Python语言程序设计（第2版）（含视频教学） 课件 第1、2章 Python语言基础、顺序结构

Python语言程序设计（第2版）第1章Python语言基础Python语言的发展历史Python程序的运行开发环境常量与变量Python数据类型常用系统函数基本运算1.1.1Python语言的发展历史Python由荷兰的GuidovanRossum设计。Python第一个版本于1991年初公开发行。Python2.0于2000年10月发布，增加了许多新的语言特性。Python3.0于2008年12月发布，此版本不完全兼容Python2.0。1.1Python语言概述1.1.2Python语言的特点1．Python语言的优势（1）语法简洁。组成一个Python程序也没有太多的语法细节和规则要求，“信手拈来”就可以组成一个程序。（2）程序可读性好。通过强制程序缩进，Python语言确实使得程序具有很好的可读性，同时Python的缩进规则是也有利于程序员养成良好的程序设计习惯。（3）丰富的数据类型。除了基本的数值类型外，Python语言还提供了字符串、列表、元组、字典和集合等丰富的复合数据类型。（4）开源的语言。各种社区提供了成千上万不同功能的开源函数模块，而且还在不断地发展，这为基于Python语言的快速开发提供了强大支持。（5）解释型的语言。用Python语言编写的程序不需要编译成二进制代码，而可以直接运行源代码。（6）面向对象的语言。Python语言既可以面向过程，也可以面向对象，支持灵活的程序设计方式。2．Python语言的局限性Python程序的运行速度比较慢。1.1.3Python语言的应用领域1．系统维护与管理在Windows系统下，通过使用pywin32模块提供的WindowsAPI函数接口，就可以编写与Windows系统底层功能相关的Python程序。利用py2exe模块可以将Python程序转换为.exe可执行程序，使得Python程序可以脱离Python系统环境来运行。2．科学计算与数据可视化Python中用于科学计算与数据可视化的模块有很多，例如NumPy、SciPy、SymPy、Matplotlib等，涉及的应用领域包括数值计算、符号计算、二维图表、三维数据可视化等。

3．数据库应用Python数据库模块有很多，例如，可以通过内置的sqlite3模块访问SQLite数据库，使用pywin32模块访问Access数据库，使用pymysql模块访问MySQL数据库，使用pywin32和pymssql模块来访问SQLSever数据库。4．多媒体应用PyMedia模块是一个用于多媒体操作的Python模块，可以对包括WAV、MP3、AVI等多媒体格式文件进行编码、解码和播放；PyOpenGL模块封装了OpenGL应用程序编程接口，通过该模块可在Python程序中集成二维或三维图形；PIL（PythonImagingLibrary，Python图形库）为Python提供了强大的图像处理功能，并提供广泛的图像文件格式支持。5．网络应用Python语言提供了socket模块，对Socket接口进行了二次封装，支持Socket接口的访问；还提供了urllib、cookielib、httplib、scrapy等大量模块，用于对网页内容进行读取和处理；可以使用Python语言编写CGI程序，也可以把Python程序嵌入到网页中运行；Python语言还支持Web网站开发，比较流行的开发框架有web2py、django等。6．电子游戏应用Pygame就是用来开发电子游戏软件的Python模块，在SDL库的基础上开发，可以支持多个操作系统。使用Pygame模块，可以在Python程序中创建功能丰富的游戏和多媒体程序。7．数据科学和人工智能应用Pandas是基于NumPy的数据处理和分析工具，NLTK用于自然语言处理，jieba用于中文分词，Wordcloud可以生成词云图；Scikit-learn是常用的机器学习模块；TensorFlow、PyTorch则是常见的深度学习框架；Keras是一个用Python编写的开源人工神经网络库。1.2.1Python系统的下载与安装从Python官网下载Python系统文件。选择基于Windows操作系统的当时最新版本进行下载。下载完成后，运行系统文件，进入Python系统安装界面。选中“Addpython.exetoPATH”复选框，并使用默认的安装路径。安装完成后单击“Close”按钮即可。1.2Python语言的开发环境1.2.2Python程序的运行1．启动Python解释器1）命令行形式的Python解释器在Windows系统桌面选择“开始”菜单中的“Python3.11”→“Python3.11（64-bit）”命令，即启动命令行形式的Python解释器。2）图形用户界面形式的Python解释器在Windows系统桌面选择“开始”菜单中的“Python3.11”→“IDLE(Python3.1164-bit）”命令来启动图形用户界面形式的Python解释器。2．Python的运行方式1）Python的命令运行方式启动Python解释器后，可以直接在其提示符（>>>）后输入语句。>>>print("Hello,World!")Hello,World!>>>print(1+3/4)1.752）Python的程序运行方式在图形用户界面形式的Python解释器窗口中选择“File”→“NewFile”命令，或按Ctrl+N快捷键，打开Python程序编辑窗口。在其中键入程序的全部语句，然后存盘。1．常量在程序运行过程中，其值不能改变的数据对象称为常量（constant）。常量按其值的表示形式区分它的类型。例如，0、435、-78是整型常量，-5.8、3.14159、1.0是实型常量（也称作浮点型常量），'410083'、'Python'是字符串常量。1.3常量与变量2．变量的一般概念在高级语言中，变量（variable）可以看作是一个特定的内存存储区，该存储区由一定个数字节的内存单元组成，并可以通过变量的名字来访问。高级语言中的变量具有变量名、变量值和变量地址三个属性。变量在它存在期间，在内存中占据一定的存储单元，以存放变量的值。3．Python变量1）变量的数据类型Python语言是一种动态类型语言，变量的数据类型是在给变量赋值时确定，对变量的每一次赋值，都可能改变变量的类型。可以使用Python内置函数type()来查询变量的类型。2）对象及其引用Python语言采用基于值的内存管理方式，不同的值分配不同的内存空间。Python变量并不是某一个固定内存单元的标识，而是对内存中存储的某个数据的引用（reference），这个引用是可以动态改变的。4．Python标识符在Python中，标识符由字母、数字和下划线（_）组成，但不能以数字开头，标识符中的字母是区分大小写的。例如，abc、a_b_c、Student_ID都是合法的标识符，sum、Sum、SUM代表不同的标识符。单独的下划线（_）是一个特殊变量，用于表示上一次运算的结果。

