Python科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理第0章_第1頁(yè)
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1、Python科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院2本節(jié)目錄o 課程介紹o Python簡(jiǎn)介n Python簡(jiǎn)史n Python的特征n Python的應(yīng)用n python 科學(xué)計(jì)算軟件的選擇3 課程介紹Python科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理4課程介紹o 通過(guò)課程的學(xué)習(xí)掌握用python進(jìn)行科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理的方法。o 課程內(nèi)容n python 簡(jiǎn)介與python 科學(xué)計(jì)算軟件的選擇。n python 基礎(chǔ)。n NumPy-快速處理數(shù)據(jù)。n SciPy-數(shù)值計(jì)算。n Sympy-符號(hào)運(yùn)算。n Matplotlib-繪制圖表。n Pandas-數(shù)據(jù)分析。5參考資料o Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言n

2、Python編程實(shí)踐。n python核心編程中文版(第二版)。n Python學(xué)習(xí)手冊(cè)(第4版)。o Python科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理n Python數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)教程:NumPy學(xué)習(xí)指南n Python科學(xué)計(jì)算。n 利用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。n OReilly Python for Finance, Analyze Big Financial Data (2015)6課程考核及方式o 成績(jī)的組成(暫定) 平時(shí)作業(yè)(40%)+讀參考資料報(bào)告(60%)o 參考資料報(bào)告 與Python科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的、課堂上未講授的內(nèi)容。o 評(píng)判報(bào)告方式 報(bào)告同學(xué)互判,同學(xué)給的平均成績(jī)占報(bào)告總分的80%

3、。 Python簡(jiǎn)介7Python科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理8Python簡(jiǎn)史o 什么是Python?n Python英語(yǔ)單詞是蟒蛇的意思。n Python語(yǔ)言是少有的一種可以稱(chēng)得上既簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單又功能強(qiáng)大功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言。n 你將驚喜地發(fā)現(xiàn)Python語(yǔ)言是多么地簡(jiǎn)單,它注重的是如何解決問(wèn)題而不是編程語(yǔ)言的語(yǔ)法和結(jié)構(gòu)。 Python簡(jiǎn)史n Python是一種簡(jiǎn)單易學(xué),功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言,它有高效率的高層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單而有效地實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊?。n Python簡(jiǎn)潔的語(yǔ)法和對(duì)動(dòng)態(tài)輸入的支持,再加上解釋性語(yǔ)言的本質(zhì),使得它在大多數(shù)平臺(tái)上的許多領(lǐng)域都是一個(gè) 理想的腳本語(yǔ)言,特 別適用于快速的應(yīng)用 程序開(kāi)發(fā)。9

4、Python簡(jiǎn)史 Python的作者,吉多范羅蘇姆(Guido von Rossum),荷蘭人。1982年,Guido從阿姆斯特丹大學(xué)獲得了數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)碩士學(xué)位。然而,盡管他算得上是一位數(shù)學(xué)家,但他更加享受計(jì)算機(jī)帶來(lái)的樂(lè)趣。 用他的話說(shuō),盡管擁 有數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)雙料 資質(zhì),他總趨向于做 計(jì)算機(jī)相關(guān)的工作, 并熱衷于做任何和編 程相關(guān)的活兒。10Python簡(jiǎn)史 Python語(yǔ)言誕生的時(shí)間是在1989年。在阿姆斯特丹,guido在圣誕節(jié)家中正為ABC語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)插件。ABC是由荷蘭的數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)研究所開(kāi)發(fā)的,專(zhuān)為方便數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家使用。Guido 在該研究所工 作,并參與到 ABC語(yǔ)言的開(kāi) 發(fā)。

5、11Python簡(jiǎn)史 Guido希望有一種語(yǔ)言能夠像C語(yǔ)言那樣,全面調(diào)用計(jì)算機(jī)的功能接口,同時(shí)又可以輕松的編程。ABC語(yǔ)言讓Guido看到希望。ABC語(yǔ)言以教學(xué)為目的。ABC語(yǔ)言的目標(biāo)是“讓用戶感覺(jué)更好”,希望讓語(yǔ)言變得容易閱讀,容易使用,容易記憶,容易學(xué)習(xí),并以此來(lái)激發(fā)人們學(xué)習(xí)編程的興趣。 在這個(gè)圣誕節(jié)假期,Guido開(kāi)發(fā)的這個(gè)插件實(shí)際實(shí)現(xiàn)了一個(gè)個(gè)腳本語(yǔ)言,且功能強(qiáng)大。 Guido 以自己的名義發(fā)布了這門(mén)語(yǔ)言,且命名其為Python。12Python簡(jiǎn)史 Python英語(yǔ)單詞的由來(lái)是因?yàn)镚uido von Rossum是天空馬戲團(tuán)忠實(shí)的fans,用一個(gè)大蟒蛇飛行馬戲團(tuán)的名字中的一個(gè)單詞“Py

