Scratch and Python 2018 Spring - Python Lecture 1

電腦是如何計算的？

• 電腦可以
  • 儲存資料。
  • 讀取資料。
  • 對資料進行運算，產生新資料。
• 程式運做過程
  • 程式作為一種資料存在儲存裝置(storage)裡，如硬碟。
  • 將程式從儲存裝置搬到記憶體(memory)
  • CPU 將記憶體中的指令解碼，視需求從記憶體或其他裝置取得資料存放到暫存器(register)，或進行計算。
  • 算完後再視情況將計算的結果存回記憶體 memory 或是其他裝置。

電腦儲存資料的單位

• bit: 0/1，開/關 (通常用 小b 表示)
• byte: 8 bits => 可以存
  $2^8=256$ 個數字 (通常用 大B 表示)
• 1 KB = 1024 B
• 1 MB = 1024 KB
• 1 GB = 1024 MB
• 1 TB = 1024 GB

整數(int)的儲存

• 電腦只儲存 010101… 的值，0 為 通電，1 為斷電 (or 相反)
• 因為基本單位是 0 跟 1，常採用二進位制表示數字
• $1_{10}=1_2$,
  $2_{10}={10}_2$,
  $3_{10}={11}_2$, …
• 當我要存兩個數字 1 跟 2 時，如何不被搞混成 12 呢？
  • 固定數字儲存長度，假設為 4 bits (每台電腦都不一樣)
  • 1 存成 0001， 2 存為 0010 => 放在一起時是 00010010 也不會搞混成 12 了
  • 這種作法能表示的數字有限
• 如何表示整數的的正負呢？
  • 常用的有 二的補數法(2's complement) 與 超額表示法(Excess Notation)
  • 二的補數法
    • 我們只要把最前面的正負號改成 0 與 1 就好啦
    • 因為剛剛已經定義了 0001 是 1，為了不改變這樣的定義，我們就將 0 當作正，1 當作負
    • 所以 1001 就是 -1 囉~
    • 那 1000 = -0 = 0 = 0000，這樣設定好像不太好，會浪費掉一個原來可以儲存的數字
    • 定義負數是是將原來的數字作 0/1 互換(一補數)，再加一
    • ex. 3 = 0011 => -3 = 1100 + 1 (1100 是 0011 的 0/1 互換)
    • 這樣一來，我們可以先用 sign bit 確認出是正 or 負，在決定要如何解讀這個數子
    • 這樣的運算方式在做加減時，也會神奇的成立，完全不用另外處理，大家可以試試看喔~

浮點數(float)

• IEEE-754
• 剛剛有講到電腦是用 0101 儲存資料的，所以 10 進位的資料都要改成 2 進位
• 如何用 2 進位表示小數呢？
• ${0.5}_{10}=\frac{5}{10}=\frac{1}{2}=\frac{1}{{10}_2}={0.1}_2$
• 事實上，我們是用除法去處理，每次除 2，將商數放下，餘數拿去繼續除
• 可是用同樣的算法算 0.3 時…，不能約分成跟 2 有關的數字了！！
• 0.3 不能被二進位制完整表達 => 浮點數不精確性
• 簡單介紹儲存方法
  • 32 bits 為例
  • 第一位是 sign bit
  • 接下來 8bits 是 exponent，是小數點的移動距離，二補述法與超額表示法都可
  • 剩下 23bits 是 fraction，是真正的數值部分，其中因為是沿用科學記號(數字部分必定是
    ${01}_2{10}_2$ 之間)，因此會把最前面 1.xxx 的 1 影藏掉
  • 因此，下圖的數字應該是
    ${1.01}_2\ast {10}_2^{-3}={1.25}_{10}\ast 2_{10}^{-3}$ (這裡的 exp 是用超額表示)

文字表示

• 電腦存 0 與 1，要使用一些對照表，讓數字代表文字。
• 像是 97 代表 'a'，98 代表 'b'…
• 要存文章，就需要更多的定義，比如一些特殊的符號，像是換行等等。
• 要儲存更複雜的資料，就需要先定義格式，該如何解讀一串0與1。

語言的基本構成

• 以英文為例
  • 單字由一些字母構成
  • 句子由合乎語法的一些單字構成
• Syntax (語法)
  • 語言的規則
  • 以英文為例： I meat eat 不合語法，主詞受詞動詞並不是英文語法，主詞動詞受詞才正確。
  • 以算術為例： 3 5 + 不合語法，不是一個能夠計算的算式。
• Semantics (語意)
  • My car eats burger 語意不合理 (不合邏輯)，車子不會吃漢堡。
• 語意解析
  • 自然語言同一句話可能可以解釋成多種意思
    • 我養的豬很好吃。
  • 程式語言中，一個句子通常只會解釋成一種意思
    • 只是這句話的意思不一定是工程師要的
    • 如果不只一種可能性，稱作「Undefined behavior」，電腦會怎樣做，寫的人無法確定。

錯誤

• syntactic errors
  • 簡單好抓，因為語法錯，電腦看不懂就不給執行啊。
• static semantic errors
  • 有些語言也會跳錯，因為不確定你要做什麼，電腦也可能不想幹。
  • 可能造成非預測行為，因為你都不確定要做什麼，電腦就隨便做。
• 與程式設計師想要得不一樣的結果 QQ
  • 程式終止
  • 無窮迴圈
  • 錯誤答案

Python Programs

• program (程式) 是一系列的定義與指令
• command (statements) 指揮 Python 直譯器

Objects (物件) and Values (值)

