大学基础与计算机 2

第7章

程序设计与问题求解人

格

能

力

责

任

奉

献目录7.1指令与程序7.2程序设计语言的选择与编程环境7.3Python程序设计030201017.1.1指令与指令系统7.1.2程序与程序设计语言7.1指令与程序1.指令系统的构成7.1.1指令与指令系统指令系统是一个计算机能够识别和执行的全部指令的集合，它决定了计算机的计算能力和效率。不同的计算机架构有不同的指令系统，这些指令系统在功能、复杂度、性能等方面都有所不同。指令系统通常包括以下几类指令。（1）数据传送指令。（2）算术运算指令。（3）逻辑运算指令。（4）控制转移指令。（5）输入输出指令。2.Python中的指令体现7.1.1指令与指令系统虽然Python是一种高级语言，远离底层硬件指令，但Python代码中的每个表达式、语句实际上都对应着一系列由Python解释器或编译器转换为机器指令的操作。Python解释器在执行Python代码时，会将其逐行解释成机器指令，然后交给计算机硬件执行。Python中的指令体现可以进一步细分为以下几类。（1）表达式指令（2）语句指令（3）函数调用指令1.程序的定义程序是一系列指令的集合，用于指导计算机完成特定的任务或解决特定的问题。程序可以是简单的，如打印“Hello，World!”到屏幕上，也可以是复杂的，如运行一个完整的操作系统或进行复杂的科学计算。程序通常由高级语言编写，然后通过编译器或解释器转换成计算机能够理解的机器指令。程序的结构通常包括以下几部分。（1）程序头（2）变量声明（3）函数定义（4）主程序7.1.2程序与程序设计语言2.程序设计语言的作用程序设计语言是人类与计算机通信的工具，它提供了一种抽象层，使得程序员能够以更接近自然语言的方式表达算法和逻辑，而无需直接处理复杂的机器指令。好的程序设计语言不仅易于学习和使用，还能提高编程效率，减少错误，并支持开发大型、可维护的软件系统。程序设计语言的作用主要体现在以下几个方面。（1）提高编程效率

（2）减少错误（3）支持大型软件开发（4）适应不同应用场景7.1.2程序与程序设计语言3.Python作为程序设计语言的特点Python作为一种高级语言，具有简洁易读、面向对象、动态类型、广泛的标准库和第三方库以及跨平台性等特点。此外，Python还具有以下一些独特的特点。（1）解释型语言（2）交互式编程（3）自动内存管理（4）强大的社区支持7.1.2程序与程序设计语言027.2程序设计语言的选择与编程环境7.2.1程序设计语言的选择7.2.2

Python编程环境7.2.1程序设计语言的选择（1）广泛的应用领域（2）易于学习和维护（3）强大的社区和生态系统（4）跨平台兼容性（5）高性能和可扩展性1.Python编程环境介绍在Python编程领域，构建一个完备的编程环境是开展高效开发工作的基石，其主要涵盖Python解释器、代码编辑器以及第三方库三个关键组件。（1）Python解释器在Python编程的世界里，Python解释器扮演着至关重要的角色。它就像是一个翻译官，负责把人类用Python语言编写的代码“翻译”成计算机能够理解并执行的机器指令。Python是一种解释型语言，这意味着Python代码在运行时，解释器会逐行读取代码，对每一行代码进行分析和执行。与之相对的是编译型语言，编译型语言在运行前需要先将源代码全部编译成机器码。7.2.2

Python编程环境1.Python编程环境介绍（2）代码编辑器代码编辑器是开发者与代码进行交互的重要工具，它直接影响着开发的效率和体验。一款优秀的代码编辑器应具备代码高亮、智能提示、语法检查、调试功能等特性。VisualStudioCode凭借其轻量级、高度可定制化以及丰富的插件生态系统，成为了众多开发者的热门选择；PyCharm则以其强大的Python集成开发环境（IDE）功能，为专业Python开发者提供了全面而深入的代码编辑、调试和项目管理支持。7.2.2

Python编程环境1.Python编程环境介绍（3）第三方库第三方库是Python生态系统的一大特色，它们极大地扩展了Python的功能边界，使得开发者能够快速实现各种复杂的任务。NumPy库提供了高效的多维数组对象和数学函数，为科学计算和数据分析奠定了基础；Pandas库则专注于数据处理和分析，提供了灵活的数据结构和强大的数据操作工具；Matplotlib库则擅长数据可视化，能够创建各种高质量的图表和图形。通过pip（Python包管理工具），开发者可以方便地安装、更新和管理这些第三方库，从而快速搭建起满足特定需求的开发环境。7.2.2

