5python程序設計基礎

第五章

Python程序設計基礎Python程序設計基礎

隨著大數據時代的來臨，數據的采集和處理已成為關鍵。Python以其簡潔易學、移植性強、可擴展、程序庫豐富和管理工具完善而受到了程序開發(fā)者的追捧。作為一種面向對象的高級語言，Python支持多線程調度，對于海量數據的采取和處理有獨特的優(yōu)勢，是一種適用于大數據開發(fā)和分析的重要語言，目前，Python已廣泛應用于云計算、人工智能、數據分析等眾多領域。學習目標1.了解Python基礎語法知識。012.掌握元組、列表、等差數列、字典的用法。023.掌握單分支、兩分支和多分支結構的用法。034.掌握for循環(huán)和while循環(huán)的用法。045.掌握函數的定義和調用方法。056.能綜合運用多種數據類型和多種結構組合解決實際問題。06Python簡介5.15.1Python簡介

Python是一種功能強大的高級語言，由GuddovanRossum設計，它基于ABC語言并吸收了C、C++、Algol-68、SmallTalk、Unixshell和其他腳本語言的優(yōu)點，是結合解釋性、編譯性、互動性并面向對象的腳本語Python具有簡潔易學、移植性強、可擴展、程序庫豐富和管理工具完善等特點。Python語言結構簡單，保留字少，適合編程初學者學習；Python是一種開源語言，用戶可免費的查看、下載、修改、發(fā)布及使用；Python作為一門解釋型的語言，它天生具有跨平臺的特征，只要為平臺提供了相應的Python解釋器，Python就可以在該平臺上運行；可以把Python嵌入C/C++程序，從而向程序用戶提供腳本功能；Python的可擴展性體現在它的模塊上，Python具有腳本語言中最豐富和強大的程序庫。情景描述：小明準備開始學習程序設計，聽說Python簡單易學，準備安裝Python集成開發(fā)環(huán)境，并運行第一個Python程序技術分析：本次任務需要掌握以下技能：1.下載并安裝Python。2.使用EDLE編寫Python程序。5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序任務描述與分析任務分解：分析上面的工作情境，我們需要完成以下任務：1.下載Python安裝文件。2.安裝Python。3.啟動Python。4.編寫print。知識準備：Python安裝包里集成了開發(fā)和學習環(huán)境(IntergatedDevelopmentandLearningEnvironment,IDLE)，安裝IDLE后可方便實現程序的編譯、鏈接、執(zhí)行等功能。任務描述與分析5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序操作步驟步驟1：百度搜索’python官網’，打開Python官網下載網址，下載Python安裝文件，如圖5-1所示。圖5-1Python下載頁面任務實現5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序logo步驟2：下載并安裝Python。Python有適用于Windows、Linux、macOS的不同版本，本章選用Windows的3.8.6版。下載完成后，雙擊文件，如下圖所示，選中“addPython3.8toPATH”復選框，選擇“InstallNow”選項開始安裝。如圖5-2所示。圖5-2Python安裝任務實現5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序步驟3：運行PythonIDLE。從開始菜單執(zhí)行PythonIDLE，運行界面如圖5-3所示。圖5-3Python運行界面其中>>>是命令提示符，等待輸入命令。任務實現5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序步驟4：輸入命令print(‘helloworld’)。運行效果如圖5-4所示。圖5-4使用print函數輸入命令print(‘helloworld’)后，PythonIDLE會交互式反饋運行結果，print會輸出括號里的內容。任務實現5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序想一想想一想：（1）編譯器編譯后的代碼，程序員是否還能看得懂？（2）都有哪些編程語言，他們又對應哪些編譯器？5.1.1

【任務1】運行第一個Python程序

Python是一門簡單易學的高級語言，其借鑒吸收了ABC語言、C語言等眾多編程語言的優(yōu)點，在編程規(guī)則部分與這些語言相似。初學者需了解Python的固定語法要求，掌握Python的編程規(guī)則。Python的基礎語法知識主要包括：注釋、代碼縮進、保留字與標識符、變量、轉義字符、字符串的基本操作和Python常用的操作運算符。5.1.2

