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zhangzj1209/Julia_tutorial

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《Julia 1.7.3 程序语言》

0、Julia软件安装

0-1、学习资源

0-2、Julia命令行程序的安装和使用

  • 下载和解压julia软件包

    wget https://julialang-s3.julialang.org/bin/linux/x64/1.7/julia-1.7.3-linux-x86_64.tar.gz
tar zxvf julia-1.7.3-linux-x86_64.tar.gz

  • 添加环境变量

    vim ~/.bashrc
export PATH="$PATH:/data/ustc/julia-1.7.3/bin"
source ~/.bashrc

  • 将Julia添加到Jupyter Notebook

    import Pkg
Pkg.add("IJulia")

1、概述

1-1、命令行运行julia启动交互式会话（REPL）

$ julia
  
               _
   _       _ _(_)_     |  Documentation: https://docs.julialang.org
  (_)     | (_) (_)    |
   _ _   _| |_  __ _   |  Type "?" for help, "]?" for Pkg help.
  | | | | | | |/ _` |  |
  | | |_| | | | (_| |  |  Version 1.7.3 (2022-05-06)
 _/ |\__'_|_|_|\__'_|  |  Official https://julialang.org/ release
|__/                   |

julia>

1-2、julia基本命令

  • 查看julia的配置情况：

    julia> versioninfo()

  • 显示当前工作路径：

    julia> pwd()

  • 更改工作目录：

    julia> cd("/data/ustc/")

1-3、利用REPL执行源文件

  • julia源程序用.jl作为扩展名，运行当前目录下的my_program.jl： 
    julia> include("my_program.jl")

1-4、REPL的提示模式

  • REPL的5种提示模式：
    • Julia模式：第一行开头为julia>的模式，为REPL的默认操作模式。
    • Help模式：在Julia模式下键入?可进入Help模式查看帮助文档（按Backspace可退出Help模式）。如在help?>后输入： 
      print()
    • Shell模式：在Julia模式下键入;可进入Shell模式（按Backspace可退出Shell模式）。如在shell>后输入： 
      cd /data/ustc/
    • i-search模式：在Julia模式下同时按Ctrl键+R键可进入i-search模式（同时按Ctrl键+C键可退出i-search模式）。
    • pacakge模式：在Julia模式下键入]可进入pacakge模式（按Backspace可退出pacakge模式），可通过运行如下命令来管理Package：
      • help：查看Package。
      • status：查看安装的Package列表。
      • add xxx：安装某个Package。
      • build xxx：使Package能够运行。
      • update xxx：更新Package到新版本。
      • remove xxx：删除Package。

1-5、REPL中的快捷键与注意事项

  • 同时按Ctrl键+D键或输入exit()可退出REPL。
  • 同时按Ctrl键+C键可中止当前正在运行的耗时较长的程序。
  • 在REPL中，在代码的结尾加上;，则其结果不会被显示。
  • 变量ans总会储存最新一行执行代码的结果。

2、数据类型与基本运算

2-1、常量与变量

  • 常量的关键字是const 
    const e = 2.71828182845904523536
const pi = 3.14159265358979323846
  • 变量类型 
    x = 10           # 整型变量
y = -10.0        # 浮点型变量
z = 1 + 2im      # 复数变量
k = 2//3         # 有理数变量
name = "zhang"   # 字符串变量
myc = 'A'        # 字符变量

2-2、整数与浮点数

  • julia中的整数可直接写成-123。
  • julia中的浮点数可直接写成0.123，也可直接写成科学记数法形式1.23e-1。
  • julia中的复数可直接写成1+2im。
  • julia中的字符用单引号''表示，字符串用双引号“”或三重双引号""""""表示。
  • 用typeof()求某个值的类型： 
    # 64位系统：
julia> typeof(-123)
Int64

julia> typeof(1.23e-1)
Float64

julia> typeof(1+2im)
Complex{Int64}

julia> typeof('A')
Char

julia> typeof("ustc")
String

2-3、四则运算

表达式 说明
-x 取相反数
x + y 加法
x - y 减法
x * y 乘法
x / y 除法
x ÷ y 取x / y的整数部分
x \ y 反向除法，等价于y / x
x ^ y x的y次幂
x % y 取余数，等价于rem(x,y)

其中，÷的输入方法为键入\div后按Tab，如此还可输入α(\alpha)、π(\pi)、∑(\sum)、≥(\ge)、≤(\le)、≠(\ne)、∈(\in)等。

