Python 数据分析与科学计算 课件 第5章 函数与模块

Python数据分析与科学计算第5章函数与模块

5.1函数概述

5.2函数的定义与调用5.3函数的参数及返回值5.4函数的嵌套调用和递归调用5.5匿名函数5.6变量的作用域5.7模块5.8函数应用举例

函数是一组实现某一特定功能的语句集合，是可以重复调用、功能相对独立完整的程序段。5.1函数概述用户自定义函数1）

从用户的使用角度函数分类标准库函数（标准函数）2）

从参数传递的角度有参函数无参函数5.2函数的定义与调用def

函数名（[形式参数表]）:函数体

[return表达式]采用def关键字定义函数，不需要指定返回值的类型；函数的参数不限，不需要指定参数类型；参数括号后面的冒号“:”必不可少；函数体相对于def关键字必须保持一定的空格缩进；return语句是可选的；允许定义函数体为空的函数。函数定义时要注意1.函数定义一般形式：函数名（[实际参数表]）2.函数的调用说明实参可以是常量、变量、表达式、函数等，但在进行函数调用时必须有确定的值。对于无参函数，调用时实参表列为空，但()不能省。5.2函数的定义与调用【例5.3】编写函数，求3个数中的最大值。5.2函数的定义与调用程序代码：defgetMax(a,b,c):ifa>b:max=aelse:max=bif(c>m):max=creturnmaxa,b,c=eval(input("inputa,b,c:"))n=getMax(a,b,c)print("max=",n)运行结果：inputa,b,c:10,43,23max=43形式参数：定义函数时函数名后面括号中的变量名实际参数：调用函数时函数名后面括号中对应的参数5.3函数的参数和函数的返回值1.形式参数和实际参数根据实参传递给形参值的不同，通常有值传递和地址传递两种方式。值传递方式

所谓值传递方式是指在函数调用时，为形参分配存储单元，并将实参的值复制到形参；函数调用结束，形参所占内存单元被释放，值消失。其特点是：形参和实参各占不同的内存单元，函数中对形参值的改变不会改变实参的值。这就是函数参数的单向传递规则。5.3函数的参数和函数的返回值【例5.4】

函数参数的值传递方式。程序代码：defswap(a,b):a,b=b,aprint("a=",a,"b=",b)

x,y=eval(input("inputx,y:"))swap(x,y)print("x=",x,"y=",y)运行结果：inputx,y:3,5a=5b=3x=3y=55.3函数的参数和函数的返回值图5.1函数参数值传递方式5.3函数的参数和函数的返回值地址传递方式

所谓地址传递方式是指在函数调用时，将实参数据的存储地址作为参数传递给形参。其特点是：形参和实参占用同样的内存单元，函数中对形参值的改变也会改变实参的值。【例5.5】

函数参数的地址传递方式。程序代码：defswap(a_list):a_list[0],a_list[1]=a_list[1],a_list[0]print("a_list[0]=",a_list[0],"a_list[1]=",a_list[1])

x_list=[3,5]swap(x_list)print("x_list[0]=",x_list[0],"x_list[1]=",x_list[1])运行结果：a_list[0]=5a_list[1]=3x_list[0]=5x_list[1]=35.3函数的参数和函数的返回值2.默认值参数默认值参数机制，可以为函数的参数提供默认值。定义带有默认值参数额函数一般形式为：def函数名(非默认参数，参数名=默认值，…):

函数体

函数定义时，形式参数中非默认参数和默认参数可以并存，但非默认参数之前不能有默认参数。5.3函数的参数和函数的返回值2.默认值参数可以使用函数__defaults__查看函数所有默认值参数的当前值。例如：defmul(x,y=2,z=3):return(x*y*z)

使用__defaults__查看mul函数的默认值参数，语句为：>>>mul.__defaults__(2,3)可以看到该函数调用返回值为元组(2,3)。对mul函数的调用：mul(5)30mul(2,4)24mul(2,4,6)485.3函数的参数和函数的返回值在定义含有默认参数的函数时，需要注意：

