Chapter 1 魔法学院开学与数据初体验 / Welcome to Magic Academy: First Encounter with Data

阳光像撒了把碎金，落在数据魔法学院的尖顶红砖上，橡木大门上的黄铜门环被擦得亮闪闪的，旁边站着三只歪着脑袋的猫头鹰，爪子上攥着烫金的录取通知书，羽毛上还沾着刚送信时蹭的云朵絮。九岁的小宇攥着妈妈缝的卡通书包带，眼睛亮得像装了星星——他上周还在家拆旧计算器研究数字规律，今天就拿到了数据魔法学院的入学通知，旁边的小美正踮着脚看门廊下飘的魔法彩带，粉色的裙摆沾了点草屑，阿明则偷偷摸出口袋里的橘子糖，还没剥就被小宇拍了一下手背：“嘘！麦斯教授要讲话啦！”

“同学们好呀！”麦斯教授的声音像加了棉花糖，软乎乎的，他胸前的二进制刺绣代码一闪一闪的，“Welcome to Data Magic Academy! 从今天起，你们就是数据魔法学院一年级的小魔法师啦！”他手里的触控笔教鞭轻轻敲了敲讲台，悬浮的黑板上立刻跳出来学院的logo：一个装着星星的魔法盒子，旁边飘着一行小字“用数据点亮魔法世界”。台下的小魔法师们立刻爆发出欢呼，几个胆子大的还伸手去抓袍子上飘出来的二进制小星星，抓到的同学开心地举着给旁边的人看。

等欢呼声小了点，麦斯教授晃了晃手里卷成筒的羊皮纸：“开学第一课，我要给你们布置第一个超有意思的小任务！下周我们一年级要去森林公园春游，需要你们帮忙统计全班42名同学的物资需求：每人2包零食，每人500毫升饮用水，常备药品15种各准备1份，还要注意有没有同学有特殊的饮食或者用药需求哦～”他话音刚落，三个小脑袋就凑到了一起——小宇数学最好，小美做事最细心，阿明点子最多，三个人主动组成了“统计小分队”，蹦蹦跳跳地跑到教室外面的空地上准备开工。

“我们先数零食吧！”小宇掏出妈妈给的小记事本，拔开笔帽，“我数你记，这样不会错。”阿明自告奋勇当“计数器”，蹲在成箱的零食前面开始数：“1包、2包、3包…”数到第27包的时候，同班的乐乐跑过来问小宇数学题，小宇转头给他讲题讲了5分钟，再回头问阿明：“数到哪了？”阿明挠挠头：“我、我也忘了…刚才数的时候有个同学递给我一块巧克力，我吃了就忘了数到哪了！”小美赶紧拿出画本画正字，刚画了三个“正”，一阵风吹过来把画本吹到了地上，她捡起来的时候发现纸湿了一角，画的“正”字都晕开了。

三个人折腾了快四十分钟，最后凑出来的数字是：零食90包，饮用水19000毫升，常备药品15份。小宇皱着眉算了一遍：“不对啊，42个同学每人2包零食应该是84包，怎么多了6包？饮用水每人500毫升应该是21000毫升，怎么少了2000毫升？”阿明抓抓头：“会不会是我刚才数的时候把几包混在一起了？或者我吃的那包零食算重复了？”小美也急了：“我们画的正字都花了，根本不知道数了多少，重新数又要好久，春游快来不及啦！”

正当三个人围着写满数字的纸团团转的时候，麦斯教授端着三杯橘子汽水走了过来，看到他们皱巴巴的纸，笑着揉了揉阿明的头发：“遇到麻烦啦？要不要试试你们的第一个魔法工具——NumPy（/ˈnʌmpaɪ/，全称Numerical Python，数值Python）？它是所有数据魔法的基础，就像你们做手工需要剪刀胶水一样，做数据魔法必须用到它。”