6、thon”作為這門(mén)新語(yǔ)言的名字。13Python簡(jiǎn)史o Python的發(fā)展可經(jīng)歷幾個(gè)重要的階段:n CNRI時(shí)期:CNRI是資助Python發(fā)展初期的重要資助重要單位,Python1.5版前的主要成果大部分在此時(shí)期完成。n BeOpen時(shí)期:Guido von Rossum與BeOpen公司合作,Python1.6與Python2.0基本上同時(shí)推出,但原則上已經(jīng)分別維護(hù)。Python2.0的許多功能與Python1.6不同。14Python簡(jiǎn)史n DC時(shí)期:Guido離開(kāi)BeOpen公司,將開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)帶到Digital Creations(DC)公司,該公司以發(fā)展Zope系統(tǒng)聞名,由于Guido

7、的加入,因此這個(gè)項(xiàng)目也頗受關(guān)注。n Python3.0:Python2.x和Python3.x差異挺大、前后不兼容,雖然有2to3的工具可以轉(zhuǎn),但不能解決所有的問(wèn)題。Python3.x尚未完全普及開(kāi)來(lái),很多第三方的庫(kù)都沒(méi)用官方支持Python3.x??紤]到前后版本的這個(gè)不兼容性,這會(huì)讓一些人對(duì)采用Python開(kāi)發(fā)項(xiàng)目產(chǎn)生顧忌。15Python簡(jiǎn)史o 里程碑 Python由于在2010年獲得較大市場(chǎng)份額的增長(zhǎng)(1.81%,增長(zhǎng) 速度最快的)獲年度 Tiobe編程語(yǔ)言大獎(jiǎng)。16Python簡(jiǎn)史17Python簡(jiǎn)史18Python的特征o Python語(yǔ)言的定位n 腳本語(yǔ)言(Scripting la

8、nguage)n 高階動(dòng)態(tài)編程語(yǔ)言19Python的特征o 簡(jiǎn)單易學(xué)n 簡(jiǎn)結(jié):不用結(jié)束符n 可讀性強(qiáng):每一級(jí)縮進(jìn)都是4個(gè)空格n 上手快:會(huì)其他語(yǔ)言的上手更快 Python上手容易,易學(xué),讀它的代碼就像是在讀文章。稍微有點(diǎn)邏輯思維的人只要看幾分鐘就能知道是什么意思。 從0開(kāi)始學(xué)習(xí)編程的話,Python是一個(gè)不錯(cuò)的開(kāi)始。20Python的特征o 解釋性&編輯性n Python語(yǔ)言寫(xiě)的程序不需要編譯成二進(jìn)制代碼。你可以直接從源代碼運(yùn)行程序。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部,Python解釋器把源代碼轉(zhuǎn)換成稱(chēng)為字節(jié)碼的中間形式,然后再把它翻譯成計(jì)算機(jī)使用的機(jī)器語(yǔ)言并運(yùn)行。n Python中也有編譯執(zhí)行的特性。o

9、高級(jí)語(yǔ)言 使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序,無(wú)需考慮諸如管理內(nèi)存一類(lèi)的底層。21Python的特征o 面向?qū)ο?Python即支持面向過(guò)程的編程也支持面向?qū)ο蟮木幊?。?面向過(guò)程的語(yǔ)言中,程序是由過(guò)程或僅僅是可重用代碼的函數(shù)構(gòu)建起來(lái)的。在面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中,程序是由數(shù)據(jù)和功能組合而成的對(duì)象構(gòu)建起來(lái)的。與其他主要的語(yǔ)言如C+和Java相比,Python以一種非常強(qiáng)大又簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο?編程。22Python的特征o 可擴(kuò)展性與可嵌入性 如果你需要你的一段關(guān)鍵代碼運(yùn)行得更快或者希望某些算法不公開(kāi),你可以把你的部分程序用C或C+編寫(xiě),然后在你的Python程序中使用它們。與此相反,可以把Python

