第1章 初见

    有些人从没听说过R，也照样过得无比快乐，而实际上我的工作之一就是把R交给他们。快乐不等于能力和效率。有些情况下，效率对一个人的好处，比短暂的快乐要强得多。

— Patrick Burns, April 2005

    世间所有的相遇，都是久别重逢。

— 电影《一代宗师》

1.1 结缘：下载安装

R 是跨平台的开源免费自由软件，Windows、Linux、macOS都有对应的安装文件可以下载。本书均以 Windows 系统为例作介绍。截至本书成稿时，R的最新版是3.4.1，安装程序文件只有75 M。我们去R的服务器CRAN⁸，点击Download R for Windows，在打开的新网页最上方点击base，就找到下载链接了。下载完毕后，一路“下一步”的傻瓜式安装即可。安装完毕之后，从开始菜单中找到R，运行就可以了。

R的默认界面是控制台窗口（图1.1），展示的是代码和运行结果。在这个窗口逐条输入下面的代码，每换一次行就会执行一条。

co2
summary(co2)

我们输入的R代码很简单。第一行展示了一个名叫co2的变量，内容是夏威夷Mauna Loa观测站的大气二氧化碳浓度数据，是R自带安装的。这个数据举世闻名，我们现在常说的全球变暖、节能减排，经常会拿这个数据来说事儿。第二行计算的是co2数据的统计量,依次是最小值、第一分位数、中值、平均值、第三分位数、最大值。敲几个字母就算出这么多结果，是不是很方便？这只是R牛刀小试而已。

需要注意的是，退出R之后，这个窗口的代码不会保存。想保存的话，可以点击菜单栏的File – New script，就会出现一个新的编辑窗口，这里可以输入代码。需要执行的话，光标移到代码所在行，按ctrl+r （表示同时按住ctrl键和r键。下同）即可。编辑窗口的代码可以保存成文本文件，方便以后重复使用。

图 1.1: 裸奔的R默认界面.

不出意料的话，新手对R的第一印象一定是：怎么这么简陋！

是的，此刻的R在裸奔，虽然能用，但不好看，而且不方便。我们可以给R穿上一件衣服遮遮羞，这只需再安装一个软件就行。

思考 1.1 你还见过哪些软件，界面简陋却功能强大？哪些软件界面花哨却功能差强人意？

R能穿的免费衣服很多，人们各有所爱。我们用过Notepad++、Tinn-R、 RKward，也用过Vim配合R插件，最后选定了 RStudio，因为有诸多好处，最明显的就是把 R 常用的界面整合到了一起（图1.2）。看吧，华丽丽堪比貂皮大衣。默认有四个面板：左上面板输入代码，左下面板查看代码的运行结果，右上面板展示工作环境，右下面板显示作图结果和帮助信息。我第一次用RStudio的时候一时惊为天人，就像《天龙八部》里的段誉看见了神仙姐姐的雕像，《神雕侠侣》里的郭襄看见了摘去面具的杨过，从此不可自拔。RStudio 还有很多好处，我们以后慢慢讲。将来会发现，RStudio岂止是件貂皮大衣，简直是一栋豪华别墅。

图 1.2: RStudio:R的豪宅.

RStudio的安装很简单。上RStudio官网⁹，下载安装文件 运行即可。安装完毕后运行，然后选择菜单 File – New – R script ，或按快捷键 ctrl+shift+n，会新建一个.r文件。

以后我们只需运行RStudio就行了，它会自动调用R。那个裸奔的R界面，就让它像泰坦尼克号一样永远埋葬在电脑的深处。忘了它吧。

现在，我们正式开始 R 的奇幻之旅。

1.2 第一次畅谈：计算

R最简单的功能，是用作计算器。先在左上面板窗口输入以下代码，然后按窗口上方的运行（Run）按钮，或按快捷键 ctrl+回车（这个快捷键会经常用），就会运行光标所在行的整行代码：

3 * (2 + 2)

## [1] 12

上面第一行是输入的代码示例。第二行用两个# 号开头，表示是运行结果，默认显示在RStudio的左下面板。如不另作说明，本书都用这种格式来区分代码和运行结果。我们暂时不管#号后面的[1] 是什么，先来试试R的数学基本运算符：加+， 减-，乘*，除/，乘方 ^，整除的商 %/%，整除的余数%%。

