything is an Object！

縮排(indentation)與程式區塊(block)

• Python的程式敘述是以行為單位，一行為一個敘述

• Python使用空格與縮排來區分程式區塊(含for loop、if-else子句等)，與其他程式語言使用 {} 不同

/* C語言，縮排整齊 */
int n, r;
n = 9;
r = 1;
while (n > 0) {
  r *= n;
  n--
}

/* C語言，任意縮排的方式*/
int n, r;
      n = 9;
      r = 1;
       while (n > 0) {
  r *= n;
  n--
}

• Python可使用空格與Tab來縮排，只要同一個程式區塊的縮排方式一致即可

• Python官方建議以4個空格作為縮排

• 空格與Tab(在某些編輯器看似4個空格)屬於不同縮排，故不建議同時使用

• 建議同一個層次區塊使用相同縮排。雖然以下仍是合法編排：

if 判斷：
    for 迴圈Ａ：
        程式區塊Ａ
    for 迴圈Ｂ：
           程式區塊Ｂ

• 縮排為Python語言的一部分，擁有許多好處：

  • 不會有大括弧多寫與少寫的問題

  • 程式可讀性高

  • 程式一致性高

註解(comment)

• 在Python中以#符號後面的任何內容視為註解，並被解釋器忽略

  x = 5 # 設定變數x值為5
  x = 3 # x現在為3
  x = "# This is not a comment"

Python基礎

變數指派(assignment)：=

• Python無須事先宣告變數型態

• 可指派任何型態的物件給Python變數

• 變數引用(reference)物件

• 變數在表達式使用之前，必須先被指派創建

  x = 5
  print(x)

  ## 5

  x = "Hello"
  print(x)

  ## Hello

• Python的變數指派為貼上「標籤」或「名牌」的動作

  a = [1, 2, 3]  # 建立list，注意：list為可變(mutable)物件
  b = a
  c = a
  b[1] = 100
  print(a, b, c)

  ## [1, 100, 3] [1, 100, 3] [1, 100, 3]

  a = 1    # a(值為1)為不可變(immutable)物件
  b = a
  c = a
  b = 100
  print(a, b, c)

  ## 1 100 1

• Python變數名稱區分大小寫，可包含任何英文字母、數字、以及底線(_)，但必須以字母或底線開頭

  x = 100
  print(x)

  ## 100

  # x = 100
  # del x    # 刪除物件x
  # print(x)
  
  ## NameError: name 'x' is not defined

表達式(Expression)

x = 3
y = 5
z = (x + y) / 2
print(z)

## 4.0

3 / 2

## 1.5

3 // 2    # 整數除法，回傳小於商數的最大整數

## 1

-3 // 2   # 整數除法，回傳小於商數的最大整數

## -2

簡單內建(Built-in)型態

數值(number)：int & float

• 整數(int)

• 浮點數(float)

x = 100    # int：整數型態
type(x)

## <class 'int'>

y = 100.0    # float:浮點數型態
type(y)

## <class 'float'>

3.14 * 2

## 6.28

1e-3 # 科學記號表達

## 0.001

1E-3 # 大寫E也可以

## 0.001

len(str(2 ** 1000000))  ## **：power，str():轉換為str，len()：計算長度

## 301030

• 混合類型時，自動升級為更複雜的型態

  type(40 + 3.14)

  ## <class 'float'>

int(3.1415)    # 截斷小數位為整數

## 3

float(3)       # 轉換整數為浮點數

## 3.0

內建數值工具

• Expression operators:
  +, -, *, /, >>, **, etc

• Built-in mathematical functions:
  pow, abs, round, int, hex, bin, max, min, etc.

• Utility modules:
  random, math, etc.

進階數值函數

import math
math.pi

## 3.141592653589793

math.e ** 2

## 7.3890560989306495

math.sqrt(2)

## 1.4142135623730951

import random
random.random()

## 0.2915432629644915

random.choice([1, 2, 3, 4])

## 4

dir(math)

## ['__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'acos', 'acosh', 'asin', 'asinh', 'atan', 'atan2', 'atanh', 'ceil', 'comb', 'copysign', 'cos', 'cosh', 'degrees', 'dist', 'e', 'erf', 'erfc', 'exp', 'expm1', 'fabs', 'factorial', 'floor', 'fmod', 'frexp', 'fsum', 'gamma', 'gcd', 'hypot', 'inf', 'isclose', 'isfinite', 'isinf', 'isnan', 'isqrt', 'lcm', 'ldexp', 'lgamma', 'log', 'log10', 'log1p', 'log2', 'modf', 'nan', 'nextafter', 'perm', 'pi', 'pow', 'prod', 'radians', 'remainder', 'sin', 'sinh', 'sqrt', 'tan', 'tanh', 'tau', 'trunc', 'ulp']