10、嵌入C/C+程序,提供腳本功能。o 免費(fèi)、開(kāi)源 可自由地發(fā)布這個(gè)軟件的拷貝、閱讀它的源代碼、對(duì)它進(jìn)行改動(dòng)、把它的一部分用到新的自由軟件中。23Python的特征o 可移植性 由于它開(kāi)源的本質(zhì),Python已被移植到許多平臺(tái)上。如果能避免使用依賴(lài)系統(tǒng)的特性,那么所有的Python程序無(wú)需修改就可在任何平臺(tái)上面運(yùn)行。包括Linux ,window,Macintosh等等。o 膠水語(yǔ)言24Python的特征o 豐富的庫(kù) 豐富的庫(kù)似乎已變成判斷一種編程語(yǔ)言是否強(qiáng)大的重要標(biāo)準(zhǔn)。Python擁有一個(gè)強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。Python語(yǔ)言的核心只包含數(shù)字、字符串、列表、字典、文件等常見(jiàn)類(lèi)型和函數(shù),而由Python標(biāo)

11、準(zhǔn)庫(kù)提供了系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、文本處理、科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、圖形系統(tǒng)、XML處理等額外的功能。除了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)以外,還有許多其他高質(zhì)量的庫(kù),如wxPython、Twisted和Python圖像庫(kù)等等。25Python的特征o Python和其他語(yǔ)言的比較n 比TCL強(qiáng)大,支持“大規(guī)模編程”,適宜于開(kāi)發(fā)大型系統(tǒng)n 比Perl語(yǔ)法簡(jiǎn)潔,更具可讀性、更易于維護(hù),有助于減少Bugn 比Java更簡(jiǎn)單、更易于使用n 比C+更簡(jiǎn)單、更易于使用,不與之競(jìng)爭(zhēng)n 比VB更強(qiáng)大也更具備跨平臺(tái)特性n 比Ruby更成熟、語(yǔ)法更具可讀性2009-8-10Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言26Python的特征o Python的語(yǔ)法特

12、點(diǎn)的語(yǔ)法特點(diǎn) Python是一種語(yǔ)法表達(dá)極其優(yōu)美的腳本語(yǔ)言 運(yùn)行方式命令行、交互式、圖形集成環(huán)境 面向?qū)ο笊踔吝€支持異常處理 模塊和包與Java類(lèi)似,還開(kāi)發(fā)了Jpython 語(yǔ)言擴(kuò)展可以用C/C+/Java編寫(xiě)新的語(yǔ)言模塊 豐富的庫(kù) 數(shù)據(jù)分析/系統(tǒng)管理/web/GUI/ 27Python的特征o Python的缺點(diǎn) 運(yùn)行速度不夠快。 Python程序運(yùn)行的效率不如Java或者C代碼高,但是我們可以使用Python調(diào)用C編譯的代碼。o 開(kāi)發(fā)速度與運(yùn)行速度之間的矛盾開(kāi)發(fā)速度與運(yùn)行速度之間的矛盾 至今還沒(méi)有一門(mén)編程語(yǔ)言,開(kāi)發(fā)速度比Python快,運(yùn)行速度比C快。28Python的應(yīng)用 Python是

13、用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言寫(xiě)成的一種面向?qū)ο蟮哪_本語(yǔ)言,語(yǔ)法相對(duì)簡(jiǎn)單,符合人的思維習(xí)慣,通過(guò)集成環(huán)境或解釋器直接執(zhí)行源程序。它可以運(yùn)行在windows、linux等操作系統(tǒng)平臺(tái)上,具有豐富的功能庫(kù)以處理各種工作。 在編程領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛,可以用于系統(tǒng)編程、圖形處理、科學(xué)計(jì)算、文本處理、數(shù)據(jù)庫(kù)編程、網(wǎng)絡(luò)編程、多媒體編程等方面。也被一些公司應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上。29Python的應(yīng)用30實(shí)現(xiàn)Web爬蟲(chóng)和搜索引擎中的許多組件。 使用它(包括其它技術(shù))管理討論組。Python的應(yīng)用31 完成科學(xué)計(jì)算任務(wù)。在它的幾個(gè)系統(tǒng)中既用了Python開(kāi)發(fā),又將其作為腳本語(yǔ)言. 視頻分享服務(wù)大部分是由Python編寫(xiě)的.Pyth

