粒子物理与核物理实验中的数据分析课件.pptx

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1、粒子物理与核物理实验中的数据分析,xx清华大学第三讲：ROOT在数据分析中的应用(1),1,谢谢观赏,2019-6-29,2,上讲摘要,C+基本概念 类的定义与实现.Linux下用g+编译C+程序 g+-o hello.exe-I./src/*.cc 当前目录下输出 指定include目录 源文件 可执行文件hello.exe 如-I./include 用makefile进行C+编译 gmake 进行编译 gmake clean 清除编译结果使用ROOT脚本 root-l hello.C,谢谢观赏,2019-6-29,3,本讲要点,什么是ROOT？登录ROOT环境和体验中心ROOT的语法简介R

2、OOT的函数,直方图,随机数,文件,散点图 TF1,TH1I,TH1F,TH1D,TRandom(gRandom)TF2,TF3,TH2F,.TFile,谢谢观赏,2019-6-29,4,什么是 ROOT？,ROOT:Executive Summary.provides a set of OO frameworks with all the functionality needed to handle and analyse large amounts of data in a very efficient way.(摘自)关键字：面向对象的框架、所有功能、海量数据、非常有效,结论：很不谦虚！

3、,谢谢观赏,2019-6-29,5,安装ROOT(1),到ROOT主页下载需要的版本到指定目录。比如要在SLC3系统的/projects/yangzw目录下安装5.16.00版本(注：最新版本的ROOT已经不为SLC3提供预编译版本了，而为SLC4和SLC5提供)cd/projects/$USER(注：对用户yangzw,$USER=yangzw)wgettar zxvf root_v5.16.00.Linux.slc3.gcc3.2.3.tar.gz设置ROOT的环境变量export ROOTSYS=/projects/$USER/rootexport PATH=$ROOTSYS/bin:$

4、PATH export LD_LIBRARY_PATH=$ROOTSYS/lib:$LD_LIBRARY_PATH可以把上面这3行放到$HOME/.login或者.bashrc或者.tcshrc文件中，这样每次登录到Linux系统，系统就自动设置ROOT的环境变量这样，进入linux系统之后，在终端提示行输入：root 或 root-l即可进入ROOT环境。,谢谢观赏,2019-6-29,6,安装ROOT(2),如果是其它发行版的Linux，首先查看是否ROOT网站上是否有预编译好的程序包，一般情况下，官方提供SLC4和SLC5在各种不同CPU以及不同gcc版本下的二进制包，ROOT官网也提供

5、包括Solaris以及Mac OS X以及Windows下的预编译包。如果没有适合你的操作系统的预编译包，就需要到官网 下载ROOT的源代码，按照安装指南用gmake编译安装。Window用户在官网下载相应的.msi文件直接安装即可。Ubuntu8.10用户可以到下面网页下载5.22.00版本的二进制代码，根据Readme.txt说明安装使用。,谢谢观赏,2019-6-29,7,安装ROOT(3),实际上，Linux下安装程序的基本套路很简单：1.如果需要用源码编译 a)下载源码压缩包 b)解压缩 c)编译 d)设置环境变量(如果需要)2.如果已有预编译的包 a)下载 b)解压缩 c)设置环境

6、变量(如果需要)3.yum/apt-get直接用网络源安装(预编译的包)4.,谢谢观赏,2019-6-29,8,登录ROOT环境,运行 root退出 root0.q键入 help 指令，如 root0?root1.ls root2.!ls,ROOT环境其它常用指令：.L macro.C Load文件macro.C.x macro.C 执行文件macro.C.ls 显示ROOT当前环境的所有信息.!ls 显示Linux系统当前目录的所有信息注：ROOT环境中，ROOT指令都以“.”开头 系统指令都以“.!”开头,谢谢观赏,2019-6-29,9,ROOT体验中心(1),在$ROOTSYS/tut

7、orials目录下，有五花八门的例子。以后会经常与这个目录打交道。先尝试一下吧。尝试方法：cd/projects/$USER cp-r$ROOTSYS/tutorials.(注意不要把这个.漏掉了)cd tutorials 然后找个感兴趣的目录/文件，执行ROOT脚本，比如 cd roofit root-l RoofitDemo.C,小技巧提示：根据关键字xxxx从tuotorials的例子中寻找线索 grep-sirn xxxx$ROOTSYS/tutorials比如找随机数用法：grep-sirn random$ROOTSYS/tutorials,Roofit示例,谢谢观赏,2019-6-

