NO 3792 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫС ШЕ ГО О Б РАЗОВАНИЯ РФ ФЕД Е РАЛЬНОЕ ГОСУДА РСТВ Е ННО Е А В ТОНОМНО Е ОБРАЗОВАТЕЛ Ь НО Е УЧРЕЖД Е НИ Е В Ы СШ ЕГО ОБРАЗОВАНИ Я « НА ЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДО ВАТЕЛ ЬСКИЙ Т ЕХ Н ОЛ О Г ИЧЕСКИЙ УНИВ Е РСИТЕТ « МИСиС » ИНСТ ИТУТ ИНФО Р МАЦИОННЫХ ТЕХНОЛ ОГИЙ И АВТОМАТ ИЗИРО ВАННЫХ СИСТЕ М УПРАВЛ Е НИЯ Кафедра инженерной кибернетики А.И. Широков М.О. Пышняк ИНФОРМАТИКА Разработка программ на языке программирования Питон. Базовые языковые конструкции Учеб ни к Ре ком е н дов а н о р ед ак ц ион н о - и здате л ь с к им с ове том уни ве рс ите та М осква Ш 64 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. ВА. Пол.яков РГУ нефти и газа (IШУ) им. И.М. Губкина; канд. техн. наук, доц . С.В . Солодов Широков А.И. Ш 64 : разработка про грамм на яз ы ке про: базо вы е яз ы ковы е конструк ции / А. И . Ш ироков, М .О. П ышняк . - М . : Изд . Дом НИТУ «МИСиС,>, 2020. - 142 с . Информатика граммиров ан ия Питон В учебнике рассматрШ!аются основные конструкции языка про граммирования Питон (Руtlюн). ПрШ!одятся многочисленные приме ры, которые позволят современному специалисту овладеть навыками для создания приложений разной направленности . Материал соответствует учебному плану подготовки всех специ альностей института ИТАСУ по разным дисциплинам бакалавриата и магистратуры, в которых применяются методы и средства алгорит мизации: « Нейронные сети~, « Машинное обучение • имногиедРугие. Учебник может быть использован при « Информатика • , раздел « Алгоритмизация изучении дисциплины программирование• студентами ИТАСУ, а также при освоении курса «Информатика• студентами дРугих институтов НИТУ «МИСиС~ (выбирать язык про граммирования). УДRОО4 . 4 © А . И.IПироков, М.О.Пышнлк,2020 - 5 - 907226-76 - О © НИТУ « МИСиС ~ , 2020 Оглавление Предисловие ..................................................................... 4 1. Язык программирования Питон (история, популярность, 2. Среда IDLE и первые действия в режиме интерпретатора ...... 13 2.1. Среда IDLE: название, библиотека Tkinter, начальный экран .......................................................... 13 2.2. Описание команд help, 2.3. Меню IDLE ............................................................ 22 2.4. Первые действия в режиме оболочки ........................ 23 2.5. Динамическое переопределение типа ........................ 28 2.6. Циклы и инструмент range ...................................... 30 2. 7. Условный оператор ................................................. 36 3. Как программы на Питоне общаются с «внешним миром>) ......................................................... 38 3.1. Вывод символьных строк ........................................ 38 3.2. Ввод данных в программу ........................................ 41 3.3. Использование map ................................................ 44 4. Числовые данные в Питоне ............................................ 49 4.1. Целые числа .......................................................... 49 4.2. Вещественные числа ............................................... 54 4.3. Комплексные числа ................................................ 57 5. Две основные алгоритмические конструкции в программировании ........................................................ 61 5.1. Условный оператор (подробнее) ................................ 61 5.2. Циклы for и while ................................................... 70 6. Строковые данные ........................................................ 76 6.1. Основы работы со строками ..................................... 76 6.2. Функции работы со строками ................................... 82 7. Списки - аналог массивов в Питоне ................................ 87 8. Коллекции - множественные типы данных .................... 108 8.1. Кортежи .............................................................. 108 8.2. Словари ............................................................... 114 8.3. Множества ........................................................... 118 9. Функции в Питоне ...................................................... 124 Заключение ................................................................... 139 Библиографический список .............................................. 140 философия, название) ПРЕДИСЛОВИЕ Навыки .