Programování: základní konstrukce
IB111 Úvod do programování skrze Python
2013
Rozcvička
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Základní přístup
problém
⇓
algoritmus
⇓
program
⇓
ladění
Poznámka o ladění
laděním se nebudeme v tomto kurzu explicitně příliš
zabývat
to ale neznamená, že není důležité...
Ladění je dvakrát tak náročné, jak psaní vlastního kódu. Takže
pokud napíšete program tak chytře, jak jen umíte, nebudete
schopni jej odladit. (Brian W. Kernighan)
Základní konstrukce
proměnné, operace
řízení toku výpočtu:
podmiňovací příkaz (if-else)
cykly (for, while)
funkce
O přednášce
důraz na princip použití (k čemu to je), ilustrace použití,
přemýšlení o problému
ilustrace na příkladech
syntax (zápis) jen zběžně, zdaleka ne vše z jazyka Python
syntax je však potřeba také umět!
cvičení
samostudium, např. howto.py.cz
Příklad
Problém: vypočítat výšku mostu na základě času pádu koule
vstup: čas
výstup: výška
t = input()
h = 0.5 * 10 * t * t
print h
Proměnné
udržují hodnotu
udržovaná hodnota se může měnit – proto proměnné
typy:
číselné: int, float, ...
řetězec (string)
seznam (pole)
slovník
...
Výrazy a operace
výrazy: kombinace proměnných a konstant pomocí
operátorů
operace:
aritmetické: sčítání, násobení, ...
logické: and, or, not, ...
zřetězení řetězců
...
preference operátorů, pořadí vyhodnocování
Proměnné a výrazy: příklady
x = 13
y = x % 4 # dělení se zbytkem
y = y + 1
y += 1
a = (x==3) and (y==2)
b = a or not a
s = "petr"
t = "klic"
u = s + t
z = x + s # chyba: nelze sčítat int a string
Zápis v Pythonu
přiřazení =
test na rovnost ==
většina operací „intuitivní : +, -, *, /, and, or, ...
umocňování: **
dělení se zbytkem: %
zkrácený zápis: „y += 5 znamená „y = y + 5
Typy v Pythonu
„deklarace proměnné: první přiřazení hodnoty
dynamické implicitní typování
typ se určuje automaticky
typ proměnné se může měnit
rozdíl oproti statickému explicitnímu typování (většina
kompilovaných jazyků jako C, Pascal): int x;
zjištění typu: funkce type
Explicitní přetypování, dělení
explicitní přetypování (x = float(3))
významné např. při dělení
3 / 2 = 1
float(3) / 2 = 1.5
3.0 / 2 = 1.5
Pořadí vyhodnocování
3 + 2**3 < 15 or "pes" == "kos"
pořadí vyhodnocování vesměs intuitivní
pokud na pochybách:
konzultujte dokumentaci
závorkujte
zkrácené vyhodnocování: 1+1 == 2 or x == 3
Operace, pořadí vyhodnocování
Proměnné a paměť
x 1 x = x + 1 x 2
x 1 x = x + 1 x 1
2
Výstup
základní výpis: print x
bez odřádkování: print x,
další možnosti: sys.write, .format, .rjust ...
(rozdíl oproti Python 3)
Podmínky: příklad
Příklad: počítání vstupného
vstup: věk
výstup: cena vstupenky
vek = input()
if vek < 18:
cena = 50
else:
cena = 100
print cena
Podmíněný příkaz
if <podmínka>: příkaz1
else: příkaz2
podle toho, zda platí podmínka, se provede jedna z větví
podmínka – typicky výraz nad proměnnými
else větev nepovinná
vícenásobné větvení: if - elif - ... - else
(switch v jiných jazycích)
Blok kódu
co když chci provést v podmíněné větvi více příkazů?
blok kódu
Python: vyznačeno odsazením
jiné jazyky: složené závorky { }, begin-end
Podmíněný příkaz: příklad
if x < 0:
x = 0
print ’Zaporne vynulovano’
elif x == 0:
print ’Nula’
elif x == 1:
print ’Jedna’
else:
y = x * x
print ’Moc’
Cykly: příklady
vstupné za celou rodinu
výpis posloupnosti čísel
výpočet faktoriálu
převod čísla na binární zápis
Cyklus
opakované provádění sekvence příkazů
známý počet opakování cyklu:
příkaz for
neznámý počet opakování cyklu:
příkaz while
opakuj dokud není splněna podmínka
For, range
for x in range(n):
příkazy
provede příkazy pro všechny hodnoty x ze zadaného
intervalu
range(a, b) – interval od a do b-1
range(n) – interval od 0 do n-1 (tj. n opakování)
for/range lze použít i obecněji (nejen intervaly) – viz
později/samostudium
Faktoriál pomocí for cyklu
Co to faktoriál? K čemu se používá?
