第4章　基本輸入與輸出

本章摘要

4-1　Python的輔助說明help( )

4-2　格式化輸出數據使用print( )

4-3　輸出數據到文件

4-4　數據輸入input( )

4-5　處理字符串的數學運算eval( )

4-6　列出所有內建函數dir( )

4-7　專題——溫度轉換/房貸問題/正五角形面積/計算經緯度距離

本章將介紹如何在屏幕上進行輸入與輸出，另外也將講解Python內建的實用功能。

4-1　Python的輔助說明help( )

help( )函數可以列出某一個Python指令或函數的使用說明。

實例：列出輸出函數print( )的使用說明。

當然程序語言是全球化的語言，所有說明是以英文為基礎，要有一定的英文能力才可徹底了解，不過筆者在本書中會詳盡地用中文引導讀者入門。

4-2　格式化輸出數據使用print( )

相信讀者經過前三章的學習，對于使用print( )函數輸出數據已經非常熟悉了，現在是時候完整解說這個輸出函數的用法了。

4-2-1　函數print( )的基本語法

print( )的基本語法格式如下：

    print(value, … , sep=" ", end="\n", file=sys.stdout, flush=False）

value：表示想要輸出的數據，可以一次輸出多個數據，各數據間以逗號隔開。

sep：當輸出多個數據時，可以插入各數據的分隔字符，默認是一個空格。

end：當數據輸出結束時所插入的字符，默認是插入換行字符，所以下一次print( )函數的輸出會在下一行輸出。如果想讓下次輸出不換行，可以在此設置空字符串，或是空格或是其他字符串。

file：數據輸出位置，默認是sys.stdout，也就是屏幕。也可以使用此設置，將輸出導入其他文件或設備。

flush：是否清除數據流的緩沖區，默認是不清除。

程序實例ch4_1.py：重新設計ch3_18.py，其中在第二個print( )中兩個輸出數據的分隔字符是“ $$$”。

執行結果

程序實例ch4_2.py：重新設計ch4_1.py，將兩個數據在同一行輸出，彼此之間使用Tab鍵的距離隔開。

執行結果

4-2-2　格式化print( )輸出

在使用格式化輸出時，基本使用格式如下：

    print("  …輸出格式區…  "  %  ( 變量系列區,  …  ））

在上述輸出格式區中，可以放置變量系列區相對應的格式化字符，這些格式化字符的基本意義如下。

%d：格式化整數輸出。

%f：格式化浮點數輸出。

%x：格式化十六進制整數輸出。

%X：格式化大寫十六進制整數輸出。

%o：格式化八進制整數輸出。

%s：格式化字符串輸出。

%e：格式化科學記數法e的輸出。

%E：格式化科學記數法大寫E的輸出。

程序實例ch4_3.py：格式化輸出的應用。

執行結果

設計程序時，在print( )函數內的輸出格式區也可以用一個字符串變量取代。

程序實例ch4_4.py：重新設計ch4_3.py，在print( )內用字符串變量取代字符串列，讀者可以參考第5行和第6行與原先ch4_3.py的第5行做比較。

執行結果　與ch4_3.py相同。

程序實例ch4_5.py：格式化十六進制和八進制輸出的應用。

執行結果

程序實例ch4_6.py：將整數與浮點數分別以%d、%f、%s格式化，同時觀察執行結果。特別要注意的是，浮點數以整數%d格式化后，小數數據將被舍去。

執行結果

下列是使用%x和%X格式化數據輸出的實例。

下列是使用%e和%E格式化科學記數法數據輸出的實例。

4-2-3　精準控制格式化的輸出

在上述程序實例ch4_6.py中，我們發現最大的缺點是無法精確地控制浮點數的小數輸出位數，print( )函數在格式化過程中，可以讓我們設置保留多少格的空間讓文件做輸出，此時格式化的語法如下。

