Programování: základní konstrukce
IB111 Úvod do programování
2016
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 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
zdůraznění častých problémů
syntax (zápis) jen zběžně, zdaleka ne vše z jazyka Python
syntax je však potřeba také umět!
cvičení
samostudium, např. howto.py.cz
některé aspekty zjednodušeně, později v kurzu podrobněji
Úvodní poznámky k syntaxi
„case sensitive – velikost písmen důležitá
písmena s diakritikou – Python 3 umožňuje, ale v tomto
předmětu se držíme anglických
komentáře – symbol #
Příklad
Problém: vypočítat výšku mostu na základě času pádu koule
vstup: čas
výstup: výška
t = float(input())
h = 0.5 * 10 * t * t
print(h)
Proměnné
udržují hodnotu
udržovaná hodnota se může měnit – proto proměnné
typy:
číselné: int, float, ...
pravdivostní hodnota (bool)
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, rovnost
přiřazení =
x = 3 znamená „přiřaď do x hodnotu 3
test na rovnost ==
x == 3 znamená „otestuj zda v x je hodnota 3
častá chyba: záměna = a ==
varování: is
x is 3 chová se zdánlivě jako ==, ale jsou tam rozdíly
pokročilý programovací prvek, teď nepoužívat!
Zápis v Pythonu: operace
většina operací „intuitivní : +, -, *, /, and, or
umocňování: **
dělení se zbytkem: %
celočíselné dělení: //
zkrácený zápis: „y += 5 znamená „y = y + 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
Sekvenční řazení příkazů
řádky pod sebou
alternativně oddělit středníkem (avšak nedoporučeno)
x = 2; y = 3
varování: and neslouží k sekvenčnímu řazení
NE: x = 2 and y = 3
Typové systémy programovacích jazyků
Jak se provádí typová kontrola?
statické – na základě kódu (při kompilace, před
interpretací)
dynamické – za běhu programu
Označuje typy programátor v kódu?
explicitní – programátor v kódu deklaruje typ
např. int x;
implicitní – interpret určuje typ automaticky
Typy v Pythonu
dynamické implicitní typování
typ se určuje automaticky
typ proměnné se může měnit
rozdíl oproti statickému explicitnímu typování (většina
kompilovaných jazyků jako C, Pascal, Java)
„deklarace proměnné: první přiřazení hodnoty
zjištění typu: funkce type
možnost explicitního přetypování (x = float(3); s =
str(158))
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, end="")
další možnosti: sys.write, .format, .rjust ...
(rozdíl oproti Python 2)
Podmínky: příklad
Příklad: počítání vstupného
vstup: věk
výstup: cena vstupenky
if age < 18:
price = 50
else:
price = 100
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, default 4 znaky
jiné jazyky: složené závorky { }, begin-end
Podmíněný příkaz: příklad
if age < 6:
print("Free entry")
elif age < 15:
price += 20
print("Child")
elif age < 60:
price += 100
print("Adult")
else:
price += 50
print("Senior")
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 = int(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, end=" ")
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
total = 0
for i in range(1,n+1):
for j in range(n):
print(i+j, end=" ")
total += i+j
print()
print("The result is", total)
Rozcvička programem – hezčí formátování
for i in range(1,n+1):
for j in range(n):
print(str(i+j).ljust(2), end=" ")
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 = int(input())
f = 1
while n > 0:
f = f * n
n = n - 1
print(f)
Další příkazy pro řízení cyklů
break – ukončí provádění cyklu (nejvnitřnějšího)
continue – ukončí aktuální iteraci cyklu a přejde na další
else větev může být i u cyklu
V rámci IB111 nepoužíváme.