Kolik je „5! ?
Jak vypočítat „n! (n je vstup od uživatele)?
Faktoriál pomocí for cyklu
n = input()
f = 1
for i in range(1,n+1):
f = f * i
print f
První posloupnost z úvodní přednášky
1 0 0 2 8 22 52 114 240 494
for i in range(n):
print 2**i - 2*i,
Zanořování
řídicí struktury můžeme zanořovat, např.:
podmínka uvnitř cyklu
cyklus uvnitř cyklu
...
libovolný počet zanoření (ale ...)
Rozcvička
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Rozcvička programem
n = 10
soucet = 0
for i in range(1,n+1):
for j in range(n):
print i+j,
soucet += i+j
print
print "Soucet je", soucet
Rozcvička programem – hezčí formátování
for i in range(1,n+1):
for j in range(n):
print str(i+j).rjust(2),
print
While cyklus
while <podmínka>:
příkazy
provádí příkazy dokud platí podmínka
může se stát:
neprovede příkazy ani jednou
provádí příkazy do nekonečna (nikdy neskončí) – to
většinou znamená chybu v programu
napište výpočet faktoriálu pomocí while cyklu
Faktoriál pomocí while cyklu
n = input()
f = 1
while n > 0:
f = f * n
n = n - 1
print f
Binární soustava: počítání na prstech
1
2 4 8
16
http://www.khanacademy.org/math/vi-hart/v/
binary-hand-dance
Příklad: převod na binární zápis
Problém: převodník z desítkové na binární soustavu
vstup: číslo v desítkové soustavě
výstup: číslo v binární soustavě
Jak převedeme „22 na binární zápis?
Jak převedeme obecné číslo na binární zápis?
Převod na binární zápis
n = input()
vystup = ""
while n > 0:
if n % 2 == 0:
vystup = "0" + vystup
else:
vystup = "1" + vystup
n = n / 2
print vystup
Převod na binární zápis – průběh výpočtu
n = 22 vystup =
n = 11 vystup = 0
n = 5 vystup = 10
n = 2 vystup = 110
n = 1 vystup = 0110
n = 0 vystup = 10110
Funkce
Programy nepíšeme jako jeden dlouhý „štrúdl , ale dělíme je
do funkcí.
Proč?
Funkce
Programy nepíšeme jako jeden dlouhý „štrúdl , ale dělíme je
do funkcí.
Proč?
opakované provádění stejného (velmi podobného) kódu na
různých místech algoritmu
modularita (viz Lego kostky), znovupoužitelnost
snazší uvažování o problému, dělba práce
Funkce
vstupy (parametry)
funkce
návratová hodnota
vedlejší efekty
return
výpisy
změny globálních proměnných
Funkce
vstup: parametry funkce
výstup: návratová hodnota
proměnné v rámci funkce:
lokální: dosažitelné pouze v rámci funkce
globální: dosažitelné všude, minimalizovat použití
Funkce pro převod na binární zápis
def binarni_zapis(n):
vystup = ""
while n > 0:
if n % 2 == 0:
vystup = "0" + vystup
else:
vystup = "1" + vystup
n = n / 2
return vystup
Vnořené volání funkcí
funkce mohou volat další funkce
po dokončení vnořené funkce se interpret vrací a
pokračuje
rekurze: volání sebe sama, cyklické volání funkcí
(podrobněji později)
Vnořené volání: jednoduchý příklad
def info_o_sudosti(cislo):
print "Cislo", cislo,
if cislo % 2 == 0:
print "je sude"
else:
print "je liche"
def pokusy_se_sudosti(a, b):
print "Prvni cislo", a
info_o_sudosti(a)
print "Druhe cislo", b
info_o_sudosti(b)
print "Konec"
pokusy_se_sudosti(3, 18)
Vnořené volání – ilustrace
def pokusy_se_sudosti(a, b):
print "Prvni cislo", a
info_o_sudosti(a)
print "Druhe cislo", b
info_o_sudosti(b)
print "Konec"
def info_o_sudosti(cislo):
print "Cislo", cislo,
if cislo % 2 == 0:
print "je sude"
else:
print "je liche"
pokusy_se_sudosti(3,18)
Rozcvička programem II
Experimentální otestování hypotézy o třetí mocnině
def tabulka_soucet(n):
soucet = 0
for i in range(1,n+1):
for j in range(n):
soucet += i+j
return soucet
def vypis_souctu(kolik):
for n in range(1, kolik+1):
print n, n**3, tabulka_soucet(n)
Druhá posloupnost z úvodní přednášky
0 1 1 2 1 2 2 3 1 2 2 3 2 3 3 4 1 2 2 3 2 3 3 4 2
3 3 4 3 4 ...