5．Python关键字所谓关键字（keyword），就是Python语言中事先定义的、具有特定含义的标识符，有时又称保留字。关键字不允许另作它用，否则执行时会出现语法错误。可以在使用import语句导入keyword模块后使用print(keyword.kwlist)语句查看所有Python关键字。>>>importkeyword>>>print(keyword.kwlist)1.4.1数值型1．整型数据整型数据即整数，不带小数点，但可以有正号或负号。在Python中，整型数据的值在计算机内的表示不是固定长度的，只要内存许可，整数可以扩展到任意长度，整数的取值范围几乎包括了全部整数（无限大），这给大数据的计算带来便利。

1.4Python数据类型Python的整型常量有4种表示形式：（1）十进制整数。（2）二进制整数。它以0b或0B(数字0加字母b或B)开头，后接数字0,1的整数。（3）八进制整数。它是以0o或0O（数字0加小写字母o或大写字母O）开头，后接数字0～7的整数。（4）十六进制整数。它是以0x或0X开头，后接0～9和A～F（或用小写字母）字符的整数。2．浮点型数据浮点型数据表示一个实数，有两种表示形式：（1）十进制小数形式。它由数字和小数点组成，如3.23、34.0、0.0等。浮点型数据允许小数点后面没有任何数字，表示小数部分为0，如34.表示34.0。（2）指数形式。指数形式即用科学计数法表示的浮点数。例如，45e-5、45e-6、9.34e2是合法的浮点型常量，分别代表45×10-5、45×10-6、9.34×102。