8、29,10,ROOT体验中心(2),还可以在ROOT网站上看到一些ROOT图片：当然，ROOT的功能不只是做图，它不是一个作图工具。跟数据分析有关的东西，基本都是ROOT的擅长；跟物理有关的很多东西，ROOT基本都可以做得很好：事例产生、探测器模拟、事例重建、数据采集、数据分析,谢谢观赏,2019-6-29,11,ROOT体验中心(3-1),日本超级神冈中微子实验事例显示（by zhanghb）超大的水池，内外装满了光电倍增管，1万多个,谢谢观赏,2019-6-29,12,ROOT体验中心(3-2),仅显示被击中的光电倍增管,谢谢观赏,2019-6-29,13,ROOT体验中心(3-3),平面

9、展开显示,谢谢观赏,2019-6-29,14,ROOT体验中心(3-4),平面展开，鼠标缩放，显示鼠标位置光电倍增管信息,谢谢观赏,2019-6-29,15,ROOT语法(1)基本信息,ROOT使用C+语法 一段C+程序可以直接在ROOT环境运行数据类型重定义 int Int_t float Float_t double Double_t.ROOT的类都以T开头 如TFile,TH1F,TTree,.详细规定参阅ROOT手册(5.21版)第18-20页，关于Convention和Global Variables部分。可以直接在ROOT环境中运行macro文件(自动调用cint编译器)，也可以在

10、makefile中设置好相关参数用g+编译得到可执行文件运行。,谢谢观赏,2019-6-29,16,ROOT语法(2)直方图类,ROOT中有众多已经定义好的类可供使用，比如直方图家族,谢谢观赏,2019-6-29,17,ROOT语法(2)其它类,其它常用类数学函数：TF1,TF2,TF3.图 形：TGraph,TGraphErrors,TGraph2D,.文 件：TFile画 布：TCanvas,TPad,.随 机 数：TRandom,TRandom1,TRandom2,TRandom3 周期 109 10171 1026 106000速度(ns/call)34 242 37 45 比如跟数据

11、结构和分析有关的：TTree,TChain,.参见(谨代表*邀请各位光临敝舍。注：*=yangzw)还有很多全局函数，多数以g开头，如：gRandom,gROOT,gStyle,gPad,gEnv,gFile.,速度与CPU和编译器有关,谢谢观赏,2019-6-29,18,ROOT语法(3)随机数,gRandom是指向当前随机数产生子的指针，该产生子默认为TRandom3对象。(为什么看TRandom？因为TRandom1/2/3都继承自TRandom),gRandom-Binomial(ntot,p):二项分布gRandom-BreiWigner(mean,gamma)Breit-Wigne

12、r分布gRandom-Exp(tau)指数分布gRandom-Gaus(mean,sigma)高斯分布gRandom-Integer(imax)(0,imax-1)随机整数gRandom-Landau(mean,sigma)Landau分布gRandom-Poisson(mean)泊松分布(返回int)gRandom-PoissonD(mean)泊松分布(返回double)gRandom-Rndm()(0,1均匀分布gRandom-Uniform(x1,x2)(x1,x2均匀分布.,思考：什么情况下需要PoissonD(mean)?,谢谢观赏,2019-6-29,19,ROOT脚本文件示例(1

13、)：Macro文件/home/yangzw/examples/Lec3/ex31.C,用花括号括起来，后缀名一般用”.C”cout Hello ROOT endl;int Num=5;for(int i=0;iNum;i+)cout i=i endl;,纯粹C+语法，执行的时候只需要在命令提示行：cd/projects/$USERcp-r yangzw/examples/Lec3.(注意最后有个“.”)cd Lec3root-l ex31.C,谢谢观赏,2019-6-29,20,ROOT中的数学函数,画图时采用 root1fun_name.Draw();,谢谢观赏,2019-6-29,21,数

14、学函数的定义方式(1),ROOT中定义数学函数的方式多种多样,以上函数都不含参数，但在数据拟合时，我们往往需要定义含未知参数的函数,谢谢观赏,2019-6-29,22,数学函数的定义方式(2),ROOT中定义含未知参数的数学函数,这些预定义函数可直接使用，比如histogram-Fit(gaus);/对直方图进行高斯拟合TF1*f1=new TF1(f1,gaus,-5,5);,谢谢观赏,2019-6-29,23,数学函数的定义方式(3),ROOT中自定义含未知参数的数学函数,定义了含参的TF1对象f1之后，可以设定参数初值，比如f1-SetParameter(0,value);/为第0个参数

