《Python程序設(shè)計(jì)與算法基礎(chǔ)教程》課件（含思政案例） Ch01 Python程序設(shè)計(jì)導(dǎo)論

Python程序設(shè)計(jì)與算法基礎(chǔ)教程(第3版)

目錄（1）2第1章Python程序設(shè)計(jì)導(dǎo)論第2章Python語言基礎(chǔ)第3章程序流程控制第4章常用內(nèi)置數(shù)據(jù)類型第5章組合數(shù)據(jù)類型第6章輸入、輸出和文件第7章錯(cuò)誤和異常處理第8章函數(shù)和函數(shù)式編程第9章面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)第10章模塊和模塊化程序設(shè)計(jì)目錄（2）3第11章數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法基礎(chǔ)第12章圖形用戶界面第13章圖形繪制和數(shù)據(jù)可視化第14章數(shù)值日期和時(shí)間處理第15章字符串和文本處理第16章數(shù)據(jù)庫訪問第17章網(wǎng)絡(luò)編程和通信第18章

并行計(jì)算：線程、進(jìn)程和協(xié)程第19章系統(tǒng)管理附錄APython計(jì)算生態(tài)（電子資源）第1章Python程序設(shè)計(jì)導(dǎo)論本章要點(diǎn)：1.1程序設(shè)計(jì)語言1.2Python語言概述1.3Python語言版本和開發(fā)環(huán)境1.4使用Python解釋器解釋執(zhí)行Python程序1.5使用文本編輯器和命令行編寫和執(zhí)行Python源文件程序1.6使用集成開發(fā)環(huán)境IDLE編寫和執(zhí)行Python源文件程序1.7程序的打包和發(fā)布1.8在線幫助和相關(guān)資源1.1程序設(shè)計(jì)語言計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成物理計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備統(tǒng)稱為硬件計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序稱為軟件軟件一般分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類計(jì)算機(jī)程序指定計(jì)算機(jī)完成任務(wù)所需的一系列步驟編程語言，又稱為程序設(shè)計(jì)語言，是一組用來定義計(jì)算機(jī)程序的語法規(guī)則。每一種語言都有一套獨(dú)特的關(guān)鍵字和程序指令語法編程語言編程語言分為低級(jí)語言和高級(jí)語言兩類低級(jí)語言與特定的機(jī)器有關(guān)高級(jí)語言獨(dú)立于機(jī)器機(jī)器語言和匯編語言屬于低級(jí)語言機(jī)器語言是第一代程序設(shè)計(jì)語言，使用二進(jìn)制代碼編寫程序，可讀性差，但能夠直接被計(jì)算機(jī)識(shí)別和執(zhí)行匯編語言是第二代程序設(shè)計(jì)語言，使用簡單的助記符來表示指令高級(jí)語言是獨(dú)立于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的語言，其最大特點(diǎn)是類似自然語言的形式描述對(duì)問題的處理過程C、C++、C#、Java和Python按范式對(duì)編程語言分類面向過程的編程語言FORTRAN、COBOL、Basic、Ada、Pascal、C面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Java、C#、C++、Smalltalk、VisualBasic函數(shù)式編程語言Lisp、Scheme、Haskell、F#邏輯式編程語言：PrologPython程序設(shè)計(jì)語言屬于多范式編程語言計(jì)算思維和程序設(shè)計(jì)方法人類在認(rèn)識(shí)世界和改造世界過程中形成了以下三種基本的思維邏輯思維：以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表實(shí)驗(yàn)思維：以實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證為特征，以物理學(xué)科為代表計(jì)算思維：以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation）程序設(shè)計(jì)方法屬于計(jì)算思維的范疇，常見的程序設(shè)計(jì)方法主要包括兩種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)通常采用自頂向下（Top-Down）、逐步求精（StepwiseRefinement）的程序設(shè)計(jì)方法自頂向下程序設(shè)計(jì)的基本思想問題分解、算法實(shí)現(xiàn)、組合程序采用自頂向下方法設(shè)計(jì)的程序，一般通過自底向上（Bottom-Up）的方法來實(shí)現(xiàn)先實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行和測試每一個(gè)基本函數(shù)，再測試由基本函數(shù)組成的整體函數(shù)，這樣有助于定位錯(cuò)誤程序的編寫和執(zhí)行用文本編輯器編寫和編輯程序Notepad、Vim、Emacs、Sublime等專用的IDE開發(fā)環(huán)境，例如IDLE、Spyder、VisualStudioCode等使用文本編輯器編寫一個(gè)程序后，將文件保存到磁盤上，包含程序代碼的文件稱之為源文件（sourcefile）將源文件轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言有以下兩種轉(zhuǎn)換方法編譯：編譯器（Compiler）將源代碼翻譯成目標(biāo)語言解釋：解釋器（Interpreter）直接解釋執(zhí)行高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言根據(jù)執(zhí)行機(jī)制分類高級(jí)編程語言靜態(tài)語言和腳本語言兩類采用編譯方式執(zhí)行的語言屬于靜態(tài)語言，例如C、C++、C#、Java等優(yōu)點(diǎn)在于：編譯后的目標(biāo)代碼可以直接運(yùn)行；編譯所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼執(zhí)行速度通常更快采用解釋方式執(zhí)行的語言屬于腳本語言，例如JavaScript、PHP、Python等優(yōu)點(diǎn)在于：源代碼可以在任何操作系統(tǒng)上的解釋器中運(yùn)行，可移植性好；解釋執(zhí)行需要保留源代碼，因此程序糾錯(cuò)和維護(hù)十分方便1.2Python語言概述英音/?pa?θ?n/，美音/?pa?θɑ?n/是一種解釋型、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言是一個(gè)開源語言，擁有大量的庫，可以高效地開發(fā)各種應(yīng)用程序Python語言的特點(diǎn)簡單、高級(jí)、面向?qū)ο?、可擴(kuò)展性、免費(fèi)開源、可移植性、豐富的庫、可嵌入性Python語言的應(yīng)用范圍操作系統(tǒng)管理、科學(xué)計(jì)算、Web應(yīng)用、圖形用戶界面（GUI）開發(fā)、其他（游戲開發(fā)等）1.3Python語言版本和開發(fā)環(huán)境2個(gè)主要版本：Python2和Python3Python3在設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮向下兼容Python語言的實(shí)現(xiàn)：Python解釋器常用的Python實(shí)現(xiàn)：Cpython、Jython、IronPython、PyPyPython語言的集成開發(fā)環(huán)境IDLE（內(nèi)置）、Spyder、PyCharm、Eclipse+Pydev插件、VisualStudio+PythonToolsforVisualStudio、PythonWin下載和安裝Python本書基于Windows10和

