Lektion 1: Grundläggande Python

Syfte:	Introducera grundläggande element i Python-språket.
Viktiga begrepp:	Tal, strängar, listor, variabler. Datatyper.
Arbetsform:	Arbeta gärna tillsammans med någon men skriv alltid egen kod! Diskutera med varandra!
Uppskattad arbetstid:	Schemalagd handledningstid: 3 timmar. Utöver det räkna med eget arbete med lika många timmar.
Redovisning:	Ingen obligatorisk, men diskutera oklarheter med lärare/labbhandledare.

Komma igång

Vi kommer att använda Thonny som programmeringsmiljö under kursen, men om du är van med en annan miljö är det förståss ok. Nedan går vi igenom hur man installerar Thonny. När man gör det så installeras även Python på din dator automatiskt.

Thonny är ett program som är en utvecklingsmiljö (Integrated Development Environment, IDE), med funktioner avsedda att underlätta vid programmering med Python.

För att installera programvaran (Python och Thonny) på egen dator:
För att installera Python och Thonny för Mac, Linux och Windows gå till https://thonny.org/

Om du har en Cromebook dator så kan du använda en online programmeringsmiljö, rekommenderas reply.it.

Alternativ till Thonny, se i menyn "Litteratur och länkar"

Vid jobb på PC-datorerna i datasalarna på Ångström

Python och Thonny är installerat på institutionens PC-datorer i datorsalarna. Även andra programmeringmiljöer för Python finns på datorerna.

• Logga in med ditt studentkonto lösenord A
• Starta Thonny. Om du inte hittar Thonny sök efter Thonny med Start>Search. Eller alternativt med Windowstangenten + S.
  Tips: För att nästa gång slippa söka efter Thonnny: Högermusklicka på Thonny-ikonen och välj "Pin to taskbar" så skapas en genväg längst ned på skärmen.
• När du önskar avsluta Thonny: Välj i Thonny's övre vänstra hörn: File>Exit
• När du önskar avsluta datorlabben (logga ut från PC-datorn):

Eftersom kursmaterialet finns på kursens hemsida, dvs man följer kursen via en webbläsare är det praktisk att ha ett bokmärke för kursen i det webbläsarprogram man använder: Gå till kurshemsidan: https://www.it.uu.se/edu/course/homepage/prog1/python/ht22_p12/

Att använda Thonny - introduktion (egen dator eller institutionens datorer)

Starta Thonny genom att klicka på dess ikon
                  

Det bör se ut ungefär så här:
          
Man kan använda Python på två sätt:

• Script mode:
  I det övre fönstret som fått namnet untitled skriver man vanligen sekvenser av kommandon (s.k. script eller program). Kommandona kallas även för Python-satser, det är sådant som ingår i språket Python. Olika script (program) sparas i filer. I och med att du just nu inte har skrivit något Pythonprogram så står det untitled i fönstret.
  Resultatet (utskrifter) av ett program visas i det nedre fönstret shell.
• Interactive mode
  Det nedre fönstret kallas shell. Där kan man utföra ett kommando (en Pythonsats) i taget, och få resultatet av detta på nästa rad. Du ser att det står >>> i fönstret. Detta kallas för prompter. Du skriver en Python-sats efter promptern och trycker på Enter eller Return så utförs satsen. Därefter visas promptern igen och du kan skriva nästa Python-sats.
  Man kan säga att Python i interactive mode fungerar som en avancerad räknedosa.

  I denna lektion skall du arbeta i interactive mode, dvs i shell-fönstret. Dvs skriva en Python-sats i taget och få den utförd. Det som händer när du skriver en Python-sats är att den s.k. Python-interpretatorn tolkar det du skrev och utför detta. Om det ej gick gick att tolka skrivs ett felmeddelande. När Python skriver ut promptern är det att tecken på att Python är beredd på nästa kommando.

