Python程序设计及人工智能应用 课件 01 程序设计基础知识

第一章程序设计基础知识程序设计语言01算法及算法描述Python语言Python开发工具介绍020304程序设计语言概述

程序设计语言，也称为编程语言或计算机程序，是按照程序设计语言规则组织起来的一组计算机指令，能够使计算机自动进行各种运算处理，是计算机理解和识别用户操作意图的一种交互体系。

从计算机诞生到现在，程序设计语言发展经历了机器语言、汇编语言到高级程序设计语言。01程序设计语言01程序设计语言机器语言

是由二进制0、1代码指令构成，不同的CPU具有不同的指令系统。机器语言程序难编写、难修改、难维护，需要用户直接对存储空间进行分配，编程效率极低，这种语言已经被渐渐淘汰。汇编语言

是机器指令的符号化，与机器指令存在着直接的对应关系。汇编语言同样存在着难学难用、容易出错、维护困难等缺点。汇编语言可直接访问系统接口，翻译成机器语言，效率较高。高级程序设计语言

是面向用户的、基本上独立于计算机种类和结构的语言。其形式上接近于算术语言和自然语言，高级语言易学易用，通用性强，应用广泛。常见的有Java、C、C++、PHP、Delphi、PASCAL、Python等。01程序设计语言1.机器语言机器语言是计算机能直接识别和执行的语言，完全由二进制数（0和1）组成，是与硬件强绑定的“原生语言”。本质：CPU指令集的二进制编码，无任何可读性，不同架构的CPU（如x86、ARM）机器码完全不同。与特定CPU架构（如x86、ARM）紧密相关，缺乏通用性。示例:x86Assembly(2+3)1011000000000010;加载数值2到寄存器AL0000010000000011;将AL中的值与3相加1011001000000101;存储结果(5)到内存地址01程序设计语言2.汇编语言汇编语言是机器语言的“符号化”版本，用易记的英文缩写（助记符）代替二进制指令，同时用符号地址代替内存地址。本质：机器语言的“翻译版”，与机器码一一对应，仍依赖硬件架构，但可读性大幅提升。示例:x86Assembly(2+3)MOVAL,2;

把2放到寄存器AL（MOV是“移动”的助记符）ADD

AL,3;把AL中的值加3（ADD是“加法”的助记符）MOV[0x05],AL;把AL中的结果存到内存地址0x05处01程序设计语言3.高级语言高级语言接近人类自然语言和数学逻辑，独立于具体硬件，是程序员最常用的语言（如Python、Java、C）。本质：与硬件解耦，专注于逻辑表达，需通过“编译器/解释器”翻译成机器码才能执行。示例:(2+3)Python#计算2+3并存储结果result=2+3print(result)#输出501程序设计语言4.对比01程序设计语言5.总结高级程序设计语言分类和解释

按照不同的计算机执行机制，高级程序设计语言可分成静态语言和脚本语言两类。

采用编译执行的编程语言是静态语言，如C语言、Java语言

采用解释执行的编程语言是脚本语言，如JavaScript语言、PHP、python语言。01程序设计语言01程序设计语言

编译程序也称为编译器，它将源程序翻译成目标语言程序，然后在计算机上运行目标程序。如右图展示了程序的编译和执行过程，编译器将源代码转换成目标代码，计算机可以运行目标代码接收输入，产生输出。解释程序也称为解释器，它或者直接解释执行源程序，或者将源程序翻译成某种中间代码后再加以执行。

Python由荷兰数学和计算机科学研究学会的GuidovanRossum于1990年代初设计，是一种解释型、面向对象、动态数据类型的高级程序设计语言，遵循GeneralPublicLicense开源协议。

Python是一种解释型语言，具有简单明确的语法结构，高效的数据结构和有效的面向对象编程，已成为多数平台上脚本和快速开发应用的编程语言。01程序设计语言GuidovanRossum吉多・范罗苏姆1956年1月31日出生于荷兰哈勒姆一个程序应包括两个方面的内容:对数据的描述：数据结构(datastructure)对操作的描述：算法(algorithm)著名计算机科学家沃思提出一个公式:

数据结构+算法=程序

数据结构＋算法＋程序设计方法＋语言工具完整的程序设计应该是:02算法及算法描述02算法及算法描述算法的概念

广义地说，为解决一个问题而采取的方法和步骤，就称为“算法”。方法1：1+2，+3，+4，一直加到100加99次方法2：100+(1+99)+(2+98)+…+(49+51)+50=100+49×100+50加51次对同一个问题，可有不同的解题方法和步骤例：求02算法及算法描述