Example 1.1 计算365除以7得到的整除商和余数。

下面，我们开个平方。输入并运行

9 ^ 0.5 # 开平方

## [1] 3

或者

sqrt(9)  # 也是开平方

## [1] 3

上面两条语句的作用等同，只是形式不同。这里，sqrt()是开平方的函数，被开方的数必须放在圆括号里，这是 R 语法的基本规则之一。# 号后面一直到这一行的末尾是注释，注释部分不会被运行，这样是为了方便将来理解这句代码的用途。当然，我们可以用注释随便写点什么，比如说 “# 哇塞我的第1行代码太帅了”或者“# 今天心情不大好就写到这儿吧”等等。如果你乐意，那么完全可以在注释里偷偷写一部小说，就像《倚天屠龙记》里有人在《楞伽经》夹缝处写下《九阳真经》一样。

有人读到这里，可能会退缩了：sqrt，开玩笑，我怎么记得住啊！注意 R 入门第一秘诀： 不要被 R 吓住！现在，我们请出我们的第一位人气小助理：tab键。试试只输入 s，然后按 tab 键，就会看到RStudio给出的贴心提示，所有以 s 打头的函数和变量都列在里边了，用鼠标或箭头键选取就行了。在 s 后面接着输入q之后再按tab键试试。这个“tab小助理”我们以后天天时时分分秒秒都会用。

其实，常用的函数就那么几个，用几次就不需要贴心提示了。而且函数名称都很好记，sqrt 就是 square root 的缩写，顺便练了英文。实在记不住，那就用基本运算符来求乘方好了， 9 ^ 0.5 即可。将来学了自定义函数之后，你甚至可以把sqrt改名叫做kaipingfang。我们在后面的学习中，会经常针对同一个问题给出多个解决方案，条条道路通罗马，R很灵活的，随便挑一个你喜欢的方案拿去用就行了。

小贴士 1.1 R 菜鸟入门三大秘诀

第一秘诀：不要害怕！学R非难事，谁都可以R（Anyone can R）。

第二秘诀：能用就行！只要能完成工作，R代码写得漂亮与否并不重要。如果你有两个解决办法，那就选用你熟悉的那个。将来时间有富余的话再试另一个。

第三秘诀：与人分享！如果你的R 代码是一把刀，那么分享就是磨刀，越磨越快。

常用函数都可以顾名思义：四舍五入round()， 截取整数trunc()， 开平方sqrt()，求绝对值abs()，指数函数exp()，自然对数函数 log()，以10为底的对数函数log10()，三角函数 sin()，cos()，tan()，asin()，acos()，atan()等等。

有些常数在R中已经定义好了，例如圆周率\(\pi\)，只要输入pi并运行

pi

## [1] 3.141593

怎么只有这几位有效数字？我上幼儿园时就背下来了，精确度不够高啊。要提高精确度，需要用选项函数option()：

options(digits = 22)  # 最大支持 22 位
pi

## [1] 3.1415926535897931

option()函数运行一次后，以后的数字都会是指定的位数，直到重新运行一次，或者退出R。下面我们把位数改为默认值，7位：

options(digits = 7) 
pi

## [1] 3.141593

位数就变回来了。

有的常数，虽然没有定义好，但很容易算出来，例如自然对数的底\(e\)：

exp(1)  # 计算 e

## [1] 2.718282

可以像pi一样，我们自己定义一个名叫\(e\)的变量，把exp(1)的值保存在\(e\)里，方便以后调用：

e = exp(1) 

或者

e <- exp(1)  

两种办法的赋值效果完全等同。<- 是个箭头，表示把右边的值赋给左边。如果你去看别人写的代码，会发现有人爱用箭头，有人爱用等号，这完全取决于个人喜好。箭头的灵活之处在于，可以把左边的值赋给右边：

exp(1) -> e

本书的赋值符号统一用箭头。RStudio 中输入箭头有个快捷键：按alt + _ 就行了。

思考 1.2 箭头和等号的作用完全等同吗？什么情况下只能用等号，不能用箭头？上网搜搜答案。

好了，以后可以用\(e\)来代表自然对数的底了。查看\(e\)的值，可以看RStudio的右上面板，也可以在左上面板代码窗口输入变量名\(e\)，然后 ctrl + 回车，

e

## [1] 2.718282

就会在左下面板的结果窗口出现\(e\)的值。\(e\)可以用来做后续计算，比如：

x <- round(e)^2
x

## [1] 9

注意， R中大小写字母是有区别的，\(E\)和\(e\)是不同的两个变量名。这叫做“大小写敏感”。

小贴士 1.2 变量名的约定（三可三不可）

:) 可以是一个或多个字母，如 ‘e’, ‘x’, ‘mydata’；

:) 可以包括数字，如 ‘a1’, ‘a2’;