Python基礎語法知識單行注釋以“#”開頭，注釋行不會被機器編譯執(zhí)行，只是起到提示作用，不參與程序運行。如圖5-5所示。圖5-5單行注釋5.1Python簡介1.注釋5.1Python簡介多行注釋在注釋行前和末尾分別使用三個單引號，其本質是將多行表示為一個字符串，如圖5-6。Python代碼簡潔，無需用花括號({})來標識程序段，但同一程序段必須保持相同的縮進，如圖5-7是正確的縮進形式。圖5-7正確的縮進形式5.1Python簡介2.代碼縮進錯誤的縮進會導致程序無法編譯執(zhí)行，如圖5-8所示。圖中有兩處縮進錯誤，print必須和第一行s對齊，else必須和if對齊。5.1Python簡介保留字又稱為關鍵字，是Python中已經被賦予特殊含義的單詞，如保留字“if”用于流程控制，可使用kwlist函數查看Python的所有保留字，如圖5-9所示。圖5-9Python保留字標識符是Python中用于為變量、函數、類、對象、模塊等命名的字符串，一個合法的標識符必須符合以下條件。5.1Python簡介3.保留字與標識符5.1Python簡介Python保留字標識符是Python中用于為變量、函數、類、對象、模塊等命名的字符串，一個合法的標識符必須符合以下條件。