Python编程环境2.安装Python解释器（3）第三方库第三方库是Python生态系统的一大特色，它们极大地扩展了Python的功能边界，使得开发者能够快速实现各种复杂的任务。NumPy库提供了高效的多维数组对象和数学函数，为科学计算和数据分析奠定了基础；Pandas库则专注于数据处理和分析，提供了灵活的数据结构和强大的数据操作工具；Matplotlib库则擅长数据可视化，能够创建各种高质量的图表和图形。通过pip（Python包管理工具），开发者可以方便地安装、更新和管理这些第三方库，从而快速搭建起满足特定需求的开发环境。7.2.2

Python编程环境（1）下载Python安装包打开Python官方网站：/downloads/。根据操作系统（Windows、MacOS或Linux）选择合适的Python版本进行下载。7.2.2

Python编程环境2.安装Python解释器（2）安装Python（以Windows系统为例）下载完成后，双击下载的.exe安装文件。在安装向导中，勾选“AddPythonx.xtoPATH”选项，这样可以将Python解释器添加到系统环境变量中，方便在命令行中直接使用，以Python3.7.4为例。7.2.2

Python编程环境2.安装Python解释器点击“InstallNow”按钮，开始安装Python。安装完成后会出现安装成功的界面。点击“Close”关闭安装向导，Python解释器安装完成。7.2.2

Python编程环境2.安装Python解释器3.安装集成开发环境PyCharm（1）下载PyCharm①打开浏览器，访问PyCharm的官方网站：/pycharm/。②在页面上可以看到有两个版本可供选择：Community（社区版）和Professional（专业版）。社区版是免费的，适用于大多数Python开发场景；专业版提供了更多高级功能，但需要付费订阅。根据需求选择相应的版本，然后点击“Download”按钮。③选择适合操作系统的安装包进行下载，支持Windows、MacOS和Linux系统。7.2.2

Python编程环境3.安装集成开发环境PyCharm（2）安装PyCharm（以Windows系统为例）①下载完成后，找到下载的安装包文件（通常是一个.exe文件），双击运行它。②在安装向导中，点击“Next”按钮，选择安装路径（建议使用默认路径），然后继续点击“Next”。7.2.2

Python编程环境3.安装集成开发环境PyCharm③选择要创建的快捷方式和关联的文件类型，根据需要进行勾选，然后点击“Next”。7.2.2

Python编程环境3.安装集成开发环境PyCharm④选择开始菜单文件夹，通常使用默认设置即可，点击“Install”开始安装。⑤安装完成后，点击“Finish”关闭安装向导。7.2.2

Python编程环境3.安装集成开发环境PyCharm（3）启动和配置PyCharm①启动PyCharm后，会弹出欢迎界面。你可以选择创建一个新的Python项目，或者打开一个已有的项目。②在创建或打开项目时，需要配置Python解释器。点击“Configure”→“ProjectInterpreter”，选择已经安装的Python解释器，或者点击“Add”按钮添加新的解释器。③配置完成后，就可以开始使用PyCharm进行Python开发了。通过以上步骤，就可以成功安装并开始使用PyCharm进行Python开发。7.2.2

Python编程环境3.安装集成开发环境PyCharm（4）安装第三方库Python的包管理系统pip使得安装和管理第三方库变得非常简单。可以通过命令行使用pip命令安装所需的库。例如，安装NumPy库可以使用以下命令：pipinstallnumpy此外，还可以使用虚拟环境工具（如virtualenv或conda）来创建独立的Python环境，以避免不同项目之间的依赖冲突。7.2.2