являются разработки программ, неотъемлемыми алгоритмическое компетенци.ями мышление современного специ алиста в области информационных технологий. В предлагаемом учебнике рассмотрены все основные синтаксические элементы ал горитмического языка Python: типы данных (как простые, так и структурированные), операторы, правила написания функций. До подготовки материала этой книги авторы познакомились с рядом книг [1-5]. Также были использованы источники из Ин тернета, ссылки на которые даны в тексте. Алгоритмический язык Python (далее будем использовать еще и термин Питон) сегодня .являете.я одним из самых распро страненных языков программирования. Многие авторы отмеча ют, что он хорошо подходит для освоения программирования и алгоритмизации. После изучения материала учебника учащиеся будут знать основные типы данных, способы их использования, а также вла деть стандартными средствами их обработки. Основное внима ние в учебнике уделяете.я конструкциям языка программирова ния Python и умению применять их для реализации алгоритмов обработки как простых, так и комплексных данных. Учебник содержит девять глав, снабжен многочисленными примерами, которые демонстрируют разнообразие применения .языковых конструкций языка Python. 1. ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ ПИТОН (ИСТОРИЯ, ПОПУЛЯРНОСТЬ, ФИЛОСОФИЯ, НАЗВАНИЕ) История развития языков программирования перекликает ся с парадигмами, среди которых первой часто выделяют импе ративную. Она была реализована, прежде всего, в программах, написанных на языках машинных инструкций или Ассембле ре, а в дальнейшем на Foт·tran (Фортране). Сегодня, пожалуй, большая часть используемых языков программирования соот ветствует объектно-ориентированной парадигме. Язык програм мирования Python анонсируется как язык, поддерживающий несколько парадигм (императивную, функциональную, струк турную, объектно-ориентированную). Такими свойствами обла дают несколько языков. В таблице 1.1 (основанной на Википедии и других источни ках) приведены данные о нескольких языках. Некоторые из них являются сегодня такими же популярными, как и Python. Таблица 1.1 Данные о языках программирования Язык программирования Авторы и даты раз- Основная парадигма работки или появле- ния первой версии Процедурный язык программиро- Foгtran 1954-57, Джон Бекус вания, модульный язык программирования, язык с элементами объектно-ориентированного программирования 1958-60, комитет Algol по языку высокого Процедурный язык программиро- уровня при IFIP - вания, императивный язык про- Международной грамм:ирования и структурный язык федерации по обра- ботке информации Basic 1965, Томас Куртц, ДжонКемени Аш>оритмический язык программирования, позже процедурный, позже объектно-ориентированный 1969-1973, Денис Процедурный язык программирова- Ритчи ния Окончание табл.1.1 Язык програм мирования Авторы и даты раз- Основная парадигма работки или появле - ния первой версии Мультипарадигмальный язык про граммирования: Разработка начата объектно-ориентированный язык в конце 1980-х гг. Гвидо ван Россумом. рефлективный язык программиро- Python В феврале 1991 г. вания, опубликован исход - императивный язык программиро - вый текст в группе вания, новостей alt.source функциональный язык программи- (версия 0.9 .0). Вер- рования, сия 1. О вьшущена аспектно - ориентированный язык в 1994 г. динамический язык программирования Объектно - ориентированный язык программирования, мультипарадиг- мальный язык программирования , процедурный язык программирова- с++ 1985, Бьерн Страу- ния, функциональный язык про - струп граммирования, язык обобщенного программирования, язык програм- мирования, free-form language и компилируемый язык программирования Java 1995 Джеймс Гостлинг, Sun Microsystems (в последу- Мультипарадигмальный язык про - ющем приобретен ние и язык программирования граммирования, язык JVM, отраже- Oracle) Мультипарадигмальный язык про граммирования: объектно-ориентированный язык 1998-2001, компания Microsoft под обобщенный язык программирова - руководством Ан- ния, процедурный язык програм - дерса Хейлсберга и мирования, функциональный язык Скотта Вильтаумота программирования, событийный язык программирования, рефлективный язык программиро вания Язык Python разрабатывался с конца 1980-х гг. [6, 7, 8]. Пер вая версия стала доступна позже многих языков вания, представленных в табл. программиро 1.1. Он, естественно, впитывал идеи своих предшественников. После первого сообщения о на чале работы н ад языком до по.