Druhá posloupnost z úvodní přednášky
0 1 1 2 1 2 2 3 1 2 2 3 2 3 3 4 1 2 2 3 2 3 3 4 2
3 3 4 3 4 ...
Počet jedniček v bitovém zápisu.
Jak vypsat programem?
Druhá posloupnost z úvodní přednášky
def pocet_jednicek(n):
pocet = 0
while n > 0:
if n % 2 == 1: pocet += 1
n = n / 2
return pocet
def posloupnost2(n):
for i in range(n):
print pocet_jednicek(i),
Funkce: Python speciality
def test(x, y = 3):
print "X =", x
print "Y =", y
defaultní hodnoty proměnných
volání pomocí jmen proměnných
test můžeme volat např.:
test(2,8)
test(1)
test(y=5, x=4)
(dále též libovolný počet argumentů a další speciality)
Programátorská kultura
psát smysluplné komentáře, dokumentační řetězce (viz
později)
dávat proměnným a funkcím smysluplná jména
funkce by měly být krátké:
max na jednu obrazovku
jen pár úrovní zanoření
příliš dlouhá funkce – rozdělit na menší
neopakovat se, nepoužívat „cut&paste kód
Další důležité programátorské konstrukce
složitější datové typy (seznamy, řetězce), objekty
vstup/výstup (input/output, IO):
standardní IO
soubory
dělení projektu do více souborů (packages), použití
knihoven
viz další přednášky, cvičení, samostudium
Příklad: výpis šachovnice
# . # . # . # .
. # . # . # . #
# . # . # . # .
. # . # . # . #
# . # . # . # .
. # . # . # . #
# . # . # . # .
. # . # . # . #
Nevhodné řešení
def sachovnice(n):
for i in range(n):
if (i % 2 == 0): sudy_radek(n)
else: lichy_radek(n)
def sudy_radek(n):
for j in range(n):
if (j % 2 == 0): print "#",
else: print ".",
print
def lichy_radek(n):
for j in range(n):
if (j % 2 == 1): print "#",
else: print ".",
print
Lepší řešení
def sachovnice(n):
for i in range(n):
radek(n, i % 2)
def radek(n, parita):
for j in range(n):
if (j % 2 == parita): print "#",
else: print ".",
print
Jiný zápis
def sachovnice(n):
for i in range(n):
for j in range(n):
if ((i+j) % 2 == 0):
print "#",
else:
print ".",
print
Příklad: Hádanka hlavy a nohy
Farmář chová prasata a slepice. Celkem je na dvoře 20 hlav a
56 noh. Kolik má slepic a kolik prasat?
jak vyřešit pro konkrétní zadání?
jak vyřešit pro obecné zadání (H hlav a N noh)?
co když farmář chová ještě osminohé pavouky?
Hlavy, nohy: řešení
dva možné přístupy:
1 „inteligentně : řešení systému lineárních rovnic
2 „hrubou silou :
„vyzkoušej všechny možnosti
cyklus přes všechny možné počty prasat
Hlavy, nohy: program
def hledej_reseni(hlavy, nohy):
for prasata in range(0, hlavy+1):
slepice = hlavy - prasata
if prasata * 4 + slepice * 2 == nohy:
print "prasata =", prasata,\
"slepice =", slepice
Jak bych musel program změnit, kdybych řešil úlohu i s
pavouky?
Ukázka nevhodného programu: ciferný součet
if n % 10 == 0:
f = 0 + f
elif n % 10 == 1:
f = 1 + f
elif n % 10 == 2:
f = 2 + f
elif n % 10 == 3:
f = 3 + f
elif n % 10 == 4:
f = 4 + f
...
Ukázka nevhodného programu: čtverec
def ctverec(n):
for i in range(1, n):
print "*" * i
if i == n-1:
p = 1
while n+1 > p:
print "*" * n
n = n - 1