標識符只能由字母、數字或下劃線組成。

標識符應以字母開頭，不能以數字開頭，以下劃線開頭的標識符具有特殊含義，如表示類中的屬性或方法。

標識符不能使用保留字。以下幾個是合法標識符。a_1，aB123，

myName，ab1C_而下面這幾個是非法標識符。a*b4(不符合規(guī)則1，標識符不能由*組成)3d_M(不符合規(guī)則2，標識符以數字開頭)else（不符合規(guī)則3，else是保留字，標識符中不能存在保留字）此外還需注意，標識符區(qū)分大小寫，如變量A和變量a會被認為是不同的變量。4.變量Python變量根據取值不同可分為6種標準數據類型：數字、字符串、列表、元組、字典和集合。其中數字型變量和字符串型變量屬于基本型變量，列表、元組、字典和集合型變量屬于復合數據類型變量。變量在創(chuàng)建時無需聲明，但必須賦值，Python能根據變量取值自動識別數據類型。變量使用“=”進行賦值，如a=3，將3的值賦予變量a。5.1Python簡介圖5-10相同取值的變量指向同一內存地址當創(chuàng)建變量時，系統會根據變量的不同取值分配不同的存儲空間，如x=3，y=3，則變量x，y在內存中指向同一個地址，使用id函數可查看變量的內存地址。如圖5-10所示。5.1Python簡介（1）數字型變量圖5-11變量取值不同指向內存位置不同在以上兩個例子中，若繼續(xù)改變a的取值，使其與x相同，如a=3，則a指向的內存地址將和x相同，因為a=x=3。5.1Python簡介若變量的值不同，如a=5，b=6，則變量a，b在內存中指向不同地址。如圖5-11所示。數字型變量分為整型（int）、浮點型（float）、布爾型（bool）及復數型（complex）四種，其中布爾型變量取值可以是True或False，并且布爾型變量可以和整型變量間相互轉換，True等價于1，False等價于0，所有的非0數也可以看作是True。復數型變量用于存儲復數，如a=1.2+0.5j。（1）數字型變量5.1Python簡介不同的數據類型可以相互轉換，Python提供了int、float、bool函數進行數據類型轉換，如圖5-12所示。int函數可以將浮點數進行取整運算后，轉換為整數，float函數可以將整數變成浮點數，bool函數可以將非0數轉換為True，將0轉換為False。（2）字符串型變量字符串型變量取值為字符串，字符串的表示可以用單引號(’)、雙引號(’’)或三引號(’’’)來表示，其中三引號多用于多行字符串的表示。如圖5-13所示。圖5-13字符串的表示5.1Python簡介當字符串內出現單引號’、雙引號’’，需要用轉義字符來表示。如要表示字符串I’mastudent時，若直接表示為’I’mastudent’就會報錯，原因是語句單引號的匹配會出錯，語句被解析為’I’及后面的mastudent’部分，正確的表示是在’I’后加轉義字符’\’，表示為’I\’mastudent’，如圖5-14所示。圖5-14轉義字符5.1Python簡介5.轉義字符字符串的基本操作包括定位字符，截取字符段及字符串連接等。定位字符首先需了解字符串索引的概念，如定義字符串變量s=’helloworld’，這里第一個字符’h’的位置從0開始計數，即s[0]=’h’，s[1]=’e’，…1]，s[9]==，即，索引位置從0開始，到n-1結束，其中n為字符串長度。注意，不能通過索引賦值形式直接改變字符串內的字符值，如直接賦值s[0]=’b’，Python不支持這種形式的用法。截取字符段可以s[i:j]的形式來表示，i為起始索引，j為結束索引（字符串不包含s[j]），如在上段定義的s中，s[2:5]=’llo’。若字符段持續(xù)到字符串末尾，則可以表示為s[i:]的形式，結束索引可以不寫，如s[2:]=’lloworld’。5.1Python簡介6.字符串基本操作字符串的連接可以通過加號(+)來連接，如st=s+’welcometopython’。字符串基本操作如圖5-15所示。圖5-15字符串基本操作5.1Python簡介常用的算術運算符有加(+)、減(-)，乘(*)，除(/)，此外，還有求余(%)，乘方(**)?，F以以下幾個計算為例：3+30-5*6/234%104**3，運算結果如圖5-16所示。圖5-16算術運算在第一個混合運算中，由于式子里有除法，結算結果自動轉化為浮點數，第2個式子的含義是求34除以10的余數，第三個式子的含義是求4的3次方。5.1Python簡介7.Python常用操作運算符（1）算術運算符5.1Python簡介7.Python常用操作運算符（2）邏輯運算符邏輯運算符包括and、or、not，其含義如下。and，與運算，xandy，若x為0或False，返回x值，否則，返回y值or，或運算，xory，若x非0或為True，返回x，否則返回y值not，非運算，notx，若x為0或False，返回True，否則，返回False?！緦嵗?】輸入5個整數，求平均數此案例中，待輸入的5個整數分別用變量a，b，c，d，e表示，平均數用avg表示。如圖5-18所示。圖5-18求平均數5.1Python簡介8.實例【實例2】判斷表達式的值判斷not(5>8)and（3>5）and(7>3)or(3<7)的值。如圖5-19所示。圖5-19判斷表達式的值此案例中，需認真分析結果生成過程，5>8值為False，not(5>8)值為True，3>5值為False，7>3值為True，3<7值為False，因此原式=TrueandFalseandTrueorTrue，結果為True。Python常用數據類型5.2

雖然Python數據類型不需要顯式聲明，但其數據在內存中存儲時仍然有具體的類型。前面一節(jié)介紹了Python數據類型的數字型與字符串型，Python基本的數據類型遠不止這兩類。Python基本數據類型可以分為數字（Number）、字符串（String）、邏輯類（Boolean）、元組（Tuple）、列表（List）、字典（Dictionary）和集合（Set）。對于初學者來說，切勿貪大求全，掌握其中常用類型的使用方式是一個較好的切入點。列表、元組和字典是三種常用的數據類型。5.2Python常用數據類型情景描述：列表是序列類的一種重要類型，小明要對一批數據進行處理，準備用列表來對數據進行增、刪、改、查工作。技術分析：本次任務需要掌握對列表的增、刪、改、操操作技能。任務描述與分析5.2.1

【【任務2】認識列表任務分解：分析上面的工作情境，我們需要完成以下任務：1.掌握如何創(chuàng)建列表2.掌握如何修改列表元素3.掌握如何修改列表元素4.掌握如何查詢列表元素5.了解等差數列任務描述與分析5.2.1