2-4、数学函数

  • 常见等数学函数有：log，exp，sqrt，sin，cos，tan等。
  • divrem(x, y)：同时返回x除以y的商和余数。
  • round(Int, x)将x四舍五入到整数，round(x, digits=2)将x四舍五入到2位小数，round(x)将x四舍五入到0位小数的浮点数。
  • floor(Int, x)求小于等于x的最大整数，floor(x)返回小于等于x的最大整数对应的浮点值。
  • ceil(Int, x)求大于等于x的最大整数，ceil(x)返回大于等于x的最大整数对应的浮点值。
  • factorial(n)计算阶乘。

2-5、字符串的其他操作

  • *连接两个字符串：

    julia> "julia_" * "tutorial"
"julia_tutorial"

  • ^表示字符串重复：

    julia> "program" ^ 3
"programprogramprogram"

3、流程控制与逻辑运算

3-1、运算符

  • 关系运算符

    等于 不等于 大于 小于 大于等于 小于等于
    == != > < >= <=

  • 逻辑运算符

    运算符 逻辑表达式 意义
    && x && y 如果两个操作数都非零，则条件为真
    || x || y 如果两个操作数中有任意一个非零，则条件为真
    ! ! x 逆转操作数的逻辑状态

    逻辑运算符优先级低于关系运算符；逻辑运算符内部优先级为! > && > ||。

3-2、if

  • 一般格式

    if 条件1
    ......
elseif 条件2
    ......
else
    ......
end

  • 嵌套if

    if 条件1
    ......
    if 条件2
        ......
    elseif 条件3
        ......
    else
        ......
    end
elseif 条件4
    ......
else
    ......
end

3-3、条件运算符及条件表达式

  • 三元运算符? :，其构成的条件表达式为： 
    表达式1 ? 表达式2 : 表达式3
    若表达式1的值为真，则返回表达式2的值，否则返回表达式3的值。

3-4、复合表达式

  • begin块 
    t = begin
    x = 15
    y = 12
    z = 6
    x * y - z
end
  • 链 
    x = ( a = 2 ;
      b = 3 ;
      c = 6 ;
      a*b+c
)

3-5、异常处理

  • try...catch语句 
    try
    sqrt(-2)
catch
    println("只有非负数才能求平方根！")
end
  • try...finally语句
    无论程序如何退出，finally语句总被执行。 
    try
    sqrt(-2)
catch
    println("只有非负数才能求平方根！")
finally
    println("我是finally语句！")
end

4、循环

  • while循环

    while 表达式
    语句
end

    在julia中没有do...while语句。

  • for循环

    for 迭代变量 in 可迭代对象
    语句
end

    可迭代对象包含：字符串、序列、数组、迭代器等。

  • for循环中的range()函数

    range(start, stop[, step])

  • break和continue语句

    • 使用break语句可以跳出while或for的本层循环。
    • 使用continue语句可以跳出当前迭代并继续到下一迭代。

5、函数与模块

5-1、内置函数

  • 基本内置函数

    函数 意义
    println() 打印（结束自动换行）
    readline() 读取一行
    readlines() 读取所有行成为一个数组

  • 数学函数

    数学函数 意义（返回值）
    round(x) 返回数字的四舍五入值，如round(4.7)返回5
    floor(x) 返回数字的下舍整数，如floor(4.9)返回4
    ceil(x) 返回数字的上入整数，如ceil(4.1)返回5
    trunc(x) 返回数字的向0整数，如ceil(2.3)返回2
    gcd(x,y...) 返回x,y,...的最大公约数
    lcm(x,y...) 返回x,y,...的最小公倍数
    cos(x) 返回x弧度的余弦值
    sin(x) 返回x弧度的正弦值
    abs(x) 返回数字的绝对值
    sign(x) 返回数学符号，即-1，0，1
    sqrt(x) 返回x的平方根
    cbrt(x) 返回x的立方根
    exp(x) 返回e的x次幂
    Log(b,x) 返回以b为基数的x的对数
    max(x1, x2, ...) 返回参数或序列的最大值
    min(x1, x2, ...) 返回参数或序列的最小值

  • 随机函数

    随机函数 意义（返回值）
    rand() 随机产生0～1的浮点数，可指定行、列数，产生均匀分布数
    randn() 随机产生0～1的浮点数，可指定行、列数，产生正态分布数

