python 3

Introduction

Histórico

Python es un lenguaje de programación iniciado por Guido van Rossum. Tiene su nombre de la famosa serie tele Monty Python's Flying Circus. La serpiente marco mas la imaginación, por esta razón el lenguaje termina adoptándolo como logo.

El lenguaje python es un lenguaje interpretado muy versátil y cada vez más utilizado en actividades de ciencias de la Tierra. Existen dos versiones del lenguaje 2.x y 3.x las cuáles no son compatibles. Los cambios son menores (ej.: print 'Hola' --> print ('Hola')), pero requiere una recodificación de las scripts. En este curso vamos por lo mas moderno, python3 ya que la versión 2 no sera mas actualizada a partir de 2020.

Python es un lenguaje muy rico, porque está constituido por aportaciones de usuarixs de todo el mundo en forma de paquetes fáciles de instalaciones. Estos paquetes se tuvieron que adaptar para python 3.x y esto a retrasado su uso. Pero ahora, este proceso de migración y adaptación ya casi terminó y ya se puede usar con tranquilidad python 3.

La presentación se puede descargar desde este enlace Archivo:python-TUX.pdf

Por que elegir Python ?

• Por el diseño del lenguaje:

su simplicidad facilita la implementación de ideas

• Por la facilidad de uso:

es un lenguaje interpretado, no necesita ser compilado solo basta ejecutar el código

• Por la facilidad de lectura:

para poder compartirlo con otras personas, con la comunidad científica

• Por la alta compatibilidad:

puede funcionar con otros tipos de lenguajes de programación (C con cython, Fortran con f2py, en los cuales esta basado)

• Por la estructura de los datos:

numerosos tipos de objetos disponibles

• Por la grande comunidad que lo usa:

mucha información en internet, libros, librerias disponibles y actualizadas

Para empezar

A saber antes de empezar

• Lenguaje alto nivel, no necesidad de definir todo, interpreta mucho pero CUIDADO, hay que estar atento con lo que estamos manipulamos, si dejemos python interpretar el tipo de una variable, la operaciones de esta variable van a depender de como la definó python.
• El lenguaje reconoce minusculas y mayusculas
• Python empieza a contar a 0, así el primer elemento de una lista es el elemento 0 !
• los espacios a principio de linea cuentan para definir los bloques
• se puede ("debe") comentar con :

 # para que lo resto de la linea sea considerado como comentario  

"""
Eso permite
Comentar sobre varias lineas
"""

• Si queremos cortar una linea de codigo en varias se puede usar \ y empezando la linea siguiente a un nivel màs alto (recuerdan que los espacios a principio de linea cuentan)
• Para imprimir en pantalla una o más variable se usa la función print(variable) se pueden imprimir en pantalla varias variables con una sola función print(variable1, variable2)
• Cada tipo de elemento tiene sus propias caracteristicas y metodos.
• Se puede escribir varios comandos en una sola linea gracias al simbolo  ;
• Cuando se usa un comando como un for, ir while etc. la linea se termina por : y los comandos utilizados adentro de esta condicion se definen por más espacio a principio de linea (recuerdan que esto define los bloques), para que quede más claro esta noción de bloque siguen dos ejemplos :

i = 0
while i < 3:
    i = i+1 # bloque del while
print(i) # Después del bloque del while

out:
> 3 

i = 0
while i < 3:
   i = i+1 # bloque del while
   print(i) # Adentro del bloque del while

out:
> 1
> 2
> 3 

• Otra noción importante, la diferencia entre función y métodos, las dos pueden retornar o no números, listas etc. pero :
  • Una función puede tener entre 0 y lo que se desea de variables / parametros en input :

  - sum(a,b) # función retornando la suma de a y b

  • Un método se aplica a un objeto, mismo si puede tener parametros en input

Lista = []      # creo una lista vacía
Lista.append(1) # agrego 1 a la Lista

Como usarlo

En un terminal

Se puede llamar a python desde la terminal

 user@cima:~$ python3 

Para después hacer las operaciones que queremos :

 >>> 1+2 
 3

Y para salir basta con un

exit()
o un 
quit() 

Trabajar en la terminal permite probar algunas lineas de codigos, funciones ... Pero para poder trabajar de manera màs eficiente podemos usar los scripts.

