使用者:Xyy23330121/Python/數字

Python 學習資料 目錄

一、開始

1. 安裝Python
2. 安裝文本編輯器
3. 第一個程序：Hello World

二、變量

1. 命名規則
2. 特殊賦值方法

三、數字 (int float complex)

1. 數學運算
2. 將對象轉化為數字
3. 編寫加法程序
4. 數字精度（選學）
5. 位運算（選學）

四、布爾值 (bool) 與 if 語句

1. if語句
2. 比較運算
3. 布爾運算

五、字符串 (str)

1. 字符串的操作

六、列表 (list) 和 元組 (tuple)

1. 用推導式創建列表/元組
2. 通用序列操作
3. 可變序列操作

七、循環

1. while 語句
2. for 語句

八、字典 (dict)

1. 字典的簡單操作

九、選學：集合 (set)

1. 集合的操作
2. 可變集合的操作

十、更多字符串操作

1. 字符串和編碼 (bytes)
2. 格式化字符串
3. 正則表達式

十一、函數

1. 選學：函數注釋

十二、類

1. 類的私有量與類的繼承
2. 特殊屬性

十三、異常與try語句

1. try 語句
2. 異常類型的屬性和方法

十四、類的方法與Python的計算

1. 類的方法與類實例
2. 類的方法與數學運算
3. 類的方法與其它內置函數
4. 延申閱讀

十五、import語句與模塊

1. 簡單模塊
2. __main__
3. 發布自己的模塊

十六、查漏補缺

1. with 語句
2. match 語句
3. 隨機數

十七、日期與時間

1. 日期與時間內容列表

十八、文件系統

1. 文件處理 (file object)
2. json 格式

十九、更多內容

創建數字對象

Python 具有三種數字對象：整數int、浮點數float和複數complex，其中複數可以被認為是分別表示實部和虛部的兩個浮點數組成的。浮點數可以簡單理解為小數。

可以用以下方式給變量賦值。

a = 1         #整数 1
b = 1.0       #浮点数 1.0
c = 1 + 0j    #复数 1.0+0j

通過type函數，可以查閱變量的類型。比如：

print(type(a),type(b),type(c))

提示

以逗號,為分隔，可以給支持多個參數的函數傳入多個參數。print函數就支持多個參數，它可以同時輸出多個參數的內容，並以空格分隔。
參數按順序傳入，比如print("a","b")和print("b","a")輸出的結果是不同的，即便傳入了排列不同的相同參數。

運行以上代碼的結果為：

<class 'int'> <class 'float'> <class 'complex'>

數學運算

基本計算

一些基本運算符如下：

print(2 + 1, type(2 + 1))   # 加法运算，输出为：3 <class 'int'>
print(2 - 1, type(2 - 1))   # 减法运算，输出为：1 <class 'int'>
print(2 * 1, type(2 * 1))   # 乘法运算，输出为：2 <class 'int'>
print(2 / 1, type(2 / 1))   # 除法运算，输出为：2.0 <class 'float'>
print(2 ** 1, type(2 ** 1)) # 幂运算，输出为：2 <class 'int'>
print(2 // 1, type(2 // 1)) # 带余除法求商，输出为：2 <class 'int'>
print(2 % 1, type(2 % 1))   # 带余除法求余，输出为：0 <class 'int'>
print(divmod(2,1))          # 同时输出带余除法的商和余数

計算結果的類型

Python 在進行計算時，會先將所有數字轉化成可能需要的、最「通用」的類型。浮點數比整數通用，複數比浮點數通用。比如：

1. 當整數和整數進行計算時，結果一般是兩者之間最通用的類型：整數；
2. 當整數和浮點數進行計算時，結果一定是兩者之間最通用的類型：浮點數；
3. 當整數和複數進行計算時，結果一定是兩者之間最通用的類型：複數。

以上內容只有兩個例外，就是：

1. 整數和整數之間的除法一定會返回浮點數。
2. 整數的負整數次冪會返回浮點數。

除法

擴展（選學）

這與許多其他語言不一致。有些程式語言在遇到除數為零時會返回「無窮大」或「NaN」。但和其他語言一樣， Python 的浮點數也提供了無窮大和NaN。

Python 作除法時，除數不能為零。如果輸入：

1 / 0

Python 會報告一個錯誤：

ZeroDivisionError: division by zero

絕對值

abs函數會返回數字的絕對值。對於複數而言，會返回複數的模。

print(abs(-2))   #输出：2
print(abs(2.0))  #输出：2.0
print(abs(3+4j)) #输出：5.0

從上述結果可以看出。對於整數求絕對值，會返回一個整數；對於浮點數或複數求絕對值，會返回一個浮點數。

複數

對於複數，可以單獨取出其實部和虛部。

c = 1 + 2.3j
print(c.real) #c.real会输出c的实部，此例为1.0
print(c.imag) #c.imag会输出c的虚部，此例为2.3

