第1章
快速入门
如前言所述,R是一种针对统计分析和数据科学的功能全面的开源统计语言。它在商业、工业、政府部门、医药和科研等涉及数据分析的领域都有广泛的应用。
本章将给出R的简单介绍——如何调用、能做什么以及使用什么文件。这里只介绍你在理解后面几章的例子时所需的基础知识,具体的细节将会在后面的章节中加以介绍。
如果你的公司或大学允许,R可能已经安装在你的系统中。如果还没安装,请参考附录A中的安装指南。
1.1 怎样运行R
R可以在两种模式下运行:交互模式和批处理模式。常用的是交互模式。在这种模式下,你键入命令,R将显示结果,然后你再键入新的命令,如此反复进行操作。而批处理模式不需要与用户进行互动。这对于生产工作是非常有帮助的,比如一个程序必须定期重复运行,如每天运行一次,用批处理模式则可以让处理过程自动运行。
1.1.1 交互模式
在Linux或Mac的系统中,只需在终端窗口的命令行中键入R,就可以开始一个R会话。在Windows系统下,点击R图标来启动R。
启动后显示的是欢迎语,以及R提示符,也就是>符号。屏幕的显示内容如下:
现在就可以开始执行R命令了。这时候显示的窗口叫做R控制台。
举个简单例子,考虑一个标准正态分布,其均值为0且方差为1。如果随机变量X服从这个标准正态分布,那么它的取值将以0为**,或正或负,平均值为0。现在要生成一个新的随机变量Y=|X|。因为我们已经取了**值,Y的值将不会以0为**,并且Y的均值也将是正值。
下面来计算Y的均值。我们的方法基于模拟N(0,1)分布随机变量的取值:
这行代码将会生成100个随机变量,计算它们的**值,然后计算它们**值的均值。
标签[1]表示这行的**项是输出结果的**项。在这个例子中,输出结果只有一行(且只有一项),所以标签[1]显得有点多余。但是当输出结果有很多项会占据很多行时,这种标签会很有帮助。例如,输出结果有两行,且每行*多有6项,则第二行将会以标签[7]开头。
在这里,输出结果有10个数值,举例来说,第二行的标签[7]可以让你快速判断出0.687701是输出结果的第8项。
也可以把R的命令保存在文件里。通常,R代码文件都会有后缀.R或者.r。如果你创建一个名为z.R的文档,可以键入下面的命令来执行该文件中的代码:
1.1.2 批处理模式
有时候自动处理R会话能带来便利。例如,你可能希望运行一个用来绘图的R脚本,而不需要你亲自启动R来执行脚本,这时就要用批处理模式运行R。
举个例子,文件z.R中是绘图的代码,内容如下:
以#标记的部分是注释,它们会被R解释器忽略掉。注释的作用是以更易读的形式来提示代码的用途。
下面一步步讲解前面代码的作用:
调用pdf()函数告诉R我们想把创建的图形保存在PDF文件xh.pdf中。
调用rnorm()函数(rnorm代表random normal)生成100个服从N(0,1)分布的随机变量。
对这些随机变量调用hist()函数生成直方图。
调用dev.off()函数关闭正在使用的图形“设备”,也就是本例中的xh.pdf文件。这就是实际上把文件写入磁盘的机制。
我们可以自动运行上面的代码,而不用进入R的交互模式,只需要调用一条操作系统shell命令(例如通常在Linux系统中使用的$命令提示符)来调用R:
用PDF阅读器打开保存的文件,可看到直方图(这里展示的只是简单的不加修饰的直方图,R可以生成更加复杂的图形),这表明上面的代码已执行。
1.2 **个R会话
用数字1、2、4生成一个简单的数据集(用R的说法就是“向量”),将其命名为x:
R语言的标准赋值运算符是<-。也可以用=,不过并不建议用它,因为在有些特殊的情况下它会失灵。注意,变量的类型并不是固定不变的。在这里,我们把一个向量赋值给x,也许之后会把其他类型的值赋给它。我们会在1.4节介绍向量和其他类型。
c表示“连接”(英文是concatenate)。在这里,我们把数字1、2、4连接起来。更**地说,连接的是分别包含三个数字的三个一元向量。这是因为可以把任何数字看作一元向量。
接下来我们也可以这样做:
这样就把q赋值为(1,2,4,1,2,4,8)(没错,还包括了x的副本)。
我们来确认一下数据是不是真的在x中。要在屏幕上打印向量,只需直接键入它的名称。如果你在交互模式下键入某个变量名(或更一般的,某个表达式),R就会打印出变量的值(或表达式的值)。熟悉其他语言(比如Python)的程序员会觉得这个特性很熟悉。例如,输入下面的命令:
果然,x包含数字1、2、4。
向量的个别元素靠[ ]来访问。下面来看看如何打印x的第三个元素:
正如在其他语言里一样,称选择器(这里的3)为索引(index)或者下标(subscript)。这些概念与ALGOL家族的语言(比如C和C++)类似。值得注意的是,R向量的元素的索引(下标)是从1开始的,而非0。
提取子集是向量的一个非常重要的运算。下面是个例子:
表达式x[2:3]代表由x的第2个至第3个元素组成的子向量,在这里也就是2和4组成的子向量。
可以很容易求得本例中数据集的均值和标准差,如下:
这里再次展示了在命令提示符下键入表达式来打印表达式的值。在**行,表达式调用的是函数mean(x)。函数的返回值会自动打印出来,而不需要调用R的print()函数。
如果想把求得的均值保存在变量里,而不是打印在屏幕上,可以执行下面的代码:
同样,我们来确认一下y是否真的包含x的均值:
正如前面提到过的,我们用#来加上注释,如下:
注释对于写有程序代码的文档是很有价值的,不过在交互式会话中注释也很有用,因为R会记录命令历史(1.6节会讨论这一点)。如果你保存了会话,之后又恢复会话,注释可以帮你回忆起当时在做什么。
*后,我们从R的内置数据集(这些数据集是用来做演示的)里取出一个做些操作。你可以用下面的命令得出一份这些数据集的列表:
其中一个数据集名为Nile,包含尼罗河水流量的数据。我们来计算这个数据集的均值和标准差:
我们还可以画出数据的直方图:
此时会弹出一个包含直方图的窗口,如图1-1所示。这幅图是极其简单的,不过R有各种可选的变量来修饰图形。例如,可以通过设定breaks变量来改变分组;调用hist(z,breaks=12)可以画出数据集z的带有12个分组的直方图;还可以创建更漂亮的标签、改变颜色,以及其他一些改变来创建更有信息量且吸引眼球的图形。当你更熟悉R之后,就有能力构建更复杂、绚丽多彩的精美图形。
图1-1 尼罗河数据的简单展示
*后调用q()函数以退出R(另一种方法是,在Linux中按下快捷键CTRL-D,或者在Mac中按下CMD-D):
*后一句提示是询问你是否希望保存变量以待下次运行时继续处理。如果回答y,则所有对象将会在下次启动R的时候自动加载。这是非常重要的特性,特别是在处理庞大的数据集或很多数据集时。回答y也会保存会话的命令历史。1.6节会继续介绍如何保存工作空间(workspace)和命令历史。
1.3 函数入门
和大多数编程语言一样,R语言编程的核心是编写“函数”。函数就是一组指令的集合,用来读取输入、执行计算、返回结果。
我们先定义一个函数oddcount(),以此简单介绍函数的用法。这个函数的功能是计算整数向量中奇数的个数。一般情况下,我们会用文本编辑器编写好函数代码并保存在文件中,不过在这个简单粗略的例子中,我们只需要在R的交互模式中一行行输入代码。接下来,我们还会在几个测试案例中调用这个函数:
首先,我们告诉R想定义一个名为oddcount的函数,该函数有一个参数x。左花括号引出了函数体的开始部分。本例中,每行写一条R语句。
在函数体结束前,R会用+作为提示符,而不是用平常的>,以提醒用户现在还在定义函数。(实际上,+是续行符号,不是新输入的提示符。)在你键入右花括号来结束函数体之后,R又恢复使用>提示符。
定义完函数之后,本例调用了两次oddcount()函数。由于向量(1,3,5)中有3个奇数,所以调用oddcount(c(1,3,5))的返回值为3。(1,2,3,7,9)有4个奇数,所以第二次调用的返回值为4。
注意,在R中取余数的求模运算符是%%,见上面例子中的注释。例如,38除以7的余数为3。
例如,我们看看下面代码的运行结果:
首先,把x[1]赋值给n,然后测试n是奇数还是偶数。如果像本例中那样,n是奇数,则计数变量k增加。接着把x[2]赋值给n,测试其是奇数还是偶数,以此类推,重复后面的过程。
顺便说一句,C/C++程序员也许会把前面的循环写成这样:
在这里,length(x)是x的元素个数。假设x有25个元素。则1:length(x)就是1:25,意思是依次取1、2、3、……、25。上面的代码也能奏效(除非x的长度为0),但是R语言编程的戒律之一就是要尽可能避免使用循环,如果不能避免,就要让循环更简洁。重新看看这段代码原来的版本:
它更简单清晰,因为我们不需要使用length()函数和数组下标。
在代码的末尾,我们使用了return语句。
这条语句把k的计算结果返回给调用它的代码。不过,直接像下面这样写也可以达到目的:
在没有显式调用return()时,R语言的函数会返回*后计算的值。不过,这个方法必须慎重使用,7.4.1节会详细讨论这个问题。