3．复数型数据复数类型数据的形式为：a+bJ其中a是复数的实部，b是复数的虚部，J表示-1的平方根（虚数单位）。J也可以写成小写j，注意不是数学上的i。可以通过x.real和x.imag来分别获取复数x的实部和虚部，结果都是浮点型。1.4.2字符串型1．Python标准字符串在Python中定义一个标准字符串可以使用单引号、双引号和三引号（三个单引号或三个双引号），这使得Python输入文本更方便。例如，当字符串的内容中包含双引号时，就可以用单引号定义，反之亦然。用单引号或双引号括起来的字符串必须在一行内表示，这是最常见的表示字符串的方法。而用三引号括起来的字符串可以是多行的。2．转义字符转义字符以反斜杠“\”开头，后跟一个或几个字符。转义字符具有特定的含义，不同于字符原有的意义，故称转义字符，主要用来表示那些用一般字符不便于表示的控制代码。例如，“\n”表示以后的输出从下一行开始；“\r”表示对当前行作重叠输出（只回车，不换行）；字符“\t”是制表符，其作用是使当前输出位置横向跳至一个输出区的第一列。3．基本的字符串函数1）eval()函数其调用格式为：eval(字符串)eval()函数的作用是把字符串的内容作为对应的Python表达式来求值。2）len()函数len()函数返回字符串的长度，即字符串中所包含的字符个数，其调用格式为：len(字符串)1.4.3布尔型在Python中，布尔型数据有True和False，分别代表逻辑真和逻辑假。Python的布尔表达式包括关系运算表达式和逻辑运算表达式，通常用来在程序中表示条件，条件满足时结果为True，不满足时结果为False。在Python中，逻辑值True和False实际上是分别用整型值1和0参与运算。例如：>>>x=False>>>x+(5>4)11.4.4复合数据类型列表、元组、字典和集合类型的数据包含多个相互关联的数据元素，所以称它们为复合数据类型。字符串其实也是一种复合数据，其元素是单个字符。列表、元组和字符串是有顺序的数据元素的集合体，称作序列（sequence）。序列可以通过各数据元素在序列中的位置编号（索引）来访问数据元素。字典和集合属于无顺序的数据集合体，不能通过位置编号来访问数据元素。1．列表列表（list）是写在中括号之间、用逗号分隔的元素序列，元素的类型可以不相同，可以是数字、单个字符、字符串甚至可以包含列表（所谓嵌套）。例如：>>>mlist=['brenden',45.3,911,'john',32]与Python字符串不同的是，列表中的元素是可以改变的。例如：>>>a=[1,2,3,4,5,6]>>>a[0]=9>>>a[9,2,3,4,5,6]2．元组元组（tuple）是写在小括号之间、用逗号隔开的元素序列。元组中的元素类型也可以不相同。元组与列表类似，不同之处在于元组的元素不能修改，相当于只读列表。例如：>>>mtuple=('brenden',45.3,911,'john',32)要注意一些特殊元组的表示方法。空的圆括号表示空元组。当元组只有一个元素时，必须以逗号结尾。任何一组以逗号分隔的对象，当省略标识序列的括号时，默认为元组。例如：>>>2,3,4(2,3,4)元组与字符串类似，元素不能二次赋值。其实，可以把字符串看作一种特殊的元组。元组和列表有几点重要的区别。列表元素用中括号[]括起来，且元素的个数及元素的值可以改变。元组元素用小括号()括起来，且不可以更改。元组可以看成是只读的列表。3．字典字典（dictionary）是写在大括号之间、用逗号分隔的元素集合，其元素由关键字（key，也称作键）和关键字对应的值（value）组成，通过关键字来存取的字典中的元素。列表和元组是有序的对象结合，字典是无序的对象集合。字典是一种映射类型（mappingtype），它是一个无序的“关键字:值”对集合。关键字必须使用不可变类型，也就是说列表和包含可变类型的元组不能做索引关键字。在同一个字典中，关键字还必须互不相同。例如：>>>dict={'name':'brenden','code':410012,'dept':'sales'}4．集合集合（set）是一个无序且包含不重复元素的数据类型。基本功能是进行成员关系测试和消除重复元素。可以使用大括号或者set()函数创建集合类型，注意：创建一个空集合必须用set()而不是{}，因为{}是用来创建一个空字典。>>>student={'Tom','Jim','Mary','Tom','Jack','Rose'}Python的标准库包含很多模块，每个模块中定义了很多有用的函数，这些函数称为系统函数。例如，数学库模块（math）提供了很多数学运算函数，复数模块（cmath）提供了用于复数运算的函数，随机数模块（random）提供了用来生成随机数的函数，时间（time）和日历（calendar）模块提供了能处理日期和时间的函数。1.5常用系统函数在调用系统函数之前，先要使用import语句导入相应的模块，格式如下：import模块名还有一种导入模块的方法，格式如下：from模块名import函数名如果希望导入模块中的所有函数定义，则函数名用“*”。