Python. Обработка данных

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

А. Н. Титов, Р. Ф. Тазиева

PYTHON 

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 004.6(075)
ББК 32.97я7

Т45

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. М. Х. Хайруллин
канд. экон. наук, доц. О. С. Семичева

Т45 

Титов А. Н. 
Python. Обработка данных : учебно-методическое пособие / А. Н. Титов, 
Р. Ф. Тазиева; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – 
Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 104 с. 

ISBN 978-5-7882-3171-6

Рассмотрены возможности языка программирования Python в области программирования и решения задач вычислительной математики, таких как аппроксимация и интерполяция, численное интегрирование, оптимизация, решение 
уравнений и систем уравнений. Приведен теоретический материал и примеры решения задач. Для оценки уровня усвоения студентами пройденного материала 
предложены варианты самостоятельных работ. 
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям подготовки 
18.03.01 «Химическая технология», 28.03.02 «Наноинженерия», 09.03.02 «Информационные системы и технологии», изучающих дисциплины «Информатика», 
«Вычислительная математика», «Прикладная математика», «Обработка экспериментальных данных», «Методы оптимизации», «Алгоритмы и структуры данных». 
Подготовлено на кафедре информатики и прикладной математики. 

ISBN 978-5-7882-3171-6 
© Титов А. Н., Тазиева Р. Ф., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 

УДК 004.6(075) 
ББК 32.97я7

2 

О Г Л А В Л Е Н И Е

Введение.........................................................................................................................4

1. PYTHON. СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ IDLE  И GOOGLE COLAB ...........................6

2. ПРОВЕДЕНИЕ ПРОСТЕЙШИХ РАСЧЕТОВ В PYTHON................................14

2.1. Данные: типы, значения, переменные и имена ............................................14

2.2. Оператор присваивания ..................................................................................23

2.3. Операторы ввода, вывода данных, преобразования типа ...........................24

2.4. Функции в Python ............................................................................................26

3. ЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ И ВЫРАЖЕНИЯ. ОПЕРАТОР IF .................32

Задания для самостоятельной работы ..................................................................36

4. ОПЕРАТОРЫ ЦИКЛОВ WHILE И FOR..............................................................38

4.1. Оператор цикла for ..........................................................................................38

4.2. Оператор while.................................................................................................41

Задания для самостоятельной работы ..................................................................43

5. ОБРАБОТКА ЧИСЛОВЫХ СПИСКОВ В PYTHON..........................................45

5.1. Работа с одномерными списками...................................................................45

Задания для самостоятельной работы ..................................................................49

5.2. Работа со списками-матрицами .....................................................................53

Задания для самостоятельной работы ..................................................................57

6. РАБОТА СО СТРОКАМИ .....................................................................................59

Задания для самостоятельной работы ..................................................................66

7. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЫ И ПРИКЛАДНОЙ
МАТЕМАТИКИ. РАБОТА С ФУНКЦИЯМИ БИБЛИОТЕК NUMPY И SCIPY....68

7.1. Функции работы с массивами ........................................................................68

7.2. Функции Python для решения задач прикладной математики....................75

Задания для самостоятельной работы ..................................................................98

Литература .................................................................................................................102

3 

В В Е Д Е Н И Е

Python – это высокоуровневый язык программирования общего 

назначения с динамической строгой типизацией и автоматическим 
управлением памятью, ориентированный на повышение производительности разработчика, читаемости кода и его качества, а также на 
обеспечение переносимости написанных на нем программ. Язык является полностью объектно-ориентированным.

Работа над созданием языка программирования Python началась 

в конце 1989 г. под руководством Гвидо ван Россума (Guido van 
Rossum) в центре математики и информатики в Нидерландах. Язык 
Python существует примерно с 1991 г. и является одним из пяти самых 
популярных языков программирования. Он используется во многих 
компьютерных приложениях: пользовательских интерфейсах, web-приложениях (как клиентских, так и серверных), приложениях для мобильных устройств и др. Python применяется для создания сайтов, системного администрирования, манипулирования данными, в искусстве, 
науке и бизнесе. 

Популярность Python обусловлена тем, что данный язык спосо
бен решать широкий круг задач и его применение возможно практически на всех популярных на сегодняшний день платформах. В последние 
годы Python приобрел свою популярность за счет эффективности в таких сферах разработки, как Machine Learning и Data Science, благодаря 
своей расширяемости и гибкости, что так необходимо в данном сегменте программирования. В то же время Python широко применяется 
в web-разработке. К преимуществам языка следует отнести гибкость, 
расширяемость (существуют библиотеки и фреймворки под любой тип 
задач и надобностей, можно использовать C код), относительная простота синтаксиса, наличие интерпретатора на всех платформах, единый 
стандарт для написания кода PEP (Python Enhancement Proposal – предложения по развитию Python), открытость кода интерпретатора (Open 
Source). Все эти преимущества языка сделали его популярным и востребованным на данный момент, позволив Python развиваться быстрыми темпами. Существует уже третья версия языка, которая на сегодня является основной.