En script

Un script de python es un documento texto con el formato : name_script.py

Es importante empezar el documento especificando con que entorno python lo queremos leer :

 #!/usr/bin/env python3 

También se puede especificar el formato de codificación de caracteres, por ejemplo

 # -*- coding: utf-8 -*- 

Después se tienen que importar las librerias que usamos en el script (si es que usamos): import this

Y finalmente viene el código !

Se puede agregar al final del documento lo siguiente

if __name__ == "__main__": 
    Codigo a interpretar si este script es el script principal, no un script importado
    # Sirve para dar un ejemplo de uso, probar las funciones (debug)

Ayudandose de un IDE

Los IDE (Integrated Development Environment aka Entorno de desarollo integrado) son muy útiles para facilitarse el desarollo de un script, contienen en general:

• una parte con multiples pestañas para poder navigar entre los diferentes scripts
• un terminal para ir probando comandos
• la posibilidad de leer todo o parte del script, visualizando los output en el terminal
• Opciones para visualizar ciertas variables, tablas etc.

Algunos ejemplos de IDE son :

• Spyder
• Jupyter

En los servidores

Se puede usar en los servidores, se recomienda instalar Python y a las librerías que les interesan desde anaconda, para más detalles se recomiende ver a la pagina siguiente de la Wiki :

anaconda

Por otro lado, si quieren usar diferentes configuraciones de las versiones de librerías utilizadas con linux pueden fijarse en el articulo siguiente tratando de los entornos Python :

entornos_python

Basic Python

Tipos de variables

Existen varios tipos de variables pre-existentes en python, cada tipo de variable es una clase con su propio tipo de data, sus propios métodos, funciones y operaciones para inter-actuar entre diferentes objetos de la misma clase.

Para conocer la clase de un objeto python, se puede utilizar la función siguiente que retorna la informacion deseada : type(objeto)

Números

Python considera dos tipos de números :

• los números enteros (int) que se pueden definir utilizando el numero directamente sin "."
• los números flotantes (float) que se pueden definir poniendo un "." entre enteros y decimales, si el numero no tiene decimales, se puede definirlo como float agragandole un "." al final.

a = 5    # a es un entero
b = 2.   # b es un flotante
c = 4.5  # c es claramente un flotante

# Para convertir los numeros
float(a) # retorna un numero flotante valiendo a
int(c)   # retorna la parte entera de c, en este caso 4

# Operaciones entre flotante y enteros
a+b
> 7.
a-b
> 3.
a*b
> 10.
a/b
> 2.5
a//b # parte entera de la división
> 2
a%b # resto de la división
> 1

# Para facilitar la impresión en pantalla
round(4.5578945, 3) # reduce a 3 numero decimales el flotante
> 4.557

Condiciones y Boolean

Los boolean son True y False', también pueden ser referenciados respectivamente como 1 y 0.

Se puede evaluar una expresión gracias a diferentes símbolos de comparación, lo que nos retorna un boolean :

<
>
==
!=
in / not in 
is / is not

Otras funciones pueden retornar un boolean.

Se puede evaluar matrices gracias a numpy (mas detalles en otra parte), lo que nos devuelve una matrice de boolean, o un solo boolean si especificamos : .any() o .all()

A = np.array([1,2,3,4,5,6])
c = A < 3
print(c)
>[True, True, False, False, False, False]
print(c.any())
>True
print(c.all())
>False

String : Cadenas de caracteres

El formato de datos que contiene caracteres se llama String. Se puede definir un string de dos maneras : 'string' o "string".

# Para trabajar con un ejemplo
word1 = "Hola"
word2 = "Mundo"

• Se pueden agregar varios string gracias al +

print(word1 + "_" + word2)
> output : "Hola Mundo"

• Pueden ser visto como una lista de caracteres simples

print(word1[0])
> output : "H"

• word.upper(), word.lower() devuelven una copia de word en mayuscula / minuscula
• Varios métodos permiten verificar ciertas caracteristicas del string, devuelven un boolean:
  • word1.isalnum() : True si solamente caracteres son alphanumericos
  • word1.isalpha() : True si solo caracteres alphabeticos
  • word1.islower() : True si todo en minuscula
  • word1.isnumeric() : True si todos son caracteres numericos
  • word1.isupper() : True si todo en mayuscula
  • ...
• separador.join(Lista_de-string) : devuelve un string con los elementos de las lista separado por el separador

print("-".joint([word1, word2]))
> output : "Hola-Mundo"