%（+|-）nd：格式化整數輸出。

%（+|-）m.nf：格式化浮點數輸出。

%（+|-）nx：格式化十六進制整數輸出。

%（+|-）no：格式化八進制整數輸出。

%（-）ns：格式化字符串輸出。

%（-）m.ns：m是輸出字符串寬度，n是顯示字符串長度，n小于字符串長度時會有裁減字符串的效果。

%（+|-）e：格式化科學記數法e輸出。

%（+|-）E：格式化科學記數法大寫E輸出。

上述格式對浮點數而言，m代表保留多少格數供輸出（包含小數點），n則是小數數據保留格數。至于其他的數據格式，n則是保留多少格數空間，如果保留格數空間不足將完整輸出數據，如果保留格數空間太多則數據靠右對齊。

如果是格式化數值數據或字符串數據有加上負號（-），表示保留格數空間有多余時，數據將靠左輸出。如果是格式化數值數據有加上正號（+），如果輸出數據是正值時，將在左邊加上正值符號。

程序實例ch4_7.py：格式化輸出的應用。

執行結果

程序實例ch4_8.py：格式化輸出，靠左對齊的實例。

執行結果

程序實例ch4_9.py：格式化輸出，正值數據將出現正號（+）。

執行結果

程序實例ch4_10.py：格式化輸出的應用。

執行結果

下面是格式化科學記數法e和E輸出的應用。

對于格式化字符串有一個特別的是使用“%m.n”方式格式化字符串，這時m是保留顯示字符串空間，n是顯示字符串長度，如果n的長度小于實際字符串長度，會有裁減字符串的效果。

4-2-4　format( )函數

這是Python增強版的格式化輸出功能，是字符串使用format方法做格式化的動作，基本使用格式如下：

    print("  …輸出格式區…  " .format( 變量系列區,  …  ））

在輸出格式區內的變量使用“{ }”表示。

程序實例ch4_11.py：使用format( )函數重新設計ch4_3.py。

執行結果　與ch4_3.py相同。

程序實例ch4_12.py：以字符串代表輸出格式區，重新設計ch4_11.py。

執行結果　與ch4_3.py相同。

在使用{ }代表變量時，也可以在{ }內增加編號n，此時n將是format( )內變量的順序，編號從0開始計算，變量多時方便了解變量的順序。

程序實例ch4_12_1.py：重新設計ch4_12.py，在{ }內增加編號。

執行結果

也可以在format( )內使用具名參數。

程序實例ch4_12_2.py：使用具名參數，重新設計ch4_12_1.py。

執行結果

也可以將4-2-2節所述格式化輸出數據的概念應用于format( )，例如，d是格式化整數、f是格式化浮點數、s是格式化字符串等。傳統的格式化輸出是使用%配合d、s、f，使用format則是使用“:”，可參考下列實例第5行。

程序實例ch4_12_3.py：計算圓面積，同時格式化輸出。

執行結果

在使用格式化輸出時默認是靠右輸出，也可以使用下列參數設置輸出對齊方式。

>：靠右對齊

<：靠左對齊

^：居中對齊

程序實例ch4_12_4.py：輸出對齊方式的應用。

執行結果

在使用format輸出時也可以使用填充字符，字符是放在“：”后面，在<、^、>或指定寬度之前。

程序實例ch4_12_5.py：填充字符的應用。

執行結果

4-2-5　字符串輸出與基本排版的應用

適度利用輸出格式，可以制作一封排版的信件，以下程序的前3行會先利用sp字符串變量建立一個含40格的空白格數，然后產生對齊效果。

程序實例ch4_12_6.py：有趣排版信件的應用。

執行結果

4-2-6　一個無聊的操作

程序實例ch4_12_6.py第2行，利用空格乘以40產生40個空格，功能是用于排版。如果將某個字符串乘以500，然后用print( )輸出，可以在屏幕上建立一個無聊的畫面。