【【任務2】認識列表步驟1：創(chuàng)建了一個等差數列，并使用切片運算符(:)取列表中下標為2到下標為4之間的所有元素。如圖5-20所示。圖5-20等差數列切片列表使用方括號([])聲明。li[2]表示列表中下標為2的元素，即是3，而li[2:4]表示取出li[2]到li[4]（不包含li[4]）中所有的元素，既[3，4]。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現步驟2：列表對象使用append方法來增加元素，只需向append傳入元素值即可再列表末尾增加一個元素。如圖5-21所示。圖5-21列表增加元素5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現若要再指定位置增加元素，可使用insert方法指定插入元素的位置索引和元素值。如圖5-22所示。其中，3是位置索引，即插入到第4個位置，6為插入的元素。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現步驟3：刪除列表中的元素。列表對象使用pop方法來刪除元素，傳入列表位置索引刪除指定位置的元素。如圖5-23所示。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現刪除列表位置索引為4的元素，即將元素“7”從列表中刪除。也可用remove方法刪除指定元素，傳入列表指定元素即可刪除。如圖5-24所示。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現步驟4：修改列表元素。列表是可以修改的，使用索引對元素賦值即可修改元素的值。如圖5-25所示。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現步驟5：查詢列表元素。查詢列表元素可使用index方法，傳入元素來返回第1次出現元素的索引位置。所元素不存在，則會出現錯誤提示。如圖5-26所示。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現若要判斷某元素是否存在列表中，可使用“元素in列表對象”進行判斷，若存在，返回值為True，否則返回False。如圖5-27所示。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現步驟6：等差數列創(chuàng)建0到9的等差數列，如圖5-28所示。圖5-28創(chuàng)建等差數列設置等差數列公差為2，如圖5-29所示5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現

Python中為了簡化代碼邏輯，實現了等差數列類型數據。常用的方式有range(n)與range(i，j)，前者表示0到n-1的等差數列，后者表示i到j-1的等差數列。此外等差數列型數據還能設置公差（step）。5.2.1

【【任務2】認識列表任務實現想一想：（1）數組與列表的相同點與不同點？（2）列表能直接用作數據庫使用嗎？5.2.1

【【任務2】認識列表想一想5.2.2【任務3】認識元組任務描述與分析情境描述：小明要對一批重要數據進行保存，并在需要進行查詢，擬采用元組來進行處理。技術分析：本次任務需要掌握使用元組的技能。0102任務分解：1.創(chuàng)建元組。2.查詢元組元素。步驟1：元組可使用圓括?。ǎ﹣韯?chuàng)建，元素間用逗號分隔，再用圓括弧將有序數列括起來，即可創(chuàng)建元組。定義元組時，圓括弧也可以省略不寫。如圖5-30所示。圖5-30創(chuàng)建元組元組與列表類似，也是序列數據的集合，但與列表不同的是，元組不可改變的，一旦創(chuàng)建就不能對元組元素值進行復制修改，也不能進行增加和刪除等操作。5.2.2【任務3】認識元組任務實現步驟2：元組提取元素值的方法與列表類似，通過索引可提取元組元素值。如圖5-31所示。圖5-31在元組中提取元素值注意：索引位置從0開始。5.2.2【任務3】認識元組任務實現步驟3：查詢元組元素查詢元組元素可使用index方法，傳入元素來返回第1次出現元素的索引位置。所元素不存在，則會出現錯誤提示。如圖5-32所示。5.2.2【任務3】認識元組任務實現若要判斷某元素是否存在元組中，可使用“元素in列表對象”進行判斷，若存在，返回值為True，否則返回False。如圖5-33所示。5.2.2【任務3】認識元組任務實現想一想：（1）元組與列表的相同點與不同點？（2）如何遍歷一個固定類型元組？5.2.2【任務3】認識元組想一想5.2.3【任務4】認識字典任務描述與分析情境描述：小明要對一批具有映射關系的數據進行處理，包括值的增、刪、改、查操作。技術分析：本次任務需要掌握字典的增、刪、改、查操作技能。AEDFBC1.創(chuàng)建字典。2.增加鍵值對。4.修改元素值。3.刪除鍵值對。5.查詢元素值。分析上面的工作情境，我們需要完成以下任務：5.2.3【任務4】認識字典5.2.3【任務4】認識字典任務描述與分析知識準備：字典使用鍵值對來表示一個元素，字典元素建立了從鍵到值的映射關系。鍵在字典中必須唯一，并且建立后不可修改。5.2.3【任務4】認識字典任務實現步驟1：創(chuàng)建字典。字典創(chuàng)建的格式為：{key1:value1,key2:value2,key3:value3不可修。為學生創(chuàng)建一個字典的實例如圖5-34所示。圖5-34使用字典類數據保存信息5.2.3【任務4】認識字典任務實現步驟2：提取鍵名對應的值。字典采用‘字典名[鍵名]’的方式來提取元素值。如圖5-35所示，提取關鍵字age的鍵值。5.2.3【任務4】認識字典任務實現步驟3：增加字典元素。增加字典元素采用為新鍵賦值的方式來添加.為學生增加一個鍵值對”country:China”可表示如圖5-36所示。5.2.3【任務4】認識字典任務實現步驟4：刪除字典元素。刪除字典元素用pop方法，傳入鍵值，即可刪除對應的元素。代碼如圖5-37所示。5.2.3【任務4】認識字典任務實現步驟5：修改字典元素。修改字典元素采用為直接賦值法，為對應的鍵賦值即可改變元素值。如圖5-38所示，通過為鍵score賦值修改學生成績?yōu)?2。5.2.3【任務4】認識字典任務實現步驟6：查詢字典中的鍵。若判斷某鍵是否在字典中，可用‘鍵in字典名’來判斷。如圖5-39所示。若要查看所有的鍵，則可用方法keys來查詢。5.2.3【任務4】認識字典任務實現查詢字典student中的鍵值如圖5-40所示。想一想：（1）元組與列表的相同點與不同點？（2）如何遍歷一個固定類型元組？5.2.3【任務4】認識字典想一想Python程序流程控制5.4

