Python 3 für Studium und Ausbildung E-Book

Michael Weigend

• Herausgeber: MITP
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: mitp Professional
• Sprache: Deutsch

Veröffentlichungsjahr: 2022

Beschreibung

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

Leseprobe

Michael Weigend

Python 3 für Studium und Ausbildung

Einfach lernen und professionell anwenden

Impressum

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

ISBN 978-3-7475-0436-91. Auflage 2022

www.mitp.de

E-Mail: [email protected]: +49 7953 / 7189 - 079Telefax: +49 7953 / 7189 - 082

© 2022 mitp Verlags GmbH & Co. KG

Dieses Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

»Python« and the Python logos are trademarks or registered trademarks of the Python Software Foundation, used by mitp Verlags GmbH & Co. KG with permission from the Foundation.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Lektorat: Janina BahlmannSprachkorrektorat: Christine HofmeisterCovergestaltung: Christian KalkertBildnachweis: © Gstudio / stock.adobe.com, © ylivdesign / stock.adobe.comKastenicons: Tanja Wehr, sketchnoteloversAbbildungen & Grafiken: Michael WeigendSatz: Petra Kleinwegen

Dieses Ebook verwendet das ePub-Format und ist optimiert für die Nutzung mit dem iBooks-reader auf dem iPad von Apple. Bei der Verwendung anderer Reader kann es zu Darstellungs­problemen kommen.

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Der Verlag räumt Ihnen mit dem Kauf des ebooks das Recht ein, die Inhalte im Rahmen des gel­tenden Urheberrechts zu nutzen. Dieses Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheherrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfälti­gungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und Einspeicherung  und Verarbeitung in elektroni­schen Systemen.

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Für Lars Jonah

Inhalt

Impressum

Einleitung

Python in Studium und Ausbildung

Der Aufbau des Buchs

Achten Sie auf den Schrifttyp!