Python编程环境037.3Python程序设计7.3.1

Python程序结构7.3.2

Python数据类型及其表示7.3.3

Python运算符与表达式7.3.4

Python数据的输入与输出7.3.5

Python字符换和列表运算7.3.6

Python函数的定义与调用7.3.1Python程序结构Python程序的基本构成单位是语句，这些语句按照逻辑顺序排列，形成程序的结构。Python使用缩进来定义代码块，这是Python语法的一大特色，也是区分于其他语言的重要标志。常见的程序结构包括顺序结构、选择结构和循环结构。（1）顺序结构按照代码从上到下的顺序执行。示例如下。a=5b=10c=a+bprint(c)#输出：157.3.1Python程序结构（2）选择结构通过if、elif、else语句实现条件判断。示例如下。x=10ifx>5:print("x大于5")elifx==5:print("x等于5")else:print("x小于5")7.3.1Python程序结构（3）循环结构使用for循环遍历序列，或使用while循环根据条件重复执行代码块。示例如下。#for循环foriinrange(5):print(i)#while循环count=0whilecount<5:print(count)count+=17.3.2Python数据类型及其表示1.基本数据类型基本数据类型是Python中最基础的数据类型，主要包括以下几种。（1）整数（int）整数是没有小数部分的数字，可以是正数、负数或零。Python支持任意大小的整数，仅受限于计算机的内存。（2）浮点数（float）浮点数是带有小数部分的数字，用于表示实数。Python中的浮点数遵循IEEE754标准。7.3.2Python数据类型及其表示（3）布尔值（bool）

布尔值只有两个取值：“True”和“False”，通常用于逻辑判断。（4）字符串（str）字符串是由字符组成的序列，用于表示文本数据。Python中的字符串可以用单引号、双引号或三引号表示。7.3.2Python数据类型及其表示2.复合数据类型复合数据类型是由基本数据类型组合而成的数据结构，能够存储多个值。以下是Python中常见的复合数据类型。（1）列表（list）

列表是一个有序的可变序列，可以存储任意类型的元素。列表用方括号“[]”表示，元素之间用逗号分隔。（2）元组（tuple）元组是一个有序的不可变序列，用圆括号“（）”表示。元组一旦创建，其元素不可修改。7.3.2Python数据类型及其表示2.复合数据类型（3）集合（set）集合是一个无序且不重复的元素集合，用花括号“{}”表示。集合支持数学上的集合操作，如并集、交集等。（4）字典（dict）字典是一个无序的键值对集合，用花括号“{}”表示。字典中的每个元素由一个键和一个值组成，键和值之间用冒号“:”分隔。7.3.3Python运算符与表达式1.算术运算符算术运算符用于执行基本的数学运算，如加、减、乘、除等。以操作数a=5，b=2为例。示例如下。a=10b=3print(a+b)#输出:13print(a*b)#输出:307.3.3Python运算符与表达式2.比较运算符比较运算符用于比较两个值，并返回布尔值“True”或“False”。示例：x=10y=20print(x==y)#输出:Falseprint(x<y)#输出:Trueprint(x!=y)#输出:True7.3.3Python运算符与表达式3.逻辑运算符逻辑运算符用于组合多个条件，并返回布尔值“True”或“False”。示例：a=Trueb=Falseprint(aandb)#输出:Falseprint(aorb)#输出:Trueprint(nota)#输出:False7.3.3Python运算符与表达式4.赋值运算符赋值运算符用于为变量赋值，还可以结合算术运算符进行复合赋值。示例：x=10x+=5#x=x+5print(x)#输出:15y=4y*=5#y=y*5print(y)#输出:207.3.3Python运算符与表达式5.成员运算符成员运算符用于检查某个值是否存在于序列（如列表、字符串、元组等）中。示例：fruits=["apple","banana","cherry"]print("banana"infruits)#输出:Trueprint("grape"notinfruits)#输出:True7.3.3Python运算符与表达式6.身份运算符身份运算符用于比较两个对象的内存地址，判断它们是否为同一个对象。示例：a=[1,2,3]b=ac=[1,2,3]print(aisb)#输出:Trueprint(aisc)#输出:False7.3.4Python数据的输入与输出1.输出数据到控制台（1）print（）输出函数示例：print("Hello,World!")#输出:Hello,World!print(10+20)#输出:307.3.4Python数据的输入与输出1.输出数据到控制台（2）格式化输出Python支持多种格式化输出的方式，其中包括f-string、format()和%格式化三种方法。f-string：在字符串前加“f”，并使用“{}”嵌入变量或表达式。format()：使用“{}”作为占位符，并通过format()函数填充内容。%格式化：使用“%”占位符。7.3.4Python数据的输入与输出2.从控制台读取输入Python使用input()函数从控制台读取用户输入。input()函数会返回用户输入的字符串。示例：name=input("Enteryourname:")print(f"Hello,{name}!")。7.3.5Python字符串和列表运算1.字符串运算字符串是Python中的不可变序列，支持多种运算，包括拼接、索引、切片、格式化等。（1）字符串索引字符串中的每个字符都有一个索引，可以通过索引访问特定位置的字符。索引从0开始，负数索引表示从字符串末尾开始计数。示例：s="Python"print(s[0])#输出:Pprint(s[-1])#输出:n7.3.5Python字符串和列表运算1.字符串运算（2）字符串切片切片操作用于获取字符串的子串，语法为[start:end:step]。start是起始索引，end是结束索引（不包含），step是步长。示例：s="PythonProgramming"print(s[0:6])#输出:Pythonprint(s[7:])#输出:Programming7.3.5Python字符串和列表运算1.字符串运算（3）字符串常用函数Python提供了丰富的字符串函数，用于处理字符串数据。s="PythonProgramming"print(s.strip())#输出:PythonProgrammingprint(s.lower())#输出:pythonprogramming7.3.5Python字符串和列表运算2.列表运算列表是Python中的可变序列，支持多种运算，包括索引、切片、添加、删除等。（1）列表索引列表中的每个元素都有一个索引，可以通过索引访问特定位置的元素。索引从