Python3.10

構(gòu)建Python開發(fā)平臺(tái)【例1.1】下載Python安裝程序/downloads/windows/單擊超鏈接Windowsinstaller(64-bit)，以下載目前最新版本Python3.10（64位）的安裝程序python-3.10.1-amd64.exe【例1.2】安裝Python應(yīng)用程序（1）雙擊下載的Windows格式安裝文件python-3.10.1-amd64.exe（2）在定制Python對(duì)話框窗口中，注意需要選中“Addpython3.10toPATH”復(fù)選框（3）單擊InstallNow超鏈接，安裝Python程序安裝和管理Python擴(kuò)展包Python3.4以后的版本包含pip和setuptools庫pip用于安裝管理Python擴(kuò)展包setuptools用于發(fā)布Python包pip的典型應(yīng)用是從PyPI（PythonPackageIndex）上安裝Python第三方包【例1.3】更新pip和setuptools包在Windows命令提示符窗口中，輸入命令行命令“pipinstall–Upipsetuptools”，更新pip和setuptools包【例1.4】安裝NumPy包在Windows命令提示符窗口中，輸入命令行命令“pipinstallNumPy”，安裝NumPy包【例1.5】安裝Matplotlib包在Windows命令提示符窗口中，輸入命令行命令“pipinstallMatplotlib”，安裝Matplotlib包1.4使用Python解釋器解釋執(zhí)行Python程序（1）Python的默認(rèn)安裝路徑為…AppData\Local\Programs\Python\Python310\，包括Python解釋器python.exePython庫目錄和其它文件【例1.6】運(yùn)行Python解釋器“開始”|“所有應(yīng)用”|Python3.10|Python3.10(64-bit)【例1.7】輸出Helloworld!Python解釋器的提示符為：>>>>>>print('Hello,world!')使用Python解釋器解釋執(zhí)行Python程序（2）【例1.8】使用Python解釋器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算>>>11+22+33+44+55#輸出：165>>>(1+0.01)**365>>>