Programmtexte und Lösungen zum Download

1  Willkommen zu Python!

1.1  Die Programmiersprache Python

1.2  Was ist ein Algorithmus?

1.3  Syntax und Semantik

1.4  Interpreter und Compiler

1.5  Python installieren

1.6  Python im interaktiven Modus

1.7  Die Entwicklungsumgebung IDLE

1.8  Hotkeys für die IDLE-Shell

1.9  Anweisungen

1.9.1  Ausdruck

1.9.2  Funktionsaufruf

1.9.3  Zuweisung

1.9.4  Erweiterte Zuweisungen

1.10  Zahlen verarbeiten – Python als Taschenrechner

1.10.1  Operatoren

1.10.2  Variablen verwenden

1.11  Eine weitere Entwicklungsumgebung: Thonny

1.12  Notebooks mit Jupyter und CoLab

1.13  Rückblick

1.14  Übungen

1.15  Lösung der Frage: Semantik im Alltag

2  Datentypen – die Python-Typ-Hierarchie

2.1  Literale und die Funktion type()

2.2  Die Python-Typ-Hierarchie

2.3  Standard-Typen

2.3.1  Ganze Zahl (int)

2.3.2  Gleitkommazahl (float)

2.3.3  Komplexe Zahlen (complex)

2.3.4  Zeichenkette (str)

2.3.5  Tupel (tuple)

2.3.6  Liste (list)

2.3.7  Menge (set)

2.3.8  Dictionary (dict)

2.3.9  Wahrheitswerte – der Datentyp bool

2.3.10  NoneType

2.4  Gemeinsame Operationen für Kollektionen

2.4.1  Kollektion

2.4.2  Sequenz

2.5  Objekte eines Typs erzeugen – Casting

2.6  Dynamische Typisierung

2.7  Rückblick

2.8  Übung: Anweisungen

3  Interaktive Programme

3.1  Das erste Python-Skript

3.2  Das EVA-Prinzip

3.3  Kommentare

3.4  Projekt: Volumenberechnung

3.4.1  Kürzerer Programmtext durch verschachtelte Funktionsaufrufe

3.4.2  Aufruf der Funktion print() mit mehreren Argumenten

3.5  Python-Programme starten

3.5.1  Ausführung auf der Kommandozeile

3.5.2  Start durch Anklicken des Programm-Icons unter Windows

3.5.3  Python-Programme unter Linux – die Shebang-Zeile

3.5.4  Starten im Finder von macOS

3.6  Fehler finden

3.6.1  Syntaxfehler

3.6.2  Laufzeitfehler

3.6.3  Semantische Fehler

3.6.4  Tipps zum Fehlerfinden

3.7  Rückblick

3.8  Übungen

3.9  Lösungen zu den Fragen

4  Kontrollstrukturen

4.1  Programmverzweigungen

4.1.1  Einseitige Verzweigung (if)

4.1.2  Projekt: Passwort

4.1.3  Zweiseitige Verzweigung (if…else)

4.1.4  Projekt: Kinokarte

4.1.5  Fallunterscheidung (if...elif...else)

4.1.6  Projekt: Auskunftautomat

4.2  Das Layout von Python-Programmen: Zeilen und Blöcke

4.2.1  Block

4.2.2  Zeilenstruktur

4.3  Bedingungen konstruieren

4.3.1  Boolesche Werte

4.3.2  Boolesche Operatoren

4.3.3  Vergleichsketten

4.3.4  Projekt: Früchte erkennen

4.4  Bedingte Wiederholung – while

4.4.1  Projekt: Aufsummieren

4.4.2  Projekt: Planeten

4.4.3  Projekt: Wurzelberechnung (Mathematik)

4.4.4  Endloswiederholung

4.5  Iterationen – for

4.5.1  Wiederholungen mit range()

4.6  Rückblick

4.7  Übungen

4.8  Lösungen zu den Fragen

5  Funktionen

5.1  Warum definiert man Funktionen?

5.2  Definition und Aufruf einer Funktion

5.2.1  Projekt: Fallhöhe berechnen

5.3  Optionale Parameter und voreingestellte Werte

5.3.1  Erweiterung des Projekts: Fallhöhe auf unterschiedlichen Himmelskörpern

5.4  Eine Funktion in der Shell testen

5.5  Die return-Anweisung

5.5.1  Prozeduren

5.5.2  Wirkungen der return-Anweisung

5.6  Positionsargumente und Schlüsselwortargumente

5.7  Guter Programmierstil

