Python 3 für Studium und Ausbildung

Einfach lernen und professionell anwenden

Michael Weigend

• Verlag: MITP
• Jahr: 2022
• ISBN drucken:
  9783747504345
• eBook-ISBN:
  9783747504369
• Thema: Informatik
• Thema: Informatik Allgemein

Alle wichtigen Grundlagen der Python-Programmierung Für alle Studiengänge geeignet, keine Vorkenntnisse notwendig Mit Übungsaufgaben und leicht verständlichen Beispielen aus zahlreichen Anwendungsgebieten Programmierkenntnisse sind heute eine Kompetenz, die nicht nur in IT-nahen Berufen vorausgesetzt wird. Dieses Buch richtet sich besonders an alle, die Python in Studium und Ausbildung lernen und keine Vorkenntnisse in der Programmierung haben. Die Ausrichtung des Studiengangs spielt dabei keine Rolle. Alle Themen werden fachunabhängig erläutert und die Übungen und praktischen Beispiele decken viele unterschiedliche Anwendungsbereiche ab, so dass Sie auf die verschiedensten Aufgaben optimal vorbereitet sind. Sie werden Schritt für Schritt in die Programmiertechniken eingeführt: von den Grundlagen (Datentypen, Kontrollstrukturen, Funktionen) über die Entwicklung komplexer Anwendungen mit grafischer Benutzungsoberfläche bis hin zur Anbindung an SQL-Datenbanken, Datenvisualisierung und wissenschaftlichem Rechnen mit Arrays (NumPy). Dabei lernen Sie auch, gut lesbare Programmtexte und sauberen Code zu schreiben, und erfahren, wie Sie Fehler finden und von Anfang an vermeiden können. Zahlreiche praktische Programmierübungen helfen Ihnen, Ihr Wissen zu festigen und sich auf Prüfungssituationen vorzubereiten. Die Lösungen zu allen Übungen inklusive Programmcode finden Sie auf der Verlagsseite zum kostenlosen Download. Aus dem Inhalt: Alle Grundlagen einfach erklärt Objektorientierte Programmierung Mit Modulen arbeiten und eigene Module erstellen Verarbeiten von Texten und Bildern Grafische Benutzungsoberflächen mit tkinter SQL-Datenbanken mit sqlite3 Wissenschaftliches Rechnen mit NumPy Datenvisualisierung mit Matplotlib Nutzung von CoLab und PythonAnywhere Webprogrammierung mit CGI und WSGI Agile Softwareentwicklung

Kapitel 1

Willkommen zu Python!

Dieses Kapitel hilft Ihnen bei den ersten Schritten im Umgang mit einer der erfolgreichsten und faszinierendsten Programmiersprachen unserer Zeit. Python ist erfolgreich, weil es in praktisch allen Wissensbereichen eingesetzt wird: Naturwissenschaft, Technik, Mathematik, Musik und Kunst. Viele Menschen finden Python faszinierend, weil das Programmieren mit Python das Denken beflügelt. Mit Python können Sie digitale Modelle entwickeln und Problemlösungen elegant und verständlich formulieren.

Nach einer kurzen Einführung in einige wichtige Grundbegriffe der Informatik erfahren Sie, wie man Python installiert. Sie arbeiten praktisch an der Tastatur, probieren Anweisungen aus und lernen dabei, was Ausdrücke, Zuweisungen und Variablen sind.

1.1 Die Programmiersprache Python

Im Unterschied zu »natürlichen« Sprachen wie Deutsch oder Englisch, die sich über Jahrhunderte entwickelt haben, sind Programmiersprachen »künstliche« Sprachen. Sie wurden von Fachleuten designt und sind speziell auf die Formulierung von Algorithmen zugeschnitten.

Die ersten höheren Programmiersprachen (z.B. Fortran und Lisp) wurden in den 1950er Jahren entwickelt. Heute (27. Januar 2022) listet Wikipedia 374 Programmiersprachen auf.

Die erste Python-Version wurde 1991 von dem niederländischen Informatiker Guido van Rossum veröffentlicht. Der Name der Sprache soll an die englische Comedy-Gruppe ­Monty Python erinnern. Seit 2001 wird Python von der Python Software Foundation (PSF) gepflegt, kontrolliert und verbreitet (www.python.org).

Viele digitale Produkte, die Sie aus dem Alltag kennen, basieren auf Python, z.B. Google Maps, YouTube und Instagram. Im PYPL-Index (Popularity of Programming Lan­guage Index) wird die Beliebtheit einer Programmiersprache danach gemessen, wie oft bei Google nach einem Sprach-Tutorial gesucht wird. Demnach ist Python (im Jahre 2022) mit Abstand die populärste Programmiersprache.

