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書名： Python數據科學零基礎一本通
作者名：洪錦魁
本章字數： 4217字
更新時間： 2020-07-03 10:52:19

第2章　認識變量與基本數學運算

本章摘要

2-1　用Python做計算

2-2　認識變量

2-3　認識程序的意義

2-4　認識注釋的意義

2-5　Python變量與其他程序語言的差異

2-6　變量的命名原則

2-7　基本數學運算

2-8　指派運算符

2-9　Python等號的多重指定使用

2-10　刪除變量

2-11　Python的斷行

2-12　專題——復利計算/計算圓面積與圓周長

本章將從基本數學運算開始，一步一步講解變量的使用與命名，接著介紹Python的算術運算。

2-1　用Python做計算

假設讀者到麥當勞打工，一小時可以獲得120元，如果想計算一天工作8小時，可以獲得多少工資，可以用計算器執行120×8，然后得到執行結果。在Python Shell中，可以使用下列方式計算。

如果一年實際工作天數是300天，可以用下列方式計算一年所得。

如果讀者一個月的花費是9000元，可以用下列方式計算一年可以存儲多少錢。

上述先計算一年的花費，再用一年的收入減去一年的花費，可以得到所存儲的金額。本章將一步一步推導應如何以程序思想，處理一般的運算問題。

2-2　認識變量

2-2-1　基本概念

變量是一個暫時存儲數據的地方，對于2-1節的內容而言，如果時薪從120元調整到125元，想要重新計算一年可以存儲多少錢，將發現所有的計算需要重新開始。為了解決這個問題，可以考慮將時薪設為一個變量，未來如果調整薪資，直接更改變量內容即可。

在Python中可以用“=”設置變量的內容，在這個實例中，建立了一個變量x，然后用下列方式設置時薪。

如果想要用Python列出時薪，可以使用print( )函數。

如果時薪從120元調整到125元，那么可以用下列方式表達。

注　在Python Shell環境，也可以直接輸入變量名稱，即可獲得執行結果。

一個程序中是可以使用多個變量的，如果想計算一天工作8小時，一年工作300天，可以賺多少錢，假設用變量y表示一年工作所賺的錢，可以用下列方式計算。

如果每個月花費是9000元，使用變量z表示每個月的花費，可以用下列方式計算每年的花費，使用a表示每年的花費。

如果想計算每年可以存儲多少錢，使用b表示每年所存儲的錢，可以使用下列方式計算。

上述語句順利地使用Python Shell計算了每年可以存儲多少錢，可是上述使用Python Shell做運算潛藏的最大問題是，只要過了一段時間，我們可能忘記當初所有設置的變量是代表什么意義。因此在設計程序時，如果可以為變量取個有意義的名稱，未來看到程序時，可以比較容易記得。下列是筆者重新設計的變量名稱。

時薪：hourly_salary，用此變量代替x，即每小時的薪資。

年薪：annual_salary，用此變量代替y，即一年工作所賺的錢。

月支出：monthly_fee，用此變量代替z，即每個月的花費。

年支出：annual_fee，用此變量代替a，即每年的花費。

年存儲：annual_savings，用此變量代替b，即每年所存儲的錢。

如果現在使用上述變量重新設計程序，可以得到下列結果。

相信經過上述說明，讀者應該了解變量的基本意義了。

2-2-2　認識變量的地址

Python是一種動態語言，它處理變量的過程與一般靜態語言不同。對于靜態語言而言，例如C、C++，當聲明變量時內存就會預留空間存儲此變量的內容，例如，若聲明與定義x=10, y=10時，內存內容如下方左圖所示。

對于Python而言，變量所使用的是參照（reference）地址的觀念，設置一個變量x等于10時，Python會在內存某個地址存儲10，此時我們建立的變量x好像是一個標志（tags），標志內容是存儲10的內存地址。如果有另一個變量y也是10，則變量y的標志內容也是存儲10的內存地址，如上方右圖所示。

使用Python可以使用id( )函數獲得變量的地址，可參考下列語法。

實例：列出變量的地址，相同內容的變量會有相同的地址。

2-3　認識程序的意義

延續上一節的實例，如果時薪改變、工作天數改變或每個月的花費改變，所有輸入與運算都要重新開始，而且每次都要重新輸入程序代碼，這是一件很費勁的事，同時很可能會輸入錯誤，為了解決這個問題，可以使用Python Shell打開一個文件，將上述運算存儲在文件內，這個文件就是所謂的程序。未來有需要時，再打開重新運算即可。

程序實例ch2_1.py：使用程序計算每年可以存儲多少錢，下面是整個程序設計。

執行結果

未來時薪改變、工作天數改變或每個月的花費改變時，只要適度修改變量內容，就可以獲得正確的執行結果。

2-4　認識注釋的意義

程序ch2_1.py中盡管已經為變量設置了有意義的名稱，但時間一久，常常還是會忘記各個指令的內涵。所以筆者建議，設計程序時，應適度地為程序代碼加上注釋。在1-10節已經講解了注釋的方法，下面將直接以實例說明。

程序實例ch2_2.py：重新設計程序ch2_1.py，為程序代碼加上注釋。

執行結果　與ch2_1.py相同。

相信經過上述注釋后，即使再過10年，只要一看到程序也可輕松了解整個程序的意義。

2-5　Python變量與其他程序語言的差異

許多程序語言變量在使用前需要先聲明，Python對于變量的使用則是可以在需要時，再直接設置使用。有些程序語言在聲明變量時，需要設置變量的數據類型，Python則不需要設置，它會針對變量值的內容自行設置數據類型。