  Här är en inledning med ett exempel där man gör följande:

  I shell	Förklaring
  >>> x = 4 >>> x 4 >>> y = x * x >>> y 16	En variabel x tilldelas värdet 4 Man skriver ut värdet genom att ange variabelns namn 4 skrivs ut av Python En variabel y tilldelas värdet av x ggr x Man skriver ut värdet genom att ange variabelns namn 16 skrivs ut av Python

  Så här ser det ut i shell-fönstret
  

  Egna övningar i shell-fönstret i Thonny

  Tips 1: När du skriver satser i shell: Det går bra att ta tillbaka, redigera och göra om det man skrivit tidigare med hjälp av pilarna på tangentbordet.
  Tips 2: Gör shell-fönstret större genom att klicka på ramen och dra den uppåt, det övre fönstret blir mindre.

  Aritmetiska uttryck

  Tal skrivs som vanligt (med eller utan decimalpunkt).
  Aritmetiska operatorer: +, -, *, /, //, % och **.

  De fyra första har sin vanliga betydelse.
  Operatorn // står för heltalsdivision d.v.s. eventuella decimaler stryks.
  Operatorn % ger resten vid heltalsdivision.
  Operatorn ** står för upphöjt till.

  Testa detta genom att skriva några beräkningsuttryck. Prova bl.a. följande:

  Prova detta!	Kommentar
  4 + 3*5 - 2*2	Vanlig beräkningsordning d.v.s. * och / före + och -
  4 + 3*(5-2)*2	Kan ändras med parenteser
  4+2+1
  4+2+1.0	Samma värde som ovan men med decimaldel utsatt. Notera decimalpunkt skrivs med punkt, ej komma.
  5/2	Värde med decimaldel
  5//2	Heltalsdivision, ger trunkering 2+0.5, "kastar bort" decimaldelen
  -5//2	Heltalsdivision, är lika med -3+0.5, "kasta bort" decimaldelen
  -(5//2)	Annat resultat än ovan! är lika med -(2+0.5) och "kasta bort" decimaldelen som alltid är positiv
  37%10	Procent-tecknet är rest-operator
  1234567//1000%10	Fjärde siffran från slutet
  1/0
  3e2 + 1e4 + 2.5e-2	3·102 + 1·104 + 2.5·10-2
  3*10**2 + 10**4 + 2.5*10**-2	Samma värde men klumpigare
  0.1*0.1	Antagligen inte alldeles rätt svar. Beror på att flyttal lagras speciellt, se Föreläsning 2 om detta.
  10**1000
  10.**1000
  -1**0.5	Först upphöjt, sedan minus
  (-1)**0.5	Först minus, sedan upphöjt

  Lärdomar

  1. Det finns två typer av tal i Python (liksom i de flesta andra programmeringsspråk): heltal och så kallade flyttal. Heltal skrivs utan och flyttal med decimaldel.
     Man säger att heltal och flyttal är olika datatyper. Namnen på dessa två typer är int respektive float.
  2. Om minst den ena operanden i en operation är av flyttalstyp så blir resultatet av flyttalstyp.
  3. Om båda operanderna är av heltalstyp bli resultatet av heltalstyp förutom för division (/) som alltid ger resultat av flyttalstyp.
  4. Det är viktigt att veta i vilken ordning operationer utförs!
  5. Python har i princip samma prioritetsordning för operatorer som matematik: parenteser har högst prioritet, sedan exponenter (**), därefter multiplikation och division som har samma prioritet. Exempel: 4*2**3 blir 32 medan (4*2)**3 blir 512.
  6. Datorer räknar inte alltid helt rätt! I Python är heltalsräkningen exakt medan räkning med flyttal kan ge avrundningsfel.
  7. Det finns uppenbarligen en begränsning på hur stora flyttal som kan bli. Heltalen verkar inte ha samma begränsning.
  8. Det sista exemplet visar att Python kan hantera komplexa tal. Det kommer vi dock inte utnyttja i denna kurs.