Несмотря на все явные преимущества, Python также имеет ряд 

недостатков, к числу которых можно отнести довольно невысокую про

изводительность, некоторую специфику синтаксиса языка, динамическую типизацию, из-за которой потребляется больше ресурсов. Это не 
самый удобный язык для мобильных разработок. Но язык постоянно 
развивается и является отличным языком программирования как для 
обучения, так и для реальной разработки.

Авторы поставили перед собой цель: собрать имеющуюся в ли
тературе информацию по работе в Python, переработать ее с учетом тех 
типов задач, которые решаются в преподаваемых авторами дисциплинах – программировании и обработке данных. Авторы надеются облегчить восприятие изложенного материала, снабдив пособие большим количеством примеров и пояснений к ним.

Пособие включает в себя семь глав. В первой главе рассматрива
ются вопросы, связанные с началом работы в Python, во второй – типы 
данных и работа с математическими функциями, имеющимися в системе и библиотеке math. В третьей главе приведены примеры организации ветвления с помощью оператора if. В четвертой главе показано, 
как организовать циклы на Python, приведены примеры итерирования 
по различным видам последовательностей. В пятой главе приведены 
примеры работы с числовыми последовательностями. В шестой главе 
рассмотрены примеры работы со строками. В седьмой главе приведены 
примеры решения различных задач линейной алгебры и прикладной 
математики. Рассмотрены: работа с матрицами; работа с функциями, 
имеющимися в библиотеках Numpy, Scipy и Sympy для решения уравнений и систем уравнений, задач аппроксимации и интерполяции, дифференцирования и интегрирования (как в явном виде, так и численно); 
решение задачи Коши для дифференциальных уравнений первого порядка и систем таких уравнений; решение задач линейного программирования и безусловной оптимизации. 

Материал, изложенный в пособии, может быть использован при 

проведении лабораторных занятий по информатике, информационным 
технологиям, языкам программирования, обработке экспериментальных данных, вычислительной и прикладной математике, алгоритмам 
и структурам данных. Используемая в пособии версия – Python 3.10.2.

В работе не рассмотрены графические возможности среды 

Python. Там, где требовалось строить графики, приведены коды команд 
с комментариями к ним.

1 . P Y T H O N .  С Р Е Д Ы  Р А З Р А Б О Т К И  I D L E

И  G O O G L E  C O L A B

Для установка программы на сайте www.python.org/ выбираем

и устанавливаем инсталлятор для имеющейся версии Windows. Когда 
установка завершится, можно запустить программу IDLE (Integrated 
Development Environment). IDLE – бесплатная среда разработки. Она 
устанавливается вместе с Python и включает в себя простой текстовый 
редактор для ввода и редактирования команд. Для запуска программы
нужно открыть меню «Пуск», выбрать (при необходимости) пункт «Все 
программы» и кликнуть по IDLE. Откроется диалоговое окно, наподобие того, что приведено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Диалоговое окно системы

В среде разработки IDLE есть два окна: окно редактора кода

и окно консоли, которое открывается после запуска IDLE. Последнее 
называют окном интерпретатора или окном командной строки. У интерпретатора есть замечательное свойство: как только будет введена 
команда, Python тут же исполнит ее и выведет на экран полученный результат. Код вводится после знака приглашения >>>. Если в программе 
есть ошибки, они тут же появятся на экране. В окне консоли удобно 
тестировать фрагменты программы, прежде чем добавить их в большую 
программу. В окне консоли код не сохраняется. При вводе кода IDLE 
выдает подсказку после ввода названия функции или метода

Рис. 1.2. Диалоговое окно с подсказкой по функции print

Разные части кода выделяются определенным цветом. Среда поз
воляет изменять цвет оформления отдельных элементов. Для этого 
нужно последовательно выполнить пункты меню Options, Configure 
IDLE, а затем перейти на вкладку Highlighting и выбрать нужную тему 
оформления (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Выбор темы оформления 

Можно создать собственную подсветку, выбрав элемент, для ко
торого вы хотите изменить цвет, и затем, нажав кнопку Choose color 
for:. После того как результат на экране вас устроит, следует нажать 
кнопку Save as New Custom Theme. Затем в группе Highlighting Theme 
надо включить переключатель a Custom Theme и выбрать свою тему 
оформления. 