5.7.1  Funktionsname

5.7.2  Funktionsannotationen

5.7.3  Docstring

5.7.4  Signatur

5.8  Die print()-Funktion unter der Lupe

5.9  Globale und lokale Namen

5.10  Rekursive Funktionen

5.10.1  Projekt: Die Berechnung der Fakultät

5.11  Lambda-Funktionen *

5.12  Funktionen als Argumente: map() und filter() *

5.12.1  Mapping

5.12.2  Filtern

5.13  Rückblick

5.14  Übungen

5.15  Lösungen zu den Fragen

6  Mit Modulen arbeiten

6.1  Importanweisungen

6.1.1  Ein Modul importieren

6.1.2  Funktionen aus einem Modul importieren

6.2  Mathematische Funktionen: Das Modul math

6.3  Zufallsfunktionen: Das Modul random

6.3.1  Projekt: Würfeln

6.3.2  Projekt: Wer ist der Nächste?

6.4  Datum und Zeit

6.4.1  Projekt: Uhrzeit

6.4.2  Projekt: Rechentrainer

6.5  Ein eigenes Modul erstellen

6.5.1  Projekt: Ein Modul zur Volumenberechnung

6.5.2  Welchen Vorteil haben Module?

6.6  Module aus dem Python Package Index (PyPI)

6.7  Rückblick

6.8  Übungen

7  Mit Kollektionen modellieren

7.1  Sequenzen

7.1.1  Listen

7.1.2  Tupel

7.1.3  Komplexe Sequenzen

7.1.4  Iteration über eine Liste aus Tupeln

7.1.5  Gemeinsame Operationen für Sequenzen

7.1.6  Spezielle Operationen für Listen

7.1.7  Sortieren

7.1.8  Eine Liste erzeugen

7.2  Projekt: Telefonliste

7.3  Dictionaries

7.3.1  Operationen für Dictionaries

7.3.2  Ein Dictionary ändern

7.4  Projekt: Vokabeltrainer

7.5  Projekt: Routenplaner

7.5.1  Verkehrswege und Graphen

7.5.2  Programmierung

7.6  Rückblick

7.7  Übungen

7.8  Lösungen zu den Fragen

8  Daten speichern

8.1  Wie werden Daten gespeichert?

8.1.1  Dateien öffnen

8.1.2  Stream-Methoden

8.1.3  Texte speichern und laden

8.1.4  Binärdateien und Bytestrings

8.1.5  Pfade im Verzeichnisbaum

8.2  Laufzeitfehler abfangen

8.2.1  try...except

8.2.2  try…except…finally

8.3  with-Anweisungen

8.4  Projekt: Logbuch

8.5  Datenstrukturen speichern und laden: Das Modul pickle

8.5.1  Speichern

8.5.2  Laden

8.6  Projekt: Digitaler Planer

8.7  Daten im JSON-Format speichern

8.7.1  Aufbau eines JSON-Texts

8.7.2  Die Grenzen von JSON

8.8  Projekt: Temperaturdaten

8.8.1  Writer

8.8.2  Reader

8.9  Daten aus dem Internet

8.10  Projekt: Digitale Bibliothek

8.11  Rückblick

8.12  Übung: News-Check

8.13  Lösungen zu den Fragen

9  Textverarbeitung

9.1  Unicode-Nummern für Zeichen

9.2  Escape-Sequenzen

9.3  Stringmethoden

9.4  Projekt: Goethes Wortschatz

9.5  Projekt: Wie warm wird es heute?

9.6  Ausblick: Reguläre Ausdrücke *

9.6.1  Was ist ein regulärer Ausdruck?

9.6.2  Aufbau eines regulären Ausdrucks

9.6.3  Textpassagen finden mit findall()

9.6.4  Platzhalter für Zeichen aus einer Zeichenmenge

9.6.5  Reguläre Ausdrücke verknüpfen

9.6.6  Quantoren

9.6.7  Sonderzeichen maskieren

9.6.8  Gieriges oder nicht gieriges Finden

9.6.9  Webscraping mit regulären Ausdrücken

9.7  Texte mit variablen Teilen

9.7.1  Formatierung

9.7.2  Platzhalter mit Namen

9.7.3  Formatangaben für Platzhalter

9.8  Projekt: Textanalyse

9.9  Projekt: Storytelling

9.10  Rückblick

9.11  Übungen

9.12  Lösungen zu den Fragen

10  Zugriff auf die Systemumgebung

10.1  Schnittstelle zum Betriebssystem: Das Modul os

10.2  Suchen und Eigenschaften ermitteln