  Övningar

  Använd Python-satser för lösa nedanstående uppgifter!
  1. Hur många sekunder går det på ett år? Svar
     Skriv:

     >>> 365*24*60*60
     

     som ger 31536000
  2. Antag att du tänker mycket långsiktigt och sätter in 1 kr på konto nu och att du får 2 procents årlig ränta. Vad blir kapitalet med ränta på ränta om 2000 år?
     Svar
     Skriv:

     >>> 1.02**2000
     

     som ger 1.586147327603768e+17 kronor.
     

  Variabler och tilldelningar

  En variabel är en namngiven storhet som kan ha ett värde. I Python gäller:

  1. Variabler skapas genom att man ger dem ett värde i en tilldelningssats: variabel = uttryck. I Python har således variabler alltid värden.
  2. Därefter kan variabeln användas i uttryck i stället för värdet.
  3. Variabler kan ges nya värden med nya tilldelningssatser.
  4. Variabelnamn kan innehålla bokstäver, siffror och understrykningstecknet (_). Första tecknet får inte vara en siffra. Python skiljer mellan små och stora bokstäver så att t.ex. page och Page är olika namn!
     

  5. Det är tillåtet att använda nationella bokstäver (t.ex. â, å, å, ö, ç, é, è, ï, ...) men det gör programmen svårlästa och ännu svårare att underhålla så vi avråder från det.

     Variabelnamn som börjar med understrykningstecknet (_) har en speciell betydelse i vissa sammanhang.

  6. I våra små exempel använder vi ofta väldigt korta variabelnamn. När man skriver riktiga program är det viktigt att använda namn som anger vad variabeln används till. Exempel på beskrivande namn: weekday, lines_per_page och number_of_convolutions.

     Observera att etablerad stil i Python är att använda tecknet _ mellan ord inom samma variabelnamn för att öka läsbarheten.

  Prova i tur och ordning:

  Prova!
  i = 2
  x = 4.5
  y = i*x
  y = i*y
  x = i + 2

  Tag reda på variablernas värde genom att skriva namnen ett på varje rad efter promptern.
  Variabeln i har ett värde av heltalstyp och y har ett värde av flyttalstyp medan x först får ett värde av flyttalstyp och sedan ett nytt värde av heltalstyp.

  Man kan få alla variablers värden t.ex. genom att skriva print(i, x, y).

  Prova!
  x = 2
  x += 4
  x
  x *= 2
  x
  x -= 11
  x
  x /= 2
  x

  Uttrycket x += 4 betyder alltså att värdet på x ska ökas med 4 d.v.s. uttrycket är ekvivalent med x = x + 4.

  (Anmärkning: Om du har programmerat i språk som t.ex. C, C++ eller Java så har du kanske använt operatorerna ++ och --. Dessa finns inte i Python! Det är extra lurigt eftersom det inte är säkert att man får någon diagnos om man råkar använda dem. T.ex. är 3 + ++x legalt även i Python men det har en helt annan betydelse! Prova gärna och inse varför det blir som det blir!)

  Matematiska funktioner

  Standardpaketet math innehåller matematiska funktioner. För att få tillgång till dessa används kommandot import math

  Exempel: Beräkna hypotenusan i en rätvinklig triangel

  Prova!
  import math
  k1 = 3
  k2 = 4
  hyp = math.sqrt(k1*k1 + k2*k2)
  hyp

  Exempel på andra funktioner i math är sin, cos, exp och log. De trigonometriska funktionerna använder radianer och log avser den naturliga logaritmen. Andra varianter finns dock.

  Kommandot dir(math) ger en lista på funktioner och konstanter. Prova kommandot help(math) som ger lite mer förklaringar. Antagligen får du meddelandet Squeezed text. Dubbelklicka på detta meddelande så får du se hela texten!

  Ännu mer information finns i den officiella dokumentationen!