Binární soustava
htts://xkcd.com/953/
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 = int(input())
output = ""
while n > 0:
if n % 2 == 0:
output = "0" + output
else:
output = "1" + output
n = n // 2 # celociselne deleni
print(output)
Převod na binární zápis – průběh výpočtu
n = 22 output =
n = 11 output = 0
n = 5 output = 10
n = 2 output = 110
n = 1 output = 0110
n = 0 output = 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 (předána zpět pomocí
return)
upozornění: yield – podobné jako return, pokročilý
konstrukt, nepoužívat
proměnné v rámci funkce:
lokální: dosažitelné pouze v rámci funkce
globální: dosažitelné všude, minimalizovat použití (více
později)
Funkce pro převod na binární zápis
def to_binary(n):
output = ""
while n > 0:
if n % 2 == 0:
output = "0" + output
else:
output = "1" + output
n = n // 2
return output
print(to_binary(22))
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 parity_info(number):
print("Number", number, end=" ")
if number % 2 == 0:
print("is even")
else:
print("is odd")
def parity_experiment(a, b):
print("The first number", a)
parity_info(a)
print("The second number", b)
parity_info(b)
print("End")
parity_experiment(3, 18)
Vnořené volání – ilustrace
def parity_experiment(a, b):
print("The first number", a)
parity_info(a)
print("The second number", b)
parity_info(b)
print("End")
def parity_info(number):
print("Number", number, end=" ")
if number % 2 == 0:
print("is even")
else:
print("is odd")
parity_experiment(3, 18)
Rozcvička programem II
Experimentální otestování hypotézy o třetí mocnině
def table_sum(n):
total = 0
for i in range(1,n+1):
for j in range(n):
total += i+j
return total
def check_sums(how_many):
for n in range(1, how_many+1):
print(n, n**3, table_sum(n), sep="\t")
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 count_ones(n):
count = 0
while n > 0:
if n % 2 == 1: count += 1
n = n // 2
return count
def sequence2(n):
for i in range(n):
print(count_ones(i), end=" ")
Funkce: Python speciality
def test(x, y = 3):
print("X =", x)
print("Y =", y)
defaultní hodnoty parametrů
volání pomocí jmen parametrů
test můžeme volat např.:
test(2,8)
test(1)
test(y=5, x=4)
(dále též libovolný počet parametrů a další speciality)
Funkce: rady
specifikace: vstupně-výstupní chování – ujasnit si před
psaním samotného kódu
jaké potřebuje funkce vstupy?
co je výstupem funkce
funkce by měly být krátké:
„jedna myšlenka
max na jednu obrazovku
jen pár úrovní zanoření
příliš dlouhá funkce – rozdělit na menší
Programátorská kultura
psát smysluplné komentáře, dokumentační řetězce (viz
později)
dávat proměnným a funkcím smysluplná jména
neopakovat se, nepoužívat „copy&paste kód
doporučení k úpravě kódu v Pythonu:
https://www.python.org/dev/peps/pep-0008/
Proměnné, funkce, komentáře: jazyk
doporučení (užitečný návyk hned od začátku): vše
anglicky
české názvy: míchání jazyků (klíčová slova anglicky),
nekonzistence s diakritikou, ...
větší projekty – angličtina nutnost
style guide: Python coders from non-English speaking
countries: please write your comments in English, unless
you are 120% sure that the code will never be read by
people who don’t speak your language.
. . . ale nezasekněte se na tom
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
#.#.#.#.
.#.#.#.#
#.#.#.#.
.#.#.#.#
#.#.#.#.
.#.#.#.#
#.#.#.#.
.#.#.#.#
Řešení funkční, ne úplně vhodné
def chessboard(n):
for i in range(n):
if (i % 2 == 0): even_line(n)
else: odd_line(n)
def even_line(n):
for j in range(n):
if (j % 2 == 0): print("#", end="")
else: print(".", end="")
print()
def odd_line(n):
for j in range(n):
if (j % 2 == 1): print("#", end="")
else: print(".", end="")
print()
Lepší řešení
def chessboard(n):
for i in range(n):
line(n, i % 2)
def line(n, parity):
for j in range(n):
if (j % 2 == parity): print("#", end="")
else: print(".", end="")
print()
Jiný zápis
def chessboard(n):
for i in range(n):
for j in range(n):
c = "#" if ((i+j) % 2 == 0) else "."
print(c, end="")
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 solve(heads, legs):
for pigs in range(0, heads+1):
hens = heads - pigs
if pigs * 4 + hens * 2 == legs:
print ("pigs =", pigs,
"hens =", hens)
solve(20, 56)
Jak bych musel program změnit, kdybych řešil úlohu i s
pavouky?