# Python基本語法
> 作者：王一哲
> 第1版：2018年3月6日
> 第2版：2022年7月4日
> 第3版：2024年9月19日，加上附錄
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## 資料型態
在C或C++中常見的資料型態有以下幾種
- char 字元
- short 短整數
- unsigned short 沒有正負號的短整數
- int 整數
- unsigned int 沒有正負號的整數
- long 長整數
- unsigned long 沒有正負號的長整數
- float 浮點數
- double 倍精數
- bool 布林值，只有0或1
<br />
而在 Python 當中，基本上只有分為
- str 字串
- int 整數
- float 浮點數
- bool 布林值
直譯器會自動依照資料判斷型態，例如
- A 會被判斷為 str
- 1 會被判斷為 int
- 1.1 會被判斷為 float
- True 或 False 會被判斷為 bool
<br />
## 變數
我們可以將變數當作儲存資料的容器，為變數命名時有以下幾點注意事項：
1. **可以使用英文字母、數字及符號，字母有區分大、小寫**，例如 a、A、b1、B2、c_3 都是符合規則的變數名稱。
2. **不能以數字開頭**，例如 0d 就不符合規則。
3. **不能使用系統保留字**，這些字有特殊的用途，不需要全部背下來，在程式碼編輯器中會自動將這些字上色。保留字有以下這些：and、as、assert、async、await、break、class、continue、def、del、elif、else、eval、except、finally、for、format、from、global、if、import、in、input、int、is、lambda、len、max、nonlocal、not、or、pass、print、raise、range、return、str、try、while、with、yield、False、None、True
4. **使用有意義的變數名稱**，最好能讓人一眼看出這個變數的用途，例如將儲存物體長度的變數命名為 length。
5. 理論上在 Python 當中可以使用統一碼 Unicode 的字元作為變數名稱，但為了避免程式碼在其它的作業系統開啟時變成亂碼，建議還是使用英文字母、數字、符號就好。
在C、C++中建立變數時，我們需要同時指定變數對應的資料型態，例如
```c
int a;
float b;
char c;
```
<br />
在Python中則不需要指定變數對應的資料型態，直譯器會自動根據儲存到變數中的資料自動判斷型態，最好養成在**建立變數時同時指定初始值**的習慣，例如
```python
a = 0
b = 1.1
c = 'c'
d = 'AaBbCc'
e = True
f = False
```
<br />
在 Python、C、C++ 及大部分的程式語言當中，**等號 = 用來指定數值給變數**，例如 a = 2 是將 2 這個數值指定給變數 a；**若要比較兩個變數是否相等，要使用 ==**，這與數學式子的寫法不相同，需要適應一下。
<br />
如果在 Python Shell 當中想要知道某個變數對應的資料型態，可以使用
```python
type(變數名稱)
```
<br />
以剛才建立的變數為例，a、b、c、d、e、f的回傳值分別為
```python
<class 'int'>
<class 'float'>
<class 'str'>
<class 'str'>
<class 'bool'>
<class 'bool'>
```
<br />
## 判斷條件：if
最簡單的語法為
```python
if 條件:
條件成立時執行的程式碼
```
當條件成立時執行冒號下的程式碼，程式碼必須從 if 的位置開始縮排，假設使用的縮排為 4 個空格，則在條件成立時要執行的程式碼每行都要縮排 4 個空格，若某一行沒有縮排，從此行開始會被視為 if 的部分已經結束。如果條件成立時執行的程式碼只有一行，可以直接放在冒號之後不需換行。
如果要加上條件不成立時執行的程式碼，語法為
```python
if 條件:
條件成立時執行的程式碼
else:
條件不成立時執行的程式碼
```
<img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto" height="50%" width="50%" src="https://i.imgur.com/U9pZTof.png">
<div style="text-align:center">if … else … 流程圖</div>
<br />
如果條件不只有一個，可以使用多層的 if，語法為
```python
if 條件1:
條件1成立時執行的程式碼
elif 條件2:
條件1不成立、條件2成立時執行的程式碼
else:
條件1、2皆不成立時執行的程式碼
```
<img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto" height="70%" width="70%" src="https://imgur.com/MWZF3Fg.png">
<div style="text-align:center">if … elif … else … 流程圖</div>
<br />
## 程式 2-1：if 的使用方法
```python=
a = eval(input("a = "))
b = eval(input("b = "))
if a > b:
print("a > b")
else:
print("a <= b")
if a > b:
print("a > b")
elif a == b:
print("a = b")
else:
print("a < b")
```
執行時先由使用者用鍵盤輸入 a、b 的值，由於輸入的資料會被視為字串，加上 eval 將字串轉換為整數或浮點數。第一個 if 是：當 a > b 時印出文字 a > b，若條件不成立則印出文字 a <= b。第二個 if 是：當 a > b 時印出文字 a > b，當 a == b 時印出文字 a = b，若條件不成立則印出文字 a < b。
<br />
## 重複執行：while 迴圈
在程式語言當中經常會重複執行某一段程式碼，這樣的語法稱為**迴圈 (loop)**，其中一種迴圈稱為 **while**，語法為
```python
while 條件:
條件成立時執行的程式碼
```
當條件成立時執行冒號下的程式碼，一直重複執行到條件不成立時為止。條件成立時執行的程式碼一樣要注意程式碼縮排的空格數。while 迴圈的流程圖如下
<img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto" height="50%" width="50%" src="https://i.imgur.com/onwukK4.png">
<div style="text-align:center">while 迴圈流程圖</div>
<br />
### 程式 2-2：使用 while 迴圈計算 1 + 2 + 3 + … + 10
```python=
result = 0
i = 1
n = 10
while i <= n:
print("i = ", i)
result += i
i += 1
print("result = ", result)
```
先定義變數 i、n、result 指定數值。當 i <= n 時執行 while 迴圈中的程式碼，印出 i 的數值、將 result 的數值 +i 並重新指定給 result，將 i 數值 +1 並重新指定給 i。當 while 迴圈執行完之後印出文字 result = 以及 result 的數值。這個程式是用來計算 1 + 2 + 3 + … + 10 = ?