10.2.1  Unterverzeichnisse ausgeben

10.2.2  Verzeichnisbaum durchlaufen

10.3  Dateien und Verzeichnisse anlegen und umbenennen

10.3.1  Projekt: Bilddateien umbenennen

10.4  Das Modul sys – die Schnittstelle zum Laufzeitsystem

10.4.1  Informationen über die aktuelle Systemumgebung abfragen

10.4.2  Kommandozeilenargumente abfragen

10.4.3  Blick hinter die Kulissen: Speicherverwaltung *

10.4.4  Zugriff auf Module

10.4.5  Die Standardausgabe in eine Datei umleiten

10.5  Rückblick

10.6  Übungen

10.7  Lösung zu der Frage: Welcher Kommentar passt?

11  Grafische Benutzungsoberflächen

11.1  Widgets

11.2  Das Anwendungsfenster Tk

11.3  Ein Widget einfügen

11.4  Das Aussehen der Widgets gestalten

11.4.1  Die Größe eines Widgets

11.5  Gemeinsame Methoden der Widgets

11.6  Schaltflächen und Eventhandler

11.6.1  Projekt: Motivator

11.7  Das Layout verfeinern

11.8  Raster-Layout

11.9  Projekt: 25 Farben – ein automatisches Farbfelder-Bild

11.10  Widgets zur Texteingabe

11.10.1  Einzeilige Eingabe: Das Entry-Widget

11.10.2  Mehrzeilige Eingabe: Das Text-Widget

11.10.3  Projekt: Reimen mit Goethe

11.11  Radiobuttons

11.11.1  Projekt: Währungsrechner

11.12  Dialogboxen

11.12.1  Projekt: Texteditor

11.13  Parallele Abläufe: Threads

11.13.1  Ein Experiment: Countdown

11.13.2  Eine Funktion in einem eigenen Thread ausführen

11.14  Rückblick

11.15  Übungen

11.16  Lösungen zu den Fragen

12  Grafik programmieren

12.1  Bilder auf Schaltflächen und Labels

12.1.1  Projekt: Würfelspiel

12.1.2  Bilder verändern

12.1.3  Projekt: Graustufen

12.2  Canvas

12.2.1  Flächen gestalten

12.2.2  Linien gestalten

12.2.3  ID-Nummern: Elemente löschen oder bewegen

12.3  Projekt: Creative Coding

12.4  Die Python Imaging Library (PIL)

12.4.1  Ein Image-Objekt aus einer Datei gewinnen

12.4.2  Ein Image-Objekt ohne Datei erzeugen

12.4.3  Attribute und Methoden von Image-Objekten

12.4.4  Bilder über Listen verarbeiten

12.4.5  Bilder einfügen

12.4.6  Projekt: Greenscreen

12.4.7  PIL.Image-Objekte in tkinter-Anwendungen

12.4.8  Projekt: Webcam-Viewer

12.5  Rückblick

12.6  Übungen

13  Fehler finden und vermeiden

13.1  Zusicherungen

13.2  Tracing

13.2.1  Beispiel: Quicksort

13.3  Debugging mit IDLE

13.3.1  Der Debugger der Python-Shell

13.3.2  Das Programm schrittweise durchlaufen

13.3.3  Haltepunkte setzen

13.4  Debugging mit Thonny

13.5  Rückblick

13.6  Lösungen zu den Fragen

14  Objektorientierte Programmierung

14.1  Klassen und Objekte

14.1.1  Was ist Objektorientierung?

14.1.2  Klassen entwerfen und grafisch darstellen – UML

14.1.3  Definition einer Klasse

14.1.4  Objekte einer Klasse erzeugen: Instanziierung

14.1.5  Auf Attribute zugreifen

14.1.6  Methoden aufrufen

14.1.7  Objekte mit variablen Anfangswerten

14.1.8  Metaphern in der Programmierung

14.2  Projekt: Geld

14.2.1  Mit Geld-Objekten rechnen

14.2.2  Klassenattribute

14.2.3  Operatoren überladen – Polymorphie

14.3  Magische Methoden

14.4  Projekt: Abrechnung

14.5  Vererbung

14.6  Projekt: Farbtester

14.7  Projekt: Zahlenregen

14.8  Rückblick

14.9  Übungen

14.10  Lösungen zu den Fragen

15  Datenbanktechnik

15.1  Was ist ein Datenbanksystem?