• 所有資料都是物件
• 所有物件都有 type (型別)，python 會根據型別，知道你可以對這個物件做哪些事情
  • ex. 數字，是可以被家的
  • ex. 人，可以走路
• 兩類 objects
  • scalar
    • 最基本的物件
    • 不可再被細分
    • ex. 數字 5
  • non-scalar
    • 有一些內部的結構可再被利用
    • ex. list [1, 2, 3]
• scalar object 有
  • int Integers: 1,0,-2
  • float Decimals: 1.23, 456.7
    • Numbers in scientific notation: 1.234e5, -6.78e-2
  • str Strings: 'abc', "ABC", '"',"'"
  • 可以用 type() 來看型別
  • 型別轉換
    • float(3): 將 整數 3 轉為 浮點數 3.0
    • int(3.9): 將 浮點數 3.9 轉為 整數 3
• non-scalar object 有
  • tuple 序列
    • tpl = (3,5)
  • list 清單
    • lst = [1,2,3,4]
    • lst[1] = 9
  • dict 字典
    • dct = {}
    • dct = {1:2}
    • dct['name'] = 'MZ'

Expressions (運)算式

• 將 objects 跟 operators 連接形成 expressions

• expression 必定有 value

• 簡單 expression 的 syntax

  • {object}
  • ({expression})
  • {expression} {operator} {expression}

  運算子	意思	用法	輸出型態
  +	加	i + j	若 i or j 中有任一是浮點數，則為浮點數，若無，則為整數
  -	減	i - j	同上
  *	乘	i * j	同上
  /	除	i / j	浮點數
  //	整數除	i // j	整數
  %	餘數	i % j	整數
  **	次方	i ** j	浮點數

• 運算優先序

  • () 最優先
  • ** > {*,/} > {+,-}
  • 同等級左邊優先：+,-,*,/
  • 同等級右邊優先：**

綁定 變數 (variable) 與 值 (value)

• 用 等號(=) 綁定(binding)
• 值會被存進 memory
• 為何要使用變數
  • 可以重複使用
  • 輕鬆改變值
  • 可讀性較高
• 重新綁定
  • 同一個變數可以改變綁定的值
    ​​​​​​​​a = 10
    ​​​​​​​​print(a) # 10
    ​​​​​​​​a = 20
    ​​​​​​​​print(a) # 20
    

pyautogui

• 用程式控制鍵盤和滑鼠

  • 你可以用程式操作鍵盤輸入以及滑鼠的點擊，將可以取代很多人工操作。
  • 避免裝備不夠靈敏、感應延遲等問題。
  • 使用範例：在《蟒蛇谷》遊戲裡，若玩家想要獲得PillowDrawer特殊道具，則必須點擊主城的Tree一千下，每點擊一千下後有一定機率獲得。在學習了pyautogui之後，我們就可以以對滑鼠較友善的方式獲得這個道具。

• import pyautogui

• 控制滑鼠

  • 取得螢幕大小資訊
    • width, height = pyautogui.size()
  • 取得鼠標位置資訊
    • x, y = pyautogui.position()
  • 螢幕的座標方式
    • 左上方: (0,0)
    • 右下方: pyautogui.size()
  • 移動鼠標到指定位置
    • 絕對位置： pyautogui.moveTo(x, y, duration)
      • 你目前可以忽略 duration 這個參數。僅輸入 pyautogui.moveTo(x, y)，鼠標將移動至(x, y)的位置。
    • 相對位置： pyautogui.moveRel(x, y, duration)
      • 若當前座標為(a, b)，輸入上方指令後鼠標將移動到(a+x, b+y)位置
  • 點擊滑鼠
    • pyautogui.click(x, y)
      • 左鍵點擊(x, y)處
    • pyautogui.rightClick(x, y)
      • 右鍵點擊(x, y)處
    • pyautogui.doubleClick(x, y)
      • 左鍵雙擊(x, y)處
  • 拖曳(指得是長按的動作)
    • 絕對位置： pyautogui.dragTo(x, y, duration)
      • 由當前位置拖曳鼠標至(x, y)
    • 相對位置： pyautogui.dragRel(x, y, duration)
      • 若當前位置為(a, b)，由此處拖曳鼠標至(a+x, b+y)
  • 滑鼠滾輪
    • pyautogui.scroll(y)
      • y若為正值，代表向上滾動y單位；負值則是向下滾動。

• 控制鍵盤

  • 輸入文字串
    • pyautogui.typewrite(text,delay)
  • 按下特定按鍵
    • pyautogui.press(key)
    • pyautogui.keyDown(key)
      • 按下某個鍵
    • pyautogui.keyUp(key)
      • 鬆開某個鍵
      • keyDown與keyUp組合即為press
    • Key table
  • 快捷鍵輸入
    • pyautogui.hotkey(key1, key2, ..., keys)
    • Example: pyautogui.hotkey('ctrl', 'c')

• 範例

  • Windows
    • 從目錄頁叫出命令提示自元，印出Hello World!
  ​​​​import pyautogui
  ​​​​pyautogui.PAUSE = 0.1
  ​​​​pyautogui.hotkey('win')
  ​​​​pyautogui.typewrite('cmd')
  ​​​​pyautogui.press('enter')
  ​​​​pyautogui.typewrite('echo Hello World!',0)
  ​​​​pyautogui.press('enter')
  

• 其他

  • pyautogui.PAUSE = t
    • 代表每個pyautogui的指令間間隔t秒
    • 因為pyautogui的指令執行很快，可能在電腦畫面還沒有反應之前就執行到下一個指令，因此適當的延遲才能順利執行。

• 作業一：

  • 寫一個程式，完成下列指令：
    • 開啟瀏覽器。
    • 開啟交大首頁：http:/www.nctu.edu.tw/

• 作業二：

  • 寫一個程式，開啟 GeoGebra Classic 網站，用「手寫筆」功能畫出一個三角形。

• 作業三：

  • 寫一個程式，開啟 GeoGebra Classic 網站，畫出一棵樹。