麦斯教授挥了挥触控笔，半空中立刻跳出来一个发光的卷轴，上面飘着密密麻麻的数字和代码，小宇眼睛一亮：“这就是NumPy魔法卷轴吗？好漂亮啊！”麦斯教授点头：“对啊，它最厉害的工具就是数组（Array），你可以把它当成一个魔法收纳盒，每个格子只能放一个数字，格子上的编号就是索引（Index），从0开始计数，找数字的时候超快，绝对不会乱。比如我们要统计的三种物资，就可以放在一个有3个格子的收纳盒里：第一个格子放零食包数，第二个放饮用水毫升数，第三个放常备药品份数。”

他点了一下卷轴，代码立刻跳了出来，旁边还配了中文注释，就像魔法咒语的说明： ```python

导入NumPy魔法工具包，就像打开魔法收纳盒的钥匙

import numpy as np

创建物资收纳盒（数组）：第一个是零食包数，第二个是饮用水毫升数，第三个是常备药品份数

supplies = np.array([84, 21000, 15]) ``` “你们看，”麦斯教授指着屏幕上跳出来的数字，“第一个84就是42个同学每人2包零食的总数，第二个21000是42个同学每人500毫升饮水的总数，第三个15是常备药品的份数，每个数字都放在对应的格子里，绝对不会乱。”

小宇赶紧掏出自己的小平板（数据魔法学院给每个小魔法师都准备了专用的学习平板），照着代码输入，刚按回车，屏幕上就跳出来三个数字：`[84 21000 15]`，他惊讶地睁大眼睛：“哇！真的出来了！我之前数了半小时都没数对，现在一下子就出来了！”小美也试着输入代码，她发现如果要给3位随行的老师也准备一份物资，不用一个个改数字，只要在数组后面加个加法咒语就行： ```python

给老师也准备一份物资，用加法魔法咒语

supplies_for_teachers = supplies + 3 print(supplies_for_teachers) ``` 屏幕上跳出来`[87 21003 18]`，小美拍手：“哇！这样加的话，每个格子里的数字都自动加3，不用一个个改了，太方便了！”阿明则试着用了求和魔法咒语`np.sum()`，刚按回车就跳出来`21099`，他开心地跳起来：“总和一下子就出来了！我之前加零食加错了三次，现在不会错了！”

麦斯教授又教了他们几个超实用的魔法咒语：“想知道平均每种物资有多少，就用`np.mean()`；想知道哪个物资最多、哪个最少，就用`np.max()`和`np.min()`，比你们手动画正字快多啦！”小宇试了`np.mean()`，出来`7033`，他推推眼镜说：“平均每种物资有7033份，要是我们挨个算的话，要算好久的！”阿明试了`np.max()`和`np.min()`，出来最大值是21000，最小值是15，他挠挠头：“哦！原来饮用水最多，药品最少，和我们之前数的一样，但是只用了1秒钟！”

这时候小美突然举手：“麦斯教授，我们是不是忘了算有过敏的同学？我之前听班长说有3个同学花生过敏，2个芒果过敏，还有5个对其他食物过敏，要给他们准备特殊的抗过敏药，而且零食不能有芒果味的呀！我们之前的统计里没算这些！”麦斯教授眼睛一亮，带头给小美鼓掌：“非常棒！你观察得很仔细，这就是逐个计数的最大缺点——很容易漏掉特殊的小细节。那我们再加一个特殊需求的数组吧！”

他点了一下卷轴，新的代码跳了出来： ```python

创建特殊需求收纳盒（数组）：第一个是花生过敏人数，第二个是芒果过敏人数，第三个是其他过敏人数

special_needs = np.array([3, 2, 5])

用求和魔法咒语算特殊需求总人数

total_special = np.sum(special_needs) print("有特殊需求的同学人数：", total_special) ``` 屏幕上跳出来`10`，小宇恍然大悟：“哦！原来有10个同学有特殊需求，我们之前只算了普通同学，漏了他们，太感谢小美啦！”阿明也拍脑袋：“对啊！要是给过敏的同学吃了芒果味的零食，他们会难受的，我们差点闯祸啦！”