無窮大與NaN（選學）

Python 允許創建無窮大或 NaN 。NaN 是 Not a Number 的簡稱。有些程式語言在遇到除數為零時會返回「無窮大」或「NaN」。但 Python 嚴格限制除數不能為零，所以這兩個數字不能直接用除數為零的表達式生成。

可以用以下方法創建無窮大或 NaN ：

a = float("inf") #创建正无穷。也可以用float("infinity")。
b = float("-inf") #创建负无穷。也可以用float("-infinity")
c = float("nan") #创建NaN。

其中的字符串大小寫不敏感，以正無窮為例，寫成float("InF")或float("iNFinity")等方式也是可以的。

除一般的計算之外。無窮大的運算遵循以下法則：

1. 無窮大和零作乘法，結果為NaN。
2. 正無窮大和負無窮大作加法，結果為NaN。

而NaN無論進行什麼計算，結果均為NaN。

由於複數可以被認為是由兩個浮點數組成的，複數和無窮大以及複數和NaN的計算，計算後得到的實部和虛部兩個浮點數，也都分別滿足以上性質。

特別的，NaN 在比較運算符的表現很奇怪：

inf, nan = float("inf"), float("nan")
res = inf * 0;   print(res, res == nan) #输出：nan False
res = inf - inf; print(res, res == nan) #输出：nan False

帶餘除法

整數的帶餘除法很好理解。浮點數的帶餘除法與整數的帶餘除法類似。

整數帶餘除法

對於整數 $a$ 和正整數 $b$ 。存在唯一的一對整數 $z$ 和 $c$ ，滿足以下算式：

• $a=b\times z+c$
• $0\leq c<b$

我們稱 $z$ 是商， $c$ 是餘數。

浮點數帶餘除法

對於被除數 $a$ 或除數 $b$ 之一為浮點數時而言，以上算式同樣有效，不過需要把 $c$ 也變成浮點數，而把 $z$ 變成用浮點數表示的整數。我們看以下示例：

print(-1.0//0.3 , -1.0%0.3)

其輸出為：

-4.0 0.19999999999999996

即帶餘除法的商為-4，用浮點數表示為-4.0，而餘數為0.2，由於計算精度的問題，輸出為0.19999999999999996。

% 運算除數為負數的情況

Python 的 % 運算，在除數 b 為負數時，設置餘數為負數。此時，算式改為：

• $a=b\times z+c$
• $b<c\leq 0$

math.fmod(x, y)

此函數也會返回一類帶餘除法的餘數。

與 % 運算符不同，math.fmod 返回的餘數、和被除數 x 的符號相同。

在被除數遠小於除數時，這種方法的精度比 % 運算要高。因為：

import math
print(math.fmod(-1e-100,1e100))  #结果为：-1e-100
print(-1e-100 % 1e100)        #结果为：1e100-1e-100，并舍入为：1e100

所以，作浮點數帶餘除法時，更推薦使用 math.fmod 而不是 %。

math.remainder(x, y)

此函數也會返回一類不同的帶餘除法的餘數。

與上述的兩種運算不同，這種方法對商有規定：它會將 round(x/y) 設為商，然後再將 x - round(x/y) * y 設為餘數。

這種帶餘除法，是 IEEE 754 風格的帶餘除法。

賦值運算符

除簡單的計算而言，Python 支持一些簡便寫法。

a = 0
a += 1 #等同于 a = a + 1

其中，+=被稱為是賦值運算符。類似的，其他運算也有賦值運算符。

a = 0
a += 4    #此时a = 4
print(a)
a -= 2    #此时a = 2
print(a)
a *= 12   #此时a = 24
print(a)
a /= 3    #此时a = 8.0
print(a)
a //= 2   #此时a = 4.0
print(a)
a %= 5    #此时a = 4.0
print(a)
a **= 0.5 #此时 a = 2.0
print(a)

math模塊

除以上運算符之外，Python 還提供了一個內置的數學運算模塊。該模塊對浮點數和整數支持一些基本的運算。以下將簡單介紹該模塊當中一些常用的函數和變量。

import math

#取整
a, b = 1.5, -0.5
A, B = math.ceil(a), math.ceil(b)   #math.ceil函数用于向上取整，会返回不小于其中数字的最小整数
print(A,B)                          #输出为：2, 0
A, B = math.floor(a), math.floor(b) #math.floor函数用于向下取整，会返回不大于其中数字的最大整数
print(A,B)                          #输出为：1, -1
A, B = math.tunc(a), math.trunc(b) #math.trunc函数用于向零取整，会去除数字的小数部分
print(A,B)                          #输出为：1, 0