14、on的應(yīng)用32 Python是豆瓣 的主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 Python與 Ruby比較: Ruby用的人太少了。至少 Python在當(dāng)時(shí)中國(guó)有真正的使用者。從技術(shù)管理的角度來(lái)看,沒(méi)有用Java已經(jīng)有些不切實(shí)際了,用Ruby就太過(guò)理想主義了。 還有一個(gè)問(wèn)題是庫(kù)。Python有大量現(xiàn)成的庫(kù),而且很多庫(kù)都經(jīng)過(guò)大型商業(yè)應(yīng)用。 Python更簡(jiǎn)潔。 Ruby 是小日本創(chuàng)建的!不能保證其技術(shù)支持性! Python 是世界的!Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o Python環(huán)境的搭建 /download/ python2.7.x同python3.x比較改了不少地方。 htt

15、p:/ 一個(gè)在線的python運(yùn)行環(huán)境,可在這里練習(xí),無(wú)需下載安裝配置。左邊頁(yè)面是寫(xiě)代碼的地方,點(diǎn)擊左上角的“Execute Sctipt”,就可以在右邊頁(yè)面看到輸出結(jié)果。33Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 Python是一門(mén)優(yōu)秀的程序語(yǔ)言,其還擁有出色的數(shù)據(jù)處理能力,尤其是在數(shù)據(jù)量巨大的時(shí)候,因而也吸引了不少數(shù)據(jù)分析人員的關(guān)注和使用。 一般的Python數(shù)據(jù)分析并不直接在Python shell中運(yùn)行代碼,而是選擇了IPython,IPython 是一個(gè) python 的交互式 shell,比傳統(tǒng)的Python shell 好用,支持變量自動(dòng)補(bǔ)全,自動(dòng)縮進(jìn),支持 bash shell 命令

16、,內(nèi)置了許多很有用的功能和函數(shù)。34Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 Python的數(shù)據(jù)處理能力主要依賴(lài)于NumPy,SciPy,Matplotlib,Pandas這4個(gè)庫(kù),其中NumPy提供了矩陣運(yùn)算的功能,SciPy則在NumPy的基礎(chǔ)上添加了許多科學(xué)計(jì)算的函數(shù)庫(kù),而這兩個(gè)庫(kù)就使Python具有和Matlab一樣的數(shù)據(jù)處理能力了。Matplotlib庫(kù)提供了繪圖,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,pandas是基于NumPy的一種工具,該庫(kù)提供了高效地操作大型數(shù)據(jù)集所需的工具。而這四個(gè)庫(kù)都需要我們進(jìn)行單獨(dú)安裝,Python自身并不具備這些庫(kù)。35Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 Ipython及各種科

17、學(xué)計(jì)算庫(kù)的安裝及升級(jí)更新較為麻煩和復(fù)雜,幸好有大神將科學(xué)計(jì)算所需要的模塊以及IPython打包供用戶使用。36Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o Python(x,y) GUI基于PyQt,曾經(jīng)是功能最全也是最強(qiáng)大的,而且是Windows系統(tǒng)中科學(xué)免費(fèi)Python發(fā)行版的不二選擇.不過(guò)今時(shí)已不同往昔! Python(x,y)里面的許多科學(xué)計(jì)算包部分有兼容性的問(wèn)題,無(wú)法使用最新的程序包。37Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o WinPython WinPython功能也是比較全的,軟件包比較新,GUI基于PyQt,不過(guò)相對(duì)于Python(x,y),它主要是關(guān)注便攜式安裝體驗(yàn):你可以把它裝在u盤(pán)里

18、面。38Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o Anaconda Anaconda Python 是完全免費(fèi)的企業(yè)級(jí)的Python發(fā)行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)分析和科學(xué)計(jì)算工具。 Anaconda 是 Python 科學(xué)技術(shù)包的合集,功能和 Python(x,y) 類(lèi)似。包管理使用 conda,GUI基于PySide,容量適中,但該有的科學(xué)計(jì)算包都有。Anaconda 支持所有操作系統(tǒng)平臺(tái),它的安裝、更新和刪除都很方便,且所有的東西都只安裝在一個(gè)目錄中。39Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 Anaconda目前提供Python 2.6.X, Python 2.7.X,Python 3.3.X和Pyth

19、on 3.4.X四個(gè)系列發(fā)行包,這也是其他發(fā)行版所望塵莫及的。 簡(jiǎn)言之,安裝了Anaconda,你就安裝了Python+NumPy+SciPy+Matplotlib+IPython+IPython Notebook。所以,我們僅僅安裝Anaconda就可以了! Anaconda下載地址:http:/continuum.io/downloads。40Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o Enthought Canopy GUI基于wxpython,包含PySide。Canopy有自己的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE),里面的代碼智能提示和自動(dòng)補(bǔ)全功能不比IPython差的! Canopy是Enthought

