1.5 Python编程方法与应用
1.5.1 程序设计方法
程序是完成一定功能的指令的集合，用于解决特定的计算问题。按照软件工程的思想，程序设计可以分为分析、设计、实现、测试、运行等阶段。结构化程序设计是一种典型的程序设计方法，是程序设计的基础思想，它是把一个复杂程序逐级分解成若干个相互独立的程序，然后再对每个程序进行设计与实现。
程序在具体实现上遵循了一定的模式，典型的程序设计模式是IPO模式，也就是程序由输入（Input）、处理（Process）、输出（Output）3部分组成。输入是程序设计的起点，有文件输入、网络输入、交互输入、参数输入等多种方式；输出是程序展示运算成果的方式，包括文件输出、网络输出、控制台输出、图表输出等。处理部分是编程的核心，包括数据处理与赋值，而更重要的是算法。例如，给定两点的坐标，求两点的距离，需要一个公式，这个公式就是一个算法；再如，求三角形面积的公式也是一个算法。更多的算法则需要用户去设计，例如，从一组数据中查找某一数据的位置，这需要根据数据的特点，由用户设计算法。
除了IPO模式，程序中应当有足够的注释，以加强程序的可读性；通过调试来进一步完善程序，这些都是程序设计中不可缺少的环节。
从上面的介绍中可以看出，使用计算机编程解决计算问题包括下面几个重要步骤：分析问题、设计算法、编写程序、调试运行。其中，与程序设计语言和具体语法有关的步骤是编写程序及调试运行。在解决计算问题的过程中，编写程序只是其中的一个环节。在此之前，分析问题、设计算法都是重要的步骤，只有经过这些步骤，一个计算问题才能在设计方案中得以解决，这个过程可以看作是思维的创造过程。编写程序和调试测试则是对解决方案的计算机实现，属于技术实现过程。
1.5.2 程序示例
前面已经介绍了程序文件的建立和执行过程，下面给出9个简单的Python程序，方便读者了解Python的基本知识点，这些程序涉及IDLE环境下交互执行程序、程序的分支与循环结构、函数等内容。
读者可以通过查阅文档了解这些程序，也可以忽略这些程序的具体语法含义，大致读懂程序即可。学习这些程序将有助于提高读者学习后续章节的效率。
例1-1 根据圆的半径计算圆的周长和面积。
1 #ex0101.py
2 # 计算圆形的面积和周长
3 r = 3.2
4 area = 3.14*r*r
5 perimeter= 2*3.14*r
6 print("圆形的面积:{:.2f},周长:{:.2f}".format(area,perimeter))
本例知识点主要集中在第2章。
程序的第1行和第2行是注释，程序的名字和功能，注释语句不运行，可以书写任何描述或代码。
程序的第3行是赋值语句，将值3.2送给一个变量r，r是半径。
程序的第4行和第5行，用公式π×r×r和2×π×r计算圆的面积和周长。该行是程序的核心，是程序的算法实现。
第6行是打印语句，程序的运行结果是“圆形的面积：32.15，周长：20.10”。
按程序设计的IPO模式，该段代码没有明显的输入，而是采用赋值输入的形式，处理（或算法）是求圆面积和周长的公式，输出是一条打印语句。具体的语法细节请读者查阅相关文档。
例1-2 在IDLE交互方式下，根据圆的半径计算圆的周长和面积。
>>> r = 3.2
>>> area = 3.14*r*r
>>> print("圆形的面积:{:.2f}".format(area))
圆形的面积:32.15
>>> perimeter= 2*3.14*r
>>> print("圆形的半径:{:.2f},周长:{:.2f}".format(r,perimeter))
圆形的半径:3.20,周长:20.10
从上述程序可以看出，每行输入语句结束后，代码立即执行。
例1-3 输入三角形三条边，用海伦公式计算三角形的面积。
1 #ex0103.py
2 # 输入三角形三条边，用海伦公式计算三角形的面积s
3 import math
4 a=eval(input("请输入a边长："))
5 b=eval(input("请输入b边长："))
6 c=eval(input("请输入c边长："))
7 p = (a + b + c) / 2
8 s = math.sqrt(p * (p - a) * (p - b) * (p - c))
9 print("三角形的面积是{:.2f}".format(s))
本例知识点主要集中在第3章和第5章。
第3行导入math模块。导入math模块后，可以使用第8行的math.sqrt()方法，这个方法是求平方根的方法。
第4行至第6行使用input()函数接受用户的键盘输入，并使用eval()函数将输入转换为数值类型，从而可以参与数学运算。
第7行是计算赋值语句，计算三条边的和除以2，送给变量p。
第8行是程序的核心代码，用海伦公式计算三角形的面积，并送给变量s。
第9行是打印语句，输出程序的运行结果。
在例1-3中，如果输入的数据不是数值，如输入a11、ab等形式，则运行时会产生错误，为避免这种情况发生，例1-4进行了改进，进行了异常处理。读者如果无法读懂该程序，可以在学习完异常处理后继续读该程序。
例1-4 输入三角形三条边，用海伦公式计算三角形的面积，并对输入数据进行异常处理。
1 #ex0104.py
2 '''
3 输入三角形三条边，用海伦公式计算三角形的面积s
4 对三边进行了异常处理
5 '''
6 import math
7 try:
8 a=eval(input("请输入a边长："))
9 b=eval(input("请输入b边长："))
10 c=eval(input("请输入c边长："))