:) 可以包括句点和下划线，如 ‘temperature_air’, ‘humidity.max’。

:-( 不可以包含空格，如 ‘my data’；

:-( 不可以用数字或小数开头，如 ‘2x’，‘.3y’；

:-( 不可以用中文。

此外，你的变量名不能跟R的内置变量重名。这个倒是不必担心，遇见的时候R会自动发警告。一般来说，我们只要注意变量名不要加空格，不要用中文，就不会犯大错。

    不要给你的矩阵变量取名为“矩阵”。你会给你的狗狗起名字叫“狗狗”吗？

— Barry Rowlingson, October 2004

一个变量名可以存储很多数据。比如说，本市的月降水量从一月到十二月依次是：61, 45, 55, 46, 56, 79, 86, 57, 56, 56, 57, 71 mm。可以把这十二个数据赋值给一个变量 x，这种变量叫做向量：

x <- c(61, 45, 55, 46, 56, 79, 86, 57, 56, 56, 57, 71)
x

##  [1] 61 45 55 46 56 79 86 57 56 56 57 71

如果需要查看四月的降水量，就用方括号来指定“下标”。下面方括号中的4就是下标，表示调用 x 中的第四个数值。

x[4]

## [1] 46

再比如前面提到的二氧化碳数据，变量名就是co2，这一个变量里存的是多年二氧化碳的浓度。我们可以将它转存到另一个变量里：

y <- co2 # 转存
y[10] # 看看第十个数据

## [1] 313.18

R 支持向量运算。试试输入：

x + 100

##  [1] 161 145 155 146 156 179 186 157 156 156 157 171

x 里的每一个数都加上了 100 。这就是向量运算的好处：简单的代码，避免逐个计算。

现在我们可以回答RStudio左下方窗口里显示的结果开头那个[1]了，它表示的是这一行开头显示的是x的第一个值。如果显示的向量长，需要折行，那么下一行开头的方括号里显示的就是该行第一个元素在x中的位置，省得我们从头数。

1.3 第一张留影：作图

下面，让我们作出第一个图形来：Mauna Loa观测站的二氧化碳浓度时间序列。这是张全球闻名的明星图。承接前面的数据，我们只需敲7个键就行了（图1.3）：

plot(y)  # 作图

图 1.3: Mauna Loa 二氧化碳浓度.

是不是很简单？有没有很激动？简单的东西人见人爱。

本市的月降水量，也可以这样画出来：因为已经保存在变量x里了，所以plot(x)就可以了。

再进一步，我们来做统计运算，看看本市月降水量的平均值是多少。

(x[1] + x[2] + x[3] + x[4] + x[5] + x[6] + x[7] + x[8] + 
   x[9] + x[10] + x[11] + x[12]) / 12  # 计算平均值

## [1] 60.41667

这个式子很长，我们把这条指令强行写成了两行，R读完第一行发现指令不完整，就会自动读下一行。由于受版式的约束，本书的代码都会采用这种换行方式。实际写代码时不必这样换行。

x的12个元素逐个敲起来太麻烦了，可以用求和函数sum()以及求向量长度的函数length()，来简化代码：

sum(x)/length(x)

## [1] 60.41667

或者直接用平均值函数mean()：

mean(x)

## [1] 60.41667

更厉害的是summary()函数：

summary(x)

##    Min. 1st Qu.  Median    Mean 3rd Qu.    Max. 
##   45.00   55.75   56.50   60.42   63.50   86.00

得到的六个数是最小值、25%分位数、中位数、均值、75%分位数和最大值。记住summary()这个明星函数吧，将来我们会反复享受使用这个函数的快乐。

上文我们用四种方法计算平均值，算出来的结果都一样，条条大路通罗马，想起哪个用哪个。

常用统计函数有：求和sum()，平均值mean()，最大值max()，最小值 min()，范围range()，中位数median()，分位数quantile()，标准差 sd()，方差var()，总结报告summary()。你可以把这些函数用在x上，看看结果都是什么。