(1-0.01)**365【例1.9】使用解釋器環(huán)境中特殊變量：_>>>11+22#輸出：33>>>_#輸出：33>>>_+33#輸出：66【例1.10】同時(shí)運(yùn)行多個(gè)表達(dá)式：同時(shí)運(yùn)行多個(gè)以逗號(hào)分隔的表達(dá)式，返回結(jié)果為元組>>>2,2**10#輸出：(2,1024)【例1.11】關(guān)閉Python解釋器Ctrl+Z及回車鍵；或者輸入quit()命令；或者直接關(guān)閉命令行窗口運(yùn)行Python集成開發(fā)環(huán)境IDLE（1）【例1.12】運(yùn)行Python內(nèi)置集成開發(fā)環(huán)境IDLE“開始”|“所有應(yīng)用”|Python3.10|IDLE(Python3.1064-bit)【例1.13】使用集成開發(fā)環(huán)境IDLE解釋執(zhí)行Python語句>>>print('Good!'*5)Good!Good!Good!Good!Good!運(yùn)行Python集成開發(fā)環(huán)境IDLE（2）【例1.14】使用IDLE執(zhí)行多行代碼打印0到9范圍的數(shù)字，分隔符為空格>>>forxinrange(10):print(x,end='')【例1.15】關(guān)閉IDLE輸入quit()命令；或者直接關(guān)閉IDLE窗口，均可以關(guān)閉Python解釋器1.5使用文本編輯器和命令行編寫和執(zhí)行Python源文件程序(1)將Python程序編寫成文本文件（.py）編寫Python源代碼文件程序、并通過Python編譯器/解釋器的執(zhí)行程序的流程使用文本編輯器和命令行編寫和執(zhí)行Python源文件程序(2)【例1.16】使用文本編輯器（記事本）編寫Helloworld程序在記事本中，輸入程序源代碼。文件另存為hello.py注意，“保存類型”選擇“所有文件”，“編碼”選擇UTF-8Helloworld程序（hello.py）源代碼分析第1行為注釋。以符號(hào)#開始，到行尾結(jié)束第2行調(diào)用內(nèi)置庫的函數(shù)print，輸出：Hello,World！使用文本編輯器和命令行編寫和執(zhí)行【例1.17】使用Windows命令提示符窗口運(yùn)行hello.py（1）執(zhí)行