複數(complex)

1 + 1j

## (1+1j)

1 - 2J # 大寫J也可以

## (1-2j)

3 + 1j - (3 + 3j)

## -2j

(3 + 1j) * (3 + 3j)

## (6+12j)

1j * 1j

## (-1+0j)

z = 3 + 4j
z

## (3+4j)

z.real

## 3.0

z.imag

## 4.0

進階複數函數

import cmath
dir(cmath)

## ['__doc__', '__file__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'acos', 'acosh', 'asin', 'asinh', 'atan', 'atanh', 'cos', 'cosh', 'e', 'exp', 'inf', 'infj', 'isclose', 'isfinite', 'isinf', 'isnan', 'log', 'log10', 'nan', 'nanj', 'phase', 'pi', 'polar', 'rect', 'sin', 'sinh', 'sqrt', 'tan', 'tanh', 'tau']

from math import *
# sqrt(-1)
# ValueError: math domain error
from cmath import *
sqrt(-1)  # sqrt函數來自模組cmath

## 1j

Inf

float('Inf')

## inf

float('inf')

## inf

float('INF')

## inf

import math
math.inf

## inf

math.isinf(float("-inf")) # OUTPUT:True. Return True if x is a positive or negative infinity, and False otherwise.

## True

math.isinf(float("inf"))

## True

float("inf") == float("inf") 

## True

float("-inf") == float("-inf") 

## True

float("inf") == float("-inf")

## False

字串(str)簡介

• Python以雙引號(")或單引號(')或三引號(''')來建立字串

  x = "Hello, World"
  x

  ## 'Hello, World'

  x = "\tThis string starts with a \"tab\"." 
  x

  ## '\tThis string starts with a "tab".'

  print(x)

  ##  This string starts with a "tab".

  x = "This string contains a single backslash(\\)."
  x

  ## 'This string contains a single backslash(\\).'

  print(x)

  ## This string contains a single backslash(\).

  x = "Hello, World"
  x

  ## 'Hello, World'

  x = 'Hello, World'
  x

  ## 'Hello, World'

  x = "Don't need a backslash"
  x

  ## "Don't need a backslash"

  x = 'Can\'t get by without a backslash'
  x

  ## "Can't get by without a backslash"

  x = "Backslash your \" character!"
  x

  ## 'Backslash your " character!'

  x = 'You can leave the " alone'
  x

  ## 'You can leave the " alone'

  x = """Starting and ending a string with triple " characters
  permits embedded newlines, and the use of " and ' without
  backslashes"""
  x

  ## 'Starting and ending a string with triple " characters\npermits embedded newlines, and the use of " and \' without\nbackslashes'

None(None)

• 表示代表『不存在』或是『空值』(如R語言的NULL)

• None在Python亦代表佔位符號(place holder)，用來表示資料中某一個欄位目前尚未得知具體之值，先保留該位置，之後再填值(類似R語言中NA的功能)。

None == False

## False

None == 0

## False

None == None    # None只會等於自己

## True

None is None

## True

Booleans(bool)

• 本質上為整數int的子類別：True為1，False為0

• 擁有不同於int型態的列印(print)方式

type(True)

## <class 'bool'>

isinstance(True, int)

## True

True == 1   # same value

## True

True is 1   # But a different object

## False

True or False

## True

True + 1

## 2

float(True)

## 1.0

float(False)

## 0.0

int(True)

## 1

int(False)

## 0

比較(comparison)

1 < 2

## True

2.0 > 1

## True

2.0 == 2

## True

2.0 is 2

## False

x = 2
y = 4
z = 6

x < y < z       

## True

x < y and y < z

## True

x < y > z

## False

x < y and y > z

## False

1 < 2 < 3.0 < 4

## True

1 > 2 > 3.0 > 4

## False

1 == 2 < 3

## False

1 == 2 and 2 < 3

## False

• 請注意浮點數的比較：

  1.1 + 2.2 == 3.3

  ## False

  1.1 + 2.2

  ## 3.3000000000000003

  • 使用math.isclose

    import math
    math.isclose(1.1 + 2.2, 3.3, abs_tol=1e-6)

    ## True

  • 使用decimal module：有固定的小數點位數，為精度固定的浮點數。

    from decimal import *
    Decimal('0.1') + Decimal('0.1') + Decimal('0.1') - Decimal('0.3')

    ## Decimal('0.0')

    Decimal('0.1') + Decimal('0.1') + Decimal('0.1') - Decimal('0.30')

