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[python学习笔记]Python语言程序设计(北理工 嵩天)

程序员文章站 2022-06-03 19:25:45
赶时髦,python这么火,学习一哈 1.Python基本语法元素 1.1 程序设计基本方法 计算机发展历史上最重要的预测法则 摩尔定律:单位面积集成电路上可容纳晶体管数量约2年翻倍 cpu/gpu、内存、硬盘、电子产品价格等都遵循此定律 50年来计算机是唯一一个指数发展的领域 源代码、目标代码(机 ......

赶时髦,python这么火,学习一哈

1.python基本语法元素

1.1 程序设计基本方法

计算机发展历史上最重要的预测法则     摩尔定律:单位面积集成电路上可容纳晶体管数量约2年翻倍 cpu/gpu、内存、硬盘、电子产品价格等都遵循此定律

50年来计算机是唯一一个指数发展的领域

 

源代码、目标代码(机器代码)

编译、解释

静态语言、脚本语言

静态语言编译器一次性生成目标代码,优化更冲份,程序运行速度更快

脚本语言 执行程序时需要源代码,维护更灵活

   

程序的基本设计方法ipo

i:input  文件输入、网络输入、控制台输入、交互界面输入、内部参数输入

p:process 处理

o:output 控制台输出、图形输出、文件输出、网络输出、操作系统内部输出

6个步骤:

-分析问题:分析问题的计算部分,想清楚

-划分边界:划分问题的功能边界,规划ipo

-设计算法:设计问题的求解算法,关注算法

-编程

-调试测试

-升级维护

3个精简步骤:确定ipo、编程、调试运行

计算思维(编程体现了一种抽象交互关系、自动化执行的思维模式)、逻辑思维、实证思维   

1.2 python开发环境配置

python 蟒蛇

psf 拥有者,开放、开源精神

guido van rossum创立

2002年 2.x

2008年 3.x

python3不兼容python2

交互式、文件式

 

linux自带python2和python3,无需安装,不过没有pip,要安装apt install python3-pip

trouble shooting:python3中import turtle  modulenotfounderror: no module named 'tkinter'报错

apt install python3-tk

apt install tk-dev或yum install tk-devel

然后import turtle不报错了

 

test一下

test1

 

test2

test3

1.3 实例1:温度转换

实例1:温度转换

需求:摄氏度与华氏度相互转换

#tempconvert.py
tempstr = input("请输入带有符号的温度值: ")
if tempstr[-1] in ['f', 'f']:
    c = (eval(tempstr[0:-1]) - 32)/1.8
    print("转换后的温度是{:.2f}c".format(c))
elif tempstr[-1] in ['c', 'c']:
    f = 1.8*eval(tempstr[0:-1]) + 32
    print("转换后的温度是{:.2f}f".format(f))
else:
    print("输入格式错误")

1.4 python程序语法元素分析

程序的格式框架:

代码高亮 是辅助

缩进是语法要求  一般4个空格或者1个tab  表达代码间包含和层次关系的唯一手段 

注释:单行注释 #       多行注释  ''' '''


命名:给变量关联标识符的过程

命名大小写敏感、首字符不能是数字、不与保留字相同

保留字:被编程语言内部定义并保留使用的标识符 也大小写敏感 33个

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数据类型

字符串  

用‘’或“”

正向递增序号、反向递减序号  正向0开始编号

索引: 可以使用[m]索引其中单个字符

切片:可以使用[m:n]返回其中一段子串,从第m到第n-1个字符

 

 

数字类型:整数、浮点数

列表:表示0到多个数据组成的有序序列,采用,分隔各元素,使用in判断一个元素是否在列表中


=   赋值主语句

分支语句if elif else构成

eval 评估函数 去除参数最外侧引号并执行余下语句的函数

 

垂直输出hello world

for i in "hello world":

   print(i)

 

输出

x = input()

print(eval(x)**0,eval(x)**1,eval(x)**2,eval(x)**3,eval(x)**4,eval(x)**5)  

2. python基本图形绘制

2.1 深入理解python语言

计算机演进过程:

1946-1981 计算机系统结构时代  计算能力问题        1981年个人pc诞生                      

1981-2008 网络和视窗时代  交互问题                          2008 android诞生   标志pc转向移动            

2008-2016 复杂信息系统时代 数据问题                       2016年alpha go打败人类               

2017-  人工智能时代 人类的问题

 

新计算时代  过度到人工智能时代的中间时代


编程语言的初心 

不完全统计600多中语言    常用的也就那么20来种

python已经在tiobe排行超过c++跃居第三

[python学习笔记]Python语言程序设计(北理工 嵩天) 

[python学习笔记]Python语言程序设计(北理工 嵩天) 


python语言是通用语言、脚本语言、开源语言、跨平台语言、多模型语言 

--强制可读性

--较少的底层语法元素

--多种编程方式

--支持中文字符

--c代码量的10%                  语法简洁    *10

--13万第三方库                  生态高产    *10

--快速增长的计算生态 每年2万

--避免重复造*

--开放共享

--跨操作系统平台

 

人生苦短 我学python

    --c/c++:c归c  python归python

    --java:针对特定开发和岗位需求

    --html/css/js:不可替代的前端技术,全栈能力

    -r/go/matlab等:特定领域

 

python是最高产的程序设计语言

    --掌握抽象并求解计算问题综合能力的语言

    -了解产业界解决复杂计算问题方法的语言

    -享受利用编程将创新变为实现乐趣的语言

 

工具决定思维:关注工具变革的力量!