15.2  Eine Datenbank entwerfen – das Entity-Relationship-Diagramm (ER)

15.3  Relationale Datenbanken

15.4  Relationen mit Python darstellen *

15.4.1  Menge von Tupeln

15.4.2  Benannte Tupel (named tuples)

15.5  Das Modul sqlite3 – Schnittstelle zu einer SQL-Datenbank

15.5.1  Mit SQL Tabellen anlegen und Tupel eintragen

15.5.2  Mit sqlite3 eine SQLite-Datenbank aufbauen

15.5.3  Formulierung von Anfragen (Queries) mit SQL

15.5.4  Datenbankanfragen in Python-Programmen

15.5.5  SQL-Anweisungen mit variablen Teilen

15.6  Projekt: Zitatesammlung

15.6.1  ER-Diagramm

15.6.2  Tabellen (Beispiel)

15.6.3  Administration der Zitatesammlung

15.6.4  Nach Zitaten suchen

15.7  Rückblick

15.8  Übungen

15.9  Lösungen zu den Fragen

16  Wissenschaftliche Projekte

16.1  NumPy – Rechnen mit Arrays

16.1.1  Arrays

16.1.2  Indizieren

16.1.3  Slicing

16.1.4  Arrays verändern

16.1.5  Arithmetische Operationen

16.1.6  Funktionen, die elementweise ausgeführt werden

16.1.7  Matrizenmultiplikation mit dot()

16.1.8  Array-Funktionen und Achsen

16.2  Datenvisualisierung mit matplotlib

16.2.1  Liniendiagramme

16.2.2  Mehrere Linien in einem Diagramm

16.2.3  Histogramme

16.2.4  Projekt: Würfeln

16.2.5  Heatmaps

16.3  Projekt: Bewegungsprofil

16.4  Google Colaboratory – Colab

16.4.1  Ein Colab-Notebook erzeugen

16.4.2  Text-Zellen

16.4.3  Bilder einfügen

16.4.4  Notebooks speichern und öffnen

16.5  Projekt: Füchse und Hasen – Simulation eines Räuber-Beute-Systems

16.5.1  Notebooks teilen

16.6  Rückblick

16.7  Übungen

16.8  Lösungen zu den Fragen

17  Dynamische Webseiten: CGI und WSGI

17.1  Dynamische Webseiten mit CGI

17.1.1  Projekt: Wie spät ist es?

17.1.2  Die Ausgabe eines CGI-Skripts

17.1.3  Wie ist ein CGI-Skript aufgebaut?

17.1.4  CGI-Skripte unter Windows

17.1.5  Aufruf mit dem Webbrowser

17.1.6  Ein HTTP-Server

17.1.7  Zugriff von einem anderen Computer im lokalen Netz

17.2  Interaktive Webseiten

17.2.1  Eingabekomponenten in einem HTML-Formular

17.2.2  Verarbeitung von Eingabedaten mit FieldStorage

17.3  Wie verarbeitet man Umlaute? *

17.4  Dynamische Webseiten mit WSGI

17.4.1  Das Applikationsobjekt

17.4.2  Skripte mit eigenem HTTP-Server – das Modul wsgiref

17.5  Projekt: Wie spät ist es? (II)

17.6  Projekt: Umfrage

17.6.1  Die HTML-Schablonen

17.6.2  Der algorithmische Teil

17.7  Einen Hosting-Dienst nutzen

17.7.1  Python Anywhere

17.7.2  Das vorgefertigte OWSGI-Programm ausprobieren

17.7.3  Projekt: Wie spät ist es? (III)

17.7.4  WSGI-Projekte modularisieren

17.8  Rückblick

17.9  Übungen

17.10  Lösung zur Frage: Interaktive Webseite

18  Professionelle Software-Entwicklung

18.1  Die Laufzeit von Programmen

18.1.1  Schnelles Sortieren – Quicksort versus Straight Selection

18.1.2  Performance-Analyse mit dem Profiler

18.2  Agile Software-Entwicklung

18.2.1  Software Engineering

18.2.2  Einige Grundideen der agilen Software-Entwicklung

18.3  Projekt: Digitales Notizbuch

18.3.1  Stories

18.3.2  Erste Iteration

18.3.3  Zweite Iterationen

18.3.4  Refactoring

18.3.5  Neue Stories und Änderbarkeit

18.4  Test Driven Development mit doctest

18.5  Übung: Ticketbuchung

Glossar

  Kapitel 1               

  Kapitel 2