順序、選擇和循環(huán)是Python的三種基本結構，其中順序結構是最簡單的程序結構，只要按照解決問題的順序寫出相應的語句就行，它的執(zhí)行順序是自上而下，依次執(zhí)行。本節(jié)重點講解選擇和循環(huán)結構，通過采用選擇或循環(huán)結構編程解決中國古代的幾個經典數學問題，如雞兔同籠、百雞問題、韓信點兵等。5.4Python程序流程控制5.4.1選擇結構選擇結構又稱為分支結構，通過條件判斷控制程序走向不同分支，選擇結構可分為單分支，兩分支和多分支。5.4.1選擇結構1.單分支結構If是選擇結構的基本保留字，對于單分支結構，其用法格式為：if布爾表達式:語句注意表達式右邊的冒號不能缺少，此程序段的含義是：若表達式為真，則執(zhí)行語句，否則，則不執(zhí)行，程序運行例子如圖5-41所示，當考試成績x大于或等于60時，輸出‘pass’，而當x小于60時，不做處理。5.4.1選擇結構兩分支結構的用法格式為：if布爾表達式1：語句1else：語句2注意，else后的冒號不能缺少，程序段的含義是，若表達式1成立，則執(zhí)行語句1，否則執(zhí)行表達式2，程序運行例子如圖5-42所示，當x大于或等于60時，輸出’pass’，而當x小于60時，輸出’fail’。2.雙分支結構5.4.1選擇結構多分支結構的用法格式為：if布爾表達式1：語句1elif布爾表達式2：語句2