#数学常量
print(math.e)                       #输出为：2.718281...
print(math.pi)                      #输出为：3.141592...

math 模塊還提供了三角函數等多個實用函數。關於 math 模塊中的其他函數和變量，請參閱 Python 文檔，這裡不再列出。在一些情況下，math 模塊中的一些函數，其誤差要比運算符要小。所以當需要高精度計算的時候，請多查閱 math 模塊的文檔，可能能發現精度更高的方法。

類似，還有 cmath 模塊用於處理複數的一些運算，詳情請參閱cmath模塊的Python文檔

用函數創建數字對象

Python 提供了幾種簡單的函數，可以利用已有對象，創建對應的的數字對象。

創建整數對象

提示

在對應Python文檔中，有形如「如果 x 定義了 __int__()」的描述。該部分內容及類似內容的詳細解釋，將在之後的類與Python的運算中講解。

函數int可以將內容轉化為整數。比如：

print(int(1.23))      #结果：1
print(int(-1.23))     #结果：-1
print(int(" 1023")+1) #结果：1024
print(int(1))         #结果：1

int函數可以將浮點數或字符串轉化為整數。如果把字符串轉化為整數，被轉化的字符串主要部分只能包含0至9以及+、-，位於主要部分前後的空格和換行符\n等會被忽略。對於浮點數，該函數輸出的結果為向零取整的結果。

對於已經是整數的內容，int函數會直接輸出其自身。

如果輸入的內容不符合要求，比如輸入了複數或錯誤的字符串，程序會報錯退出。 比如：int("1 23")、int("1-23")和int("1.23")會報錯：

ValueError: invalid literal for int() with base 10

而int(1+0j)會報錯：

TypeError: int() argument must be a string, a bytes-like object or a real number, not 'complex'

創建浮點數對象

float函數可以將內容轉化為浮點數。比如：

print(float(1))         #结果：1.0
print(float("1.23"))    #结果：1.23
print(float("-123e-2")) #结果：-1.23

科學計數法

舉例：1.23e-4的字符串，表示的是科學計數法 $1.23\times 10^{-4}$ 的意思。

float函數可以將整數或字符串轉化為浮點數。如果要轉化字符串，字符串除了可以為表示整數、小數的字符串，也可以是科學計數法表示的浮點數。

還有一些其他形式的字符串可以被float函數轉化。比如上面選學章節提到過的float("inf")。

與int函數相同，位於首尾的空格和換行符會被忽略。而且，如果輸入的內容不符合要求，比如輸入了複數或錯誤的字符串，程序會報錯退出。

創建複數對象

print(complex(1))            #结果：1.0+0.0j
print(complex("1.23"))       #结果：1.23+0.0j
print(complex("-123e-2+1j")) #结果：-1.23+1.0j

轉化為複數的complex函數和轉化為浮點數的float函數是類似的。但是要注意，主要部分不能有空格。比如以下的代碼會報錯：

print(complex("-123e-2 + 1j"))

除上述方法之外，還可以輸入兩個整數或浮點數的參數來生成複數：

print(complex(1, 2))           #结果：1.0+2.0j
print(complex(1.1, 2.1))       #结果：1.1+2.1j

編寫加法程序

input函數

input函數可以在程序運行時輸入字符串內容。比如運行以下代碼：

c = input()
print("输入的内容：",c)

在程序運行時，輸入 aabbcc 並按回車後，程序會輸出：

输入的内容： aabbcc

同時，input函數還可以給出提示。比如：

c = input("请输入内容：")
print("输入的内容：",c)

在程序運行時，會先輸出：

请输入内容：

此時，輸入 aabbcc 並按回車後，程序會輸出：

输入的内容： aabbcc

了解了以上內容後，作為練習，我們可以寫一個運算浮點數加法的程序。

加法程序

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-

a = float(input("请输入第 1 个数字："))
b = float(input("请输入第 2 个数字："))

print("两数字相加的结果为：",a+b)

縮寫

以上程序可以縮寫為：

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-

print("两数字相加的结果为：", float(input("请输入第 1 个数字：")) + float(input("请输入第 2 个数字：")))

整數對象和進制（選學）

整數按不同進制轉化為字符串

整數對象可以按不同進制轉化為字符串對象。比如：

a = 10
print(bin(a))  #二进制，  输出：0b1010
print(oct(a))  #八进制，  输出：0o12
print(hex(a))  #十六进制，输出：0xa

