Brückenkurs Informatik Algorithmik und Programmieren. Justus Piater

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1 Brückenkurs Informatik Algorithmik und Programmieren Justus Piater

2 Organisation Zielgruppe Einsteiger in die Informatik Studierende ohne Programmierkenntnisse Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 1

3 Organisation Teilnahme Die Teilnahme am Kurs ist freiwillig. Gruppenarbeit ist ausdrücklich erwünscht. Helfen Sie anderen Studierenden; das hilft auch Ihnen. Erst wenn Sie die Lösungen erklären können, haben Sie das Problem wirklich verstanden. Stellen Sie Fragen! Melden Sie sich, wenn es zu schnell oder zu langsam geht. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 2

4 Organisation Ablauf Theorieblöcke Praktische Übungen Sie lernen am meisten, wenn Sie selbst programmieren. Auch in Gruppen sollte jeder selbst programmieren! Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 3

5 Organisation Ziele Python kennenlernen Grundlagen der Programmierung Probleme abstrahieren und lösen Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 4

6 Organisation Termine und Ressourcen Termine: LFU:online Kursunterlagen: Kurs-Homepage Dank an Benedikt Hupfauf, auf dessen Vorarbeit dieses Material basiert. Feedback und Fragen bitte an Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 5

7 Theorie 0: Was ist Python?

8 Theorie 0 Was ist Python? Python ist eine Skriptsprache. Python-Programme werden von einem Interpreter ausgeführt. Zwei Versionen sind verbreitet: Python 2: zunehmend obsolet Python 3: neue Features, sauberer durchdacht Wir verwenden Python 3 in diesem Kurs. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 6

9 Theorie 0 Eigenschaften von Python Open Source plattformunabhängige Skriptsprache einfach, verständlich und schnell zu erlernen unterstützt verschiedene Programmier-Paradigmen umfassende Standardbibliothek viele weitere nützliche Bibliotheken Nachfrage nach Python-Programmierern steigt :) Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 7

10 Theorie 0 Verbreitung von Python Source: kdnuggets.com Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 8

11 Theorie 0 Hilfreiche Ressourcen Die Python Dokumentation docs.python.org Online-Kurse: LearnPython Python for you and me The Python Tutorial Bei konkreten Fragen: stackoverflow.com Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 9

12 Theorie I: Datentypen & Variablen

13 Theorie I Datentypen Python stellt Datentypen für die gängigsten Anwendungen (Built-in Types) zur Verfügung: String (Zeichenkette, Text): "This is text!" Integer (Ganzzahlen): 1, 0xFF, 0b100 Float (Gleitkommazahlen): 1.35, 1.56e-5 = Complex (Komplexe Zahlen): 2+3j Bool (Wahr/Falsch): True, False Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 10

14 Theorie I Hello World Python bietet zwei Möglichkeiten, ein Programm auszuführen: Interaktiv (Command Prompt / Shell) Python-Skript Schreiben Sie ihr erstes Hello World Programm! Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 11

15 Theorie I Variablen Literale (wie eben benutzt) repräsentieren sich selbst. Variablen können jederzeit beliebige Werte zugewiesen werden. In Python muss der Typ nicht explizit benannt werden, und kann sich zur Laufzeit ändern. Vom (dynamischen) Typ hängt ab, welche Operationen für diese Variable zulässig sind. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 12

16 Theorie I Variablennamen Gültige Variablennamen sind eine beliebige Kombination aus folgenden Zeichen: a-z, A-Z, 0-9, _ Beachten Sie folgende Sonderfälle: Variablennamen dürfen nicht mit einer Ziffer beginnen. Reservierte Schlüsselwörter: False, None, True, and, as, assert, async, await, break, class, continue, def, del, elif, else, except, finally, for, from, global, if, import, in, is, lambda, nonlocal, not, or, pass, raise, return, try, while, with, yield Variablen sollten selbsterklärende Namen tragen! Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 13

17 Theorie I Ausdrücke und Anweisungen Ein Ausdruck (expression) hat einen Wert; eine Anweisung (statement) hat einen Effekt. Ausdrücke lassen sich z.b. aus Variablen und mathematischen Operatoren erstellen, beispielsweise +, *, <, ==, uvm. Eine Wertzuweisung eines Ausdrucks an eine Variable mittels des Zuweisungsoperators = stellt eine Anweisung dar. Beachten Sie, dass = einer Variable einen Wert zuweist, während == zwei Werte vergleicht, ohne sie zu verändern. 1 >>> x = >>> x = 2 * x 3 >>> print ( x) >>> x == 5 6 False 7 >>> print ( x) 8 6 Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 14