  Modulen math innehåller också konstanterna pi och e som alltså skrivs som math.pi och math.e.

  Om man ska använda t.ex. sqrt på många ställen i koden kan man skriva

  from math import sqrt
  varefter man inte ska ange math.-prefixet vid anropen.

  Om man ska använda många olika funktioner så kan man i stället skriva importsatsen så här:

  from math import *

  Då kan man anropa funktionerna direkt utan att skriva math. framför varje anrop. Rekommendationen är dock att explicit tala om vilka funktioner man tänker använda.

  Strängar

  Strängar är en annan inbyggd datatyp med följande egenskaper:
  • En sträng är en följd av noll eller flera tecken (bokstäver, siffror, specialtecken, ...).
  • Strängar ("strängkonstanter") omges av citationstecken (exempel: "Ciao!") eller apostrofer (exempel 'Han sa "Ciao!"'). Strängar omgivna av apostrofer kan innehålla citationstecken och tvärt om.
  • Datatypen för att hantera strängar heter str.
  • En sträng kan inte ändras men en strängvariabel kan naturligtvis tilldelas en annan sträng.
  • Operatorn + används för att sätta ihop (konkatenera) strängar.

  Exempel:

  Prova!	Kommentar
  name = 'Kalle' family_name = 'Andersson' age = '12'
  full_name = name + " " + family_name	Konkatenering
  full_name + " är " + age + " år"

  Sätt age till 12 (d.v.s. talet 12, inte strängen '12') och prova den sista raden igen! (Kom ihåg att du kan ta fram givna kommando med piltangenterna!)

  Det fungerade alltså inte. Problemet är att man inte kan blanda typer hur som helst. Operatorn + är definierad för både strängar och tal men med helt olika funktion. När det operanderna är av olika typer så vet inte Python vad som ska göras. Programmeraren måste med typkonvertering ange hur det ska tolkas.

  f-strängar

  Ett, oftast bättre, alternativ till konkatenering av strängar är att använd s.k. f-strängar som introducerades i Python 3.6.

  En f-sträng inleds med f' eller f" och avslutas som vanliga strängar med ' respektive ".

  För att få samma resultat som i tabellen ovan kan vi skriva som i tabellen nedan:

  Prova!	Kommentar
  name = 'Kalle' family_name = 'Andersson' age = 12	Nu som int
  full_name = f'{name} {family_name}'
  f'{full_name} är {age} år'

  En f-sträng kan alltså innehålla ett variabeln inom {}. När värdet av strängen beräknas ersätts {}-uttrycket av variabelns värde. Det blir är kortare att skriva, enklare att läsa och vi slipper skriva explicita typkonverteringar.

  Innehållet i {}-uttrycket är inte begränsat till att vara variabler utan kan vara generella uttryck som då kommer att beräknas. Exempel:

  f'{x} i kvadrat är {x*x}'

  Listor

  En lista består av ett antal värden. Värdena kan vara av olika typ. En lista kan definieras genom att man räknar upp elementen, kommaseparerat, inom [ ]-parenteser. Man använder även [ ]-parenteserna för att nå enskilda element genom dess index. Första elementet har alltid index 0.

  Uttryck	Värde	Kommentar
  x = 4 n = [2, 3, x, x*x]	[2, 3, 4, 16]	En lista med heltal
  n[0] + n[3]	18	Första plus sista elementet
  n[1] = n[2] + 3 n	[2, 7, 4, 16]	Element kan tilldelas nya värden
  n.append(25) n	[2, 7, 4, 16, 25]	Element kan läggas till på slutet. Observera syntaxen!
  len(n)	5	Funktionen len ger längden av listan
  ['Eva', 'Åke']		Lista med strängar
  ['Eva', 22, 'Åke', 24]		Lista med blandade typer

  Observera hur listor kunde utökas med append! Listor har ett antal metoder varav append är en. Metoder används för att hämta information om eller påverka enskilda objekt. Vi kommer ta upp flera metoder både för listor och andra datatyper längre fram.