  • 字符函数

    字符函数 意义
    Char() 将数字转换为字符
    Int() 将字符转换为数字

  • 字符串函数

    字符串函数 意义
    SubString(string,start,end) 截取字符串中的一部分
    length(string) 获取字符串长度
    string(a,b) 连接字符串a和b
    occursion(str,string) 判断字符或字符串str是否在字符串string中，是则返回True，否则返回False

5-2、自定义函数

  • julia自定义函数的规则：

    • 函数代码块以function关键词开头，后接函数标识符名称和圆括号()；
    • 任何传入参数和自变量必须放在圆括号中；
    • 函数返回值默认最后一个表达式的值，若不想有返回值，则在最后一行加nothing；
    • 一旦运行return语句，其后的语句不再运行；
    • 函数结束的标志为end。
    function 函数名 (参数列表)
    函数体
end
    • 函数定义时可指定其参数类型。
    function ff(x::Int8)
    x + 1
end

  • 函数调用

    若如下函数内容写在julia_test_5_2.jl中，

    function f(x,y)
    if x > 0
        return (x-y)
    elseif x < 0
        return (x+y)
    else 
        return x*y
    end
end

    则通过include("julia_test_5_2.jl")可调用该函数。

5-3、方法

  • 同样的函数，可以有不同的方法，比如加法函数可以实现整数加法，浮点数加法和复数加法等。 
    function f_plus(x::Int64, y::Int64)
    x + y
end
    function f_plus(x::Float64, y::Float64)
    x + y
end
    >>f_plus (generic function with 2 methods)
    此时执行f_plus(2, 3)编译器会自动选择更加专用的方法来执行（此处为第一个方法）。

5-4、模块

模块是一个包含所有定义的函数和变量的文件。

  • 模块定义

    module my_module1
    export my2
    
    function my1()
        println("Good !!!")
    end
    
    function my2(name)
        println("My name is ", name)
    end
end

  • 模块调用

    using my_module1

6、特征数据类型

6-1、数组

  • 创建数组

    array1 = [1, 3, 5, 7]

  • 修改数组

    array1[2] = 10

    使用push!(array1, 20)可在数组后添加新数组项。

  • 删除数组
    使用deleteat!(array1, 3)可删除数组的第三个数字。

6-2、元组

  • 定义元组 
    tup1 = (1, 2, 3)  # 当元组仅含一个元素时，需在元素后添加逗号
tup2 = ()         # 定义空元组

6-3、字典

  • 定义字典

    dict1 = Dict("name"=>"zhang", "age"=>"10")

  • 访问字典的值和键

    println("Name: ", dict1["name"])

  • 修改字典

    dict1["age"] = "20"

6-4、集合

  • 定义集合 
    a = Set([1, 2, 3])
a = Set()          # 创建空集合

7、矩阵操作

7-1、矩阵的创建与索引

  • 创建矩阵 
    matrix1 = [1 2 3; 4 5 6]
matrix2 = rand(1:10, 3, 4)  # 创建3×4的随机矩阵
matrix3 = ones(4, 5)        # 创建全1矩阵
matrix4 = zeros(5, 6)       # 创建全0矩阵

7-2、矩阵的拼接

  • 横向拼接

    a = ones(3, 2)
b = zeros(3, 2)
c = [a b]  或  c = hcat([a, b]...)

  • 纵向拼接

    a = ones(3, 2)
b = zeros(3, 2)
c = [a; b]  或  c = vcat([a, b]...)

7-3、矩阵的运算

  • 矩阵加法、矩阵减法

    A = rand(2, 3)
B = rand(2, 3)
C = A + B
D = A - B

  • 矩阵转置

    A = rand(2, 3)
B = A'

  • 矩阵数乘

    A = rand(2, 3)
B = 3 * A

  • 矩阵乘法

    A = rand(2, 3)
B = rand(3, 4)
C = A * B

7-4、矩阵的函数应用

  • 矩阵的基本函数

    • typeof()：矩阵的类型。
    • eltype()：矩阵中元素的类型。
    • length()：矩阵中元素的个数。
    • ndims()：矩阵的维度。
    • size()：矩阵的行数和列数。

  • 矩阵的其它创建函数

    a = trues(3, 4)       # 创建3×4的元素全true的矩阵
b = falses(3, 4)      # 创建3×4的元素全false的矩阵
c = reshape(a, 4, 3)  # 重新设置矩阵大小为4×3
d = copy(b)           # 复制矩阵