18 Theorie I Präzedenz von Operatoren Die Operatoren-Präzedenz bestimmt, in welcher Reihenfolge die Operatoren eines Ausdrucks angewendet werden. Siehe die Python-Dokumentation für eine vollständige Liste der Operatoren und ihrer Präzedenzen. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 15

19 Einschub Programmieren in einem Editor Bisher haben wir interaktiv direkt im Interpreter gearbeitet, gestartet mit python bzw. python3. In der Praxis werden Sie Programme in einem Editor erstellen. Geben Sie Ihrer Python-Skript-Datei einen Namen, der auf.py endet. Tipp Ein einfacher Terminal-Editor ist nano. Starten Sie ihn mit dem Namen Ihres Skripts als Argument: nano myscript.py Ein einfacher, graphischer Editor mit Python-Syntax-Hervorhebung ist gedit. Emacs kann alles, will aber gelernt sein. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 16

20 Einschub Starten eines Python-Skripts Zwei Varianten, ein Python-Script zu starten: Das Script abspeichern und mit python3 myscript.py starten Das Script mit einem Shebang (Magic Line) beginnen, ausführbar machen und starten Es kann auch eine IDE verwendet werden, aber das wird für Einsteiger nicht empfohlen, da sie Nutzer von für das Verständnis Wichtigem abschirmen. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 17

21 Einschub Starten eines Python Skripts mit Shebang 1 Das Skript mit einem Shebang beginnen: 1 #!/ usr / bin / env python3 2 print (" Hello World!") 2 ausführbar machen: 1 chmod + x myscript. py 3 und starten: 1./ myscript.py Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 18

22 Theorie I Übung: Variablen Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 19

23 Theorie II: Kontrollfluss

24 Theorie II if-anweisung Anweisungen werden sequentiell ausgeführt. Ist das nicht genug, kann der Kontrollfluss gesteuert werden Das if-statement führt einen Code Block nur aus, wenn die Bedingung condition erfüllt ist; kann optimal mit einem else-block ergänzt werden,der ausgeführt wird, wenn die Bedingung nicht erfüllt ist. 1 if condition : 2 # executed if condition true 3 else : 4 # executed if condition false Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 20

25 Theorie II if-anweisung: Beispiel I 1 >>> if a < 0: 2... print ( ' a is negative ' ) 3... print ( ' this line belongs to the same code block ' ) 4 >>> print ( ' this is a new block and is always executed ' ) Im Gegensatz zu den meisten Programmiersprachen ist die Einrückung in Python nicht optional, sondern definiert Codeblöcke. Sie können Code mit <tab> oder mit 2 4 Leerzeichen einrücken, sollten aber bei einer dieser Optionen bleiben. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 21

26 Theorie II if-anweisung: Beispiel II 1 >>> if a < 0: 2... print ( ' a is negative ' ) 3 >>> elif a > 0: 4... print ( ' a is positive ' ) 5 >>> else : 6... print ( ' a must be zero then ' ) Mit dem Schlüsselwort elif lassen sich vielfache Alternativen kompakter und ohne Verschachtelung angeben. Quiz Wie sähe das obige Programmstück ohne Verwendung von elif aus? Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 22

27 Theorie II while-statement Mit dem while-statement wird ein Programmblock wiederholt, solange die Bedingung condition erfüllt ist. Optional kann ein else-block angegeben werden, der einmal ausgeführt wird, sobald die Bedingung nicht mehr erfüllt ist. 1 while condition : 2 # executed as long as condition is true 3 else : 4 # executed once after the condition is false Quiz Wozu dient das else-statement hier dann überhaupt? Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 23

28 Theorie II while-statement: Beispiel 1 >>> i = 0 2 >>> while i < 3: 3... print ( ' i is: ', i) 4... i = i >>> else : 6... print ( ' end ' ) i is: 0 9 i is: 1 10 i is: 2 11 end Achten Sie darauf, dass die Bedingung nicht für immer True ist, da die Schleife sonst endlos ist. Der Codeblock der else-anweisung wird immer genau einmal ausgeführt. Was passiert, wenn die while-anweisung print('i is: ' + str(i)) aufruft? Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 24

29 Theorie II Break and Continue Eine Schleife muss nicht immer bis zum Ende ausgeführt werden. Mit dem Schlüsselwort continue wird der aktuelle Schleifendurchlauf abgebrochen und ggf. der folgende angetreten. Mit dem Schlüsselwort break wird die Schleife sofort beendet; auch das else-statement (falls vorhanden) wird übersprungen. 1 >>> i = 0 2 >>> while i < 1000: 3... i = i if i == 4: break 5... if i == 1: continue 6... print ( ' i is: ', str (i)) 7... else : 8... print ( ' end ' ) i is: 2 11 i is: 3 Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 25