  Listor är ett mycket kraftfullt begrepp i Python med stora användningsområden.

  Typkonverteringar

  För att översätta en typ till en annan skriver man typnamnet (int, float, str...) följt av det uttryck som man vill konvertera inom parentes.

  Exempel:

  Uttryck	Värde	Kommentar
  str(12)	'12'	Heltal till sträng
  str(-12.5)	'-12.5'	Flyttal till sträng
  str([1, 2, 3])	'[1, 2, 3]'	Lista till sträng
  list('abc')	['a', 'b', 'c']	Sträng till lista
  int('12')	12	Sträng till heltal
  int(12.8)	12	Flyttal till heltal. Decimaler trunkeras!
  float('12.8')	12.8	Sträng till flyttal

  Funktionen str kan användas på alla typer medan int och float kräver att argumentet går att tolka som ett tal. Uttrycket float('1x42') kommer alltså att ge en felutskrift.

  
  

  Frågor och övningar

  1. Vid omvandling från flyttalstyper till heltalstyper trunkeras värdena d.v.s. decimalerna stryks. Hur kan man göra om man vill att värdet av x rundat till närmaste heltal? Svar
     int(x + 0.5)    (förutsätter att x ≥ 0)
     Det finns också en funktion round som gör detta fast den inte nämnts tidigare.
  2. Vilka datatyper har du sett under denna lektion? Svar
     int för heltal,
     float för flyttal,
     str för strängar och
     list för listor.
  3. Vilka aritmetiska operatorer har du sett under denna lektion? Svar
     +, -, *, /, //, %, **,
+=, -=, *=, /=, %=
  4. Vad är det för skillnad mellan heltals- och flyttalsaritmetik? Svar
     Heltal representeras exakt och heltalsaritmetiken ger exakta resultat.
     Flyttalen kan inte alltid representeras exakt och aritmetiken kan ge avrundningsfel.
  5. Vilka regler gäller det när man blandar heltal och flyttal i samma uttryck? Svar
     Python behandlar varje enskild operation för sig. Om båda operanderna är av heltalstyp så blir resultatet av heltalstyp. Om den ena är av heltalstyp och den andra av flyttalstyp så konverteras först heltalsoperanden till flyttal och resultatet blir ett flyttal.
     Resultatet av /-operatorn är dock alltid ett flyttal.
     Exempel: Uttrycket

        float(1//2 + int(3/2 + 2))
     

     har värdet 3.0
  6. Vad finns i modulen math? Hur används den? Svar
     Ett antal matematiska funktioner som sin, cos, exp, log ....
     För att använda dessa måste modulen importeras.
  7. Vad är en variabel och vilka egenskaper har den? Svar
     En variabel har namn och värde.
     Värdet kan ändras med tilldelningsoperatorn (=).
  8. Vilka typkonverteringar kan ske automatiskt? Svar
     Från int till float
  9. Hur gör man explicita typkonverteringar? Svar
     Genom att använda funktionerna int, float och str.
     Exempel:

       x = int(10*math.sin(z))
       ans = 'Svaret är ' + str(x)
      

  10. Sätt en variabel x till ett heltalsvärde som står för ett antal månader.
      Skriv en rad som skriver ut vad detta blir uttryckt i år och månader. Ignorera skottår!
      Exempel: Om x är satt till 208 så ska utskriften bli 17 år och 4 mån.
      Prova med olika värden på x! Svar

      x = 208
      str(x//12) + ' år och ' + str(x%12) + ' månader'
      

      eller

      print(x//12, ' år och ', x%12, ' månader')
      

      eller, med en f-sträng

      f'{x//12} år och {x%12} månader'
      

  Läs mer om Thonny här 1 och här 2

  ---

  Om du har tid över gå vidare till nästa lektion eller gå tillbaka

  ---