三个人赶紧更新了物资清单：常备药品从15份改成25份，多准备10份抗过敏药，零食去掉所有芒果味的，最后用`np.sum(supplies)`算出来的总物资份数是`21109`，和麦斯教授之前说的完全对得上！麦斯教授笑着给他们每人发了一枚亮闪闪的徽章，上面刻着“数据小能手”的字样，旁边还飘着小小的二进制代码。这时候数据猫头鹰“扑棱棱”飞了过来，给每个人递了一个魔法笔记本，封面上印着NumPy的logo，阿明赶紧把口袋里剩下的橘子糖递给猫头鹰，猫头鹰开心地蹭了蹭他的手，叼着糖飞走了。

--- > 💡 电子版魔法小贴士 > 数组的索引从0开始哦！就像你家的门牌号从0号开始，不是1号，这样计算机找数字的时候会更快～要是你记不住，就想“第一个格子是0号，就像比赛的第一名是冠军，不是第0名，但是计算机的计数是从0开始的哦”！ > > 📖 纸书脚注 > ① 索引（Index）：数组中每个元素的编号，从0开始计数，是计算机存储和查找数据的重要方式，也是所有编程语言的基础规则哦。

--- > 📝 动手小实验：我的零食消耗魔法日记 > 材料：笔记本、铅笔、家里的零食柜、电脑/平板（可选） > 步骤： > 1. 连续记录7天（周一到周日）每天吃的零食包数，比如周一吃了1包薯片，周二吃了2包糖果，周三没吃零食就记0，把所有数字都记在笔记本上 > 2. 如果你已经学会了NumPy魔法，就把这7天的数字做成一个数组，比如`snacks = np.array([1, 2, 0, 3, 1, 4, 2])` > 3. 用`np.sum(snacks)`算出一周总共吃了多少零食，用`np.mean(snacks)`算出平均每天吃多少 > 4. 用`np.max(snacks)`和`np.min(snacks)`找出吃的最多和最少的哪天，想想为什么那天吃的多？（比如周末看了动画片？还是家里来了客人？） > 5. 小挑战：如果妈妈要求你下周每天最多吃2包零食，算算你需要把每天的零食量减少多少，用数组运算试试！比如这周你周一吃了3包，就要减少1包，写成`reduce = snacks - 2`，正数就是要减少的量，负数就是还没超量哦～ > > 记得把你的实验结果写在魔法笔记本上，下节课可以和同学分享哦！

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本章魔法知识点回顾（中英双语）

1. NumPy（/ˈnʌmpaɪ/）：数值

阿明刚把代码抄完，指尖还沾着橘子汽水的甜味，突然想起刚才数零食的时候漏了过敏同学的细节，赶紧举爪子问：“教授教授！我们刚才算的物资里，是不是还要减去过敏同学不能吃的零食呀？比如芒果味的零食有20包，2个同学芒果过敏，那这20包是不是不能算进去？”麦斯教授眼睛一亮，指尖的触控笔在空中划出个 glowing 的小勾：“太棒啦！你已经学会举一反三啦！这就是数据魔法里最常用的‘条件筛选’小咒语，我们现在用NumPy的小魔法就能算出来。”

他点开的卷轴上跳出来新的代码，旁边还配了可爱的动画：三个小格子分别装着芒果味零食、花生味零食、普通零食，过敏的同学只能拿普通和无花生的： ```python

原来的零食总数

total_snacks = 84

芒果味零食20包，花生味零食15包，普通零食49包

snack_types = np.array([20, 15, 49])

芒果过敏2人，每人1包芒果味不能吃；花生过敏3人，每人1包花生味不能吃

cant_eat = np.array([2, 3, 0])

实际能吃的零食总数 = 总零食 - 不能吃的零食

available_snacks = total_snacks - np.sum(cant_eat) print("实际能吃的零食总数：", available_snacks, "包") ``` 屏幕上跳出来`79`，小美掰着手指算了一遍：“没错！20包芒果味减去2包，15包花生味减去3包，剩下的49包普通零食都能吃，加起来刚好是79包！”阿明拍了下脑袋：“哦！我之前还担心会浪费零食，现在算出来刚好够，不会多买啦！”

