【Python语法基础学习笔记】竞赛常用标准库

前言

此系列笔记是拨珠自己的学习笔记，自用为主，学习建议移步其他大佬的专门教程。

math库

Python 的 math 库是标准库之一，提供了大量数学运算相关的函数，适用于基础数学计算、科学计算等场景。下面详细介绍其使用方法及常用功能：

1. 库的调用

math 是 Python 内置标准库，无需额外安装，直接通过 import 语句导入即可使用：

import math  # 导入整个库
# 或只导入需要的函数（推荐，减少内存占用）
from math import ceil, floor, factorial, comb, pow, sqrt, gcd, sin, cos, log, exp

2. 常用功能及示例

（1）向上取整与向下取整

• math.ceil(x)：向上取整，返回大于等于 x 的最小整数
• math.floor(x)：向下取整，返回小于等于 x 的最大整数

import mathprint(math.ceil(3.2))   # 输出：4
print(math.ceil(-2.8))  # 输出：-2（向上取整靠近0）
print(math.floor(3.8))  # 输出：3
print(math.floor(-2.1)) # 输出：-3（向下取整远离0）

（2）阶乘

• math.factorial(n)：返回非负整数 n 的阶乘（n! = 1×2×...×n），n=0 时返回 1

import mathprint(math.factorial(5))  # 输出：120（5! = 5×4×3×2×1）
print(math.factorial(0))  # 输出：1（0! 定义为1）

（3）组合数

• math.comb(n, k)：返回从 n 个元素中选择 k 个元素的组合数（C(n,k) = n!/(k!·(n-k)!)），要求 n ≥ k ≥ 0

import mathprint(math.comb(5, 2))  # 输出：10（从5个中选2个的组合数）
print(math.comb(10, 3)) # 输出：120

（4）指数与对数

• math.exp(x)：返回自然指数 e^x（e≈2.718）
• math.log(x[, base])：返回以 base 为底 x 的对数，默认底为 e（自然对数）
• math.log10(x)：返回以 10 为底 x 的对数（常用对数）

import mathprint(math.exp(1))       # 输出：2.71828...（e^1）
print(math.log(math.e))  # 输出：1.0（自然对数 ln(e)）
print(math.log(8, 2))    # 输出：3.0（以2为底8的对数）
print(math.log10(100))   # 输出：2.0（lg(100)）

（5）幂运算与开方

• math.pow(x, y)：返回 x 的 y 次幂（x^y），与内置 ** 运算符类似，但返回浮点数
• math.sqrt(x)：返回 x 的平方根（√x），要求 x ≥ 0

import mathprint(math.pow(2, 3))  # 输出：8.0（2^3）
print(math.sqrt(25))   # 输出：5.0（√25）
print(math.sqrt(2))    # 输出：1.4142...（√2）

（6）最大公约数（GCD）

math.gcd(a, b)：返回两个非负整数 a 和 b 的最大公约数，a 和 b 不能同时为 0

import mathprint(math.gcd(12, 18))  # 输出：6（12和18的最大公约数）
print(math.gcd(7, 5))    # 输出：1（7和5互质）

（7）三角函数

math 库的三角函数默认使用弧度制，需注意角度与弧度的转换（math.radians(x) 可将角度转为弧度）：

• 正弦：math.sin(x)
• 余弦：math.cos(x)
• 正切：math.tan(x)
• 反三角函数：math.asin(x)、math.acos(x)、math.atan(x)

import math# 计算30度的正弦值（先转弧度）
angle = 30
radian = math.radians(angle)
print(math.sin(radian))  # 输出：0.5（sin(30°)=0.5）print(math.cos(math.pi)) # 输出：-1.0（cos(π) = -1）

collections库

counter：计数器

基本用法

（1）导入 Counter

from collections import Counter

（2）创建 Counter 对象

可以传入可迭代对象（如列表、元组、字符串等）来初始化：

# 统计列表中元素的出现次数
nums = [1, 2, 3, 2, 1, 3, 3, 4]
count = Counter(nums)
print(count)  # 输出：Counter({3: 3, 1: 2, 2: 2, 4: 1})# 统计字符串中字符的出现次数
s = "hello world"
count_char = Counter(s)
print(count_char)  # 输出：Counter({'l': 3, 'o': 2, 'h': 1, 'e': 1, ' ': 1, 'w': 1, 'r': 1, 'd': 1})