На вкладке Fonts/Tab можно изменить параметры шрифта 

(например, установить шрифт Times New Roman и задать его размер). 
По умолчанию используется шрифт Courier New размером 10 пунктов.

Каждая инструкция располагается на отдельной строке, и если 

она не является вложенной, то должна начинаться с самой первой позиции строки. На рис. 1.4 приведен пример кода из одной строки 
с ошибкой. Инструкция (х=2) начинается с пробела, поэтому выдано 
сообщение об этой ошибке: SyntaxError: unexpected indent.

Рис 1. 4. Ошибка: неожиданный отступ

Во многих языках программирования инструкции заканчиваются 

точкой с запятой, однако в Python точка с запятой не обязательна, хотя 
и не является ошибкой. Однако если в строке помещаются несколько 
инструкций, они разделяются точкой с запятой. Перед всеми инструкциями, стоящими внутри одного блока (например, инструкциями, которые стоят после первой строки в операторе if и которые должны быть 
выполнены, если условие выполнено), должно быть одинаковое количество пробелов. Для завершения блока при переходе на следующую 
строку надо нажать Backspace, а затем – Enter. В новой строке слева 
появится символ приглашения >>>. Если количество пробелов внутри 
блока разное, будет выдано сообщение об ошибке.

Создавать большую программу лучше в окне редактора (его 

называют еще окном программ), открыть которое можно, выполнив 
пункты меню консоли File/New File. Появится пустое окно с именем 
untitled («безымянное») – см. рис. 1.5.

Рис. 1.5. Окно редактора кода

Набранную в этом окне программу нужно сохранить командами 

Save или Save As… Выполнить введенную программу можно командой 
Run/Run module из меню окна редактора. Это же можно сделать, нажав 
клавишу F5. Сохраненные файлы имеют расширение .py, и при сохранении это расширение добавляется автоматически. Найти недавно сохраненные файлы можно командой Recent Files (последние файлы) из

меню File: появится список, в котором на первом месте – ваша последняя 
сохраненная программа. Выберите ее, и она появится в окне программ.

Набирать и запускать программы, написанные на Python, можно 

в облачном сервисе Google Colaboratory (Colab). Блокнот Colab – бесплатная интерактивная облачная среда для работы с кодом от Google
Research. В основе «Колаборатории» – Jupyter Notebook для работы на 
Python с базой на Google-диске, а не на компьютере. Поэтому для доступа к данному сервису необходимо войти на Google-диск под своей 
учетной записью gmail.  Фактически вы работает на виртуальной машине, на которой можете запустить свой код изолированно от других 
пользователей и ресурсов. Рассмотрим основные принципы работы 
с Google Colab.

Для создания блокнота необходимо зайти на сайт сервиса Google

Colab, в котором появится окно с доступными блокнотами. Пример одного 
из 
них 
приведен 
на 
рис. 
1.6
(адрес 
сайта: 

https://colab.research.google.com/notebooks/intro.ipynb#recent=true).

Рис. 1.6. Окно с доступными блокнотами

При нажатии на кнопку «Создать блокнот» откроется окно с од
ной пустой ячейкой для ввода программного кода. Блокнот поддерживает работу с несколькими ячейками, в которых, кроме программного 
кода, могут быть записаны текст, формулы, изображения, разметка 
HTML. 

Рис. 1.7. Блокнот 

Заголовок блокнота можно поменять в левом верхнем углу 

файла. Главное меню содержит пункты: 

1. «Файл». Предназначен для того, чтобы получить доступ

к таким командам,
как создание, загрузка, открытие блокнота, 

скачивание файла Jupiter Notebook c расширениями .py или ipynb, на 
персональном компьютере.

2. «Изменить». Служит для работы с ячейками (удаление,

вставка, копирование). С помощью команды «Настройки блокнота»
возможно запустить программный код на графическом процессоре 
GPU или на тензорном процессоре TPU, что позволит ускорить 
выполнение программы.

3. «Вид». Для настройки дополнительных окон.
4. «Вставка».
5. «Среда выполнения». Позволяет получить доступ к различным

режимам выполнения кода ( в текущей ячейке, во всех ячейках и т. д. ).

6. «Инструменты». Предназначен для редактирования настроек

редактора.

7. «Справка».
Для каждой ячейки на отдельной панели интрументов (в верхнем

левом углу) доступен набор команд, позволяющих проводить с ней 
определенные действия (табл. 1.1).