30 Theorie II Übung: Kontrollfluss Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 26

31 Theorie III: Funktionen & Module

32 Theorie III Funktionen Mehrfach verwendete Codeteile können in Funktionen ausgelagert werden. Eine Funktion sollte immer genau einen Zweck erfüllen! Funktionen können, müssen aber keinen Rückgabewert haben (übergeben mittels return-anweisung). Die Parameterliste parameters kann beliebig lang sein, also auch leer. 1 def functionname ( parameters ): 2 # function body Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 27

33 Theorie III Funktionen: Beispiele Die folgenden Minimalbeispiele sollen nur zeigen, wie Funktionen definiert werden können. Eine Funktion umfasst typischerweise mehr als nur eine Zeile Code. 1 >>> def mul (x, y): 2... return x * y >>> mul (2, 3) >>> def printabc (): 2... print ( ' abcdefghijklmnopqrstuvxyz ' ) >>> printabc () 5 abcdefghijklmnopqrstuvxyz Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 28

34 Theorie III Funktionen in Modulen Python bietet eine große Auswahl an Funktionen, die bereits vorimplementiert sind. Funktionen, die zusammen gehören, werden in Module ausgelagert, etwa das Modul math, in dem Sie zahlreiche Funktionen aus der Mathematik finden. Werden Funktionen aus einem Modul benötigt, muss dieses explizit importiert werden. 1 >>> import math 2 >>> math. sin (45) >>> from math import sin 5 >>> sin ( 45) Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 29

35 Theorie III Optionale Argumente Sie können Argumente optional machen, indem Sie den zugehörigen Parameter mit einem Default-Wert versehen: 1 >>> def show ( text = " Coole Show "): 2... print ( text ) >>> show () 5 Coole Show 6 >>> show (" Langweilig!") 7 Langweilig! Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 30

36 Theorie III Übung: Funktionen Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 31

37 Theorie IV: Datenstrukturen

38 Theorie IV Datenstrukturen Bisher: Einzelne Variablen und Konstanten Datenstrukturen erlauben es, große Datenmengen zusammenzufassen und zu verarbeiten. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 32

39 Theorie IV Listen Die einfachste Datenstruktur in Python ist die Liste. Eine Liste ist eine geordnete, endliche Sammlung von Elementen beliebiger Datentypen. Achtung: geordnet heißt nicht zwangsläufig sortiert! 1 >>> list = [2,3,1,2] 2 >>> list 3 [2, 3, 1, 2] Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 33

40 Theorie IV Kontrollfluss Mit einem for-statement kann ein Programmblock für jedes Element einer Sequenz sequence ausgeführt werden. Diese sequence kann eine Liste, ein Tupel, eine Map... sein. 1 for variable in sequence : 2 # executed once for each element in sequence 3 else : 4 # executed once at the end Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 34

41 Theorie IV Kontrollfluss: Beispiel Mit dieser Schleife wird jedes Element der Liste [1,2,3] einmal ausgegeben. Sie können statt der Variable i auch jeden anderen gültigen Bezeichner verwenden. 1 >>> for i in [1,2,3]: 2... print (i) 3... else : 4... print ( ' end ' ) end Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 35

42 Theorie IV range() Zum Iterieren über eine Folge ganzer Zahlen verwendet man typischerweise die Funktion range(), die einen sehr effizienten Iterator zur Verfügung stellt: 1 >>> for i in range (3) : 2... print (i) >>> for i in range (1, 3): 8... print (i) Hinweis Es ist i.d.r. besser, über Elemente zu iterieren, als über Indizes. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 36

43 Theorie IV Zugriff auf Elemente in Listen Eine Liste kann Elemente verschiedener Datentypen beinhalten: 1 >>> for i in [ ' a ', 2.3, 5]: 2... print (i) a Einzelne Elemente oder Sublisten können auch referenziert werden: 1 >>> list = [1,2,3] 2 >>> list [2] >>> list [1] >>> list [0:2] 7 [1, 2] Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 37

44 Theorie IV Listenfunktionen I append() hängt ein neues Element an die Liste an. + verkettet Listen. 1 >>> list_a = [ ' a ', ' b ', ' c ' ] 2 >>> list_b = [ ' x ', ' y ', ' z ' ] 3 >>> list_a. append ( ' d ' ) 4 >>> list_ a 5 [ ' a ', ' b ', ' c ', ' d ' ] 6 >>> print ( list_a + list_b ) 7 [ ' a ', ' b ', ' c ', ' x ', ' y ', ' z ' ] Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 38