（3）获取元素的计数

通过键访问，类似字典：

count = Counter([1, 2, 3, 2, 1, 3, 3, 4])
print(count[3])  # 输出：3（数字3出现了3次）
print(count[5])  # 输出：0（不存在的元素默认计数为0）

counter可以直接统计列表中元素出现的次数

回顾
输入一段文本（一组数据），统计每个字符出现次数

#读入文本
s = input()#统计数据
C = {}
for i in s:C[i] = C.get(i, 0) + 1#打印结果
for x, y in C.items():print("{} : {}".format(x, y))

常用函数

1. 设初值（初始化方式）

除了传入可迭代对象，Counter 还支持多种初始化方式：

• 空初始化：创建空的 Counter，后续通过键值对添加

  from collections import Counter
  c = Counter()  # 空Counter
  c['a'] = 2
  c['b'] = 3
  print(c)  # Counter({'b': 3, 'a': 2})
  

• 字典初始化：通过键值对字典直接初始化

  c = Counter({'a': 5, 'b': 2, 'c': 3})
  print(c)  # Counter({'a': 5, 'b': 2, 'c': 3})
  

• 关键字参数初始化：通过关键字参数指定计数

  c = Counter(a=3, b=1, c=2)
  print(c)  # Counter({'a': 3, 'c': 2, 'b': 1})
  

2. 核心方法详解

（1）most_common(k)

• 功能：返回包含前 k 个出现次数最多元素的列表，每个元素是 (元素, 计数) 的元组。

• 若 k 大于元素总数，返回所有元素；若 k=None，返回所有元素（按计数降序）。

• 若多个元素计数相同，顺序不固定（取决于插入顺序）。

  c = Counter('abracadabra')  # 统计字符串中字符
  print(c.most_common(3))  # 前3个最常见元素
  # 输出：[('a', 5), ('b', 2), ('r', 2)]print(c.most_common())   # 所有元素按计数排序
  # 输出：[('a', 5), ('b', 2), ('r', 2), ('c', 1), ('d', 1)]
  

（2）elements()

• 功能：返回一个迭代器，包含所有元素，每个元素重复的次数等于其计数（计数≤0 的元素会被忽略）。此方法可应用于把counter变回一个列表。

• 元素顺序与插入顺序一致，适合将计数结果还原为原始元素序列。

  c = Counter(a=3, b=2, c=0, d=-1)
  elements = list(c.elements())  # 转换为列表
  print(elements)  # ['a', 'a', 'a', 'b', 'b']（忽略c和d，因计数≤0）
  

（3）clear()

• 功能：清空 Counter 中的所有元素和计数，使其变为空对象。

  c = Counter(a=2, b=3)
  c.clear()
  print(c)  # Counter()（空对象）
  

3. 与字典类似的功能

Counter 是 dict 的子类，因此支持大多数字典的操作：

• 访问 / 修改计数：通过键直接操作，不存在的键默认计数为 0

  c = Counter(a=2, b=3)
  print(c['a'])  # 2（访问计数）
  c['a'] += 1    # 修改计数
  print(c['a'])  # 3
  print(c['c'])  # 0（不存在的键默认返回0）
  

• 获取键 / 值 / 键值对：keys()、values()、items()

  c = Counter(a=2, b=3)
  print(list(c.keys()))    # ['a', 'b']
  print(list(c.values()))  # [2, 3]
  print(list(c.items()))   # [('a', 2), ('b', 3)]
  

• 删除元素：del 关键字

  c = Counter(a=2, b=3)
  del c['a']  # 删除键'a'
  print(c)    # Counter({'b': 3})
  