python具有最庞大的生态库,是唯一的超级语言,前进步伐不可阻挡

2.2 实例2:python蟒蛇绘制

#pythondraw.py
import turtle
turtle.setup(650, 350, 200, 200)
turtle.penup()
turtle.fd(-250)
turtle.pendown()
turtle.pensize(25)
turtle.pencolor("purple")
turtle.seth(-40)
for i in range(4):
    turtle.circle(40, 80)
    turtle.circle(-40, 80)
turtle.circle(40, 80/2)
turtle.fd(40)
turtle.circle(16, 180)
turtle.fd(40 * 2/3)
turtle.done()

2.3 模块1: turtle库的使用

turtle库基本介绍

import 保留字 引入turtle绘图库 海龟绘图体系

turtle库是turtle绘图体系的python实现  1969年诞生,主要用于程序设计入门 python的标准库之一 入门级的图形绘制函数库

python计算生态=标准库+第三方库

库library,包package,模块module ,统称模块

有一只海龟,其实在窗体正中心,在画布上游走,走过的轨迹绘制的图形,海龟由程序控制,可以变换颜色宽度


turtle绘图窗体布局

turtle的一个画布空间 最小单位是像素

屏幕坐标系:屏幕左上角为0 0

turtle.setup(width,height,startx,starty)后两个可选 默认屏幕*  并不是必须的   用来设置窗体大小和窗体左上角与屏幕左上角的相对位置


turtle空间坐标系

绝对坐标  海龟在屏幕* 记为(0,0)坐标原点   turtle.goto(x,y) 

海龟坐标  以海归的视角turtle.fd(d),turtle.bk(d),turtle.circle(r,angle) 左侧r为止为中心行走angle角度的弧线


turtle角度坐标体系

绝对角度 改变海龟前进方向 turtle.seth(angle)

 

海龟角度 turtle.left(angle),turtle.right(angle)


rgb色彩体系 0-255整数或 0-1 的小数

 

默认采用小数制,可切换为整数制  turtle.colormode(mode) mode为1.0或255 

2.4 turtle语法元素分析

库引用

扩充python程序功能的方式 使用import保留字完成,采用<a>.<b>()的编码风格  

from turtle import*    缺点 函数重名   适用于短的程序

from turtle import函数名 

可以as保留字起别名 import turtle as t    --推荐使用


画笔控制函数

画笔操作后一直有效,一般成对出现

-turtle.penup() 别名turtle.pu() 抬起画笔,海龟在飞行

-turtle.pendown() 别名turtle.pd() 落下画笔,海龟在爬行

画笔设置后一直有效,直到下次设置

-turtle.pensize(width) 别名turtle.width(width)  画笔宽度,海龟腰围

-turtle.pencolor(color) color为颜色字符串或rgb值 画笔颜色,海龟在涂装 

      -颜色字符串 turtle.pencolor("purple")

       -rgb小数  turtle.pencolor(0.63,0.13,0.94)

       -rgb元组值  turtle.pencolor((0.63,0.13,0.94))


运动控制函数

控制海龟行进:走直线&走曲线

-turtle.forward(d) 别名 turtle.fd(d)  向前行进,海龟走直线   d可以为负数

-turtle.circle(r,extent=none) 根据半径r绘制extent角度的弧线 r默认圆心在海龟左侧r距离的位置  -extent绘制角度,默认是360度


方向控制函数

turtle.setheading() 别名turtle.seth() 控制海龟面对方向:绝对角度 海龟角度

turtle.left() turtle.right()


循环语句

for in 保留字

range() 产生循环计算序列 range(n) range(m:n)    0到n-1 m到n-1

turtle.done() 运行结束 不退出  需要手工退出  去掉就自动退出了

3. 基本数据类型

3.1 数字类型及其操作

整数类型:可正可负 取值无限 pow(x,y) x的y次方

4种进制表示:10进制、二进制0b或0b开头 0b010、8进制0o或0o、16进制0x或0x


浮点型 10的308次方 精度达到:10的-16次方小数 即53位二进制   与数学中实数一致

不确定尾数 (浮点数运算)不是bug  53位二进制表示浮点数的小数部分 约10的-16次方  计算机中的二进制和十进制不完全对等 

二进制表示小数,可以无限接近,但不完全相同

0.1+0.2 结果接近0.3

0.1+0.2 == 0.3  false    用round(x,d)处理不确定尾数   不确定位数一般发生在10的-16次方左右

科学计数法  e或e作为幂的符号,10为基数  <a>e<b>  4.3e-3


复数类型 z.real z.imag  获得实部和虚部


数值运算操作符

x+y x-y x*y x/y x//y  +x -y x%y x**y         ps:x/y 是浮点数  别的语言中不是这样

二元操作符有对应的增强赋值操作符

x op =y   x+=y x-=y x*=y x/=y x//=y x%=y x**=y

类型间可以混合运算 结果生成为“最宽”的类型 隐式转换  整数->浮点数->复数  如123+4.0=127.0

数值运算函数

abs(x) 绝对值

divmod(x,y) 商余    divmod(10,3)  结果是二元数(3,1)

pow(x,y[,z]) 幂余

round(x[,d]) 四舍五入

max(x1,x2,..)

min(x1,x2,..)

int(x) 显示类型转换,  变为整数,舍弃小数

float(x)  转浮点数

complex(x)  转复数

3.2 实例3:天天向上的力量

问题分析:持续的价值    一年365天每天进步1%,累计进步多少?相反,每天退步1%,累计剩下多少?如果三天打渔二天晒网呢?

print("向上{:.2f},向下{:.2f}".format(pow(1.001,365),pow(0.999,365)))     结果:  向上1.44,向下0.69


如果是0.5% 1%呢

#daydayup1.py
factor=0.005
print("向上{:.2f},向下{:.2f}".format(pow(1+factor,365),pow(1-factor,365)))

结果:

0.5% :向上6.17,向下0.16

1%:向上37.78,向下0.03


如果是工作日的力量?工作日进步1%,休息日退步1%

#daydayup.py
dayup=1.0
factor=0.01
for i in range(365):
    if i % 7 in [6,0]:
        dayup *= 1-factor
    else:
        dayup *= 1+factor
print("{:.2f}".format(dayup))

结果:4.63


工作日的努力要达到多少才能和每天努力1%一样?