“開始”|“所有應(yīng)用”|“Windows系統(tǒng)”|“命令提示符”，打開Windows命令提示符窗口（2）輸入命令行命令“pythonc:\pythonpa\ch01\hello.py”，按回車鍵執(zhí)行程序（3）輸入命令行命令“c:\pythonpa\ch01\hello.py”，按回車鍵執(zhí)行程序（4）輸入“cdc:\pythonpa\ch01”，輸入命令行命令“pythonhello.py”，按回車鍵執(zhí)行程序（5）切換到工作目錄“c:\pythonpa\ch01”，然后輸入命令行命令“hello.py”，按回車鍵執(zhí)行程序使用文本編輯器和命令行編寫和執(zhí)行【例1.18】使用資源管理器運(yùn)行hello1.py（1）程序hello1.py的內(nèi)容如下：importrandom#導(dǎo)入庫模塊print("Hello,World")#輸出：Hello,Worldprint("你今天的幸運(yùn)隨機(jī)數(shù)是：",random.choice(range(10)))#輸出從0到9之間隨機(jī)選擇的數(shù)input()#等待用戶輸入（2）在資源管理器中，雙擊c:\pythonpa\ch01目錄下的hello1.py文件，執(zhí)行hello1.py源程序（3）程序hello1.py中每一行代碼的含義如下： 第1行代碼導(dǎo)入庫模塊random。Python可以導(dǎo)入和使用功能豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫或擴(kuò)展庫。 第2行代碼調(diào)用內(nèi)置庫函數(shù)print()輸出“Hello,World”。 第3行代碼使用random庫中的choice函數(shù)，在0~9范圍中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)并輸出。 第4行代碼調(diào)用內(nèi)置庫函數(shù)input()。用戶按Enter鍵，程序結(jié)束運(yùn)行使用文本編輯器和命令行編寫和執(zhí)行【例1.19】命令行參數(shù)示例（hello_argv.py）hello_argv.py的內(nèi)容如下：importsysprint('Hello,'+sys.argv[1])程序運(yùn)行結(jié)果：1.6使用集成開發(fā)環(huán)境IDLE編寫和執(zhí)行Python源文件程序【例1.20】使用IDLE編寫求解2的1024次方的程序(bigint.py)（1）“開始”|“所有應(yīng)用”|Python3.10|IDLE(Python3.1064-bit)，打開內(nèi)置集成開發(fā)環(huán)境IDLE（2）執(zhí)行IDLE菜單命令File|NewFile（或者按快捷鍵Ctrl+N），新建Python源代碼文件（3）在Python源代碼編輯器中輸入程序源代碼：print("2的1024次方：",2**1024)（4）執(zhí)行IDLE菜單命令File|Save（或者按快捷鍵Ctrl+S），保存文件為bigint.py。（5）執(zhí)行IDLE菜單命令Run|RunModule（或者按快捷鍵F5），輸出程序運(yùn)行結(jié)果【例1.21】使用IDLE編輯hello1.py程序importrandom#導(dǎo)入庫模塊print("GoodLuck!")#輸出：GoodLuck!print("你今天的幸運(yùn)隨機(jī)數(shù)是：",random.choice(range(10)))#輸出從0到9之間隨機(jī)選擇的數(shù)input()#等待用戶輸入1.7程序的打包和發(fā)布Python程序打包和發(fā)布最常用的是第三方的擴(kuò)展包PyInstaller，它是用于將Python源程序生成直接運(yùn)行的程序【例1.22】安裝PyInstaller包在Windows命令提示符窗口中，輸入命令行命令“pipinstallpyinstaller”，以安裝PyInstaller包使用PyInstaller生成可執(zhí)行程序pyinstaller

選項(xiàng)Python源文件【例1.23】使用PyInstaller生成可執(zhí)行文件（1）打開Windows命令行窗口。在Windows命令提示符窗口中，切換到C:\pythonpa\ch01目錄。（2）生成可執(zhí)行文件。輸入命令行命令“pyinstaller-Fhello1.py”，以生成可執(zhí)行文件。（3）運(yùn)行可執(zhí)行文件。切換到C:\pythonpa\ch01\dist目錄下，輸入“hello1.exe”，按Enter鍵執(zhí)行程序，并觀察運(yùn)行結(jié)果。1.8在線幫助和相關(guān)資源（1）Python交互式幫助系統(tǒng)直接鍵入help()函數(shù)可進(jìn)入交互式幫助系統(tǒng)鍵入help(object)可獲取關(guān)于object對(duì)象的幫助信息【例1.24】使用Python交互式幫助系統(tǒng)示例（1）進(jìn)入交互式幫助系統(tǒng)。在Python解釋器中，鍵入help()，按回車鍵（2）顯示安裝的所有模塊。鍵入modules，然后按回車鍵（3）顯示與random相關(guān)的模塊。鍵入modulesrandom，然后按回車鍵（4）顯示模塊random的幫助信息。鍵入random，然后按回車鍵（5）顯示random模塊random函數(shù)的信息。鍵入random.random，然后按回車鍵（6）退出幫助系統(tǒng)。鍵入quit，然后按回車鍵【例1.25】使用Python內(nèi)置函數(shù)獲取幫助信息（1）查看Python內(nèi)置對(duì)象列表。輸入命令：>>>dir(__builtins__)（2）查看float的信息。輸入命令：>>>float