0

开始，负数索引表示从列表末尾开始计数。示例：fruits=["apple","banana","cherry"]print(fruits[0])#输出:appleprint(fruits[-1])#输出:cherry7.3.5Python字符串和列表运算2.列表运算（2）列表切片切片操作用于获取列表的子列表，语法为[start:end:step]。示例：numbers=[1,2,3,4,5]print(numbers[1:4])#输出:[2,3,4]7.3.5Python字符串和列表运算2.列表运算（3）列表常用函数Python提供了丰富的列表函数，用于操作列表数据。numbers=[3,1,4,1,5,9]numbers.append(2)#添加元素print(numbers)#输出:[3,1,4,1,5,9,2]7.3.6Python字符串和列表运算1.定义函数在Python中，运用def关键字来定义函数，其语法结构遵循函数名(参数):的形式。函数体部分需严格缩进，以此明确函数的作用范围。同时可借助return语句来返回函数的执行结果。示例：计算圆的面积defcalculate_area(radius):area=3.14159*radius**2returnarea7.3.6Python字符串和列表运算2.调用函数调用函数时，只需在函数名后紧跟一对括号，并在括号内传入函数执行所需的参数。示例：#调用计算圆面积的函数result=calculate_area(5)print(f"半径为5的圆面积是：{result:.2f}")#输出：半径为5的圆面积是：78.547.3.6Python字符串和列表运算2.调用函数参数传递方式有以下几种。​（1）位置参数。按照函数定义时参数的顺序依次传递参数。（2）关键字参数。通过明确指定参数名来传递参数，这种方式不受参数顺序的限制。（3）默认参数。在函数定义阶段为参数设定默认值。当调用函数时，如果未为具有默认值的参数传入新值，函数将自动使用默认值。7.3.6Python字符串和列表运算3.返回值与多值返回函数借助return语句能够返回任意类型的数据。当需要返回多个值时，实际上这些值会被封装成一个元组进行传递。04本章小结与习题本章小结

本章系统讲解了程序设计与问题求解的核心概念与方法，涵盖程序设计语言的选择、编程环境的搭建、Python编程基础、计算思维与问题求解、以及经典算法的设计与实现。通过理论与实践相结合的方式掌握从问题抽象到算法设计的完整流程，并运用这些技能解决实际问题。本章习题一、选择题1.指令的本质是（B）A.一段高级语言代码B.计算机硬件可执行的操作命令C.程序中的注释D.随意编写的字符组合2.下列关于指令系统的说法，错误的是（C）A.不同计算机的指令系统可能不同B.指令系统包含数据传输指令C.指令系统是软件的一部分D.指令系统有算术运算指令3.Python中表示整数的数据类型是（C）A.floatB.strC.intD.bool本章习题4.关于Python程序结构，以下说法正确的是（B

）A.只有顺序结构B.包含分支、循环、顺序结构C.没有循环结构D.分支结构用for实现5.Python中用于字符串拼接的运算符是（A

）A.+B.*C.-D./6.问题抽象过程中，关键是（C）A.保留所有细节B.忽略本质特征C.