11 p = (a + b + c) / 2
12 s = math.sqrt(p * (p - a) * (p - b) * (p - c))
13 print("三角形的面积是{:.2f}".format(s))
14 except NameError:
15 print("请输入正数数值")
本例知识点主要集中在第8章异常处理部分。程序运行结果如下，当我们输入数据错误时，系统会给出提示“请输入正数数值”。
>>> 请输入a边长：8 请输入b边长：e4 请输入正数数值 >>>
在例1-4中，如果输入的数据（三角形的三条边长度）不符合构成三角形的条件时，需要做出处理。
例1-5 用海伦公式计算三角形的面积，判断构成三角形的条件。
1 #ex0105.py
2 '''
3 输入三角形三条边，用海伦公式计算三角形的面积s
4 在对三边进行异常处理的基础上，判断三条边是否符合三角形条件
5 '''
6 import math
7 try:
8 a=eval(input("请输入a边长："))
9 b=eval(input("请输入b边长："))
10 c=eval(input("请输入c边长："))
11 except NameError:
12 print("请输入正数数值")
13 if a<0 or b<0 or c<0:
14 print("输入数据不可以为负数")
15 elif a+b<=c or a+c<=b or b+c<=a:
16 print("不符合两边之和大于第三边原则")
17 else:
18 p = (a + b + c) / 2
19 s = math.sqrt(p * (p - a) * (p - b) * (p - c))
20 print("三角形的面积是{:.2f}".format(s))
本例知识点主要集中在第3章和第8章。上面的代码用分支语句判断三条边构成三角形的条件，其运行结果如下，分支语句将在第4章学习。
>>> 请输入a边长：1 请输入b边长：2 请输入c边长：3 不符合两边之和大于第三边原则 >>>
例1-6 给出用列表保存的一组数据，求数据的平均值。
1 #ex0106.py
2 lst=[89,5,-34,23.1]
3 total=sum(lst)
4 number=len(lst)
5 print("列表lst的平均值是",total/number)
例1-7 给出用列表保存的一组成绩数据，统计不及格的人数和最高分。
1 #ex0107.py
2 lst=[89,45,23.1,98,33]
3 #notpass为不及格人数，maxscore为最高分
4 notpass =maxscore= 0
5 for item in lst:
6 if maxscore<item:
7 maxscore=item
8 if item<60:
9 notpass+=1
10 print("最高分是{}，不及数人数是{}".format(maxscore,notpass))
本例知识点主要集中在第3章和第4章，遍历列表实现数据统计。
例1-8 用函数式统计列表中的不及格人数和最高分。
#ex0108.py
lst=[89,45,23.1,98,33]
maxscore=max(lst) #最高分
lst2=filter(lambda x:x<60,lst) #不及格数据的序列
notpass=len(list(lst2)) #不及格人数
print("最高分是{}，不及数人数是{}".format(maxscore,notpass))
例1-9 文本文件中保存了一组用逗号分隔的成绩数据，统计不及格的人数和最高分。（文本文件是file.txt，内容是“89,45, 23.1,98,33,56,98”）
1 #ex0109.py
2 file=open("file.txt",'r')
3 s1=file.read()
4 file.close()
5 lst=s1.split(',')
6 lst2=[]
7 for item in lst:
8 lst2.append(eval(item))
9 #print(lst2)
10 #notpass为不及格人数，maxscore为最高分
11 notpass =maxscore= 0
12 for item in lst2:
13 if maxscore<item:
14 maxscore=item
15 if item<60:
16 notpass+=1
17 print("最高分是{}，不及格人数是{}".format(maxscore,notpass))
本例知识点主要集中在第7章。代码第2行至第4行的功能是读取文件内容；第5行至第8行的功能是拆分字符串和解析字符串内容（转换为数字）；最后，完成数据统计功能。
1.5.3 Python的帮助文档
我们在读程序的过程中，不可避免的会遇到一些问题，这些问题可以通过Python的帮助文档解决。Python的帮助文档提供了语言及标准模块的详细参考信息，是学习和使用Python不可或缺的工作。
在IDLE环境下，选择[Help]/[Python Docs]命令或按F1键，可以启动Python文档，如图1-17所示。如果要查找一些数学函数的使用方法，可以按图1-18所示的步骤进行查找，也可以通过关键词查找。
图1-17 Python文档初始界面
图1-18 查找math模块中的函数
除使用Python内置的帮助文档外，菜鸟教程中的Python也给出了众多的帮助信息，适合初学者学习参考，如图1-19所示。
图1-19 菜鸟教程首页