• 检查键是否存在：in 关键字

  c = Counter(a=2)
  print('a' in c)  # True
  print('b' in c)  # False
  

4. 数学运算

Counter 支持多种集合类数学运算，方便对两个计数结果进行合并、求差等操作（仅保留计数为正的元素）：

• 加法（+）：合并两个 Counter，相同元素的计数相加

  c1 = Counter(a=2, b=3)
  c2 = Counter(a=1, c=4)
  print(c1 + c2)  # Counter({'c': 4, 'b': 3, 'a': 3})
  

• 减法（-）：求差集，相同元素的计数相减（结果只保留计数 > 0 的元素）

  c1 = Counter(a=5, b=3)
  c2 = Counter(a=2, b=1, c=4)
  print(c1 - c2)  # Counter({'a': 3, 'b': 2})（5-2=3，3-1=2，忽略c）
  

• 交集（&）：取两个 Counter 中相同元素的最小计数

  c1 = Counter(a=3, b=2, c=1)
  c2 = Counter(a=2, b=4, d=5)
  print(c1 & c2)  # Counter({'a': 2, 'b': 2})（取a的min(3,2)，b的min(2,4)）
  

• 并集（|）：取两个 Counter 中相同元素的最大计数

  c1 = Counter(a=3, b=2, c=1)
  c2 = Counter(a=2, b=4, d=5)
  print(c1 | c2)  # Counter({'b': 4, 'd': 5, 'a': 3, 'c': 1})（取a的max(3,2)，b的max(2,4)）
  

• 负数（-c）：返回计数取负的 Counter（但通常结合其他运算使用）

  c = Counter(a=2, b=3)
  print(-c)  # Counter({'a': -2, 'b': -3})
  

deque双端队列（与列表非常类似）

关键特性补充：

• maxlen 是初始化时的固定属性，例如 deque([1,2], maxlen=3) 创建的队列最多容纳 3 个元素，新增元素时会自动移除另一端的旧元素。
• reverse() 和 rotate() 均为原地操作，直接修改原队列，不会返回新队列。
• copy() 为浅拷贝，若队列中包含可变对象（如列表），修改拷贝队列中的可变对象会影响原队列。

defaultdict:有默认值的字典

即使一开始key不存在也不会报错

1. 基本用法

（1）导入 defaultdict

from collections import defaultdict

（2）创建 defaultdict 对象

需要指定一个默认值工厂函数（如 int、list、str 等），当访问不存在的键时，会自动调用该函数生成默认值。

# 示例1：默认值为0（用int作为工厂函数）
d = defaultdict(int)
d['a'] += 1  # 键'a'不存在时，自动初始化为0，再+1
print(d['a'])  # 输出：1
print(d['b'])  # 键'b'不存在，返回默认值0# 示例2：默认值为空列表（用list作为工厂函数）
d = defaultdict(list)
d[' fruits'].append('apple')  # 键'fruits'自动初始化为空列表，再添加元素
print(d['fruits'])  # 输出：['apple']
print(d['vegetables'])  # 键不存在，返回空列表[]

2. 常用默认值类型

3. 与普通字典的区别

• 普通字典访问不存在的键会报错：

  normal_dict = {}
  print(normal_dict['key'])  # 抛出 KeyError: 'key'
  

• defaultdict 会自动生成默认值：

  d = defaultdict(str)
  print(d['key'])  # 输出空字符串 ''（无报错）
  

4. 典型应用场景

（1）统计元素出现次数

from collections import defaultdictwords = ['apple', 'banana', 'apple', 'orange', 'banana', 'apple']
count = defaultdict(int)  # 默认值0for word in words:count[word] += 1  # 直接累加，无需判断键是否存在print(dict(count))  # 转换为普通字典：{'apple': 3, 'banana': 2, 'orange': 1}