實例：在屏幕上建立一個無聊的畫面。

上述實例是啟發讀者活用Python，可以產生許多意外的結果。

4-3　輸出數據到文件

在4-2-1節有講解在print( )函數中，默認輸出位置是屏幕（sys.stdout），其實可以利用這個特性將輸出導向一個文件。

4-3-1　打開一個文件open( )

open( )函數可以打開一個文件供讀取或寫入，如果這個函數執行成功，會返回文件流對象，這個函數的基本使用格式如下：

file_Obj = open(file, mode="r"）# 只列出最常用的兩個參數

file：用字符串列出要打開的文件，如果不指明路徑，則打開目前工作文件夾。

mode：打開文件的模式，如果省略代表是mode="r"，使用時如果mode="w"或其他，也可以省略“mode=”，直接寫“w”。也可以同時具有多項模式，例如，“wb”代表以二進制文件打開供寫入，可以是下列基本模式。下列是第一個字母的操作意義。

　"r"：這是默認值，打開文件供讀取（read）。

　"w"：打開文件供寫入，如果原先文件有內容將被覆蓋。

　"a"：打開文件供寫入，如果原先文件有內容，新寫入數據將附加在后面。

　"x"：打開一個新的文件供寫入，如果所打開的文件已經存在會產生錯誤。下列是第二個字母的意義，代表文件類型。

　"b"：打開二進制文件模式。

　"t"：打開文本文件模式，這是默認值。

file_Obj：這是文件對象，讀者可以自行命名，未來print( )函數可以將輸出導向此對象，不使用時要關閉file_Obj.close( )，才可以返回操作系統的文件管理器觀察執行結果。

4-3-2　使用print( )函數輸出數據到文件

程序實例ch4_13.py：將數據輸出到文件的實例，其中，輸出到out1.txt采用“w”模式，輸出到out2.txt采用“a”模式。

執行結果

這個程序執行后需到ch4文件夾查看執行結果內容，如果執行程序一次，可以得到out1.txt和out2.txt內容相同。但是如果持續執行，out2.txt內容會持續增加，out1.txt內容則保持不變，下列是檢查文件夾內容。

下列是執行兩次此程序后out1.txt和out2.txt的內容。

4-4　數據輸入input( )

這個input( )函數功能與print( )函數功能相反，會從屏幕讀取用戶從鍵盤輸入的數據，它的使用格式如下：

    value = input("prompt: "）

value是變量，所輸入的數據會存儲在此變量內，特別需注意的是所輸入的數據不論是字符串或是數值數據返回到value時一律是字符串數據，如果要執行數學運算需要用int( )函數轉換為整數。

程序實例ch4_14.py：認識輸入數據類型。

執行結果

程序實例ch4_15.py：基本數據輸入與運算。

執行結果

接下來的程序主要是處理中文名字與英文名字的技巧，假設要求使用者分別輸入姓氏（lastname）與名字（firstname），在中文中要處理成名字，可以使用下列字符串連接方式。

    fullname = lastname + firstname

在英文中首先名字在前面，姓氏在后面，同時中間有一個空格，因此處理方式如下：

    fullname = firstname + " " + lastname

程序實例ch4_16.py：分別輸入中文和英文的姓氏以及名字，本程序將會輸出名字組合并輸出問候語。

執行結果

4-5　處理字符串的數學運算eval( )

Python內有一個非常好用的計算數學表達式的函數eval( )，這個函數可以直接返回字符串內數學表達式的計算結果。

    result = eval(expression）  # expression是字符串

程序實例ch4_17.py：輸入公式，本程序可以列出計算結果。

執行結果

由上述執行結果可以發現，在第一個執行結果中輸入的是“5*9+10”字符串，eval( )函數可以處理此字符串的數學表達式，然后將計算結果返回，同時也可以發現即使此數學表達式之間有空字符也可以正常處理。

Windows操作系統有計算器程序，其實當我們使用計算器輸入運算公式時，就可以將所輸入的公式用字符串存儲，然后使用eval( )方法就可以得到運算結果。在ch4_15.py中input( )所輸入的數據是字符串，當時我們使用int( )將字符串轉成整數處理，其實也可以使用eval( )配合input( )，直接返回整數數據。

程序實例ch4_18.py：使用eval( )重新設計ch4_15.py 。

執行結果

一個input( )可以讀取一個輸入字符串，我們可以靈活運用多重指定在eval( )與input( )函數上，然后產生一行輸入多個數值數據的效果。

程序實例ch4_19.py：輸入3個數字，本程序可以輸出平均值，注意輸入時各數字間要用“,”隔開。

執行結果

4-6　列出所有內建函數dir( )