  • 矩阵的函数运算

    x1 = randn(6, 4)    # 创建一个正态分布矩阵
x2 = round.(x1)     # 对矩阵x1进行四舍五入运算，round与()之间加一个.表示对矩阵进行操作
x3 = abs.(x1)       # 对矩阵x1取绝对值
x4 = sqrt.(x3)      # 对矩阵x3取平方根
x5 = sin.(x1)       # 对矩阵x1进行正弦运算

8、文件操作

8-1、文件的基本操作

  • 文件的创建

    open(filename, keyword)  # filename为创建的文件名，kerword为创建文件的关键字

    kerword的参数及意义：

    • w：打开文件只用于写入。若文件已存在，则删除原有内容并从头开始编辑。
    • w+：打开文件用于读写。若文件已存在，则删除原有内容并从头开始编辑。
    • a：打开文件用于追加。若文件已存在，则新内容将会被写入到已有内容之后。
    • a+：打开文件用于读写。若文件已存在，则新内容将会被写入到已有内容之后。
    • r：打开文件只读。
    • r+：打开文件用于读写。

  • 写入文件内容

    txt = open("myfile.txt", "w")
write(txt, "hello world!")
close(txt)

  • 读取文件内容

    readlines("mybook.txt")  # 读取打开文件中的所有内容
readline("mybook.txt")   # 读取打开文件的第一行
read("mybook.txt", String)

8-2、文件中的矩阵操作

  • 把矩阵写入文件

    using DelimitedFiles
matrix1 = rand(1:100, 10, 8)
mya = open("my_matrix.txt", "w")
writedlm(mya, matrix1, "\t")
close(mya)

  • 从文件中读取矩阵内容

    using DelimitedFiles
myb = open("my_matrix.txt", "r")
readdlm(myb)

9、Julia的日期和时间

using Dates

9-1、Date()函数

  • 创建日期的方式

    my_t = Date(2019,4,11)       # 2019-04-11

  • 获取创建日期的年、月、日信息

    t = Date(2019,4,11)          # 2019-04-11
y = Dates.year(t)            # 2019
m = Dates.month(t)           # 4
d = Dates.day(t)             # 11

ym = Dates.yearmonth(t)      # (2019, 4)
md = Dates.monthday(t)       # (4, 11)
ymd = Dates.yearmonthday(t)  # (2019, 4, 11)

Y = Dates.Year(t)            # 2019 years
M = Dates.Month(t)           # 4 months
D = Dates.Day(t)             # 11 days

  • 获取星期几的信息

    t = Date(2019,4,11)          # 2019-04-11
w = Dates.dayofweek(t)       # 4
we = Dates.dayname(t)        # Thursday

  • 获取月份的信息

    t = Date(2019,4,11)          # 2019-04-11
m = Dates.month(t)           # 4
me = Dates.monthname(t)      # April

  • 获取年份和季节信息

    t = Date(2019,4,11)          # 2019-04-11
x1 = Dates.dayofyear(t)      # 101   (该日期为整年的第101天)
x2 = Dates.isleapyear(t)     # false (该年不是闰年)
x3 = Dates.quarterofyear(t)  # 2     (该日期在第2季度)

9-2、DateTime()函数

  • 创建日期时间的方式

    t = DateTime(2019,4,11,12,5,3,2)  # 2019-04-11T12:05:03.002

  • 获取日期时间的信息

    t = DateTime(2019,4,11,12,5,3,2)  # 2019-04-11T12:05:03.002
y = Dates.year(t)                 # 2019
m = Dates.month(t)                # 4
d = Dates.day(t)                  # 11
H = Dates.hour(t)                 # 12
M = Dates.minute(t)               # 5
S = Dates.second(t)               # 3
MS = Dates.millisecond(t)         # 2

9-3、时间运算

  • Date()函数和DateTime()函数的运算 
    t = DateTime(2019,4,11,12,5,3,2)  # 2019-04-11T12:05:03.002
t1 = t + Dates.Hour(2)            # 2019-04-11T14:05:03.002

9-4、时间序列

  • 时间序列实例 
    Starttime = Date(2018,1,1)
Endtime   = Date(2018,1,31)
Timestep  = Dates.Day(1)
d = collect(Starttime:Timestep:Endtime)

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Julia编程入门教程

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