Example 1.2 2003 年 8 月北京城区测得的 PM_2.5 的质量浓度日变化¹⁰, 从 0 时到 23 时 依次是97, 80, 64, 91, 87, 100, 128, 144, 150, 150, 150, 106, 78, 68, 62, 46, 55, 68, 84, 92, 95, 108, 128, 138 微克每立方米 。做出北京PM_2.5的日变化图。计算PM_2.5出现的最大值、最小值、平均值。最大值出现在几点钟？

最后，请在RStudio菜单栏点击 File-Save，或按快捷键ctrl+s，把刚才输入的代码保存到一个扩展名为.r的文件里，下一节接着用。这个.r文件 其实就是文本文件，用windows记事本打开就能看，只不过里面放的是r代码罢了。如果装了RStudio，双击 .r 文件就会用RStudio打开。

好啦，以上就是 R 的基本操作和运算、作图、统计分析，你全都掌握了！ R 就差不多学完了！喝一杯庆祝一下吧。

小贴士 1.3 新手学R第一步

项目	内容
安装	CRAN, RStudio
数学基本运算符	+, -, *, /, ^, %%, %/%
常用数学函数	round(), trunc(), sqrt(), abs(), exp(),
	log(), log10(), sin(), asin()
常用统计函数	sum(), mean(), max(), min(), range(),
	median(), sd(), var(), summary()
作图	plot()

1.4 课外活动：表白

经过了初步的相处，你对R的印象如何？有没有相见恨晚或者一见倾心的感觉？

R 给我的印象，说得文雅一点，那就是：

    关关雎鸠，在河之洲。窈窕淑女，君子好逑。
    参差荇菜，左右流之。窈窕淑女，寤寐求之。
    求之不得，寤寐思服。悠哉悠哉，辗转反侧。

— 《诗经·国风·周南·关雎》

说得通俗一点：我想和R在一起。

跟很多理科生一样，我本科论文中使用的是Excel，硕士论文使用的是OriginLab，但博士期间换用了 R之后，从此死心塌地跟R永结同心。

那么， R 窈窕在哪里？

仁者见仁，智者见智，一千个人心中有一千个哈姆雷。R是一个取之不尽用之不竭的宝藏，我们各取所需便是。比如我，贪图便宜，看上R是看上了它的 免费 和 随心所欲 。当然，盗版的Excel，OriginLab，Matlab 也免费，但盗版毕竟是见不得光的事儿，还是少干吧。

不光免费和灵活，还有R功能的强大，R社区的友好等等。从我的角度来说，如果没有学习R和使用R带来的乐趣，那么我的博士研究生活必定会枯燥很多。几年过去了，我依然记得当年为论文做出一张图（图1.4）时的兴奋。有前人定义好的函数，花了不到一分钟，只用了一个语句，就画出了7 个变量的直方图（对角线）、两两之间的散点图和loess拟合曲线（对角线左下半部分），并标出了两两之间的相关系数（对角线右上半部分，正负用数字的颜色区别，相关程度用字体的大小表示）。那种激动和快乐，至今历历在目。

图 1.4: 我的论文插图之一

思考 1.3 如果使用你熟悉的作图软件，那么图1.4这种图该怎么做？

我们将在第9章学习这种图的作法。

不光是论文作图，R 还能很容易做出 3D 动画来演示。不光是枯燥的科技作图和演示，R 还可以娱乐。比如可以画一颗立体中国心（图1.5）。

图 1.5: R绘出的中国心

当然可以很容易地把国旗换成别的。写本文时正值情人节，那就换成她或他的照片好啦。这种图的作法同样是在第9章。

总地来说，我学R的理由，说得文雅一点，那就是：

    桃之夭夭，灼灼其华。之子于归，宜其室家。
    桃之夭夭，有蕡其实。之子于归，宜其家室。
    桃之夭夭，其叶蓁蓁。之子于归，宜其家人。

— 《诗经·国风·周南·桃夭》

说得通俗一点：和R在一起真好。

下面轮到你了。请勇敢表白一下：你是为什么要学R呢？

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8. CRAN：https://cran.r-project.org/↩

9. RStudio：https://www.rstudio.com/↩

10. 数据来源：Chan et al., 2005. Atmospheric Environment 39 (28) : 5113-5124↩