所有位置参数必须出现在默认参数前，包括函数调用。默认参数的值只在定义时被设置计算一次。如果函数修改了对象，默认值就被修改了。【例5.6】

默认参数应用举例。程序代码：deffunc(x,n=2):f=1foriinrange(n):f*=xreturnf

print(func(5))#函数调用时n传入默认参数print(func(5,3))#函数调用时x和n均传入非默认参数运行结果：251255.3函数的参数和函数的返回值【例5.7】可变默认参数。【例5.8】

不可变默认参数。程序代码：deffunc(x,a_list=[]):a_list.append(x)returna_list

print(func(1))print(func(2))print(func(3))运行结果：[1][1,2][1,2,3]程序代码：deffunc(x,a_list=None):ifa_list==None:a_list=[]a_list.append(x)returna_list

print(func(1))print(func(2))print(func(3))运行结果：[1][2][3]5.3函数的参数和函数的返回值3.位置参数和关键字参数位置参数deffunc(a,b):c=a**breturnc在函数调用时，实参默认采用按照位置顺序传递给形参的方式。关键字参数指定参数：键=值【例5.9】使用关键字参数应用举例。程序代码：deffunc(a,b):c=a**breturnc

print(func(a=2,b=3))print(func(b=3,a=2))运行结果：[1][1,2][1,2,3]

一个函数可能在调用时需要使用比定义时更多的参数，这就需要使用可变长参数。使用方法是在变量名前加星号*或**。4.可变长参数5.3函数的参数和函数的返回值程序代码：deffunc(*para_t):print("可变长参数数量为:")print(len(para_t))print("参数依次为:")

forxinrange(len(para_t)):print(para_t[x]);#访问可变长参数内容

func('a') #使用单个参数func(1,2,3,4) #使用多个参数运行结果：可变长参数数量为:1参数依次为:a可变长参数数量为:4参数依次为:1234元组【例5.10】以元组作为可变长参数实例。【例5.12】调用函数使不指定可变长参数。【例5.13】使用不同形式的可变长参数实例。5.3函数的参数和函数的返回值程序代码：deffunc(*para_a):sum=0forxinpara_a:sum+=xreturnsum

print(func())运行结果：0程序代码：func(para,*para_a,**para_b):print("para:",para)forvalueinpara_a:print("otherpara:",value)forkeyinpara_b:print("dictpara:{0}:{1}".format(key,para_b[key]))

func(1,'a',True,name='Tom',age=12)运行结果：para:1otherpara:aotherpara:Truedictpara:name:Tomdictpara:age:12【例5.14】可变长参数与默认参数、位置参数同时使用。5.3函数的参数和函数的返回值程序代码：deffunc(x,*para,y=1):#默认参数要放到最后

print(x)print(para)print(y)

func(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,y=100)运行结果：1(2,3,4,5,6,7,8,9,10)1005.函数的返回值

指函数被调用、执行完后，返回给主调函数的值。函数的返回语句一般形式

return表达式功能：

使程序控制从被调用函数返回到调用函数中，同时把返回值带给调用函数defadd(a,b):c=a+b

x=add(3,20)print(x)说明

函数内可有多条返回语句。如果没有return语句，会自动返回NONE；如果有return语句，但是return后面没有表达式也返回NONE。5.3函数的参数和函数的返回值【例5.15】编写函数，判断一个数是否是素数。5.3函数的参数和函数的返回值程序代码：defisprime(n):foriinrange(2,n):if(n%i==0):return0return1m=int(input("请输入一个整数:"))flag=isprime(m)if(flag==1):print("%d是素数"%m)else:print("%d不是素数"%m)运行结果：请输入一个整数:3535不是素数再次运行程序结果如下：请输入一个整数:55是素数【例5.16】求一个数列中的最大值和最小值。5.3函数的参数和函数的返回值程序代码：defgetMaxMin(x):max=x[0]min=x[0]foriinrange(0,len(x)):ifmax<x[i]:max=x[i]ifmin>x[i]:min=x[i]return(max,min)a_list=[-1,28,-15,5,10]#测试数据为列表类型x,y=getMaxMin(a_list)print("a_list=",a_list)print("最大元素=",x,"最小元素=",y)string="Hello"#测试数据为字符串x,y=getMaxMin(string)print("string=",string)print("最大元素=",x,"最小元素=",y)运行结果：a_list=[-1,28,-15,5,10]最大元素=28最小元素=-15string=Hello最大元素=o最小元素=H5.4函数的嵌套调用和递归调用

