python programming an introduction to computer science - v1.0rc2 (2002)

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  • 1.Python Programming: An Introduction to Computer Science John M. Zelle, Ph.D. Version 1.0rc2 Fall 2002

2. Copyright c 2002 by John M. Zelle All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without prior written permission of the author. This document was prepared with LATEX 2 and reproduced by Wartburg College Printing Services. 3. Contents 1 Computers and Programs 1 1.1 The Universal Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Program Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 What is Computer Science? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Hardware Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.5 Programming Languages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.6 The Magic of Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.7 Inside a Python Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.8 Chaos and Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Writing Simple Programs 13 2.1 The Software Development Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Example Program: Temperature Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 Elements of Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2 Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Output Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5 Assignment Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5.1 Simple Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5.2 Assigning Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5.3 Simultaneous Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.6 Denite Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.7 Example Program: Future Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Computing with Numbers 25 3.1 Numeric Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Using the Math Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 Accumulating Results: Factorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4 The Limits of Int . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.5 Handling Large Numbers: Long Ints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.6 Type Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 Computing with Strings 39 4.1 The String Data Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 Simple String Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3 Strings and Secret Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.1 String Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.2 Programming an Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.3 Programming a Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.4 Other String Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 i 4. ii CONTENTS 4.3.5 From Encoding to Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4 Output as String Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4.1 Converting Numbers to Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4.2 String Formatting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4.3 Better Change Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5 File Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.5.1 Multi-Line Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.5.2 File Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.5.3 Example Program: Batch Usernames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.5.4 Coming Attraction: Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5 Objects and Graphics 61 5.1 The Object of Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2 Graphics Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.3 Using Graphical Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.4 Graphing Future Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.5 Choosing Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.6 Interactive Graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.6.1 Getting Mouse Clicks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.6.2 Handling Textual Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.7 Graphics Module Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.7.1 GraphWin Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.7.2 Graphics Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.7.3 Entry Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.7.4 Displaying Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.7.5 Generating Colors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6 Dening Functions 85 6.1 The Function of Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.2 Functions, Informally . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3 Future Value with a Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.4 Functions and Parameters: The Gory Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.5 Functions that Return Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.6 Functions and Program Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7 Control Structures, Part 1 101 7.1 Simple Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.1.1 Example: Temperature Warnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.1.2 Forming Simple Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.1.3 Example: Conditional Program Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.2 Two-Way Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.3 Multi-Way Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.4 Exception Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.5 Study in Design: Max of Three . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.5.1 Strategy 1: Compare Each to All . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.5.2 Strategy 2: Decision Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.5.3 Strategy 3: Sequential Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.5.4 Strategy 4: Use Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.5.5 Some Lessons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5. CONTENTS iii 8 Control Structures, Part 2 119 8.1 For Loops: A Quick Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.2 Indenite Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.3 Common Loop Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.3.1 Interactive Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8.3.2 Sentinel Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.3.3 File Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.3.4 Nested Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.4 Computing with Booleans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.4.1 Boolean Operators . . . .