（3）查看內(nèi)置類float的幫助信息。輸入help(float)命令在線幫助和相關(guān)資源（2）Python文檔：Python語言及標(biāo)準(zhǔn)模塊的詳細(xì)參考信息【例1.26】使用Python文檔（1）打開Python文檔。執(zhí)行Windows菜單命令“開始”|“所有應(yīng)用”|Python3.10|Python3.10Manuals(64-bit)（用戶也可以在IDLE環(huán)境按F1鍵），打開Python文檔（2）瀏覽random模塊幫助信息。在左側(cè)的目錄樹中依次展開，瀏覽random模塊的幫助信息（3）查找有關(guān)math的幫助信息。在左側(cè)單擊“搜索”選項(xiàng)卡，鍵入math，然后按回車鍵，在左側(cè)的目錄樹中雙擊查看有關(guān)math的幫助信息Python官網(wǎng)：

/用戶可以下載各種版本的Python程序或者查看幫助文檔等Python擴(kuò)展庫索引（PyPI）：

/所有人都可以下載第三方庫或上傳自己開發(fā)的庫到PyPI。PyPI推薦使用pip包管理器來下載第三方庫PEPPythonEnhancementProposals（Python增強(qiáng)提案，也譯為Python改進(jìn)建議書）PEP的官網(wǎng)是/dev/peps/PEP通常是對(duì)多方信息進(jìn)行匯總，并經(jīng)過部分核心開發(fā)者的審查和認(rèn)可而最終形成的正式文檔【例1.27】PEP-0008：Python編碼規(guī)范PEP-0008官網(wǎng)地址為/dev/peps/pep-0008/用戶可以了解Python編程規(guī)范【例1.28】PEP-0020：Python之禪PEP-0020官網(wǎng)地址為/dev/peps/pep-0020/用戶可以了解Python編程的指導(dǎo)準(zhǔn)則在Python解釋器中輸入importthis，也可以輸出“TheZenofPython（Python之禪）”的內(nèi)容本章小結(jié)實(shí)驗(yàn)和習(xí)題上機(jī)實(shí)踐完成課本實(shí)例1.1~實(shí)例1.28，熟悉Python編輯、開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境復(fù)習(xí)題單選題填空題思考題案例研究一：安裝和使用其它Python環(huán)境本章案例研究的主要目的是通過Anaconda的安裝和使用，幫助學(xué)生使用其它Python開發(fā)環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究的方法Anaconda官網(wǎng)下載網(wǎng)址為/download/目前最新版本W(wǎng)indows版本的安裝程序Anaconda3-2021.11-Windows-x86_64.exe雙擊Anaconda3-2021.11-Windows-x86_64.exe，安裝Anaconda應(yīng)用程序安裝Anaconda后，就相當(dāng)于安裝了Python、IPython、集成開發(fā)環(huán)境Spyder以及一些常用的科學(xué)計(jì)算包案例研究的解題思路和源代碼等以電子版形式提供，具體請(qǐng)掃描教程中的二維碼案例研究一：使用IPython進(jìn)行交互式科學(xué)計(jì)算【例CS1A.4】IPythonMagic函數(shù)使用示例使用%timeit命令快速測量代碼運(yùn)行時(shí)間In[6]:%timeitsum(range(1000000))使用%run命令運(yùn)行腳本In[7