格式如下：from模块名import*1.5.1常用模块函数1．math模块函数math模块主要处理数学相关的运算。2．cmath模块函数cmath模块函数跟math模块函数基本一致，包括圆周率、自然对数的底，还有复数的幂指数、对数函数、平方根函数、三角函数等。cmath模块函数名和math模块函数名一样，只是math模块对实数运算进行支持，cmath模块对复数运算进行支持。3．random模块函数1）随机数种子2）随机挑选和排序3）生成随机数4．time模块函数例如，time()函数返回当前时间的时间戳。5．calendar模块函数日历（calendar）模块提供与日历相关的功能。在默认情况下，日历把星期一作为一周的第一天，星期日为最后一天。要改变这种设置，可以调用setfirstweekday()函数。1.5.2常用内置函数Python内置函数包含在模块builtins中，该模块在启动Python解释器时自动装入内存，而其他的模块函数都要等使用import语句导入时才会装入内存。内置函数随着Python解释器的运行而创建，在程序中可以随时调用这些函数。前面用到的print()函数、type()、id()函数都是常见的内置函数。1．range()函数range()函数的调用格式是：range([start,]end[,step])range()函数产生的数字序列从start开始，默认是从0开始；序列到end结束，但不包含end；如果指定了可选的步长step，则序列按步长增加，默认为1。例如：>>>range(2)#产生可迭代对象range(0,2)2．数值运算函数Python有些内置函数用于数值运算。abs(x)：返回x的绝对值，结果保持x的类型。x为复数时返回复数的模。pow(x,y[,z])：省略z时，返回x的y次幂，结果保持x或y的类型。如果使用了参数z，其结果是x的y次方再对z求余数。round(x[,n])：用于对浮点数进行四舍五入运算，返回值为浮点数。它有一个可选的小数位数参数。divmod(x,y)：把除法和取余运算结合起来,返回一个包含商和余数的元组。3．Python系统的帮助信息查看Python帮助信息可以使用内置函数dir()和help()。dir()函数的调用方法很简单，只需把想要查询的对象加到括号中就可以了，它返回一个列表，其中包含要查询对象的所有属性和方法。查看某个对象的帮助信息可以用help()函数。1.6.1算术运算1．算术运算符与算术表达式Python的算术运算符有：+（加）、-（减）、*（乘）、/（除）、//（整除）、%（求余）、**（乘方）1.6基本运算/、//和%运算符都是做除法运算，其中“/”运算符做一般意义上的除法，其运算结果是一个浮点数，即使被除数和除数都是整型，也返回一个浮点数；“//”运算符做除法运算后返回商的整数部分。如果分子或者分母是浮点型，它返回的值将会是浮点类型；“%”运算符做除法运算后返回余数。“**”运算符实现乘方运算，其优先级高于乘除运算，乘除运算优先级高于加减运算。Python表达式书写练习：2．浮点数的计算误差Python中能表示浮点数的有效数字是有限的，而在实际应用中数据的有效位数并无限制，这种矛盾，势必带来计算时的微小误差。对浮点数判断是否相等要慎用“==”运算符，恰当的办法是判断它们是否“约等于”，只要在允许的误差范围内，这种判断仍是有意义的。所谓“约等于”是指两个浮点数非常接近，即它们的差足够小（具体误差可以根据实际情况进行调整）。3．数据类型的转换常用的类型转换函数如下。int(x)将x转换为整型。float(x)将x为转换浮点型。complex(x)将x转换为复数，其中复数的实部为x和虚部为0。complex(x,y)将x和y转换成一个复数，其中实部为x和虚部y。1.6.2位运算1．按位与运算按位与运算符是&，按位运算规则为：0&0=0，0&1=0，1&0=0，1&1=12．按位或运算按位或运算符是|，按位运算规则为：0|0=0，0|1=1，1|0=1，1|1=13．按位异或运算按位异或运算符是^，按位运算规则为：0^0=0，0^1=1，1^0=1，1^1=04．按位取反运算按位取反运算符是~，按位运算规则为：~0=1，~1=05．左移运算左移运算符是<<。例如：>>>3<<2126．右移运算右移运算符是>>。移动对象为正数时，高位补0。为负数时，高位补1。例如：>>>-3>>2-1第2章顺序结构程序设计概述Python程序的书写规则赋值语句数据输入/输出顺序结构程序举例2.1.1程序设计的基本步骤分析问题，确定数学模型或方法设计算法，画出流程图选择编程工具，按算法编写程序调试程序，分析输出结果2.1程序设计概述2.1.2算法及其描述1.算法的概念计算机解决问题的方法和步骤，就是计算机解题的算法。例2-1求例2-2输入20个数，要求找出其中最大的数。2.算法的描述1）用传统流程图描述算法例2-3用传统流程图来描述例2-1和例2-2的算法。用传统流程图描述的算法分别如图2-1和图2-2所示。用传统流程图描述例2-1的算法