15、设初值为value,谢谢观赏,2019-6-29,24,ROOT中统计直方图,绘图：root0hist_name.Draw();,谢谢观赏,2019-6-29,25,ROOT脚本文件示例(2):数学函数定义/home/yangzw/examples/Lec3/ex32.C,/a simple ROOT macro,ex32.C/说明ROOT中数学函数的使用，如TF1void ex32()/定义函数 TF1*f1=new TF1(func1,sin(x)/x,0,10);f1-Draw();/画出函数图像 TF1*f2=new TF1(func1,“TMath:Gaus(x,0,1),0,10)

16、;f2-SetLineColor(2);/设置颜色为红色 f2-Draw(“same”);/用参数”same”，把f1,f2画在同一个画布上,函数名称,函数表达式,函数区间,提示：1)脚本中void函数的名字必须与文件名相同(如ex32)2)ROOT环境中定义类指针之后，如TF1*f1，之后 输入“f1-”，然后按一下Tab键，可以自动列出 该类对象的成员函数和成员变量,运行：在命令提示行下 root-l ex32.C 或在ROOT环境下.x ex32.C,谢谢观赏,2019-6-29,26,ROOT脚本文件示例(3):画布，保存图片/home/yangzw/examples/Lec3/ex3

17、3.C,/说明ROOT画布的使用，TCanvas，保存图形void ex33()/define a function sin(x)/x TF1*f1=new TF1(func1,sin(x)/x,0,10);/define a Gaussian function,mean=0,sigma=1 TF1*f2=new TF1(func2,Gaus(x,0,1),-3,3);/定义一个画布,TCanvas TCanvas*myC1=new TCanvas(myC1,A Canvas,10,10,800,600);/将画布分成两部分 myC1-Divide(2,1);myC1-cd(1);/进入第一部

18、分 f1-Draw();myC1-cd(2);/进入第二部分 f2-Draw();myC1-SaveAs(“myex33.gif”);myC1-SaveAs(“myex33.eps”);,运行：在命令提示行下 root-l ex33.C 或在ROOT环境下 root0.x ex33.C,名称,描述,像素坐标(10,10):左上角(800,600):右下角,谢谢观赏,2019-6-29,27,ROOT脚本文件示例(4a):直方图，随机数/home/yangzw/examples/Lec3/ex34a.C,/说明ROOT直方图、随机数的使用，如TH1F,gRandomvoid ex34a()con

19、st Int_t NEntry=10000;/创建一个root文件 TFile*file=new TFile(“hist1.root”,”RECREATE”);TH1F*h1=new TH1F(h1,A simple histo,100,0,1);/填充直方图10000次，用(0,1)均匀分布 for(int i=0;iFill(gRandom-Uniform();h1-Draw();h1-GetYaxis()-SetRangeUser(0,150);h1-GetXaxis()-SetTitle(x);h1-GetXaxis()-CenterTitle();file-cd();/进入文件fil

20、e h1-Write();/将h1写入文件,执行的时候只需要在命令提示行 root-l ex34a.C或者进入ROOT环境之后，运行.x ex34a.C,名称,调用均匀分布Uniform()，其它：Landau(mean,sigma);Binomial(ntot,prob);Poisson(mean);Exp(tau);BreitWigner(mean,sigma);,描述,No.of Bin,区间,谢谢观赏,2019-6-29,28,ROOT脚本文件示例(4b):随机数-舍选法/home/yangzw/examples/Lec3/ex34b.C,执行的时候只需要在命令提示行 root-l e

21、x34b.C或者进入ROOT环境之后，运行.x ex34b.C,float mypdf(float xMin,float xMax)float fmax=2.;/寻找分布函数最大值 while(1)float r=gRandom-Uniform(xMin,xMax);/1st随机数(xMin,xMax)float z=2.*r/xMax/xMax;/期待的分布函数 float u=gRandom-Uniform(0.,fmax);/2nd随机数(0,fmax)if(u=z)return r;,void ex34b()/gDirectory-Delete(*;*);Float_t xMin=0.