閱讀至此，相信讀者已經使用了許多Python內建的函數了，例如help( )、print( )、input( )等，讀者可能想了解到底Python提供哪些內建函數可供我們在設計程序時使用，可以使用下列方式列出Python所提供的內建函數。

    dir(_ _ builtins _ _） # 列出Python內建函數

實例：列出Python所有內建函數。

在本書中，筆者會依功能分類將常用的內建函數分別融入各章節主題中，如果讀者想了解某一個內建函數的功能，可參考4-1節使用help( )函數。

4-7　專題——溫度轉換/房貸問題/正五角形面積/利用經緯度計算距離

4-7-1　設計攝氏溫度和華氏溫度的轉換

攝氏溫度（Celsius，C）的由來是在標準大氣壓環境，純水的凝固點是0℃，沸點是100℃，中間劃分100等份，每個等份是攝氏1度。為了紀念瑞典科學家安德斯·攝爾修斯（Anders Celsius）對攝氏溫度定義的貢獻，所以稱為攝氏溫度（Celsius）。

華氏溫度（Fahrenheit，F）的由來是在標準大氣壓環境，水的凝固點是32℃、水的沸點是212℃，中間劃分180等份，每個等份是華氏1度。為了紀念德國科學家丹尼爾·加布里埃爾·華倫海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）對華氏溫度定義的貢獻，所以稱為華氏溫度（Fahrenheit）。

攝氏和華氏溫度互轉的公式如下：

攝氏溫度 = ( 華氏溫度 – 32 ）×5 / 9

華氏溫度 = 攝氏溫度×( 9 / 5 ） + 32

程序實例ch4_20.py：請輸入華氏溫度，這個程序會輸出攝氏溫度。

執行結果

4-7-2　房屋貸款問題

每個人在成長的過程中可能都會經歷買房子，第一次住在屬于自己的房子中是一個美好的經歷，大多數人在這個過程中可能需要向銀行貸款。這時會思考需要貸多少錢？貸款年限是多少？銀行利率是多少？然后可以利用上述已知資料計算每個月還款金額是多少，同時我們會好奇整個貸款結束究竟還了多少貸款本金和利息。在做這個專題分析時，已知的條件是：

貸款金額：使用loan當變量

貸款年限：使用year當變量

年利率：使用rate當變量

然后需要利用上述條件計算下列結果。

每月還款金額：使用monthlyPay當變量

總共還款金額：使用totalPay當變量

處理這個貸款問題的數學公式如下：

在銀行的貸款術語習慣使用年利率，所以碰上這類問題需要將所輸入的利率先除以100，這是轉成百分比，同時要除以12表示是月利率。可以用下列方式計算月利率，用monthrate當變量。

    monthrate = rate / (12*100）     # 第5行

為了不讓求每月還款金額的數學式變得復雜，將分子（第8行）與分母（第9行）分開計算，第10行是計算每月還款金額，第11行是計算總共還款金額。

程序實例ch4_21.py：請輸入貸款金額、貸款年限和年利率，程序會輸出每月還款金額和總共還款金額。

執行結果

4-7-3　正五角形面積

在幾何學中正五角形邊長假設是s，其面積的計算公式如下：

上述計算正五角形面積需要使用數學中的PI，雖然可以使用3.14159代替，不過筆者此處先引導讀者學習使用Python的數學模塊，有關模塊的概念將在第13章說明，此節將先教導讀者使用，可以使用“import math”導入此數學模塊。