45 Theorie IV Listenfunktionen II *n wiederholt eine Liste n mal. in prüft, ob ein Element in einer Liste enthalten ist. len(list) gibt die Länge der Liste zurück. 1 >>> list_b * 3 2 [ ' x ', ' y ', ' z ', ' x ', ' y ', ' z ', ' x ', ' y ', ' z ' ] 3 >>> 2 in [1, 2, 3] 4 True 5 >>> len ( list_a ) 6 3 Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 39

46 Theorie IV Tupel Ein Tupel ähnelt einer Liste. Tupel sind jedoch konstant; einmal erstellt, können sie nicht mehr verändert werden. Bereits aus der Mathematik bekannt sind z.b. kartesische Koordinaten: (x,z) Die meisten Funktionen für Listen können auch auf Tupel angewendet werden. 1 >>> tuple = (3,7) 2 >>> x, y = tuple 3 >>> x >>> tuple [1] >>> tuple * 3 8 (3, 7, 3, 7, 3, 7) 9 >>> tuple + (17, 6, 90) 10 (3, 7, 17, 6, 90) 11 >>> 3 in tuple 12 True Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 40

47 Theorie IV Map Eine Map (auch Dictionary) ist eine Sammlung von Schlüssel/Wert-Paaren. Einem eindeutigen Schlüssel wird dabei ein Wert zugewiesen (der nicht eindeutig sein muss). Maps haben keine Ordnung. 1 >>> price = { ' car ' :30000, ' computer ' :2000, ' shoes ' :70, ' cheap_mobile ' :70} 2 >>> price [ ' shoes ' ] >>> price. values () 5 [30000, 2000, 70, 70] 6 >>> price. keys () 7 [ ' car ', ' computer ', ' shoes ', ' cheap_mobile ' ] 8 >>> len ( price ) >>> ' car ' not in price 11 False Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 41

48 Theorie IV Referenzkopie und tiefe Kopie Möchten Sie eine Datenstruktur kopieren, ist eine einfache Zuweisung nicht genug! Im unten angeführten Beispiel kopiert list_b nur eine Referenz, d.h. zwei Listen greifen auf denselben Speicherbereich zu. Änderungen in einer der beiden Listen sind in der anderen unmittelbar sichtbar. 1 >>> list_a = [1, 2, 3] 2 >>> list_b = list_a 3 >>> list_c = list ( list_a ) 4 >>> list_a [1] = 5 5 >>> list_b 6 [1, 5, 3] 7 >>> list_c 8 [1, 2, 3] Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 42

49 Theorie IV Kommandozeilen-Parameter Sie können einem Skript Kommandozeilen-Parameter übergeben. Diese finden sich dann im Skript in der Liste sys.argv wieder: 1 #!/ usr / bin / env python3 2 import sys 3 4 for arg in sys. argv : 5 print ( arg ) Tipp Zum Verwaltung nicht-trivialer Kommandozeilen-Parameter und -Optionen verwenden Sie argparse aus der Python-Standardbibliothek. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 43

50 Theorie IV Übung: Datenstrukturen Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 44

51 Theorie IV Zeichenketten Strings (Zeichenketten) werden in Python zwischen einfachen oder doppelten Hochkommata eingeschlossen. Zwischen beiden Varianten gibt es keinen Unterschied. Bei einfachen Hochkommata darf das doppelte Hochkomma im String enthalten sein, und umgekehrt. Viele Funktionen, die bei Listen besprochen wurden, können auch auf Strings angewendet werden: for, +, *, n,... 1 >>> text = ' a ' + "b" + "c" 2 >>> for c in text : 3... print (c) a 6 b 7 c 8 >>> " abc " * 3 9 ' abcabcabc ' 10 >>> " test " in " this is a texttext!" 11 True Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 45

52 Theorie IV Escape-Sequenzen Bestimmten Zeichen kann mittels vorangestelltem \ eine besondere Bedeutung verliehen werden (\n bedeutet new line) eine vorhandene solche genommen werden (\' beendet nicht eine Zeichenkette, die mit ' beginnt): 1 >>> ' a hard day \ ' s work ' 2 "a hard day ' s work " 3 >>> print (" Zeile endet hier \ nneue Zeile ") 4 Zeile endet hier 5 Neue Zeile Mehr dazu in der Python-Dokumentation. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 46

53 Theorie IV Funktionen für Zeichenketten Die Funktionen int() und float() wandeln ihr String-Argument in einen Wert des entsprechenden Typs um: 1 >>> int ("27") >>> float (" 2.7 ") Umfangreiche Funktionen für Strings sind im Modul string zusammengefasst. Mehr dazu in der Python-Dokumentation. Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 47

54 Theorie IV Übung: Strings Brückenkurs Informatik: Algorithmik und Programmieren 48