#daydayup.py
def dayup(factor):
    dayup=1.0
    for i in range(365):
        if i % 7 in [6,0]:
            dayup *= 1-0.01
        else:
            dayup *= 1+factor
    return dayup;
dayfactor = 0.01
while dayup(dayfactor) < 37.78:
    dayfactor += 0.001
print("工作日的努力参数是:{:.3f} ".format(dayfactor))

结果是:1.9%


3.3 字符串类型及操作

四种字符串表示方法:

由一对单引号或双引号表示单行字符串

由一对三引号或三双引号表示多行字符串            

三单引号表示字符串,程序啥都不执行,相当于注释,python实际没有真正提供多行注释


[m:n:k]根据步长对字符串切片 m和n均可以缺失,表示至开头或至结尾

[::-1]倒序

转义符\  \b 回退  \n 换行  \r 回车光标移动到行首


字符串操作符

x+y 连接两个字符串

n*x或x*n 复制n次字符串x

x in s


字符串处理函数 

len(x) 字符串长度    中英文长度都是1

str(x) 强制类型转换为字符串  和eval相反操作

hex(x)  整数x转变为8进制形式

oct(x) 整数x转变为16进制形式

chr(x) 将unicode编码返回其字符形式

ord(x)  上面的反操作

unicode编码 统一字符编码 从0到1114111(0x10ffff) python字符串每个字符都是unicode编码


字符串处理方法 

<a>.<b>  形式 面向对象的术语 表示对象的动作

8个字符串处理方法

.lower() .upper()   大小写转换

.split(sep=none)  字符串分割,返回一个列表    例:"a,b,c".split(',')结果是['a', 'b', 'c']

.count(sub)       字符串sub在其中出现次数

.replace(old,new)         字符串替换

.center(width[,fillchar])     字符串格式处理,字符串居中  例: 'python'.center(30,'=')  结果'============python============'

.strip(chars)     去除字符换两边字符         如:'= python= '.strip(' =np')结果'ytho'

.join(iter) 填充字符    如:','.join('12345')结果'1,2,3,4,5'


字符串类型的格式化  

格式化是对字符串进行格式化表达的方式

.format方法    用法:<模板字符串>.format(<逗号分隔的参数>)

相当于占位信息符,只在字符串中有用

 

format方法的格式控制  6种格式控制标记

 

分为2组

前三个参数是一组   默认填充空格左对齐

如:            "{:=^20}".format("python")     结果:           '=======python======='

如:            "{0:,.2f}".format(12345.6789)   结果    '12,345.68' 

如:"{0:b} {0:c} {0:d} {0:o} {0:x} {0:x}".format(425)           结果'110101001 ʃ 425 651 1a9 1a9' 

如: "{0:e} {0:e}{0:f} {0:%}".format(3.14)  结果     '3.140000e+00 3.140000e+003.140000 314.000000%'

3.4 模块2:time库的使用

time库是python中处理时间的标准库

时间获取

time()  获取当前时间戳,即计算机系统内部时间值,浮点数  1970年1月1日0点0分开始到当前系统以秒为单位的浮点数       如:1537763974.4934046

ctime() 获取当前时间,返回字符串,人类易读  如:'mon sep 24 12:41:59 2018'

gmtime() 获取当前时间,struct_time格式,计算机易处理的格式   

            如:time.struct_time(tm_year=2018, tm_mon=9, tm_mday=24, tm_hour=4, tm_min=42, tm_sec=52, tm_wday=0, tm_yday=267, tm_isdst=0)


时间格式化 

strftime()

格式化字符串

striptime() 


程序计时 

perf_counter()

 

sleep()

3.5 实例4:文本进度条

问题分析:采用字符串方式打印可以动态变化的文本进度条  能在一行中逐渐变化

刷新的本质:用后打印的字符覆盖之前的字符

print() 默认加换行  print( ,end=””)不换行   \r退格到行首

idle不是主要的运行环境 所以\r功能在idle屏蔽了 用shell执行

#textprobar.py
import time
scale = 50
print("执行开始".center(scale//2, "-"))
start = time.perf_counter()
for i in range(scale+1):
        a = '*' * i
        b = '.' * (scale - i)
        c = (i/scale)*100
        dur = time.perf_counter() - start
        print("\r{:^3.0f}%[{}->{}]{:.2f}s".format(c,a,b,dur),end='')
        time.sleep(0.1)
print("\n"+"执行结束".center(scale//2,'-'))

4.程序的控制结构

4.1 分支结构 

单分支结构

if <条件>:

    <程序1> 


二分支结构

if <条件1>:

        <程序1> 

else:

        <程序2> 


紧凑形式:适用于简单表达式的二分支结构

<表达式1> if <条件> else <表达式2>

如:

guess = eval(input())

print(“猜{}了”.format(“对”if guess == 99 else ”错”)) 


多分支结构

if <条件1>:

    <程序2>

elif <条件2>:

    <程序3

… 

else:

    <程序n>


条件判断>  >=   <   <=    ==   != 

条件组合x and y      x or y     not x


异常处理 

try:

    程序1

except [nameerror]:

    程序2

 

try:

    程序1

except:

    程序2

else:

    程序3

finally:

   程序4

4.2 实例5:身体质量指数bmi

问题分析:bmi是身体肥胖程度的刻画(body mass index)  bmi=体重(kg)/身高的平方(m),接收用户信息判断身体肥胖程度

#calbmi.py
height,weight=eval(input("输入身高体重用逗号隔开"))
bmi = weight/pow(height,2)
print("bmi数值:{:.2f}".format(bmi))
who,nat = "",""
if bmi < 18.5:
    who,nat="偏瘦","偏瘦"
elif 18.5 <= bmi < 24:
    who,nat="正常","正常"
elif 24 <= bmi < 25:
    who,nat="正常","偏胖"
elif 25 <= bmi < 28:
    who,nat="偏胖","偏胖"
elif 28 <= bmi < 30:
    who,nat="肥胖","偏胖"
else:
    who,nat="肥胖","肥胖"
print("bmi指标为  国内{},国际{}".format(who,nat))

4.3 循环结构

for 遍历循环

for <循环变量> in <遍历结构>:

    <语句块> 

记数循环

for i in range(5):

    print(i)

 

for i in range(m:n:k):

    print(i)

字符串遍历循环

for c in s:

    <语句块>

 

for c in "python123":
    print(c)

列表遍历循环ls是列表

for item in ls:

    <语句块>

 

for item in [123,"py",456]:
    print(item,end=',')

文件遍历循环  fi是文件标识符

for line in fi:

   <语句块>


while 无限循环

while <条件>:

   <语句>


循环控制保留字break  continue

 

循环扩展:两种循环后面都可以加else分支  else为没有被break退出是执行的,作为正常运行的奖励  

4.4 模块3:random库使用

random库是使用随机数的python标准库

计算机没法产生真正的随机数,但是可以使用梅森旋转算法产生伪随机数

使用 import random


random库包括2类函数,常用共8个

基本随机数函数:seed(),random()

括展随机数函数:randint(),getrandbits(),uniform(),randrange(),choice(),shuffle()

随机数种子

seed(a=none)    初始化给定的随机数种子,默认为系统当前时间,例:random.seed(10) #产生种子10对应的序列 0.5714025946899135 0.4288890546751146  ..

random()            生成一个[0.0,1.0)之间的随机小数,例:random.random()

为什么要使用随机数种子呢,因为可以使用相同的随机数种子复现程序的执行情况

randint(a,b)        生成一个[a,b]之间的整数,例:random.randint(10,100)

randrange(m,n[,k])    生成一个[m,n)之间以k为步长的随机整数,例:random.random(10,100,10)

getrandbits(k)       生成一个k比特长的随机整数

uniform(a,b)         生成一个[a,b]之间的随机小数

choice(seq)          从序列中随机选择一个元素,例:random.choice([1,2,3,4,5,6])

shuffle(seq)          将序列中元素随机排序,返回打乱后的序列,例:s=[1,2,3,4];random.shuffle(s);print(s)  

4.4 实例6:圆周率计算

#calpi.py
from random import random
from time import perf_counter
darts = 1000*1000
hits = 0.0
start = perf_counter()
for i in range(1,darts+1):
    x,y = random(),random()
    dist = pow(x**2 + y**2,0.5)
    if dist <=1.0:
        hits = hits + 1
pi = 4 * (hits/darts)
print("圆周率是:{}".format(pi))
print("运行时间是:{:.5f}s".format(perf_counter()-start))

蒙特卡罗方法     工程方法

数学思维

计算思维

time库perf_counter来关注程序性能

据统计,程序80%的时间消耗在不到10%的代码上   有点儿类似28法则

关注循环

5.函数和代码复用

5.1 函数的定义与使用

函数定义

函数是一段具有特定功能可复用的语句

df <函数名>(参数):

    <函数体>

    return <返回值>

其中参数可以是0个到多个,是占位符

函数不经过调用是不会执行的 

函数就是ipo的实现

函数也是一段完整代码的封装


函数的参数传递

可选参数传递:可以为参数指定默认值,变为可选参数,可选参数要放在非可选参数之后

可变参数传递:不确定参数有多少个


参数传递的两个方式

默认是按照位置,可以按照名称方式传递


函数的返回值

return可以返回0个或多个结果

函数可以有返回值也可以没有

可以有return 也可以没有

返回多个值的时候是返回元组类型 用() 元素用逗号分隔


局部变量与全局变量

函数外边的是全局变量,里面是局部变量

局部变量是函数内部的占位符,可能与全局变量重名单不相同

函数运行结束后局部变量被释放

规则1:局部变量与全局变量是不同变量

可以使用global保留字在函数内部使用全局变量

规则2:局部变量如果是组合数据类型且未被创建,等同于全局变量    组合数据类型实际是指针的原因


lambda函数

lambda函数返回函数名作为结果

lambda函数是一种匿名函数,没有名字的函数

lambda函数用于定义一种简单的能够在一行内表示的函数

是一种函数的紧凑表达形式

<函数名> = lambda <参数>:<表达式>

f = lambda x,y : x + y

f(10,15)

谨慎使用lambda函数

用于特定的方法的参数

一般就算是1行代码,也建议用def方式定义

5.2 实例7:七段数码管绘制

问题分析:用turtle绘制数码管样式的时间

from turtle import*
from time import*
def drawgap():
    penup()
    fd(5)
def drawline(draw):              #绘制单段数码管
    drawgap()
    pendown() if draw else penup()
    fd(40)
    drawgap()
    right(90)
def drawdigit(digit):
    drawline(true) if digit in [2,3,4,5,6,8,9] else drawline(false)
    drawline(true) if digit in [0,1,3,4,5,6,7,8,9] else drawline(false)
    drawline(true) if digit in [0,2,3,5,6,8,9] else drawline(false)
    drawline(true) if digit in [0,2,6,8] else drawline(false)
    left(90)
    drawline(true) if digit in [0,4,5,6,8,9] else drawline(false)
    drawline(true) if digit in [0,2,3,5,6,7,8,9] else drawline(false)
    drawline(true) if digit in [0,1,2,3,4,7,8,9] else drawline(false)
    left(180)
    penup()
    fd(20)
def drawdate(date):#date为日期,格式约定为 '%y-%m=%d+'
    pencolor("red")
    for i in date:
        if i == '-':
            write('年',font=("arial",18,"normal"))
            pencolor("green")
            fd(40)
        elif i == '=':
            write('月',font=("arial",18,"normal"))
            pencolor("blue")
            fd(40)
        elif i == '+':
            write('日',font=("arial",18,"normal"))
        else:
            drawdigit(eval(i))
def main():
    setup(800,350,200,200)
    penup()
    fd(-300)
    pensize(5)
    drawdate(strftime('%y-%m=%d+',gmtime()))
    hideturtle()
    done()
main()