20、公司開(kāi)發(fā)的一款Python集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,之前的版本叫EPD,附帶了超過(guò)50個(gè)Python模塊,包括numpy、scipy、panda、matplotlib等常用模塊,同時(shí)提供免費(fèi)版和供科研使用的學(xué)術(shù)版。41Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 學(xué)術(shù)版可享受完整版的所有功能,只需驗(yàn)證一個(gè)教育郵箱,便可享受Canopy所有的功能和服務(wù)。 在注冊(cè)并完成教育郵箱的驗(yàn)證后,便可下載Canopy。Canopy支持Window、Linux和Mac平臺(tái),并提供32位和64位系統(tǒng)的安裝包。 https:/ 42Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 在軟件中登陸Enthought上注冊(cè)的用戶名和密碼,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)”Trai

21、ning on Demand“圖標(biāo),點(diǎn)擊這個(gè)圖標(biāo)便可在網(wǎng)上學(xué)習(xí)Canopy自帶的Python學(xué)習(xí)教程,其中包括:Introduction to Python、NumPy、Advanced Python、SciPy、Interfacing with other languages五個(gè)教程,教程的質(zhì)量相當(dāng)高,同時(shí)提供用Ipython Notebook編寫(xiě)的文檔可供練習(xí),且會(huì)不斷加入新的專(zhuān)題,真是一筆不可多得的入門(mén)好資源!43Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較 同時(shí),Canopy提供一鍵升級(jí)Package的功能,可以根據(jù)需要,方便快捷地安裝和管理各個(gè)Package。44Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較

22、o Sage 萬(wàn)眾矚目的發(fā)行版,其目標(biāo)是要干掉:MATLAB, MAPLE, MATCAD, Mathematica等。45Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o 軟件選擇和推薦軟件選擇和推薦n Python(x,y)和WinPython都是開(kāi)源項(xiàng)目,其項(xiàng)目負(fù)責(zé)人都是Pierre Raybaut。n Canopy和Anaconda是公司推的,帶免費(fèi)版和商業(yè)版/插件。這兩款發(fā)行版也牽扯到一個(gè)人,那就是Travis Oliphant。Travis是SciPy的原始作者,同時(shí)也是NumPy的貢獻(xiàn)者。Travis在2008年以副總裁身份加入Enthought,2012年以總裁的身份離開(kāi),創(chuàng)立了一個(gè)新公司c

23、ontinuum.io,并推出了Python的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)Anaconda。46Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o Anaconda的開(kāi)發(fā)和維護(hù)中有Python創(chuàng)始人和社區(qū)的核心成員。因此在各種操作系統(tǒng)中,無(wú)論是Linux,還是Windows、Mac都推薦Anaconda!o Canopy的性能和穩(wěn)定性超強(qiáng)!也提供免費(fèi)的free版本和學(xué)術(shù)版本(用于教育科研也是免費(fèi)的)。47Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較o Python用于科學(xué)計(jì)算的一些常用工具和庫(kù)n NumPy-數(shù)學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)庫(kù):N維數(shù)組、線性代數(shù)計(jì)算、傅立葉變換、隨機(jī)數(shù)等。n SciPy-數(shù)值計(jì)算庫(kù):線性代數(shù)、擬合與優(yōu)化、插值、數(shù)值積分、稀

24、疏矩陣、圖像處理、統(tǒng)計(jì)等。n SymPy-符號(hào)運(yùn)算n Pandas-數(shù)據(jù)分析庫(kù):數(shù)據(jù)導(dǎo)入、整理、處理、分析等。n Matplotlib-會(huì)圖庫(kù):繪制二維圖形和圖表。n Beautiful soup:爬蟲(chóng)工具48Python科學(xué)計(jì)算發(fā)行版的比較n scikit-learn: Machine Learning in Pythonn nltk:Natural Language Toolkitn Chaco-交互式圖表n TVTK-數(shù)據(jù)的三維可視化n Mayavi-更方便的可視化n VPython-制作3D演示動(dòng)畫(huà)n OpenCV-圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)n Cython-Python轉(zhuǎn)C的編譯器:編寫(xiě)高效運(yùn)算擴(kuò)展庫(kù)的首選工具n BioPython-生物科學(xué)49附: Canopy簡(jiǎn)單操作o 設(shè)置路徑In 1:import os #導(dǎo)入os的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)In 2:os.getcwd() #查看現(xiàn)在的工作目錄Out

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