在函数的执行过程中又直接或间接地调用该函数本身，这就是函数的递归调用，Python中允许递归调用。在函数中直接调用函数本身称为直接递归调用。在函数中调用其他函数，其他函数又调用原函数，称为间接递归调用。函数的递归调用如图5.3所示。图5.3函数的递归调用【例5.17】用递归方法求n！递推归纳：递归终止：5.4函数的嵌套调用和递归调用程序代码：deffac(n):ifn==0:f=1else:f=fac(n-1)*n;returnfn=int(input("pleaseinputn:"))f=fac(n)print("%d!=%d"%(n,f))运行结果：pleaseinputn:44!=2402十二月2024【例5.18】汉诺塔问题。

假设有三个塔座，分别用A、B、C表示，在一个塔座（设为A塔）上有64个盘片，盘片大小不等，按大盘在下，小盘在上的顺序叠放着，如图5.5所示。现要借助于B塔，将这些盘片移到C塔去，要求在移动的过程中，每个塔座上的盘片始终保持大盘在下，小盘在上的叠放方式，每次只能移动一个盘片。编程实现移动盘片的过程。5.4函数的嵌套调用和递归调用图5.5汉诺（Hanoi）塔问题

假设要将n个盘片按规定从A塔移至C塔，移动步骤可分为以下3步完成。（1）把A塔上的n-1个盘片借助C塔移动到B塔。（2）把第n个盘片从A塔移至C塔。（3）把B塔上的n-1个盘片借助A塔移至C塔。

算法用函数hanoi

(n,x,y,z)以递归算法实现，hanoi()

函数的形参为n、x、y、z，分别存储盘片数、源塔、借用塔和目的塔。调用函数每调用一次，可以使盘片数减1，当递归调用盘片数为1时结束递归。算法描述如下。如果n等于1，则将这一个盘片从x塔移至z塔，否则有：（1）递归调用hanoi

(n-1,x,z,y)，将n-1个盘片从x塔借助z塔移动到y塔。（2）将n号盘片从x塔移至z塔。（3）递归调用hanoi(n-1,y,x,z)，将n-1个盘片从y塔借助x塔移动到z塔。5.4函数的嵌套调用和递归调用程序代码：count=0defhanoi(n,x,y,z):globalcountifn==1:count+=1move(count,x,z)else:hanoi(n-1,x,z,y);count+=1move(count,x,z)hanoi(n-1,y,x,z);defmove(n,x,y):print("step%d:Movediskform%cto%c"%(count,x,y))m=int(input("Inputthenumberofdisks:"))print("Thestepstomoving%ddisks:"%m)hanoi(m,'A','B','C')运行结果：Inputthenumberofdisks:3Thestepstomoving3disks:step1:MovediskformAtoCstep2:MovediskformAtoBstep3:MovediskformCtoBstep4:MovediskformAtoCstep5:MovediskformBtoAstep6:MovediskformBtoCstep7:MovediskformAtoC5.4函数的嵌套调用和递归调用图5.6n=3时函数的递归调用过程5.5匿名函数通过lambda关键字来定义的函数称为匿名函数。定义格式如下：lambda[参数1[,参数2,参数3,…,参数n]]:表达式表达式相当于匿名函数的返回值，但只能由一个表达式组成，不能有其他的复杂结构。例如有以下定义：lambdax,y:x+y该函数有两个参数，分别是x、y。lambda函数是一个函数对象，可将该函数直接赋值给一个变量，这个变量就成了一个函数对象，也就是将函数与变量捆绑到一起了，函数对象名可以作为函数直接调用。例如：f=lambdax,y:x+yprint(f(2,3))

5.5匿名函数【例5.19】求正方形的面积。分析：分别使用匿名函数和普通函数求面积。#普通函数defsquare(x):returnx*x#匿名函数lambda_square=lambdax:x*x#函数调用print(square(10))print(lambda_square(10))【例5.20】匿名函数的多种使用形式。5.5匿名函数程序代码：#无参数lambda_a=lambda:"Computer"print(lambda_a())