为了有效地进行解题，不仅需要保证算法正确，还要考虑算法的质量，选择合适的算法。希望方法简单，运算步骤少。计算机算法可分为两大类别：数值运算算法：求数值解，例如求方程的根、求函数的定积分等。非数值运算：包括的面十分广泛，最常见的是用于事务管理领域，例如图书检索、人事管理、行车调度管理等。02算法及算法描述算法举例及描述例1-1:求1×2×3×4×5

步骤1：先求1×2，得到结果2步骤2：将步骤1得到的乘积2再乘以3，得到结果6步骤3：将6再乘以4，得24步骤4：将24再乘以5，得120如果要求1×2×…×1000，则要写999个步骤太繁琐！

S1：使p=1。

S2：使i=2。

S3：使p×i，乘积仍放在变量p中，

可表示为：p=p×iS4：使i的值加1，即i=i+1。

S5：如果i不大于5，返回重新执行步骤S3以及其后的步骤S4和S5；否则，算法结束。最后得到p的值就是5!的值。

可以设两个变量：一个变量代表被乘数，一个变量代表乘数。不另设变量存放乘积结果，而直接将每一步骤的乘积放在被乘数变量中。设p为被乘数，i为乘数。用循环算法来求结果,算法可改写：02算法及算法描述S1：1→pS2：3→iS3：p×i→pS4：i+2→iS5：若i<1000，返回S3。否则，结束。

如果题目改为：求1×3×5×……×1000算法只需作很少的改动：02算法及算法描述算法简练！

用这种方法表示的算法具有通用性、灵活性。S3到S5组成一个循环，在实现算法时要反复多次执行S3，S4，S5等步骤，直到某一时刻，执行S5步骤时经过判断，乘数i已超过规定的数值而不返回S3步骤为止。此时算法结束，变量p的值就是所求结果。02算法及算法描述例1-2

有50个学生，要求将他们之中成绩在80分以上者打印出来。设n表示学号，n1代表第一个学生学号，代表第i个学生学号。用G代表学生成绩，gi代表第i个学生成绩，算法表示如下:S1：1→iS2：如果其成绩≥80，则打印和，否则不打印。

S3：i+1→iS4：如果i≤50，返回S2，继续执行。否则算法结束

变量i作为下标，用来控制序号(第几个学生，第几个成绩)。当i超过50时，表示已对50个学生的成绩处理完毕，算法结束。02算法及算法描述例1-3

判定2000～2500年中的每一年是否闰年，将结果输出。分析：闰年的条件是：(1)能被4整除，但不能被100整除的年份都是闰年，如1996,2004年是闰年；(2)能被100整除，又能被400整除的年份是闰年。如1600,2000年是闰年。不符合这两个条件的年份不是闰年。02算法及算法描述设y为被检测的年份，算法可表示如下：S1：2000→yS2：若y不能被4整除，则输出y“不是闰年”。然后转到S6。S3：若y能被4整除，不能被100整除，则输出y“是闰年”。然后转到S6。S4：若y能被4整除，又能被100整除，又能被400整除，输出y“是闰年”，然后转到S6。S5:否则输出“不是闰年”。输出y“不是闰年”。S6：y+1→yS7：当y≤2500时，转S2继续执行，如y＞2500，算法停止。02算法及算法描述02算法及算法描述

以上算法中每做一步都分别分离出一些范围(巳能判定为闰年或非闰年)，逐步缩小范围，直至执行S5时，只可能是非闰年。

“其它”包括能被4整除，又能被100整除，而不能被400整除的那些年份(如1990)是非闰年。例1-4

求算法如下：02算法及算法描述S1：sign=1S2：sum=1S3：deno=2

S4：sign=(-1)×signS5：term=sign×(1/deno)S6：sum=sum+termS7：deno=deno+1S8：若deno≤100返回S4，否则算法结束。单词作变量名，以使算法更易于理解：sum表示累加和，deno是英文分母（denominator）缩写，sign代表数值的符号，term代表某一项。

反复执行S4到S8步骤，直到分母大于100为止。一共执行了99次循环，向sum累加入了99个分数。sum最后的值就是多项式的值。例1-5

对一个大于或等于3的正整数，判断它是不是一个素数。概念：所谓素数，是指除了1和该数本身之外，不能被其它任何整数整除的数。例如，13是素数。因为它不能被2，3，4，…，12整除。分析：判断一个数n(n≥3)是否素数的方法：将n作为被除数，将2到(n-1)各个整数轮流作为除数，如果都不能被整除，则n为素数。02算法及算法描述算法如下：S1：输入n的值S2：i=2（i作为除数）S3：n被i除，得余数rS4：如果r=0，表示n能被i整除，则打印n“不是素数”，算法结束。否则执行S5S5：i+1→iS6：如果i≤n-1，返回S3。否则打印n“是素数”。然后结束。