程序實例ch4_22.py：請輸入正五角形的邊長s，此程序會計算此正五角形的面積。

執行結果

可以將上述概念擴充應用在正多邊形面積計算，相關概念可以參考習題13。

4-7-4　利用經緯度計算地球各城市間的距離

地球是圓的，我們可以使用經度和緯度來了解地球上每一個點的位置。有了兩個地點的經緯度后，可以使用下列公式計算彼此的距離。

    distance = r×acos(sin(x1）×sin(x2）+cos(x1）×cos(x2）×cos(y1-y2））

上述r是地球的半徑約6371千米，由于Python的三角函數都是弧度（radians）單位，我們使用上述公式時，需使用math.radian( )函數將角度轉成弧度。上述公式西經和北緯是正值，東經和南緯是負值。

經度坐標介于-180°～180°，緯度坐標是-90°～和90°，雖然我們習慣稱經緯度，在用小括號表達時卻是（緯度, 經度），也就是第一個參數放緯度，第二個參數放經度。

最簡單的獲得經緯度的方式是打開Google地圖，其實打開Google地圖后就可以在網址列看到我們目前所在地點的經緯度，選擇地點就可以在網址列看到所選地點的經緯度信息，可參考下方左圖。

由上圖可以知道中國臺北車站的經緯度是（25.0452909, 121.5168704），以上概念可以應用于查詢世界各地的經緯度，上方右圖是中國香港紅磡車站的經緯度（22.2838912, 114.173166），程序為了簡化小數取4位。

程序實例ch4_23.py：中國香港紅磡車站的經緯度信息是（22.2839, 114.1731），中國臺北車站的經緯度是（25.0452, 121.5168），請計算中國臺北車站至中國香港紅磡車站的距離。

執行結果

習題

1. 請重新設計第2章的習題4，將輸出方式改為下列方式。（4-2節）

2. 擴充ch4_10.py，最右邊增加平均分數字段，這個字段的格式化方式是%4.1f，相當于取到小數第1位。（4-2節）

3. 設計前一個程序，輸出到out.txt，最后用記事本顯示執行結果，下列是執行畫面。（4-3節）

下列是驗證out.txt結果。

4. 寫一個程序，要求用戶輸入3位數數字，最后舍去個位數字輸出，例如，輸入是777輸出是770，輸入是879輸出是870。（4-4節）

5. 請重新設計ch4_20.py，改為輸入攝氏溫度，轉成華氏溫度輸出，輸出溫度格式化到小數第1位。（4-4節）

6. 輸入厘米，轉成英寸輸出，輸出格式化到小數第1位。提示：1英寸約是2.54厘米。（4-4節）

7. 輸入英寸，轉成厘米輸出，輸出格式化到小數第1位。提示：1英寸約是2.54厘米。（4-4節）

8. 請重新設計ch2_5.py，將年利率和存款年數改為從屏幕輸入，輸出金額舍去小數相當于單位是元。（4-4節）

9. 請重新設計第2章的習題5，將火箭飛行速度改為從屏幕輸入，輸出舍去小數。（4-4節）

10. 請重新設計ch3_24.py，將速度speed改為從屏幕輸入馬赫數，程序會將速度馬赫數轉為千米/小時，然后才開始運算。（4-4節）

11. 請重新設計程序實例ch3_26.py，計算兩個點之間的距離，但是將點的坐標改為從屏幕輸入，一行需可以輸入x和y坐標，輸出到小數第2位。（4-5節）

12. 前一個習題的擴充，平面任意3個點可以產生三角形，請輸入任意3個點的坐標，可以使用下列公式計算此三角形的面積。假設三角形各邊長是dist1、dist2、dist3。（4-5節）

13. 在4-7-3節介紹了正五角形的面積計算公式，可以將該公式擴充為正多邊形面積計算，如下所示。（4-7節）

14. 請擴充ch4_23.py，將程序改為輸入兩個地點的經緯度，本程序可以計算這兩個地點的距離。（4-7節）

15. 假設一架飛機起飛的速度是v，飛機的加速度是a，下列是飛機起飛時所需的跑道長度公式。（4-7節）

請輸入飛機時速（米/秒）和加速速（米/秒），然后列出所需跑道長度（米）。

16. 北京故宮博物院的經緯度信息大約是（39.9196, 116.3669），法國巴黎羅浮宮的經緯度大約是（48.8595, 2.3369），請計算這兩個博物館之間的距離。（4-7節）