    ## Decimal('0.00')

    Decimal(0.1) + Decimal(0.1) + Decimal(0.1) - Decimal(0.3) # 預設28位

    ## Decimal('2.775557561565156540423631668E-17')

    getcontext()

    ## Context(prec=28, rounding=ROUND_HALF_EVEN, Emin=-999999, Emax=999999, capitals=1, clamp=0, flags=[Inexact, FloatOperation, Rounded], traps=[InvalidOperation, DivisionByZero, Overflow])

    getcontext().prec

    ## 28

  • 使用fractions module：轉換為有理數

    from fractions import Fraction
    x = Fraction(1, 3)
    y = Fraction(4, 7)
    x

    ## Fraction(1, 3)

    y

    ## Fraction(4, 7)

    x + y

    ## Fraction(19, 21)

    x - y

    ## Fraction(-5, 21)

    x/y

    ## Fraction(7, 12)

    Fraction('.25')

    ## Fraction(1, 4)

    Fraction('1.25')

    ## Fraction(5, 4)

    Fraction('.25') + Fraction('1.25')

    ## Fraction(3, 2)

Python風格與命名慣例

命名慣例

PEP 8

• Python Enhancement Proposals 8

• Style Guide for Python Code：https://www.python.org/dev/peps/pep-0008/

• 提高程式碼可讀性

  閱讀程式碼的頻率高於撰寫

動態型別程式語言(Dynamic Type Programming Language)

不需變數宣告

• Python在執行時，變數型態是在運行中自動決定，而不是透過事先變數宣告。

  • 變數創建

    變數在指派時即創建之，之後的指派將會改變已創建之變數內容。

  • 變數型態

    變數從不擁有任何與他關聯的型態訊息與限制。型態的概念存在物件本身，而不在變數名當中。只是在某個時間點上，變數參考一個特定對象而已。

    型態屬於物件，不屬於變數

    Types Live with Objects, Not Variables

  • 變數使用

    當變數出現在表達式中，他會馬上對當前所參考的物件所替代。所有物件必須在使用前輩明確定義。

    a = 100

    • 先創建整數物件100

    • 創建一個變數a，如果他之前沒有被創建下

    • 將變數a與整數物件100綁定在一起

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1. 變數(Variable)包含：指向物件的連結

2. 物件(Object)存放在記憶體中

3. 參考(Reference)：為變數可以參考到物件的指標(Pointer)

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物件的垃圾收集(Garbage-Collected)

a = 3
a = 'spam'

• 當一個變數名被指派一個新的物件時，如果原來的物件沒有被其他變數名所引用，則之前的物件佔用的記憶體空間將會被回收。

• Python會在每一個物件中保留一個計數器，計數器紀錄當下該物件被參考的數目。當計數器被設置為0時，這個物件佔用的記憶體就會被自動回收。

共享引用(Shared Reference)

a = 100
b = a

• 變數a與變數b都引用了相同的物件，也就是指向了相同的記憶體位址

• 即為『共享引用』

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a = 100
b = a
a = 'nccu'
print(b)

## 100

• 創建新的字串物件('nccu')，並創建a對此新物件進行引用。

• 這並不會改變b的值，b仍然引用原來的整數物件3。

• 因為int與str為不可變物件

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a = 100
b = a
a = a + 2
print(b)

## 100

• 最後的變數a引用一個完全不同的物件

• 因為int為不可變物件

---

共享引用與原地修改(Shared References and In-Place Changes

)

• 有些物件為『可變(mutable)』，如list, dict與set，確實會發生原地修改

• 在使用這些物件並共享引用時需特別注意

  因為所有的指派(assignment)都是引用(Reference)

L1 = [2, 3, 4]
L2 = L1

L1[0] = 200   # 修改L1
print(L1, L2)  # 結果L2也跟著改變

## [200, 3, 4] [200, 3, 4]

L1 = [2, 3, 4]
L2 = L1[:]    # 複製一份L1給變數L2引用
L1[0] = 300
print(L1, L2)

## [300, 3, 4] [2, 3, 4]

X = 100
Y = X
X == Y

## True

X is Y

## True

L = [1, 2, 3]
M = L
M == L

## True

M is L

## True

L = [1, 2, 3]
M = L[:]
M == L

## True

M is L

## False

L = [1, 2, 3]
M = [1, 2, 3]
M == L

## True

M is L

## False

import sys
sys.getrefcount(1)

## 1113

• 「動態型別」特性為Python多形(polymorphism)的基礎

• 「動態型別」是Python唯一的指派(賦值)機制