• string.split(separador) : devuelve una lista con los elementos de string entre cada separador, " " es utilizado si no hay separador especificado:

print("Ahora-podemos-probar".split("-"))
> output : ["Ahora", "podemos", "probar"]

• frase.replace(str1, str2)  : devuelve un string que corresponde a frase en el cual str2 replaza a str1

Los otros tipos de variables pueden ser convertido en string gracias a la función str() :

a = 2+3
Resultado = "La suma es " + str(a)+"."
print(Resultado)
> output : La suma es 5.

Containers : Listas, Tuples, Diccionarios

Los containers ("contenedores") son objetos muy importantes, pueden contener otros objetos y así facilitan su uso. Básicamente, existen 3 grandes tipos de containers :

• las listas
• los tuple
• los diccionarios

Listas

Las listas se definen gracias a los símbolos "[" y "]". La listas son contenedores referenciado gracias a un indice numérico.

# para definir una lista vacía
L = []

# para inicializar una lista, los elementos son separados por ","
L0 = [1, 2, 3]
# puede ser hecho con diferentes tipos de objetos, mismo otras listas
L = [1, 1.2, "Ritmo", L0]

# para agregar un objeto se utiliza el método append
L= ["A", "B"]
L.append("C")
print(L)

> output : 
 ["A", "B", "C"]

# la función list permite facilitar la generación de lista : 
L = list("abcdef")
print(L)
> output : 
 ["a", "b", "c", "d", "e", "f"]

# la función len permite conocer el número de elementos
print(len(L))
> output : 
  6

Se puede hacer fácilmente loop con las listas :

L = ["file1", "file2", "file3"]
for element in L:
   print(f)

> output : 
 "file1"
 "file2"
 "file3"

Se puede acortar una lista a una o más elementos :

# L1 una lista 1D
L1[0] # primer elemento de L1
L1[-1] # Ultimo elemento de L1
L1[1] # secundo elemento de L1
L1[:4] # todos los elementos hasta el cuarto (python empieza a contar a 0)
L1[2:] # todos los elementos a partir del tercero
L1[0::2] # todos los elementos a partir del 1ero, cada 2 elementos

Recuerden que un string puede ser considerado como una lista.

Tuple

Los tuples son unas listas que no pueden ser modificadas, se definen entre paréntesis.

t = ()
t = ("hola")
t = ("hola", "mundo")

# Extraer la información en t
word1, word2 = t

# Mismo acceso con índice como las listas
print(t[0])

> output : 
 "hola"

La principal diferencia es que los elementos no pueden ser cambiado ni agregado, hay que redefinir la lista si se quiere cambiar los elementos.

Diccionarios

En los diccionarios, los elementos no son referenciados por su indice sino por un identificante, no es un contenedor ordenado como las listas o los tuples. Los diccionarios se crean con los simbolos "{" y "}". Los identificante pueden ser diferentes tipos de objetos, por ejemplo string o enteros.

# Diccionario vacío
D = {}

# Inicialización de un diccionarios
# se pone id : valor
D = {'Manzana': 3, 'Naranja': 10}

# se pueden definir uno a uno
D["Palta"] = 4

# Suprimir un elemento del diccionario
del D["Manzana"]

D.keys() devuelve la lista de los identificante D.values() devuelve la lista de los diferentes valores D.items() devuelve un tuples con los diferentes items

Por ejemplo :

for cle, value in D.items():
   print(cle, value)
> output : 
 "Manzana" 3
 "Naranja" 10

Loops

for x in

Para recorrer una lista de elementos se puede usar el <code>for

for x in List:
   instrucciones utilizando x

El loop va a recorrer la lista utilizando sus elementos uno a uno refiriendose a ellos como x.