结果:

5.3 代码复用与函数递归

代码复用

代码抽象化:使用函数等方法对代码赋予更高级别的定义

函数对象是代码复用的2中主要形式

函数是在代码层面建立了初步抽象

对象有属性和方法,是更高级别的抽象

封装


模块化设计

分而治之:

通过函数或对象封装将程序划分为模块与模块间的表达

主程序、子程序与子程序之间的关系

一般将子程序看作模块,主程序看作模块与模块间的关系

是一种分而治之、分层抽象、体系化的设计思想

紧耦合:两个部分之间交流很多,无法独立存在

松耦合:两个部分之间交流很少,可以独立存在,有各自清晰简单的接口

模块化设计基本思路和原则:模块内部紧耦合,模块之间松耦合


函数递归:函数定义中调用自身的方式

两个关键特征

链条:计算过程存在递归链条

基例:存在一个或者多个不需要再次递归的基例  递归的最末段

类似数学归纳法,先证明第一个取值命题成立,然后第n个取值命题成立,第n+1取值命题也成立,那么命题成立

递归可以理解为数学归纳法思维在编程中的体现


函数递归的调用

函数+分支语句   :基例和链条分别编写代码

3个小栗子

5.4 模块4:pyinstaller库的使用

是第三方库 需要安装

pip工具

shell中使用使用             pyinstaller –f <文件名.py>

5.5 实例8:科赫雪花小包裹

#kochdraw.py
import turtle
def koch(size, n):
    if n == 0:
        turtle.fd(size)
    else:
        for angle in [0, 60, -120, 60]:
           turtle.left(angle)
           koch(size/3, n-1)
def main():
    turtle.setup(600,600)
    turtle.penup()
    turtle.goto(-200, 100)
    turtle.pendown()
    turtle.pensize(2)
    level = 3      # 3阶科赫雪花,阶数
    koch(400,level)     
    turtle.right(120)
    koch(400,level)
    turtle.right(120)
    koch(400,level)
    turtle.hideturtle()
main()

结果:

6. 组合数据类型

6.1 集合类型及操作

集合是多个元素的无序组合,每个元素唯一,不存在相同元素

集合元素不可更改,不能是可变数据类型,比如列表类型就不能作为元素,整数浮点数复数字符串元组类型等都是不可变数据类型

用{}表示,元素间用逗号分隔

建立集合用{}或者set()

例如:b = set(“pypy123”) 结果{‘1’,’2’,’3’,’p’,’y’}

建立空集合必须用set()


6个集合操作符

s | t  并

s – t  差

s & t 交

s ^ t  补

s <= t、s < t  包含与子集关系

s >= t、s > t

增强操作符

s |= t

s –= t

s &= t

s ^= t


10个集合处理方法

s.add(x)  如果x不在s中,将x元素加入s集合

s.discard(x) 移除s中元素x,如果x不在集合s中,不报错

s.remove(x) 移除s中元素x,如果x不在s中,产生keyerror异常

s.clear() 移除s中所有元素

s.pop() 随机返回s的一个元素,更新s,若s为空产生keyerror异常

s.copy()  返回集合s的一个副本

len(s) 返回个数

x in s 判断s中是否有元素x

x not in s 同上相反

set(x) 将其他类型变量x转变为集合类型


集合类型应用场景

包含关系的比较

数据去重

6.2 序列类型及操作

序列是有先后顺序的一组元素

序列是一维元素向量,元素类型可以不同,类似c语言中的一维数组

元素间由序号引导,通过下标访问序列的特定元素

序列是一个基类类型

一般不直接用序列类型而是使用其衍生类型,比如字符串、元组、列表


序列处理函数与方法


元组类型

元组是一种序列类型,一旦创建就不能被修改

使用()或者tuple()创建,元素间用逗号分隔

可以使用或不适用小括号,比如函数返回多个返回值就是使用没有括号的元组类型,python内部认为是一个值,是一个元组

元组类型继承了序列的所有通用操作

元组类型因为一旦定义不能修改,所以没有特殊操作


列表类型及操作

列表是序列类型的扩展,十分常用

列表是一种序列类型,创建后可以随意修改,长度无限制,元素类型可不同

列表本质是指针,如果通过赋值语句给另外一个变量,那么实际并没有创建一个新列表,可以类似linux的硬链接,[]或者函数list()才是真正创建一个列表,赋值仅仅传递引用

一些例子

一些例子


序列类型应用场景

包含元组列表

元组用于元素不改变的场景,更多用于固定场景 比如函数返回值

列表则更加灵活,是常用的序列类型

最主要作用:表示一组有序数据并进而操作它们

元素遍历 for item in lt

数据保护 利用元组不可修改的特性

6.3 实例9:基本统计值计算

问题分析:给出一组数据,给出概要理解,比如 求和、平均值、方差、中位数…

总个数:len()