（2）按 key 分组元素

from collections import defaultdictpairs = [('fruit', 'apple'), ('vegetable', 'carrot'), ('fruit', 'banana')]
groups = defaultdict(list)  # 默认值为空列表for key, value in pairs:groups[key].append(value)  # 自动按key分组print(dict(groups))  # {'fruit': ['apple', 'banana'], 'vegetable': ['carrot']}

heapq堆

heapq 是 Python 标准库中用于实现堆（heap） 操作的模块，主要提供了基于最小堆的一系列功能，可用于实现优先级队列等场景。堆是一种特殊的完全二叉树，其中最小堆的父节点值始终小于等于子节点值。

上面的叫父亲节点，左边的叫左儿子，右边的叫右儿子，二叉树一个节点最多有两叉，而且一定要两个儿子都填满才会往下填。

1. 基本用法

（1）导入模块

import heapq

（2）核心操作

• 创建堆：通过 heapq.heapify(list) 将列表原地转换为最小堆（时间复杂度 O (n)）。

  nums = [3, 1, 4, 2]
  heapq.heapify(nums)  # 转换为最小堆
  print(nums)  # 输出：[1, 2, 4, 3]（堆的内部存储结构）
  

• 添加元素：heapq.heappush(heap, item) 向堆中添加元素，并维持堆结构。

  heap = []
  heapq.heappush(heap, 3)
  heapq.heappush(heap, 1)
  heapq.heappush(heap, 2)
  print(heap)  # 输出：[1, 3, 2]（始终保持最小元素在堆顶）
  

• 弹出最小元素：heapq.heappop(heap) 移除并返回堆中最小的元素（堆顶），自动调整堆结构。

  print(heapq.heappop(heap))  # 输出：1
  print(heap)  # 输出：[2, 3]（剩余元素重新构成最小堆）
  

2. 常用功能

• 获取最小元素（不弹出）：直接访问堆的第一个元素 heap[0]。

  print(heap[0])  # 输出：2（当前堆顶元素）
  

• 合并多个有序序列：heapq.merge(*iterables) 合并多个有序迭代器，返回一个生成器（需手动转换为列表）。

  list1 = [1, 3, 5]
  list2 = [2, 4, 6]
  merged = heapq.merge(list1, list2)
  print(list(merged))  # 输出：[1, 2, 3, 4, 5, 6]
  

• 获取前 n 个最大 / 小元素：

  • heapq.nlargest(n, iterable)：返回迭代器中最大的 n 个元素。
  • heapq.nsmallest(n, iterable)：返回迭代器中最小的 n 个元素。

  nums = [5, 2, 9, 1, 5, 6]
  print(heapq.nlargest(3, nums))  # 输出：[9, 6, 5]
  print(heapq.nsmallest(3, nums)) # 输出：[1, 2, 5]

堆其实就是一个特殊的列表，它最常用的功能就是找到列表中的最小值。

functool函数工具中的partial

functools.partial 是 Python 中 functools 模块提供的一个实用工具，用于固定函数的部分参数，生成一个新的简化版函数（偏函数）。它可以减少函数调用时需要传入的参数数量，提高代码复用性。

1. 基本用法

（1）导入 partial

from functools import partial

（2）核心功能：固定参数

假设有一个需要多个参数的函数，使用 partial 可以固定其中一部分参数，生成一个只需传入剩余参数的新函数。

def multiply(x, y):return x * y# 固定第一个参数 x=2，生成新函数 double
double = partial(multiply, 2)
print(double(3))  # 等价于 multiply(2, 3) → 输出 6
print(double(5))  # 等价于 multiply(2, 5) → 输出 10# 固定第二个参数 y=3，生成新函数 triple
triple = partial(multiply, y=3)
print(triple(4))  # 等价于 multiply(4, 3) → 输出 12

2. 适用场景

• 简化重复调用：当函数需要频繁以相同参数调用时，用 partial 固定重复参数，减少代码冗余。

  import requests
  from functools import partial# 固定请求方法为 GET，生成简化的 get 请求函数
  get = partial(requests.request, 'GET')
  # 调用时只需传入 URL
  response = get('https://www.example.com')
  

• 适配函数参数：当需要将一个多参数函数作为回调函数（通常要求参数更少）时，用 partial 适配参数数量。

  from functools import partialdef greet(greeting, name):print(f"{greeting}, {name}!")# 固定 greeting="Hello"，生成适配单参数的回调函数
  hello_greet = partial(greet, "Hello")
  # 回调场景中只需传入 name
  names = ["Alice", "Bob"]
  for name in names:hello_greet(name)  # 输出：Hello, Alice! / Hello, Bob!
  