Construyendo lista de enteros facilmente con la función range podemos escribir :

for i in range(0,10,2): # para los enteros i entre 0 y 10 (excluido), cada 2
   print(i)
> output : 
 0
 2
 4
 6
 8

También se puede recorrer dos listas en simultaneo utilizando la función zip  :

for i, name in zip(range(3), ["To", "Ti", "To"]): # para los enteros i entre 0 y 10 (excluido), cada 2
   print(i, name)
> output :
 0, "To"
 1, "Ti"
 2, "To"

while

Se puede también utilizar una condición para hacer una loop, mientras está la condición se corre de nuevo la loop :

while 'condition':
    instrucción

Cuidado a poder siempre salir de la loop, sino el script seguira corriendo sin fin. Hay que verificar que a lo menos un elemento de la función llega a cambiar y que llega a no cumplir la condición

Parar una loop

Se puede parar una loop con el uso de break .

while 'condición':
   instrucciones
   if 'condición de no se pasa como quiero':
       break

Más herramientas

Funciones

Las funciones son una herramienta indispensable para trabajar con Python. Permiten no repetir partes del código y además permiten gestionar mejor la memoria en Python.

Python guarda todas las variables, informaciones en memoria, pero cuando utilizamos una función solo los elementos retornados están guardado en memoria una vez que termina corriendo, las variables locales están borradas.

La estructura básica de una función es :

def nombre_funcion(variable_entrantes):
   # Noten que termino la linea anterior con ":"
   # Noten que paso a otro nivél de código
   código
   return output 

Se pueden retornar entre entre ninguna y varias variables, si no retornamos variables, el return es opcional. Se pueden entrar entre ninguna y varias variables, es posible dar un valor por defecto a las variables entrantes :

def mi_funcion(a, b=1):
   c = a+b
   return c
c = mi_funcion(2)
print(c)
> 3

# Se puede indicar las variables entrantes si queremos ser más detallosos : 
c = mi_funcion(a = 1, b = 3)
print(c)
> 4 

Clases

También es posible gestionar sus propias clases de datos de la manera siguiente :

class name_class:
   def __init__(self, input):
       #Initialization method
       self.parameter_a = "hola"
       self.additional_method_1()

   def additional_method_1(self, input):
       operations

   def additional_method_2(self, input):
       operations

Mejorar sus scripts

Para mejorar sus scripts y mejor gestionar los errores se puede usar 'try' y 'except'.

Funciona de la manera siguiente :

try:
   'Codigo'
except:
   'En cualquier caso de error, corro estas instrucciones'

Por ejemplo :

print(a)
> output : Error porque no defini a

try:
   print(a)
except:
   print("imposible de imprimir la variable en la pantalla")
   print("verificar si esta definida")
> output : 
 "imposible de imprimir la variable en la pantalla"
 "verificar si esta definida"

Permitió correr el codigo sin que este parado por el error.

Librerias

Instalar Librerías

• En debian : en general las librerías se encuentran con el nombre python3-nombre

su root
Entrar contraseña para acceder al modo superuser
apt-get search LIBRARY
Encontrar el nombre exacto de la librería buscada
apt-get install LIBRARY_NAME

• En anaconda :

conda search LIBRARY
conda install LIBRARY_NAME

• Con pip :

pip3 search LIBRARY
pip3 install LIBRARY_NAME

CUIDADO !!

Debian no tiene siempre las últimas versiones, pero siempre son compatibles.

Anaconda puede tener problemas de compatibilidad entre versiones, se resuelve buscando versiones compatible especificando numero de versiones, puede convenir utilizar diferentes entornos_python

En general instalan las librerías necesarias al funcionamiento de lo que queremos instalar, pero a veces hay que instalarlo aparte.

numpy

Numpy es la librería gestionando matrices. Un elemento de numpy es una matriz que contiene elementos del mismo tipo, contrariamente a las listas en las cuales se pueden mezclar los tipos de datos. En función del tipo de dato y del número de dimensiones diferentes métodos y funciones estarán disponibles.

En vez de recorrer los elementos de las matrices uno a uno para hacer una operaciones, las funciones están optimizadas para que todo se haga más rápido, por eso antes de hacer una operación sobre matrices por si solo, mejor verificar si no existe en numpy.