Warum ist Python unter Programmierern so beliebt?

• Mit Python kann man sehr kurze Programmtexte schreiben. Das verbessert die Verständlichkeit eines Programms, erleichtert die Fehlersuche und verkürzt die Entwicklungszeit.
• Python ist leicht zu lernen, da vertraute Schreibweisen verwendet werden, die man z.B. schon aus der Mathematik kennt.
• Python unterstützt unterschiedliche Programmierstile (»Paradigmen«).
• Zu Python gibt es viele frei verfügbare Erweiterungen (sogenannte Module) für spezielle Anwendungsbereiche wie etwa Grafik, Astronomie, Mathematik, Spracherkennung, Quantencomputer und künstliche Intelligenz.

1.2 Was ist ein Algorithmus?

In der Informatik versteht man unter einem Algorithmus eine präzise Anleitung zur Lösung einer Aufgabe. Ein Algorithmus besteht aus einer Folge von einzelnen Anweisungen, die so genau und eindeutig formuliert sind, dass sie auch von einem völlig Unkundigen rein mechanisch ausgeführt werden können. Algorithmen, die man aus dem Alltag kennt, sind z.B.

• ein Kochrezept,
• eine Anleitung zum Zusammenbau eines Regals,
• eine Gebrauchsanweisung.

Ein Computerprogramm ist ein Algorithmus, der in einer Programmiersprache geschrieben worden ist und von einem Computer »verstanden« und ausgeführt werden kann.

1.3 Syntax und Semantik

Eine Programmiersprache ist – wie jede Sprache – durch Syntax und Semantik definiert. Die Syntax legt fest, welche Folgen von Zeichen ein gültiger Programmtext in der jeweiligen Sprache sind.

Zum Beispiel ist

print['Hallo']

kein gültiger Python-Programmtext, weil die Python-Syntax vorschreibt, dass nach dem Wort print eine runde Klammer folgen muss.

Dagegen ist die Zeichenfolge

print('Hallo')

ein syntaktisch korrektes Python-Programm. Die Syntax sagt aber nichts darüber aus, welche Wirkung dieses Mini-Programm hat. Die Bedeutung eines Programmtextes wird in der Semantik definiert. Bei diesem Beispiel besagt die Semantik, dass auf dem Bildschirm das Wort Hallo ausgegeben wird.

Bei einem Programmtext ist die Semantik eindeutig. Dagegen kann ein Text in einer natürlichen Sprache mehrdeutig sein.

Frage: Semantik im Alltag

Inwiefern ist der Satz »Schau nach vorne!« semantisch nicht eindeutig?

1.4 Interpreter und Compiler

Python ist eine sogenannte höhere Programmiersprache. Das bedeutet, dass Besonderheiten des Computers, auf dem das Programm laufen soll, nicht beachtet werden müssen. Ein Python-Programm läuft praktisch auf jedem Computer und unter jedem gängigen Betriebssystem. Eine höhere Programmiersprache ist für Menschen gemacht und ermöglicht es, gut verständliche Programmtexte zu schreiben.

Einen Programmtext, der in einer höheren Programmiersprache geschrieben ist, nennt man Quelltext (auf Englisch source code). Damit der Quelltext vom Computer abgearbeitet werden kann, muss er in eine »maschinennahe Sprache« übersetzt werden. Dazu gibt es zwei unterschiedliche Methoden:

• Ein Compiler übersetzt einen kompletten Programmtext und erzeugt eine direkt ausführbare (executable) Programmdatei, die vom B...

Inhaltsverzeichnis

• Impressum
• Inhalt
• Einleitung
• 1 Willkommen zu Python!
• 2 Datentypen – die Python-Typ-Hierarchie
• 3 Interaktive Programme
• 4 Kontrollstrukturen
• 5 Funktionen
• 6 Mit Modulen arbeiten
• 7 Mit Kollektionen modellieren
• 8 Daten speichern
• 9 Textverarbeitung
• 10 Zugriff auf die Systemumgebung
• 11 Grafische Benutzungsoberflächen
• 12 Grafik programmieren
• 13 Fehler finden und vermeiden
• 14 Objektorientierte Programmierung
• 15 Datenbanktechnik
• 16 Wissenschaftliche Projekte
• 17 Dynamische Webseiten: CGI und WSGI
• 18 Professionelle Software-Entwicklung
• Glossar