我們也可以通過這樣的方式給整數賦值，比如：

a = 0b11 + 0o10 + 0xa
print(a)  #3 + 8 + 10，输出21

之後在字符串章節，會介紹一些其它地有類似作用的方法。

字符串按不同進制轉化為整數

int函數在轉化字符串時，還可以輸入第二個參數。第二個參數表示進制，我們看以下示例：

a = int("10", 2)   #2 进制，a的值为2
b = int("10", 3)   #3 进制，b的值为3
c = int("10", 8)   #8 进制，c的值为8
d = int("1A", 16)  #16进制，d的值为26
e = int("z",  36)  #36进制，e的值为35
print(a, b, c, d, e)

在這種方法下，可以支持2進制至36進制。在每一位中，0~9的數字可以用0~9表示，而10~35的數字可以用字母a~z表示（不區分大小寫）。這種方法下，不支持前綴的0b、0o和0x。

除此之外，如果向第二個參數輸入0，則會根據字符串前綴的0b、0o和0x來判斷進制，我們看以下示例。

a = int("10", 0)   #没有前缀，输出 10
b = int("0b10", 0) #二进制，  输出 2
c = int("0o10", 0) #八进制，  输出 8
d = int("0x10", 0) #十六进制，输出 16
print(a, b, c, d)

但是要注意，向第二個參數輸入0的時候，輸入十進制數字時，字符串中第一個字符不能為"0"。比如，以下的代碼會報錯：

print(int("10", 0))   #没有前缀，输出 10
print(int("010", 0))  #报错

數字精度（選學）

初學者可以先跳過這一章節。待讀者參與到涉及數字精度的項目時，再進行查閱。

整數範圍

在 Python 中，只要電腦的可用內存足夠大，你就能表示足夠大的整數。這與許多其他語言是不同的。

※ 在 Python 2.x 的版本中並非如此，請注意。

浮點數精度

我們在之前浮點數的帶餘除法中，已經注意到數字精度的問題。應輸出0.2的，由於計算精度的原因，輸出為0.19999999999999996。實際上，還有一個更簡單的數字精度的例子：

print(0.1 + 0.2)  #输出为：0.30000000000000004

造成以上結果的原因，是計算機表示浮點數的方式導致的。計算機會用IEEE 754標準中的雙精度浮點數來表示 Python 中的浮點數，這種方法最多能保留二進制的53位有效數字。

對於一些在二進制中表示為無限循環小數的數字，比如十進制的0.1，在二進制下會表示為：0.0001100110011...，這不可避免地會產生截斷，最終存儲的數值只會是一個近似值。如果這些小誤差通過加法等方式累計，可以導致一些顯著的計算誤差。

縮小或解決誤差

round 函數

一個通用的解決方法是round函數。

round(number, n)函數會將數字按十進制捨入至小數點後n位。比如：

print(round(0.1 + 0.2, 2))  #输出为：0.3

我們可以估計程序所需要的最大精度，或者估計計算產生的最大誤差，來選擇捨入的位數。

選擇精度更高的計算方法

關於列表

具體關於列表，參見之後的章節。

還有一些其他方法可以用於減少這類誤差。比如有兩個函數可以對列表中的元素進行求和。我們通過[0.1] * 10生成由10個0.1組成的列表，然後代入這兩個函數中進行計算：

print(0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.1) #输出：0.9999999999999999
print(sum([0.1] * 10))                                           #输出：1.0
import math
print(math.fsum([0.1] * 10))                                     #输出：1.0

其中，math.fsum函數精度一般更高，但耗時也更長。而sum函數精度較低，但耗時較短。讀者可以根據自身情況進行選擇。

使用整數

對於小數位數確定，且精度也確定的一些計算，比如貨幣的計算，可以使用整數來進行計算。比如，在加法程序中，如果我們要計算1000元+0.01元，可以用字符串的一些方法把"1000"和"0.01"分別處理為100000和1。相加之後為100001，轉化為字符串後，再用字符串的方法加入小數點，輸出"1000.01"。具體方法參見之後的字符串章節。

使用decimal或者fraction

參見本教程第十八章節。建議初學者不要立刻去讀第十八章節的內容。至少是在學習完第十六章節後，再學習第十八章節。

位運算（選學）

位運算只對整數有意義。以下是所有位運算的方式：

a=44			#0010 1100
b=56			#0011 1000

print(a&b)		#按位  与	运算符，若两数在该位都为1，则为1
                #0010 1000 即40
print(a|b)		#按位  或	运算符，在该位有至少一个数字1，则为1
                #0011 1100 即60
print(a^b)		#按位 异或	运算符，若两数在该位不同则为1
                #0001 0100 即20

print(~a)		#按位 取反	运算符，该数0与1互换
                #由于整数表示的原理，这等同于 -a-1

print(a<<2)		#该数左移2位，即与(2**2)相乘
                #1011 0000 即176
print(a>>1)		#该数右移1位，即除以(2**1)并向下取整
                #0001 0110 即22