用传统流程图描述例2-2的算法2）用结构化流程图描述算法（1）程序的三种基本结构：顺序结构、选择结构和循环结构。

顺序结构选择结构

（a）当型循环结构

（b）直到型循环结构三种基本程序结构具有如下共同特点：只有一个入口。只有一个出口。结构中无死语句，即结构内的每一部分都有机会被执行。结构中无死循环，即循环在满足一定条件后能正常结束。（2）结构化流程图（N-S图）：以三种基本结构作为构成算法的基本元素，每一种基本结构用一个矩形框来表示，而且取消了流程线，各基本结构之间保持顺序执行关系。

顺序结构的N-S图

选择结构的N-S图

（a）当型循环结构

b）直到型循环结构例用N-S图描述例2-1和例2-2的算法。

用N-S图描述例2-1的算法用N-S图描述例2-2的算法2.2.1初识Python程序例输入三个变量的值，然后按小到大顺序输出。x=int(input('inputx:'))#输入x的值y=int(input('inputy:'))#输入y的值z=int(input('inputz:'))#输入z的值ifx>y:#如果x>y，则x和y的值互换x,y=y,xifx>z:#如果x>z，则x和z的值互换x,z=z,xify>z:#如果y>z，则y和z的值互换y,z=z,yprint(x,y,z)2.2Python程序的书写规则例已知f(x,y)=x2+y2，输入x，y的值，求出对应的函数值。程序如下：deff(x,y):returnx**2+y**2print("f(3,4)=",f(3,4))第一个语句定义了一个函数，然后调用该函数。前面的f(x,y)函数可以定义成lambda函数的形式。f=lambdax,y:x**2+y**2print("f(3,4)=",f(3,4))例输出Fibonacci数列前50项之和。程序如下：a,b=0,1s=0foriinrange(50):#i从0变化到49s+=ba,b=b,a+bprint("s=",s)程序段一：foriinrange(0,50):s+=ba,b=b,a+b2.2.2Python语句缩进规则Python通过语句缩进对齐反映语句之间的逻辑关系，从而区分不同的语句块。就一个语句块来讲，需要保持一致的缩进量。程序段二：foriinrange(0,50):s+=ba,b=b,a+b两种缩进方式可用流程图直观表示。（a）（b）两种缩进方式的比较2.2.3Python语句行与注释1．语句行在Python中，语句行从解释器提示符后的第一列开始，前面不能有任何空格，否则会产生语法错误。每个语句行以回车符结束。可以在同一行中使用多条语句，语句之间使用分号分隔。如果语句行太长，可以使用反斜杠将一行语句分为多行显示。如果在语句中包含小括号、中括号或大括号，则不需要使用多行续行符。2．注释注释对程序的执行没有任何影响，目的是对程序作解释说明，以增强程序的可读性。程序中的单行注释采用#开头，注释可以从任意位置开始，可以在语句行末尾，也可以独立成行。对于多行注释，一般推荐使用多个#开头的多行注释，也可采用三引号（实际上是用三引号括起来的一个多行字符串，起到注释的作用）。注意，注释行是不能使用反斜杠续行的。2.3赋值语句Python的赋值和一般的高级语言的赋值有很大的不同，它是数据对象的一个引用。2.3.1赋值语句的一般格式一个变量通过赋值可以指向不同类型的对象。赋值语句的一般格式为：变量=表达式赋值号左边必须是变量，右边则是表达式。赋值的意义是先计算表达式的值，然后使该变量指向该数据对象，该变量可以理解为该数据对象的别名。Python是动态类型语言，也就是说不需要预先定义变量类型，变量的类型和值在赋值那一刻被初始化。例如：>>>x=67.2>>>x="ABCD"Python中的赋值并不是直接将一个值赋给一个变量，而是通过引用传递的。在赋值时，不管这个对象是新创建的还是一个已经存在的，都是建立变量对该数据对象的引用（并不是值）。2.3.2复合赋值语句Python还提供了12种复合赋值运算符：+=、-=、*=、/=、//=、%=、**=、<<=、>>=、&=、|=、^=其中，前7种是常用的算术运算，后5种是关于位运算的复合赋值运算符。例如：x+=5.0x*=u+v分别等价于“x=x+5.0”和“x=x*(u+v)”。2.3.3多变量赋值1．链式赋值链式赋值语句的一般形式为：变量1=变量2=……=变量n=表达式例如：>>>a=b=10赋值语句执行时，创建一个值为10的整型对象，将对象的同一个引用赋值给a和b，即a和b均指向数据对象10。2．同步赋值同步赋值的一般形式为：变量1,变量2,……,变量n=表达式1,表达式2,……,表达式n其中赋值号左边变量的个数与右边表达式的个数要一致。同步赋值首先计算右边n个表达式的值，然后同时将表达式的值赋值给左边的n个变量，这并非等同于简单地将多个单一赋值语句进行组合。例如：>>>a,b,c=10,20,302.4.1标准输入/输出1．标准输入Python用内置函数input()实现标准输入，其调用格式为：input([提示字符串])其中，中括号中的“提示字符串”