科创课程 | Python基础(一)

前言

一

当我们第一次接触编程时，往往会感到既兴奋又困惑。编程到底是什么？简单来说，编程就是使用一种特定的语言（称为编程语言）来告诉计算机该做什么。Python就是这样一种语言，它以其简洁明了的语法和强大的功能，成为了许多初学者和专业开发者的首选。

在Python的世界里，我们首先要理解几个基本概念：源代码（source code）是我们编写的指令集合；语法（syntax）是这些指令必须遵循的规则；输出（output）是程序运行后产生的结果；而控制台（console）则是我们与程序交互的界面。这些概念构成了编程的基础框架，就像学习一门新语言时需要掌握的字母和基本句型一样。

Python有一个独特的特点——它是一种解释型语言。这意味着什么呢？让我们与编译型语言做个对比。像Java这样的编译型语言，需要先将源代码编译成计算机能直接理解的字节码，然后再执行。而Python则通过解释器直接读取源代码并逐行执行，省去了编译的中间步骤。这种设计让Python程序的开发和调试过程变得更加快捷和灵活。

Python解释器不仅仅是一个执行工具，它更像是一个交互式的学习环境。在这里，你可以直接输入表达式并立即看到结果。例如，输入“3+7”，屏幕上会立即显示“10”；输入“3<15”，会得到“True”。这种即时反馈的特性使Python成为学习编程的绝佳工具，你可以像对话一样与计算机交流，逐步理解编程的逻辑。

在Python中，表达式是构建程序的基本单位。一个表达式可以是一串数字、变量和运算符的组合，它最终会计算出一个值。Python支持各种算术运算符：加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）、求余（%）和指数（**）。这些运算符有着明确的优先级规则——乘除运算优先于加减运算，而括号可以改变这种优先级。理解这些规则对于编写正确的数学表达式至关重要。

当我们处理整数除法时，Python 2.x版本有一个特点：两个整数相除的结果仍然是整数，小数部分会被截断。例如，84除以10的结果是8而不是8.4。这种设计在某些情况下很有用，但在需要精确小数计算时就需要特别注意。同时，求余运算（%）可以帮我们找到一个数除以另一个数后剩下的余数，这在循环控制和算法设计中经常用到。

Python不仅支持整数，还支持实数（浮点数）。实数包含小数部分，如6.022、15.9997等都是有效的实数表示。Python还支持科学计数法，如2.143e17表示2.143乘以10的17次方。当整数和实数混合运算时，结果会自动转换为实数。例如，1除以2.0会得到0.5而不是0。这种自动类型转换简化了数值计算，但也需要我们对数据类型保持清醒的认识。

为了进行更复杂的数学计算，Python提供了丰富的数学函数。这些函数包括求绝对值的abs()、向上取整的ceil()、向下取整的floor()、计算对数的log()和log10()、求最大最小值的max()和min()，以及四舍五入的round()等。要使用这些函数，我们需要先从math模块导入它们。Python还定义了一些常用的数学常数，如自然对数的底e和圆周率pi，这些常数为科学计算提供了便利。

在Python中处理浮点数时，我们需要注意计算机表示小数的精度问题。由于二进制表示的限制，某些十进制小数在计算机中无法精确表示。例如，1.23232在计算机内部可能被存储为1.232320000000001。虽然这种微小的误差在大多数情况下可以忽略，但在需要高精度计算时必须特别小心。Python提供了int()和float()函数用于整数和浮点数之间的转换，帮助我们管理不同类型的数据。

变量是编程中的核心概念之一。变量就像一个贴有标签的存储盒子，我们可以把数据放进去，需要时再取出来使用。在Python中，我们使用等号（=）给变量赋值，如“x=5”就是把数值5存储到名为x的变量中。变量的值可以随时改变，同一个变量可以先存储一个数字，然后存储一个字符串。这种灵活性使Python编程变得非常直观和高效。

让我们通过一个简单的例子来看看变量的实际使用。首先，我们创建一个变量x并赋值为7，然后可以直接查看x的值，也可以将x与其他值进行运算。有趣的是，Python中的变量不仅可以存储数字，还可以存储文本。我们可以将字符串“hello”赋值给同一个变量x，然后x就变成了一个文本容器。这种动态类型特性是Python与许多其他编程语言的重要区别之一。

print语句是我们向用户展示信息的主要方式。它可以输出文本消息，也可以输出表达式的计算结果。我们可以一次打印多个项目，只需用逗号将它们分隔开。默认情况下，每个print语句都会在新的一行输出内容。但有时我们希望多个打印内容出现在同一行，这时可以使用“end”参数来控制行尾的字符。掌握print的各种用法对于调试程序和创建用户友好的输出至关重要。

通过print语句的组合，我们可以创建格式化的输出。例如，我们可以让多个打印内容出现在同一行，也可以控制是否在输出后换行。这种灵活性使我们能够创建整洁、易读的程序输出。在实际编程中，良好的输出格式不仅能帮助用户理解程序结果，也能帮助开发者调试代码中的问题。

除了输出信息，程序还需要从用户那里获取输入。Python的input()函数正是为此设计的。当程序执行到input()时，它会暂停并等待用户输入，然后将输入的内容作为字符串返回。我们可以将用户的输入存储到变量中，然后在程序中使用。例如，我们可以询问用户的年龄，然后计算距离退休还有多少年。这种交互能力使程序变得更加实用和个性化。

输入处理在实际应用中需要注意一些细节。input()函数总是返回字符串，即使我们输入的是数字。如果我们需要将输入作为数值使用，就必须进行类型转换。例如，使用int()函数将字符串转换为整数。这种类型转换是编程中的常见操作，也是初学者容易出错的地方。一个健壮的程序应该能够处理各种用户输入，包括意外的或错误的数据。