求和:for … in

平均值:上2个除

方差:各数据与平均值的平方的和的平均数

中位数:排序,取中间的或者中间2个数平均数


#calstatisticsv1.py
def getnum():       #获取用户不定长度的输入
    nums = []
    inumstr = input("请输入数字(回车退出): ")
    while inumstr != "":
        nums.append(eval(inumstr))
        inumstr = input("请输入数字(回车退出): ")
    return nums
 
def mean(numbers):  #计算平均值
    s = 0.0
    for num in numbers:
        s = s + num
    return s / len(numbers)
 
def dev(numbers, mean): #计算方差
    sdev = 0.0
    for num in numbers:
        sdev = sdev + (num - mean)**2
    return pow(sdev / (len(numbers)-1), 0.5)
 
def median(numbers):    #计算中位数
    sorted(numbers)
    size = len(numbers)
    if size % 2 == 0:
        med = (numbers[size//2-1] + numbers[size//2])/2
    else:
        med = numbers[size//2]
    return med
 
n =  getnum() #主体函数
m =  mean(n)
print("平均值:{},方差:{:.2},中位数:{}.".format(m, dev(n,m),median(n)))

6.4 字典类型及操作

字典类型的定义

映射 是一种键(索引)和值(数据)的对应

用{}或者dict()创建字典,键值对用:表示     {key:value,key2:value2…}

type()可以检测变量的类型

{}可以用来声明空字典,这就是集合类型中定义空集合不能用{}的原因


一些例子

6.5 模块5:jieba库的使用

优秀的中文分词第三方库

由于中文是连续书写的 需要通过特定手段获得单个词语

jieba库提供3种分词模式,最简单只需要掌握一个函数

通过中文词库方式识别确定汉字之间关联概率 概率大的组成词组,形成分词效果

除了分词,用户也可以添加自定义的词组


三种模式

精确模式:把文本精确的切分开,不存在冗余单词  最常用的分词模式

全模式:把文本中所有可能的词语都扫描出来,存在冗余

搜索引擎模式:更加智能,在精确模式的基础上,对长词再次切分,存在冗余,在某些特定场景下使用

6.6 实例10:文本词频统计

问题分析:一篇文章,出现了哪些词?哪些词最多?

中英文各一个程序:分别是哈姆雷特和三国演义

#calhamletv1.py
def gettext():
    txt = open("hamlet.txt", "r").read()
    txt = txt.lower()
    for ch in '!"#$%&()*+,-./:;<=>?@[\\]^_‘{|}~':
        txt = txt.replace(ch, " ")   #将文本中特殊字符替换为空格
    return txt
 
hamlettxt = gettext()
words  = hamlettxt.split()
counts = {}
for word in words:           
    counts[word] = counts.get(word,0) + 1
items = list(counts.items())
items.sort(key=lambda x:x[1], reverse=true) 
for i in range(10):
    word, count = items[i]
    print ("{0:<10}{1:>5}".format(word, count))
#calthreekingdomsv2.py
import jieba
excludes = {"将军","却说","荆州","二人","不可","不能","如此"}
txt = open("threekingdoms.txt", "r", encoding='utf-8').read()
words  = jieba.lcut(txt)
counts = {}
for word in words:
    if len(word) == 1:
        continue
    elif word == "诸葛亮" or word == "孔明曰":
        rword = "孔明"
    elif word == "关公" or word == "云长":
        rword = "关羽"
    elif word == "玄德" or word == "玄德曰":
        rword = "刘备"
    elif word == "孟德" or word == "丞相":
        rword = "曹操"
    else:
        rword = word
    counts[rword] = counts.get(rword,0) + 1
for word in excludes:
    del counts[word]
items = list(counts.items())
items.sort(key=lambda x:x[1], reverse=true) 
for i in range(10):
    word, count = items[i]
    print ("{0:<10}{1:>5}".format(word, count))

7. 文件和数据格式化

7.1 文件的使用

文件的类型

文本文件、二进制文件     只是展示方式,本质上都是二进制数据

文本文件:由单一特定编码组成的文件,如utf-8编码   由于存在编码,文本文件也被看为一个长字符串

二级制文件:数据间没有统一字符编码,01组成,比如png avi等文件


文件的打开和关闭

打开->操作->关闭                    文件存储状态和占用状态转换

文件的打开

<变量名> = open(<文件名>,<打开模式>)

文件句柄

文件路径和名称,使用相对路径或者绝对路径,同一个路径的话就直接文件名,斜杠\是转移字符使用反斜杠/替换,或者\\

打开模式

<变量名>.close   关闭文件

当程序退出的时候,python也会自动关闭文件


文件内容的读取

<f>.read(size=-1)   读入全部内容,如果给出参数,读入前size长度

<f>.readline(size=-1) 读入一行,如果给了size,读入该行前size长度

<f>.readlines(hint=-1)   读入文件所有行,以每行为元素形成列表,hint参数可选,读入前hint行

遍历全文本

文件的逐行处理


文件写入

<f>.write(s)   向文件写入一个字符串或字节流   如:f.write(“abc”)

<f>.writelines(lines)   将一个元素全为字符串的列表写入文件   如:ls=[‘a’,’b’,’c’],f.writelines(ls)

<f>.seek(offset) 改变当前文件操作指针的位置,offset含义如下:0文件开头,1-当前位置,2-文件结尾

例子:

f = open("2.txt","w+")
ls = ['中国', '法国', '美国']
f.writelines(ls)
f.seek(0)
for line in f:
    print(line)
f.close()