这时候阿明又遇到个小问题：他刚才输入代码的时候不小心把`arange`拼成了`arang`，屏幕立刻跳出来红色的错误提示`NameError: name 'arang' is not defined`，他不好意思地挠挠头：“我、我拼错啦…”麦斯教授笑着点点他的脑袋：“对啦！写代码就像写魔法咒语，哪怕一个字母写错，魔法都会失效哦，以后写代码要仔细检查拼写呀！”阿明赶紧把拼写改过来，屏幕上立刻跳出来正确的1到42的学号数组，他松了口气，赶紧把`arange`的拼写用荧光笔标在魔法笔记本上，旁边还画了个小橘子当记号。

小宇则对数组的索引特别感兴趣，他试着输入`print(supplies[1])`，屏幕上立刻跳出来`21000`，他推推眼镜说：“教授，我懂了！索引就是收纳盒的门牌号，0号是零食，1号是饮用水，2号是药品，我只要说门牌号就能拿到对应的数字，比翻整个收纳盒快多啦！那如果我要拿前两种物资，是不是可以用切片魔法？”麦斯教授点头，点出来的代码刚好验证了他的想法： ```python

切片魔法：拿0号到2号之前的物资（也就是0号和1号）

print(supplies[0:2])

步长为2的切片：拿0号和2号物资，跳过1号

print(supplies[0:3:2]) ``` 屏幕上依次跳出来`[84 21000]`和`[84 15]`，小美惊喜地说：“哇！切片就像切蛋糕，我想吃哪块就切哪块，太方便啦！要是我们有100种物资，我只要切片就能拿到我需要的，不用翻遍整个收纳盒！”

麦斯教授又教了他们几个快速创建数组的实用咒语，他说：“有时候你们不知道具体的数字，只想先做个空收纳盒占位置，或者要生成连续的数字，这些咒语能帮你省好多时间。”他点出来的代码旁边还配了动画：空收纳盒一施法就自动填满了数字，就像变魔术一样。 ```python

魔法1：创建3个格子全是0的空收纳盒，用来先占位置，后面再填数字

dtype=int 表示格子里存整数，不加的话默认存带小数点的浮点数

empty_box = np.zeros(3, dtype=int) print("空收纳盒：", empty_box) # 输出：[0 0 0]

魔法2：创建3个格子全是1的试吃装收纳盒，每种物资先准备1份试吃

taste_box = np.ones(3, dtype=int) print("试吃装收纳盒：", taste_box) # 输出：[1 1 1]

魔法3：自动生成1到42的连续数字，给每个同学编学号

arange的规则是：从第一个数开始，到第二个数之前结束，步长默认是1

student_ids = np.arange(1, 43) print("同学学号：", student_ids) # 输出：[1 2 3 ... 41 42] ``` 阿明试了`np.arange(1, 43, 2)`，屏幕上跳出来1、3、5…41，他歪着头问：“教授，这个2是什么呀？”麦斯教授解释：“这是步长魔法，就是每次跳几个数，步长是2的话，就是每次跳2个数，只留奇数，要是步长是3的话，就是1、4、7…这样，你要是想给学号是3的倍数的同学准备小礼物，就可以

阿明指尖刚敲完回车键，屏幕上立刻跳出来一串歪歪扭扭的数字：1、3、5、7…一直跳到41，最后一个数字还闪着淡金色的光，像排队做核酸的小企鹅，他歪着脑袋戳了戳屏幕：“教授教授！这个步长是2的话，就只留奇数啦？那步长是3的话，是不是就是3、6、9…这样？”