在编程语言的术语里,x是函数oddcount()的形式参数(英文名称是formal argument或formal parameter,简称“形参”)。在前面例子**次调用函数时,c(1,3,5)称为实际参数(actual argument,简称“实参”)。这两个术语暗示了这样的事实:函数定义中的x只是个占位符,而c(1,3,5)才是在计算中实际用到的参数。同样,在第二次调用函数时,c(1,2,3,7,9)是实际参数。
1.3.1 变量的作用域
只在函数体内部可见的变量对这个函数来说是“局部变量”。在oddcount()中,k和n都是局部变量。它们在函数返回值以后就撤销了:
需要注意的是,R函数中的形式参数是局部变量,这点非常重要。比如运行下面的命令:
现在,假如oddcount() 的代码改变了x的值,则z的值不会改变。调用oddcount()之后,z的取值还和之前一样。在计算函数调用的取值时,R会把每个实际参数复制给对应的局部参数变量,继而改变那些在函数外不可见的变量的取值。本书第7章将详细介绍“作用域法则”,上面提到的这些只是简单的例子。
全局变量是在函数之外创建的变量,在函数内部也可以访问。下面是个例子:
这里的y就是全局变量。
可以用R的“超赋值运算符”(superassignment operator)<<-在函数内部给全局变量赋值,将在第7章详细介绍。
1.3.2 默认参数
R语言也经常用到“默认参数”。考虑下面这样的函数定义:
如果程序员没有在函数调用时给y设定一个值,则y将初始化为2。同理,z也有默认值TRUE。
现在考虑下面的调用:
这里,数值12是x的实际参数,而且我们接受了y的默认值2,不过我们覆盖了z的默认值,将其设定为FALSE。
上面这个例子也表明:与其他编程语言一样,R语言也有“布尔类型”,包括TRUE和FALSE两个逻辑值。
注意 R语言允许TRUE和FALSE缩写为T和F。不过,如果你有名为T或F的变量,那么为了避免麻烦还是*好不要使用这样的缩写形式。
1.4 R语言中一些重要的数据结构
R有多种数据结构。本节将简单介绍几种常用的数据结构,使读者在深入细节之前先对R语言有个大概的认识。这样,读者至少可以开始尝试一些很有意义的例子,即使这些例子背后更多的细节还需要过一段时间才能揭晓。
1.4.1 向量,R语言中的战斗机
向量类型是R语言的核心。很难想象R语言代码或者R交互式会话可以一点都不涉及向量。
向量的元素必须属于某种“模式”(mode),或者说是数据类型。一个向量可以由三个字符串组成(字符模式),或者由三个整数元素组成(整数模式),但不可以由一个整数元素和两个字符串元素组成。
第2章将详细介绍向量。
标量
标量,或单个的数,其实在R中并不存在。正如前面提到的,单个的数实际上是一元向量。请看下面的命令:
前面提到过,符号[1]表示后面这行的开头是向量的**个元素,本例中为x[1]。所以可以看出,R语言确实把x当做向量来看,也就是只有一个元素的向量。
1.4.2 字符串
字符串实际上是字符模式(而不是数值模式)的单元素向量。
**个例子创建了数值向量x,也就是数值模式的。然后创建了两个字符模式的向量:y是单元素(也就是一个字符串)的向量,z由两个字符串组成。
R语言有很多种字符串操作函数。其中有些函数可以把字符串连接到一起或者把它们拆开,比如下面的两个函数:
第11章将会介绍字符串的细节。
1.4.3 矩阵
R中矩阵的概念与数学中一样:矩形的数值数组。从技术层面说,矩阵是向量,不过矩阵还有两个附加的属性:行数和列数。下面是一些例子:
首先,使用函数rbind()(rbind是row bind的缩写,意思是按行绑定)把两个向量结合成一个矩阵,这两个向量是矩阵的行,并把矩阵保存在m中(另一个函数cbind()把若干列结合成矩阵)。然后键入变量名,我们知道这样可以打印出变量,以此确认生成了我们想要的矩阵。*后,计算向量(1,1)和m的矩阵积。你也许已经在线性代数课程中学过矩阵乘法运算,在R语言中它的运算符是*。
矩阵使用双下标作为索引,这点与C/C++非常相似,只不过下标是从1开始,而不是0。
R语言的一个非常有用的特性是,可以从矩阵中提取出子矩阵,这与从向量中提取子向量非常相似。例子如下:
第3章将会详细介绍矩阵。
1.4.4 列表
和R语言的向量类似,R语言中的列表也是值的容器,不过其内容中的各项可以属于不同的数据类型(C/C++程序员可以把它与C语言的结构体做类比)。可以通过两部分组成的名称来访问列表的元素,其中用到了美元符号$。下面是个简单的例子:
表达式x$u指的是列表x中的组件u。列表x还包含另一个组件v。
列表的一种常见用法是把多个值打包组合到一起,然后从函数中返回。这对统计函数特别有用,因为统计函数