7.2 实例11:自动轨迹绘制

问题分析:根据脚本来绘制图形  不是写代码而是写数据绘制轨迹

#autotracedraw.py
import turtle as t
t.title('自动轨迹绘制')
t.setup(800, 600, 0, 0)
t.pencolor("red")
t.pensize(5)
#数据读取
datals = []
f = open("data.txt")
for line in f:
    line = line.replace("\n","")
    datals.append(list(map(eval, line.split(","))))
f.close()
#自动绘制
for i in range(len(datals)):
    t.pencolor(datals[i][3],datals[i][4],datals[i][5])
    t.fd(datals[i][0])
    if datals[i][1]:
        t.rt(datals[i][2])
    else:
        t.lt(datals[i][2])

自动化思维

将数据和功能分离开来

数据驱动

接口化设计

可以扩展

  扩展接口设计,增加更多控制接口

  扩展功能设计,增加弧形等更多功能

  扩展应用需求,发展自动轨迹绘制到动画绘制

7.3 一维数据的格式化

一维数据:由对等关系的有序或无序数据构成,采用线性方式组织,对应列表、集合、数组等概念

二维数据:由多个一维数据组成,是一维数据的组合形式

多维数据:是一维或二维数据在新唯独上扩展形成,比如中国大学排行榜加入时间维度

高维数据:仅利用最基本的二元关系展示数据间的复杂结构,比如字典类型中的key-value形式


操作周期


一维数据的表示

如果数据间有序,使用列表类型

如果数据间无序,使用集合类型


一维数据的存储


一维数据的处理

类似于一个驱动

7.4 二维数据的格式化和处理

二维列表

两层for循环遍历二维列表

csv:comma-separated values  逗号分隔  国际通用   一般.csv为扩展名

每行一个一维数据,无空行

一般的软件都能生成csv格式文件

如果每个元素缺失,逗号要保留

表头可以作为数据存储,也可以令行存储

如果数据中包含逗号,不同的软件有不同的约定,比如转义符或者其他方式

按行存或者按列存都行,一般索引习惯 ls[row][col] 先行后列,按行存


二维数据的处理

读入处理

7.5 模块6:wordcloud库的使用

词云展示的第三方库

wordcloud库把词云当作一个wordcloud对象

wordcloud.wordcloud()代表一个文本对应的词云

可以根据文本中词语出现的频率等参数绘制词云

绘制词云的形状、尺寸、颜色都可以设定

w = wordcloud.wordcloud()

以wordcloud对象为基础

配置参数、加载文本、输出文件

常规方法

w.generate(txt)  向wordcloud对象w中加载文本txt 如:w.generate(“python and wordcloud”)

w.to_file(filename) 将词云输出为图像文件,.png或.jpg格式 如:w.to_file(“output.png”)

绘制词云的步骤:

setp1:配置对象参数

setp2:加载词云文本

step3:输出词云文件

生成默认400*200的图片

wordcloud干啥了:

a.分隔:以空格为分隔单词

b.统计:单词出现次数并过滤

c.字体:根据统计配置字号

d.布局:颜色环境尺寸

对象参数

width 默认400

height 默认200

min_font_size 最小字号 默认4号

max_font_size 最大字号 根据高度自动调节

font_step 默认1,字体步进间隔

font_path 字体路径,默认none,如:w=wordcloud.wordcloud(font_path=”msyh.ttc”)

max_words 指定词云显示的最大单词数量,默认200   比如词云显示的不那么有力,可以修改这个

stop_words 指定排除单词 如:w=wordcloud.wordcloud(stop_words={“python”})

background_color  指定背景色  默认黑色

默认显示的矩形效果,使用mask参数可以改变

中文的话需要先用jieba库分词,中文不是空格分隔的

7.6 实例12:*工作报告词云

常规矩形词云

#govrptwordcloudv1.py
import jieba
import wordcloud
f = open("新时代中国特色*.txt", "r", encoding="utf-8")
 
t = f.read()
f.close()
ls = jieba.lcut(t)
 
txt = " ".join(ls)
w = wordcloud.wordcloud( \
    width = 1000, height = 700,\
    background_color = "white",
    font_path = "msyh.ttc"    
    )
w.generate(txt)
w.to_file("grwordcloud.png")

不规则图形词云

#govrptwordcloudv2.py
import jieba
import wordcloud
from scipy.misc import imread
mask = imread("chinamap.jpg")
excludes = { }
f = open("新时代中国特色*.txt", "r", encoding="utf-8")
t = f.read()
f.close()
ls = jieba.lcut(t)
txt = " ".join(ls)
w = wordcloud.wordcloud(\
    width = 1000, height = 700,\
    background_color = "white",
    font_path = "msyh.ttc", mask = mask
    )
w.generate(txt)
w.to_file("grwordcloudm.png")

8. 程序设计方法学

8.1 实例13:体育竞技分析


自顶向下(设计)        分而治之

将一个总问题表达为若干个小问题组成的形式

使用相同的方法进一步分解小问题

解决复杂问题的有效设计方法

自底向上(执行)     模块化集成

逐步组建复杂系统的有效测试方法

分单元测试,逐步组装


#matchanalysis.py
from random import random
def printintro():
    print("这个程序模拟两个选手a和b的某种竞技比赛")
    print("程序运行需要a和b的能力值(以0到1之间的小数表示)")
def getinputs():
    a = eval(input("请输入选手a的能力值(0-1): "))
    b = eval(input("请输入选手b的能力值(0-1): "))
    n = eval(input("模拟比赛的场次: "))
    return a, b, n
def simngames(n, proba, probb):
    winsa, winsb = 0, 0
    for i in range(n):
        scorea, scoreb = simonegame(proba, probb)
        if scorea > scoreb:
            winsa += 1
        else:
            winsb += 1
    return winsa, winsb
def gameover(a,b):
    return a==15 or b==15
def simonegame(proba, probb):
    scorea, scoreb = 0, 0
    serving = "a"
    while not gameover(scorea, scoreb):
        if serving == "a":
            if random() < proba:
                scorea += 1
            else:
                serving="b"
        else:
            if random() < probb:
                scoreb += 1
            else:
                serving="a"
    return scorea, scoreb
def printsummary(winsa, winsb):
    n = winsa + winsb
    print("竞技分析开始,共模拟{}场比赛".format(n))
    print("选手a获胜{}场比赛,占比{:0.1%}".format(winsa, winsa/n))
    print("选手b获胜{}场比赛,占比{:0.1%}".format(winsb, winsb/n))
def main():
    printintro()
    proba, probb, n = getinputs()
    winsa, winsb = simngames(n, proba, probb)
    printsummary(winsa, winsb)
main()