> 問題：如果想計算的是 1 + 3 + 5 + 7 + 9 = ? 要怎麼寫呢？（提示：只要改一個地方即可。）
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### 程式 2-3：使用 while 迴圈及輾轉相除法計算最大公因數
```python=
a = 276
b = 437
i = 0
print("i\ta\tb")
while b:
r = a%b
a = b
b = r
i += 1
print("{:d}\t{:d}\t{:d}".format(i, a, b))
gcd = a
print("gcd =", gcd)
```
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加上第3、5、11行程式碼，可以看到 while 迴圈每次運作時變數 a、b 的數值，執行程式時輸出為
```python
i a b
1 437 276
2 276 161
3 161 115
4 115 46
5 46 23
6 23 0
gcd = 23
```
<br />
## 重複執行：for 迴圈
Python 的 for 迴圈和其它的程式語言很不一樣，比較像是用來從一串資料中依序讀取當中的元素來運算，經常搭配 range 或串列(list)資料一起使用。以搭配 range 為例
```python
for i in range(5):
print(i)
```
range是用來產生數列的函式，格式為
```python
range(起始值, 結束值, 增量)
```
起始值預設為0，增量預設為1，但產生的數列不包含結束值。因此上面的程式碼執行時，會將 ragne(5) 產生的數列 (0, 1, 2, 3, 4) 依序讀取出來並指定給變數 i，最後將印出 i 的數值，因此執行結果為
```python
0
1
2
3
4
```
<img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto" height="50%" width="50%" src="https://imgur.com/LSiNPkL.png">
<div style="text-align:center">for 迴圈流程圖</div>
<br />
### 程式 2-4：使用 for 迴圈計算 1 + 2 + 3 + … + 10
```python=
result = 0
for i in range(1, 11):
print("i = ", i)
result += i
print("result = ", result)
```
這個程式和程式 2-2 一樣是用來計算 1 + 2 + 3 + … + 10 = ?
> 問題：如果想計算的是 1 + 3 + 5 + 7 + 9 = ? 要怎麼寫呢？（提示：只要改一個地方即可。）
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## 雙層迴圈
我們可以在迴圈之中再加上另一個迴圈，變成雙層迴圈的結構，這通常會用在有兩個變數需要重複執行的狀況。例如以下的程式碼
```python=
for i in range(3):
for j in range(3):
print("i = {:d}\tj = {:d}".format(i, j))
```
執行的結果為
```python
i = 0 j = 0
i = 0 j = 1
i = 0 j = 2
i = 1 j = 0
i = 1 j = 1
i = 1 j = 2
i = 2 j = 0
i = 2 j = 1
i = 2 j = 2
```
由結果可以看出，外層的迴圈第一次運作時 i = 0，接下來進到內層的迴圈，內層迴圈運作時 j 的值依序為 0、1、2；再回到外層的迴圈，此時 i = 1，再執行內層的迴圈3次；再回到外層的迴圈，此時 i = 2，再執行內層的迴圈3次.如果想要用 while 迴圈印出同樣的值，可以採用以下的寫法
```python=
i = 0
while i < 3:
j = 0
while j < 3:
print("i = {:d}\tj = {:d}".format(i, j))
j += 1
i += 1
```
<br />
我們可以使用雙層迴圈印出九九乘法表，由於我們可以事先確定迴圈運作的次數，使用 for 迴圈的寫法看起來會比較簡潔。
```python=
for i in range(2, 10):
for j in range(2, 10):
if j < 9:
print("{:d} * {:d} = {:d}".format(i, j, i*j), end="\t")
else:
print("{:d} * {:d} = {:d}".format(i, j, i*j))
```
其中第3 ~ 6行可以改寫成這樣
```python
print("{:d} * {:d} = {:d}".format(i, j, i*j), end="\t" if j < 9 else "\n")
```
<br />
當然也可以用 while 迴圈做到一樣的效果。
```python=
i = 2
while i <= 9:
j = 2
while j <= 9:
if j < 9:
print("{:d} * {:d} = {:d}".format(i, j, i*j), end="\t")
else:
print("{:d} * {:d} = {:d}".format(i, j, i*j))
j += 1
i += 1
```
其中第5 ~ 8行可以改寫成這樣
```python
print("{:d} * {:d} = {:d}".format(i, j, i*j), end="\t" if j < 9 else "\n")