实际上，n不必被2到(n-1)的整数除，只需被2到n/2间整数除，甚至只需被2到之间的整数除即可。02算法及算法描述02算法及算法描述有穷性：包含有限的操作步骤。确定性：算法中的每一个步骤都应当是确定的。有零个或多个输入：输入是指在执行算法时需要从外界取得必要的信息。有一个或多个输出：算法的目的是为了求解，“解”就是输出。有效性：算法中的每一个步骤都应当能有效地执行，并得到确定的结果。一个算法应该具有以下特点：算法的特性总结02算法及算法描述可以用不同的方法表示算法，常用的有：自然语言传统流程图结构化流程图伪代码PAD图算法的标准描述方法02算法及算法描述

自然语言就是人们日常使用的语言，可以是汉语或英语或其它语言。用自然语言表示通俗易懂，但文字冗长，容易出现“歧义性”。自然语言表示的含义往往不大严格，要根据上下文才能判断其正确含义，描述包含分支和循环的算法时也不很方便。因此，除了那些很简单的问题外，一般不用自然语言描述算法。用自然语言表示算法02算法及算法描述美国国家标准化协会ANSI(AmericanNationalStandardInstitute)规定了一些常用的流程图符号：起止框判断框处理框输入/输出框流向线连接点用流程图表示算法例1-6

将求5!的算法用流程图表示如果需要将最后结果打印出来，可在菱形框的下面加一个输出框。02算法及算法描述

例1-7

将例1.2的算法用流程图表示。打印50名学生中成绩在80分以上者的学号和成绩。02算法及算法描述例1-2

有50个学生，要求将他们之中成绩在80分以上者打印出来。设n表示学号，n1代表第一个学生学号，代表第i个学生学号。用G代表学生成绩，gi代表第i个学生成绩，算法表示如下:任务：将例1-3判定闰年的算法用流程图表示

用流程图表示算法要比用文字描述算法逻辑清晰、易于理解。02算法及算法描述02算法及算法描述流程图是表示算法的较好的工具。一个流程图包括以下几部分：（1）表示相应操作的框；（2）带箭头的流向线；（3）框内外必要的文字说明。注意：（1）各种不同框的入口线和出口线的条数限制。（2）流向线的汇集方法。小结Python语言的特点

1.简单易学、明确优雅、开发速度快

2.跨平台、可移植、可扩展、交互式、解释型、面向对象的动态语言

3.具有大量的标准库和第三方库

4.社区活跃，贡献者多，互帮互助

5.开源语言，发展动力巨大03Python语言03Python语言

Python语言主要存在三方面的缺点：

第一个缺点就是运行速度相对慢点，和C程序相比较慢，这是解释型语言的特点，Python语句在执行时会地翻译成CPU能理解的机器码，翻译过程非常耗时，而C语言是编译型语言，运行前直接编译成CPU能执行的机器码，执行起来非常快。

第二个缺点是GIL（GlobalInterpreterLock）全局解释器锁，这是一种防止多线程并发执行机器码的互斥锁，是设计Python语言时遗留的一个问题，其后果就是Python在进行多线程任务时候，其实是伪多线程，性能较差。

第三个缺点是Python2和Python3不兼容性。03Python语言搭建Python编程环境，需要完成以下步骤：1.下载Python解释器03Python语言2.安装Python解释器03Python语言3.测试Python安装04Python开发工具介绍Python自带的

IDLE

是指Python的集成开发环境，是Python语言官方提供的一个简易开发环境。IDLE是基于Python内置的Tkinter模块制作的。它提供了一个交互式的Shell(解释器)和一个简单的代码编辑器。它可以让你在一个窗口中输入和执行Python代码，并提供了基本的代码编辑功能，如语法高亮显示、代码缩进和自动补全等。04Python开发工具介绍IDLE使用步骤如下：1.启动IDLE2.IDLE的Shell界面04Python开发工具介绍3.创建文件4.编写Python程序(1)File(文件)：包含文件相关的选项，如新建、打开、保存、退出等。(2)Edit(编辑)：包含编辑相关的选项，如剪切、复制、粘贴、查找、替换等。(3)Format(格式)：包含代码格式化相关的选项，如自动缩进、块缩进、行尾空格等。(4)Run(运行)：包含运行代码的选项，如运行模块、运行自定义的PythonShell、重新启动等。(5)Options(选项)：包含IDLE环境的各种选项设置，如字体、颜色、缩进等。(6)Windows(窗口)：用于管理IDLE环境中的窗口，如打开新的Shell、关闭窗口等。(7)Help(帮助)：提供有关IDLE的帮助和文档，包括IDLE快捷键、Python文档等