22、0;Float_t xMax=1.0;TH1F*hX=new TH1F(hX,sawtooth p.d.f.,100,xMin,xMax);gRandom-SetSeed();for(int i=0;iFill(x);hX-Draw(e);,谢谢观赏,2019-6-29,29,ROOT脚本文件示例(4c):随机数/home/yangzw/examples/Lec3/ex34c.C,也可以利用类TF1、TF2或TF3自定义函数，通过调用GetRandom()函数获得服从自定义函数分布的随机数：TF1*f1=new TF1(f1,abs(sin(x)/x)*sqrt(x),0,10);double

23、 r=f1-GetRandom();,void ex34c()/定义直方图 TH1F*h1=new TH1F(h1,histogram from TF1,100,0,10);/定义TF1函数 TF1*f1=new TF1(f1,abs(sin(x)/x)*sqrt(x),0,10);for(int i=0;iGetRandom();/按照f1分布产生随机数 h1-Fill(r);h1-Draw();,执行时只需要在命令提示行 root-l ex34c.C或进入ROOT环境后，运行.x ex34c.C,感兴趣者可以看看TF1的GetRandom()函数是如何实现的。实际上，是把SDA(3.5)-

24、(3.6)进行数值积分得到x(r).,当函数f1有陡峰时，要小心！这时可能需要改变一些参数。,谢谢观赏,2019-6-29,30,X轴的名称,直方图统计信息事例数：Entries均 值：Mean方 差：RMS参见ROOT手册37页“Statistics Display”,直方图的描述,打开已有的root文件，如hist1.root:终端提示行下:root l hist1.rootROOT环境下：TFile f1(“hist1.root”);.ls h1-Draw();,直方图、打开root文件,谢谢观赏,2019-6-29,31,/2维直方图TH2F，散点图，散点图的协方差void ex35(

25、)const Int_t NEntry=10000;TH2F*hXY=new TH2F(hXY,2d histo,100,0,1,100,-3,3);for(int i=0;iRndm();float y=gRandom-Gaus(0,1);hXY-Fill(x,y);/填充2维直方图 hXY-Draw();/2维直方图的散点图 hXY-GetXaxis()-SetTitle(X:Uniform);hXY-GetYaxis()-SetTitle(Y:Gaussian);Float_t covar=hXY-GetCovariance();/协方差 cout Covariance=covar en

26、dl;,ROOT脚本文件示例(5):散点图/home/yangzw/examples/Lec3/ex35.C,运行：在命令提示行下 root-l ex35.C 或在ROOT环境下.x ex35.C,二维直方图的Draw()函数有很多选项，请自行选择,谢谢观赏,2019-6-29,32,小结,ROOT简介 C+，面向对象，实验数据处理的强大工具安装与登录以及体验运行ROOT脚本数学函数，画布，直方图，随机数，散点图，舍选法等等 TF1，TCanvas，TH1F，gRandom，TH2F新建root文件，查看root文件 TFile,谢谢观赏,2019-6-29,33,练习,1.写一个ROOT脚本

27、，ex3_gaus.C,调用随机数产生子产生高斯分布，区间(-6,6)，分30个bin，画出直方图，比较不同的参数的分布。参数组合为：(mean,sigma)=(0,1),(0,2),(1,1),(1,2),把这4个分布的直方图画在同一个图中进行比较。hint：高斯分布用gRandom-Gaus(mean,sigma)产生。使用Draw()函数的same参数可以在一个画板上画多个图。2.写一个ROOT脚本，ex3_pdf.C，作4个直方图，分别产生10000事例的Gauss,Poisson,Binomial,Landau分布。创建画布，分成2*2块，将4个直方图画在画布的1-4部分。注意不同分

28、布的参数选择合理性，比如Binomial(ntot,p),ntot0,0Rndm()产生均匀分布。3.将练习2中产生的直方图储存到mypdf.root文件中。将所画直方图的x/y轴添加上名称，不同分布用不同颜色。将画布存成eps文件和gif文件4.将例题ex35.C中的事例数改为1000，屏幕打印出关联系数。5.cp r$ROOTSYS/tutorials/projects/$USER 运行以下几个文件，查看ROOT直方图的常用功能如何实现 twoscales.C,transpad.C,multicolor.C,logscales.C,hstack.C6.阅读ROOT手册第二章以及第三章(直方图)熟悉ROOT语法惯例，直方图制作的各种参数，随机数的使用,谢谢观赏,2019-6-29,34,参考资料,ROOT手册第2章，第3章$ROOTSYS/tutorials中的各个例子,谢谢观赏,2019-6-29,35,谢谢观赏,2019-6-29,