```
<br />
以下是輸出的結果。
```python
2 * 2 = 4 2 * 3 = 6 2 * 4 = 8 2 * 5 = 10 2 * 6 = 12 2 * 7 = 14 2 * 8 = 16 2 * 9 = 18
3 * 2 = 6 3 * 3 = 9 3 * 4 = 12 3 * 5 = 15 3 * 6 = 18 3 * 7 = 21 3 * 8 = 24 3 * 9 = 27
4 * 2 = 8 4 * 3 = 12 4 * 4 = 16 4 * 5 = 20 4 * 6 = 24 4 * 7 = 28 4 * 8 = 32 4 * 9 = 36
5 * 2 = 10 5 * 3 = 15 5 * 4 = 20 5 * 5 = 25 5 * 6 = 30 5 * 7 = 35 5 * 8 = 40 5 * 9 = 45
6 * 2 = 12 6 * 3 = 18 6 * 4 = 24 6 * 5 = 30 6 * 6 = 36 6 * 7 = 42 6 * 8 = 48 6 * 9 = 54
7 * 2 = 14 7 * 3 = 21 7 * 4 = 28 7 * 5 = 35 7 * 6 = 42 7 * 7 = 49 7 * 8 = 56 7 * 9 = 63
8 * 2 = 16 8 * 3 = 24 8 * 4 = 32 8 * 5 = 40 8 * 6 = 48 8 * 7 = 56 8 * 8 = 64 8 * 9 = 72
9 * 2 = 18 9 * 3 = 27 9 * 4 = 36 9 * 5 = 45 9 * 6 = 54 9 * 7 = 63 9 * 8 = 72 9 * 9 = 81
```
<br />
## 結語
Python 的功能非常多，但是我們的目標是利用 VPython 做物理模擬動畫，我們只需要 if、while、for 再加上一些儲存資料的容器就夠用了，在之後的動畫教學中會慢慢介紹更多不同的格式。
<br />
## 附錄，以上這些程式改用 C++ 的寫法
### 程式 2-1：if 的使用方法
```cpp=
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int a, b;
cin >> a >> b;
if (a > b) cout << "a > b\n";
else cout << "a <= b\n";
if (a > b) cout << "a > b\n";
else if (a == b) cout << "a = b\n";
else cout << "a < b\n";
return 0;
}
```
<br />
### 程式 2-2：使用 while 迴圈計算 1 + 2 + 3 + … + 10
```cpp=
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int result = 0, i = 1, n = 10;
while(i <= n) {
cout << "i = " << i << "\n";
result += i;
i++;
}
cout << "result = " << result << "\n";
return 0;
}
```
<br />
### 程式 2-3：使用 while 迴圈及輾轉相除法計算最大公因數
```cpp=
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int a = 276, b = 437, i = 0;
cout << "i\ta\tb\n";
while (b) {
int r = a%b;
a = b;
b = r;
i++;
cout << i << "\t" << a << "\t" << b << "\n";
}
cout << "gcd = " << a << "\n";
return 0;
}
```
<br />
### 程式 2-4：使用 for 迴圈計算 1 + 2 + 3 + … + 10
```cpp=
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int result = 0;
for(int i=1; i<=10; i++) {
cout << "i = " << i << "\n";
result += i;
}
cout << "result = " << result << "\n";
return 0;
}
```
<br />
### 九九乘法表，for 迴圈版本
```cpp=
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
for(int i=2; i<=9; i++)
for(int j=2; j<=9; j++)
cout << i << " * " << j << " = " << i*j << "\t\n"[j == 9];
return 0;
}
```
<br />
### 九九乘法表，while 迴圈版本
```cpp=
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int i = 2;
while(i <= 9) {
int j = 2;
while(j <= 9) {
cout << i << " * " << j << " = " << i*j << "\t\n"[j == 9];
j++;
}
i++;
}
return 0;
}
```
<br />
---
###### tags: `VPython`
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