麦斯教授笑着点头，指尖的触控笔在空中划出个小小的彩虹弧：“太聪明啦！步长就像你跳房子的时候每次跳几个格子，步长是3的话，就每次跳3个格子，刚好能找出所有学号是3的倍数的同学——等下我们发小贴纸的时候，就可以用这个咒语快速找出哪些同学能拿到哦！”他点出来的代码刚跳出来，阿明就抢着输入： ```python

步长为3，生成3到42的3的倍数数组，给对应同学发小贴纸

gift_student_ids = np.arange(3, 43, 3) print("能拿到小贴纸的同学学号：", gift_student_ids) ``` 屏幕上跳出来`[3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42]`，一共14个数字，阿明拍了下手：“刚好14个同学！我之前要一个个数学号，要数好久的，现在一下子就出来了！”

小宇则对数组的长度特别感兴趣，他想起刚才算42个同学，要是不知道有多少人，就没法算每人分多少零食，于是举着平板问：“教授，有没有什么咒语能直接知道数组里有多少个数字呀？”麦斯教授指尖一点，卷轴上跳出来个小小的计数器图标：“当然有！这就是`len()`长度魔法咒语，就像你数收纳盒里有多少个格子一样，一用就知道。”小宇赶紧输入`len(gift_student_ids)`，屏幕跳出来`14`，他推推眼镜算了一遍：“3的倍数从3到42，一共14个，没错！那如果我要算全班42个同学，用`len(student_ids)`是不是就是42？”他输入之后果然跳出来`42`，开心地晃了晃脑袋：“我之前数班级人数还要点名，现在只要用这个咒语，1秒钟就知道有多少人啦！”

这时候小美抱着自己的魔法笔记本凑过来，她的粉色平板上贴着自己画的蝴蝶贴纸，刚才她把索引从0开始的规则画成了小图：三个并排的魔法收纳盒，下面分别标着0、1、2，旁边画了个小箭头写着“门牌号从0开始哦”，她问：“教授，我们刚才的物资数组`supplies`里有3个数字，要是我想知道每种物资占总数量的百分之多少，是不是也能用数组算呀？”

麦斯教授眼睛一亮，给小美比了个大拇指：“太棒啦！你已经想到用数据算比例啦！我们只要把数组里的每个数字都除以总数量，就能得到比例啦！”他点出来的代码旁边配了小小的扇形图动画，三种物资的占比一目了然： ```python

总物资数量

total_supplies = np.sum(supplies)

每种物资的占比，乘以100变成百分比

supplies_ratio = (supplies / total_supplies) * 100 print("零食占比：", round(supplies_ratio[0], 1), "%") print("饮用水占比：", round(supplies_ratio[1], 1), "%") print("药品占比：", round(supplies_ratio[2], 1), "%") ``` 屏幕跳出来`零食占比：0.4 %`、`饮用水占比：99.5 %`、`药品占比：0.1 %`，阿明惊讶地张大了嘴：“哇！原来饮用水占了几乎全部！我之前还以为零食最多呢，因为零食的包数看起来最多，没想到毫升数加起来那么大！”小美也点头：“没错！要是我们只看包数，会误以为零食最多，但是看占比就知道饮用水才是最多的，这样买的时候就不会买错啦！”

麦斯教授又教了他们两个超实用的数组创建咒语，他说：“有时候你们不需要自己一个个输数字，只要告诉NumPy你要什么样的收纳盒，它就能自动帮你做出来哦！”他点出来的代码旁边配了动画：空收纳盒一施法就自动填满了数字，像变魔术一样： ```python

魔法1：np.zeros(格子数) → 创建全是0的收纳盒，用来先占位置，后面再填数字

dtype=int 表示格子里存整数（没有小数点的数，比如1、2、3），不加的话默认存带小数点的浮点数（比如1.5、2.3）

empty_box = np.zeros(3, dtype=int) print("空收纳盒：", empty_box) # 输出：[0 0 0]

魔法2：np.ones(格子数) → 创建全是1的试吃装收纳盒，每种物资先准备1份试吃

taste_box = np.ones(3, dtype=int) print("试吃装收纳盒：", tas