8.2 python程序设计思维

计算思维与程序设计

第三种人类思维特征

逻辑思维:以推理和演绎为特征,以数学为代表,a->b,b->c,a->c

实证思维:以实验和验证为特征,以物理为代表,引力波<-实验

计算思维:以设计和构造为特征,计算机为代表,汉诺塔递归

有非常明显的特征:抽象和自动化,抽象问题的计算过程并利用计算自动化求解(并不是抽象因果关系仅仅是抽象过程)

1+2+..+100  高斯     vs  累计

圆周率        高数求和   vs     蒙特卡洛方法

汉诺塔问题   逻辑推理的2的n次方-1        vs      递归

计算思维基于计算机强大的算力和海量的数据

抽象计算过程,关注设计和构造,而非因果

以计算机程序设计为主要实现手段

编程是将计算思维变为现实的手段


计算生态与python语言

从开源运动说起…

-1983年,richard stallman启动gnu项目

-1989年,gnu通用许可协议诞生,*软件时代到来               大教堂模式

-1991年,linus torvalds发布了linux内核                                           集市模式(成为主流)

-1998年,网景浏览器开源,产生了mozilla,开源生态逐步建立

计算生态以开源项目为组织形式,充分利用“共识原则”和“社会他人”组织人员,在竞争发展、相互依存和迅速更迭中完成信息技术的更新换代,形成了技术的自我演进路径。

开源思想深入演化和发展,形成了计算生态

计算生态是没有顶层设计、以功能为单位、具备三个特点:竞争发展、相互依存和迅速更迭

 

python

-以开源项目为代表的大量第三方库         python语言提供 > 13万个第三方库  并以两万+每年的速度发展

-库的建设经过野蛮生长和自然选择         同一个功能,python语言提供2个以上第三方库

-库之间相互关联使用,依存发展             python库间广泛联系,逐级封装

-社区庞大,新技术更迭迅速                      alpha go深度学习算法采用python语言开源

api !=  生态

 

创新:跟随创新、集成创新、原始创新                       

-计算生态加速科技类应用创新的重要支撑

-发展科技产品商业价值的重要模式

-国家科技体系安全和稳固的基础

 

刀耕火种 –> 站在巨人的肩膀上

  -编程的起点不是算法而是系统

  -变成如同搭积木,利用计算生态为主要模式

  -编程的目标是快速解决问题

优质的计算生态  python123  由老师、产业人员共同筛选的优质生态


用户体验与软件产品

实现功能 –> 关注体验

用户体验指用户对产品建立的主管感受和认识

关心功能实现,更要关心用户体验,才能做出好产品

编程只是手段,不是目的,程序最终为人类服务

 

提高用户体验的方法

方法1:进度展示   

  -如果程序需要计算时间,可能产生等待,请增加进度展示

  -如果程序需要若干步骤,需要提示用户,请增加进度展示

  -如果程序可能存在大量次数的循环,请增加进度展示

方法2:异常处理

  -当获得用户输入时候,对合规性需要检查,需要异常处理

  -当读写文件时,对结果进行判断,需要异常处理

  -当进行输入输出时,对运算结果进行判断,需要异常处理

其他方法:

  -打印输出:特定位置,输出程序运行的过程信息verbose

  -日志文件:对程序异常以及用户的使用进行定期记录

  -帮助信息:给用户多种方式提供帮助

 

软件程序 到 软件产品,其核心关键就是用户体验


基本的程序设计模式

ipo

模块化设计

自顶向下设计

配置化设计   (自动轨迹绘制实例)

  -引擎+配置:程序执行和配置分离,将可选参数配置化

  -将程序开放变为配置文件编写,扩展功能而不修改程序

  -关键在于接口设计,清晰明了,灵活扩展,这是一种更高级别的设计思路

 

应用开发的四个步骤:

1.产品定义    对应用需求充分理解和明确定义

  -产品定义,而不仅是功能定义,要考虑商业模式

2.系统架构  以系统方式思考产品的技术实现

  -系统架构,关注数据流、模块化、体系架构

3.设计与实现  结合架构完成关键设计及系统实现

  -结合可扩展性、灵活性、是否适应未来需求变化等进行设计优化

4.用户体验  从用户角度思考应用效果

  -用户至上,体验优先,以用户为中心构造软件产品

8.3 python第三方库安装

看见更大的python世界

13万个第三方库  全区社区

pypi

  -python package index

  -psf维护的展示全球python计算生态的主站

  -学会检索并利用pypi,找到合适的第三方开发程序

 

3种安装方法:

  -方法1(主要方法):使用pip命令

  -方法2:集成安装方法

  -方法3:文件安装方法


pip安装方法(最主要的方法)

pip  -h 可以查看帮助

pip install <第三方库名>                                 安装

pip install –u <第三方库名>                           升级

pip uninstall <第三方库名>                            卸载

pip download <第三方库名>                         下载单并不安装

pip show <第三方库名>                                  列出某个第三方库的详细信息

pip search 关键词                                             搜索第三方库

pip list                                                                  列出已安装的第三方库


集成安装方法

结合安装工具,批量安装,不过这样的安装工具不多