達式elif布爾表達式n-1:語句n-1else:語句n3.多分支結構程序段的含義是，若表達式1成立，則執(zhí)行語句1，其它語句不再執(zhí)行，若表達式1不成立而表達式2成立，則執(zhí)行語句2，其它語句不再執(zhí)行，以此類推，若前n-1個表達式都不成立，則執(zhí)行語句n。程序運行例子如圖5-43所示，程序段的含義是若x大于0，輸出“正數”，若x等于0，輸出“0”，若x小于0，輸出“負數”。圖中顯示了x=-1時的輸出結果。圖5-43多分支結構5.4.1選擇結構3.多分支結構for循環(huán)依次取出序列中的每一個元素進行處理，常用的序列有字符串、列表、元組等。其基本格式為：for變量in序列：語句5.4.2循環(huán)結構1.for結構5.4.2循環(huán)結構1.for結構下面演示用for循環(huán)計算1+2+3+4+5+6+7+8+9+10。如圖5-44所示，首先將1-10存入列表中L中，賦初值s=0，利用for循環(huán)將列表中的每個數取出并加入到s中。圖5-44使用列表作為計數器的for循環(huán)若數據量很大，則列表存儲數輸入量大，此時，可以使用range函數生成數據序列，用for配合range函數進行循環(huán)控制。如求和s=1+2+3+……+100，程序運行結果如圖5-45所示。5.4.2循環(huán)結構1.for結構while循環(huán)基本格式如下：while布爾表達式:語句當布爾表達式為真時，執(zhí)行語句，語句執(zhí)行完后，再次進行布爾表達式計算，若為真，則再次執(zhí)行語句，重復以上過程，直到布爾表達式值為假時退出。改用while循環(huán)實現s=1+2+3+……+100，程序運行例子如圖5-46所示。圖5-46while循環(huán)實現1-100求和5.4.2循環(huán)結構2.while循環(huán)5.4.2循環(huán)結構2.while循環(huán)值得注意的是，在while循環(huán)語句中，一定要加入改變布爾表達式中的變量值的語句，否則，容易產生死循環(huán)，如上例中，若不寫i=i+1，則表達式的值始終為真，將產生死循環(huán)。3.break和continue(1)break當循環(huán)語句執(zhí)行的過程中，若已達到理想效果或找到編程所需要的答案時，可使用break從當前循環(huán)中立刻退出。如計算5，6，7，8，9的最小公倍數，如圖5-47所示。5.4.2循環(huán)結構3.break和continue若去掉break，將算出10000以內的所有公倍數2520，5040和7560。(2)continuecontinue的作用是跳出本次循環(huán)，進入下一輪循環(huán)，在當前判斷不符合條件時，提前結束其他無效語句的執(zhí)行，進入到下一輪循環(huán)判斷中，如用continue求10以內3的倍數，如圖5-48所示。5.4.2循環(huán)結構3.break和continue5.4.3【任務5】雞兔同籠任務描述與分析情景描述：小明學了這么久編程，希望解決經典的雞兔同籠問題：在大約一千五百年前，我國古代數學名著《孫子算經》中記載了一道數學趣題，這就是著名的“雞兔同籠”問題。“今有雞兔同籠，上有三十五頭，下有九十四足，問雞兔各幾何？”技術分析：本次任務需要掌握使用for循環(huán)解決實際問題的技能。任務分解分析上面的工作情境，我們需要完成以下任務：1.for循環(huán)。2.range函數。3.if判斷。知識準備：for循環(huán)是一種簡單的窮舉算法，依次取出序列中的每一個元素進行處理

。

不通順，請修改。任務實現5.4.3【任務5】雞兔同籠步驟1：使用range生成從1到n的等差數列,并用for循環(huán)進行遍歷。foriinrange(1,35):注意：range(n)不包含n，i是雞的數量。步驟2：判斷腳是否滿足條件。foriinrange(1,35):if(2*i+(35-i)*4==94):注意：if判斷中使用‘==’而不是賦值符‘=’。想一想（1）此處是使用列表好還是使用元組更好？（2）如何進行從1到n的遍歷？5.4.3【任務5】雞兔同籠Python函數5.5

Python使用函數提高代碼效率，減少冗余代碼。函數是封裝起來的一段代碼，用戶可以根據函數定義好的格式傳入一些數據進程序，程序對數據進行處理后返回結果。

函數從數學的角度看，是輸入到輸出的映射；從計算機程序的角度看，是將不連續(xù)且重復的代碼使用一句話代替的編程方式。簡單的來說，函數需要先聲明、再調用。5.5Python函數Python中函數定義使用“def”關鍵字其格式如下：def函數名(參數列表):函數體return返回值5.5.1Python函數簡介1.定義函數5.5.1Python函數簡介1.定義函數如圖5-51所示，使用函數實現數學中的一元二次方程f(x)=3x2+2x+1。函數名字是f，參數列表只有一個參數為x，返回值是3x2+2x+1的計算結果。如圖5-50所示。圖5-51定義函數5.5.1Python函數簡介2.調用函數向函數的參數列表中傳入值，即可完成函數的調用，例如將2作為參數傳遞