я:вления версии, с которой можно было бы работать, прошло несколько лет. Как и другие языки, он постоянно совершенствуете.я:. Подтверждением этому служит тот факт, что на страницах Википедии дл.я: современных вер сий языков програм мирования, приведенных в табл. 1.1, класс не определ.я:етс.я: одним термином (кроме С). Дл.я: Python, как и для ние: других языков справедливо утвержде « Новые версии языка приобретают новые возможности и свойства, соответствующие другим парадигмам программирова ния». Несколько слов о названии языка Python. Вот что об этом говорите.я: на странице Википедии изошло вовсе вида [7]: <•Название языка про пресмыкающихся. Автор назвал язык в честь популярного британского комедийного телешоу 1970-х гг. <,Летающий цирк Монти Пайтона>>. Впрочем, все равно название языка чаще связывают именно со змеей бавим, что Эрик Айдл - это ~британский актер, сценарист, один из комиков группы <<Монти Пайтон» [9]. А теперь приведем основной логотип языка Python (рис. 1.1). Это стилизованное изображение двух змей, хотя, как уже от мечалось ранее, автор языка утверждает, что название Python произошло от телевизионного шоу <<Летающий цирк Монти Пай тона» (англ. Monty Python's Flying Circus). Этот знак получен с официального сайта [10]. ~ python '" Рис. 1.1. Логотип Питон Кратко опишем свойства языка. Язык высокого уровня Python является интерпретируемым в проти воположность языкам компилируемым, которые превосходят первые в быстродействии. Видимо, поэтому есть несколько тех нологий реализации программ на нем. По одной из технологий исходный код преобразуется в специальный байт-код, который является результатом синтаксического и семантического анали за. Байт-код - это промежуточный вид программы , получаемый из исходного кода, но еще не предназначенный для автономного запуска (вне среды разработки). Имеются реализации с предва рительной компиляцией в байт-код MSIL (Microsoft) или Java. Также есть средства, формирующие на основе исходного кода Python исполнимый код, выполняемый вне среды разработки. Часто среди свойств рассматриваемого языка называют его ориентированность повышение производительности разра ботки (не выполнения) и читаемости кода. Несомненным до стоинством этого языка является его многоплатформенность. На странице Википедии приводится такое описание этого факта [6]: <1Python портирован и работает почти на всех известных - от КПК до мейнфреймов. Существуют пор Microsoft Windows, практически все варианты UNIX (включая FreeBSD и Linux), Plan 9, Мае OS и Мае OS Х, iPhone OS 2.0 и выше, Palm OS, OS/ 2, Amiga, HaikuOS, AS/ 400 и даже OS/ 390, Windows Moblle, Symblan uAndroid,,. платформах ты под [7]. Версия с номером Python 1.0 выпущена в январе 1994 г., а последняя - Python 3. 7 - в июне 2018 г. В данном учебнике примеры опробованы на версии Python 3.8.0.la 2019 г. (pre-1·elease). Обзор возможно стей последней версии можно найти на сайте [11]. Имеется более десятка версий языка Нет никаких особенных ограничений на условия распростра нения программ на этом языке, точнее они должны соответство вать специальной лицензии [12]: <>> import t hi s The zen of Python , Ьу Tim Peters Beautiful is better than ugly. Explicit is Ьetter than i.mplicit. Simple is better than complex . complex is Ьetter t han complicated . Flat is better than nested. sparse is Ьetter than dense. ReadaЬility counts . special cases aren•t special enough to Ьreak the rules. Although practicality beats purity. Errors should never pass silently . Unless explicitly silenced. In the f ace of amЬiguity , refuse the temptation to guess . There should Ье one-- and preferaЬly only one --obvious way to do it. Although that way may not Ье obvious at first unless you•re outch. Now is better than never . Although never is often better than *right* now . If the implementation is hard to explain , it's а bad idea . If the implementation is easy to expl ain, it may Ье а good idea . Namespaces are one honking great idea -- let's do more of those! >>> Lл: 25 Со~ 4 Рис. 1.2. ФилософияРуthоп Приведем ее перевод [6]. Красивое лучше, чем уродл ивое. Явное лучше, чем. неявное. Простое лучше, чем. сложное. Сложное лучше, чем. з апутанное. П лоск:ое лучше, чем вложенное.