2-6　變量的命名原則

Python對于變量的命名，在使用時有一些規則要遵守，否則會造成程序錯誤。

（1）必須由英文字母、_（下畫線）或中文開頭，建議使用英文字母。

（2）變量名稱只能由英文字母、數字、_（下畫線）或中文組成。

（3）英文字母大小寫是敏感的，例如，Name與name被視為不同變量名稱。

（4）Python系統保留字（或稱關鍵詞）不可當作變量名稱，會讓程序產生錯誤，Python內建函數名稱不建議當作變量名稱。

注：雖然變量名稱可以用中文，不過筆者不建議使用中文，將來可能會有兼容性的問題。

下列是不可當作變量名稱的Python系統保留字。

下列是不建議當作變量名稱的Python系統內建函數，若是不小心將系統內建函數名稱當作變量，程序本身不會錯誤，但是原函數功能會喪失。

實例1：下列是一些不合法的變量名稱。

實例2：下列是一些合法的變量名稱。

    SUM
    _fg
    x5
    總和

實例3：下列3個代表不同的變量。

    SUM
    Sum
    sum

2-7　基本數學運算

2-7-1　四則運算

Python的四則運算是指加（ + ）、減（ - ）、乘（ * ）和除（ / ）。

實例1：下列是加法與減法運算實例。

實例2：乘法與除法運算實例。

2-7-2　余數和整除

余數（mod）所使用的符號是“%”，可計算出除法運算中的余數。整除所使用的符號是“//”，是指除法運算中只保留整數部分。

實例：余數和整除運算實例。

其實在程序設計中求余數是非常有用的，例如，如果要判斷數字是奇數或偶數可以用%，例如"num % 2"，如果num是奇數，所得結果是1；如果num是偶數，所得結果是0。當讀者學會更多指令后，筆者會做更多的應用說明。

2-7-3　次方

次方的符號是“**”。

實例：平方、次方的運算實例。

2-7-4　Python語言控制運算的優先級

Python語言碰上計算式同時出現在一個指令內時，除了括號“( )”內部運算最優先外，其余計算優先次序如下。

（1）次方；

（2）乘法、除法、求余數（%）、求整數（//），彼此依照出現順序運算；

（3）加法、減法，彼此依照出現順序運算。

實例：Python語言控制運算的優先級的應用。

2-8　指派運算符

常見的指派運算符如下。

實例：指派運算符的實例說明。

2-9　Python等號的多重指定使用

使用Python時，可以一次設置多個變量等于某一數值。

實例1：設置多個變量等于某一數值的應用。

Python也允許多個變量同時指定不同的數值。

實例2：設置多個變量，每個變量有不同值。

當執行上述多重設置變量值后，甚至可以執行更改變量內容。

實例3：將兩個變量內容交換。

上述原先x, y分別設為10, 20，但是經過多重設置后變為20, 10。其實可以使用多重指定更靈活地應用Python，在2-7-2節有求商和余數的實例，可以使用divmod( )函數一次獲得商和余數，可參考下列實例。

上述使用了divmod（9,5）方法一次獲得了元組值（1,4），第8章會介紹元組，然后使用多重指定將此元組（1,4）分別設置給x和y變量。

2-10　刪除變量

程序設計時，如果某個變量不再需要，可以使用del指令將此變量刪除，相當于可以收回原變量所占的內存空間，以節省內存空間。刪除變量的格式如下：

    del 變量名稱

實例：驗證變量名稱回收后，將無法再使用。此例中嘗試輸出已刪除的變量，然后程序出現錯誤消息。

2-11　Python的斷行

2-11-1　一行有多個語句

在Python中允許一行有多個，彼此用“;”隔開即可，盡管Python有提供此功能，不過筆者不鼓勵如此撰寫程序代碼。

程序實例ch2_3.py：一行有多個語句的實例。

執行結果

2-11-2　將一個語句分成多行

在設計大型程序時，常會碰上一個語句很長，需要分成兩行或更多行撰寫，此時可以在語句后面加上“\”符號，Python解釋器會將下一行的語句視為這一行的語句。特別注意，在“\”符號右邊不可以加上任何符號或文字，即使是注釋符號也是不允許的。

另外，也可以在語句內使用小括號，如果使用小括號，就可以在語句右邊加上注釋符號。

程序實例ch2_4.py：將一個語句分成多行的應用。

執行結果

2-12　專題——復利計算/計算圓面積與圓周長

2-12-1　銀行存款復利的計算

程序實例ch2_5.py：銀行存款復利的計算。假設目前銀行年利率是1.5%，復利公式如下：

    本金和 = 本金×(1 + 年利率）ⁿ     # n是年

現有一筆5萬元存款，請計算5年后的本金和。

執行結果

2-12-2　計算圓面積與周長

程序實例ch2_6.py：假設圓半徑是5cm，圓面積與圓周長計算公式分別如下：

執行結果

在程序語言的設計中，有一個概念是常量（named constant），這種常量是不可更改內容的。上述計算圓面積或圓周長所使用的PI是圓周率，這是一個固定的值，由于Python語言沒有提供此常量（names constant）的語法，上述程序筆者用大寫PI當作常量的變量，這是一種習慣，未來讀者可以用這種方式處理固定內容的變量。