1. 位置固定：按原函数参数顺序固定值（不写参数名），新参数自动补在后面。
   例：def add(x,y,z): return x+y+z
add10 = partial(add, 10) → 固定 x=10，调用 add10(2,3) 等价于 add(10,2,3)。

2. 参数固定：用 参数名=值 固定特定参数（不依赖顺序），新参数传未固定的部分。
   例：add_y20 = partial(add, y=20) → 固定 y=20，调用 add_y20(1,3) 等价于 add(1,20,3)。

3. 关键特性

• partial 生成的新函数可以像原函数一样被调用，且支持传入额外参数（会补充在固定参数之后）。
• 若固定参数时指定了关键字参数（如 partial(func, y=3)），调用新函数时不能再用位置参数重复传入，避免冲突。

intertools迭代器工具

itertools 是 Python 用于高效循环的工具库，提供了三类常用迭代器：

1. 无限迭代器

可无限生成元素，需手动终止（如用 break），常用 3 个：

2. 有限迭代器

处理有限可迭代对象，返回新的迭代器，常用：

accumulate在前缀和的使用中有大用

itertools.accumulate 是用于累积计算的迭代器，它对可迭代对象（如列表、元组）中的元素进行连续操作，返回每一步的累积结果，默认是累加，也可自定义运算逻辑。

基本用法

1. 语法

itertools.accumulate(iterable, func=None)

• iterable：需要处理的可迭代对象（如列表、range 等）

• func：可选参数，指定累积运算的函数（默认是 operator.add，即加法）

2. 默认行为（累加）

不指定 func 时，默认对元素依次求和：

from itertools import accumulatenums = [1, 2, 3, 4]
result = accumulate(nums)
print(list(result))  # 输出：[1, 3, 6, 10]
# 计算过程：1 → 1+2=3 → 3+3=6 → 6+4=10

3. 自定义运算（通过 func 参数）

指定 func 可以实现其他累积逻辑（如乘法、最大值等）：

from itertools import accumulate
import operator# 累乘（用 operator.mul）
nums = [1, 2, 3, 4]
product = accumulate(nums, func=operator.mul)
print(list(product))  # 输出：[1, 2, 6, 24]
# 计算过程：1 → 1×2=2 → 2×3=6 → 6×4=24# 累积取最大值（用 max 函数）
nums = [3, 1, 4, 2]
max_accum = accumulate(nums, func=max)
print(list(max_accum))  # 输出：[3, 3, 4, 4]
# 计算过程：3 → max(3,1)=3 → max(3,4)=4 → max(4,2)=4

4. 处理非数字类型

只要 func 支持对应类型的运算，也可处理其他数据（如字符串拼接）：

from itertools import accumulatewords = ["a", "b", "c"]
str_accum = accumulate(words, func=lambda x, y: x + y)
print(list(str_accum))  # 输出：['a', 'ab', 'abc']

关键特点

• 惰性计算：只在需要时生成结果，节省内存（尤其适合大数据）。

• 长度不变：返回的迭代器长度与原可迭代对象一致（第 i 个元素是前 i+1 个元素的累积结果）。

• 依赖顺序：累积结果与元素顺序相关（如 [1,2] 和 [2,1] 的累加结果不同）。

accumulate 非常适合需要 “逐步记录中间结果” 的场景，如累计求和、累计乘积、历史最大值追踪等，避免手动写循环累加的冗余代码。

3. 排列组合迭代器

生成元素的排列或组合，适用于数学计算：