Programování: základní konstrukce
IB111 Úvod do programování
Radek Pelánek
2017
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
diakritika, české názvy – Python 3 umožňuje, ale v tomto
předmětu se držíme anglických písmen a názvů
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
...
Názvy proměnných
posloupnost písmen, číslic a znaků ’ ’
bez mezer, více slov pomocí:
lower case with underscores, CamelCase,
mixedCase
nelze použít klíčová slova (if, while, and, True, ...)
lze použít některé další prvky jazyka (např. názvy typů),
ale není to vůbec dobrý nápad
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 se chová 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 („jako v
matematice )
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 kompilaci, 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
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.
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)
return není print
upozornění: yield – podobné jako return, pokročilý
konstrukt, v tomto kurzu 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 – „PEP8 :
https://www.python.org/dev/peps/pep-0008/
PEP = Python Enhancement Proposals
průběžné téma kurzu
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
htts://xkcd.com/1513/
viz též htts://xkcd.com/1695/, htts://xkcd.com/1833/
htts://xkcd.com/844/
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()
DRY vs WET programming
DRY = Don’t Repeat Yourself
WET
Write Everything Twice
We Enjoy Typing
Waste Everyone’s Time
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?
Shrnutí
základní konstrukce
proměnné
řízení toku výpočtu: if-else, for, while
funkce
programátorská kultura
příště: počítání s čísly