Básico

import numpy as np

# Convertir una lista en numpy array, los elementos tienen que ser del mismo tipo
A = np.array(List)

# Crear una matriz llena de 0 con una cierta estructura
shape = (10,5) # en este caso una matriz 10*5
A = np.zeros(shape)
# full permite crear una matriz llena del número que indicamos, en esta caso 5 
A = np.full(shape, 5) 

# Obtener la estructura de una matriz 
A.shape
# Obtener el número de elementos
A.size

Funciones

Existen numerosas funciones, si buscan algo en particular ver : https://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/

Entre otras :

• mean
• multiply
• true_divide
• ...

matrices enmascaradas

Otro aspecto interesante de las matrices en numpy son las matrices "enmascaradas". Permiten gestionar elementos enmascarados y realizar las operaciones ignorando estos elementos. Una matriz enmascarada se define por una matriz numpy con los valores no enmascarados y una matriz numpy de boolean indicando cuales son los elementos enmascarados

<code>

import numpy as np
import numpy.ma as ma
A = np.random((4,3))
A_masked = ma.masked_where(A <0.5, A)

# ver el promedio de los elementos de A que son superiores a 0.5 : 
print(ma.mean(A))

pandas

Pandas es una libreria que facilita el trabajo con datos.

netcdf

NetCDF es un formato de almacenamiento de datos muy común en ciencias de la Tierra. Para más detalle ver : LINK

En python se puede trabajar directamente con los archivos netcdf, para leerlos, escribirlos, o modificarlos gracias a esta librería.

Leer un NetCDF desde python

# Importar la clase Dataset de netCDF4 bajo el nombre de NetCDFFile
from netCDF4 import Dataset as NetCDFFile

# Abrir el arquivo foo.nc, r de "reading"
ncfile = NetCDFFile("/home/anthony/foo.nc", "r")

# Este archivo contiene varios diccionarios: un para las variable, otro para las dimensiones, y también los atributos generales 
ncfile.dimensions.keys() # permite ver las dimensiones
ncfile.variables.keys()

# si temp es una variable: 
temp = ncfile.variables["temp"] #me permite acceder a esta variable y visualizar sus atributos y datos
# Pero sus datos no están cargados en la memoria
# Pero para acceder a sus datos necesito utilizar, por ejemplo si temp tiene dos dimensiones : 
temp_data = ncfile.variables["temp"][:,:]

# Para ahorar memoria puedo decidir cargar unicamente la informacion que me es util : 
temp_data = ncfile.variables["temp"][3:10,:]

# Para leer los atributos de una variable : 
print dataset.variables['tcc']
 > output : 
   <type 'netCDF4.Variable'>
   float32 tcc(time, latitude, longitude
      missing_value: 9.999e+20
      name: tcc
      title: Total cloud cover ((0-1))
   unlimited dimensions: time
   current shape = (1, 181, 360)
   filling off

Finalmente para cerrar el archivo :

ncfile.close()

Para modificar un NetCDF

# Cargo el archivo en modo r+ que lee y abre la posibilidad a hacer modificaciones
ncfile = NetCDFFile("/home/anthony/foo.nc", "r+")
# Cargo la variable (no sus datos)
ncvar = ncfile.variables["var"]
# Cambio las valores que me interesan
ncvar[0,2] = 10.
# Sincronizo
ncfile.sync()
# Cierro
ncfile.close()

xarray

Numpy mejorado para ciencias de la tierra, integra informaciones spacio-temporales y métodos de calculo simplificado que toma en cuenta estas informaciones.

Matplotlib

Es LA librería gráfica de python, indispensable para graficar. Otras librerias integran funciones de graficos (seaborn, numpy..) pero en general están baseadas en matplotlib.

Para más

Ejemplo de código python disponible para todo tipo de gráficos en : https://www.data-to-viz.com/

También se puede ver la págino oficial de la libreria : https://matplotlib.org/examples/

Otras librerias basadas en Matplotlib están disponible, como seaborn.

cartopy

Cartopy es la libreria para trabajar con cartas. La libreria anterior es basemap, utilizada en muchos scripts, pero ya no será actualizada, entonces porque no pasarte directamente a cartopy??

Cartopy funciona con Matplotlib pero agrega la posibilidad de trabajar con datos geospaciales.

tensorflow

Tensorflow es una libreria de machine learning.

Para ir más lejo

Para desarollar funciones con más potencial se puede trabajar en languaje de más bajo nivel (se recuerdan que python es de alto nivel, es bastante flexible con la estructura de los codigos) como Fortran o Cython. Es muy útil a la hora de recorrer indices, cosa por la cual python es bastante lento (terminado los loops for i in range(1000) que duran una eternidad).

f2py3

f2py3 es la libreria para utilizar funciones de fortran en python.

cython

cython es la librería para utilizar funciones de C en python.