#一个参数lambda_b=lambdan:n*1001print(lambda_b(5))

#多个参数lambda_c=lambdaa,b,c,d:a+b+c+dprint(lambda_c(1,2,3,4))#嵌套条件分支lambda_d=lambdax,y:xifx>yelseyprint(lambda_d(3,5))#作为函数参数deffunc1(a,b,func):print('a=',a)print('b=',b)print('a*b=',func(a,b))

func1(3,5,lambdaa,b:a*b)#作为函数的返回值deffunc2(a,b):returnlambdac:a*b*creturn_func=func2(2,4)print(return_func(6))运行结果：Computer5005105a=3b=5a*b=15485.6变量的作用域当程序中有多个函数时，定义的每个变量只能在一定的范围内访问，称之为变量的作用域。按作用域划分，将变量分为局部变量和全局变量。1.局部变量

在一个函数内或者语句块内定义的变量称为局部变量。局部变量的作用域仅限于定义它的函数体或语句块中。deffun1(a):x=a+10……deffun2(a,b):x,y=a,b……5.6变量的作用域【例5.21】局部变量应用。程序代码：deffun(x):print("x=",x)x=20print("changedlocalx=",x)x=30fun(30)print("mainx=",x)运行结果：x=30changedlocalx=20mainx=302.全局变量在所有函数之外定义的变量称为全局变量，它可以在多个函数中被引用。x=30deffunc():globalxprint('x的值是',x)x=20print('全局变量x改为',x)func()print('x的值是',x)5.6变量的作用域5.6变量的作用域【例5.22】全局变量应用。程序代码：x=30deffunc():globalxprint('x的值是',x)x=20print('全局变量x改为',x)func()print('x的值是',x)运行结果：x的值是30全局变量x改为20x的值是20 5.7模块

将一些常用的功能单独放置到一个文件中，方便其他文件来调用，这些文件即为模块。标准库模块是Python自带的函数模块。文本处理文件处理操作系统功能网络通信网络协议

从用户的角度看，模块也分为标准库模块和用户自定义模块。标准库模块1.定义模块用户建立一个模块就是建立扩展名为.py的Python程序。defprinter(x):print(x)将以上程序代码保存成.py程序，例如module.py用户自定义模块5.7模块导入模块就是给出一个访问模块提供的函数、对象和类的方法。（1）引入模块import模块（2）引入模块中的函数

from模块名import函数名（3）引入模块中的所有函数from模块名import*2.导入模块5.7模块5.8函数应用举例【例5.24】采取插入排序法将10个数据从小到大进行排序。程序代码：definsert_sort(array):foriinrange(1,len(array)):ifarray[i-1]>array[i]:temp=array[i]#当前需要排序的元素暂存到temp中

index=i#用来记录排序元素需要插入的位置

whileindex>0andarray[index-1]>temp:array[index]=array[index-1]#把已经排序好的元素后移一位，留下需要插入的位置

index-=1array[index]=temp#把需要排序的元素，插入到指定位置b=input("请输入一组数据：")array=[]foriinb.split(','):array.append(int(i))print("排序前的数据：")print(array)insert_sort(array)#调用insert_sort()函数print("排序后的数据：")print(array)运行结果：请输入一组数据：100,43,65,101,54,65,4,2017,123,55排序前的数据：[100,43,65,101,54,65,4,2017,123,55]排序后的数据：[4,43,54,55,65,65,100,101,123,2017]【例5.25】用递归的方法求xn。递推归纳：递归终止：xn→xn-1→xn-2→…→x2→x1当n=0时，x0=15.8函数应用举例程序代码：defxn(x,n):ifn==0:f=1else:f=x*xn(x,n-1)returnfx,n=eval(input("pleaseinputxandn"))ifn<0:n=-ny=xn(x,n)y=1/yelse:y=xn(x,n)print(y)运行结果：pleaseinputxandn:3,5243再次运行程序结果如下：pleaseinputxandn:3,-50.00411522633744856【例5.26】计算从公元1年1月1日到y年m月d日的天数（含两端）。例如:从公元1年1月1日到1年2月