Python 環境設定包含安裝直譯器、使用 pip 管理套件以及熟悉命令列操作。初學者可以利用互動式 Shell 測試程式碼，並使用 IDE 提升開發效率。良好的目錄結構有助於專案管理，例如將程式碼、測試和檔案分開存放。Python 語法簡潔易讀，使用縮排區分程式碼區塊，並支援內嵌註解提升程式碼可讀性。變數指定無需宣告型別，Python 會自動判斷。算術、關係、比較和邏輯運算元是程式流程控制的基礎。字串操作包含連線、重複、索引和切片。複合資料型別如列表、元組、字典和集合，則用於處理資料集合。運算元優先順序遵循數學慣例，括號可調整運算順序。輸入輸出操作使用 input() 和 print() 函式，格式化字串簡化輸出格式控制。錯誤處理和輸出重定向也是重要的技巧。
Python 程式設計與演算法導論
本章節將介紹 Python 程式設計和演算法分析的基礎知識。內容涵蓋如何設定 Python 環境、安裝必要的軟體，以及撰寫基本的指令碼。我們將探討 Python 的核心語法、資料型態和運算元，以建立穩固的計算基礎。同時，本章也會介紹基本的演算法概念及其在問題解決中的角色，幫助讀者具備進一步探索程式設計和演算法所需的初步技能。
1.1 開始使用 Python
學習 Python 的第一步是建立一個可用的工作環境，以便撰寫、執行和除錯程式碼。首先，需要下載並安裝 Python 本身。Python 可以從官方網站取得，該網站提供了適用於 Windows、macOS 和多種 Linux 發行版的安裝程式。建議使用最新的穩定版本，因為它通常包含相較於先前版本的改進和安全更新。安裝過程非常簡單：下載安裝程式，執行它，並按照逐步指示進行。在 Windows 上安裝時，通常會有一個選項可以將 Python 新增到系統 PATH，這對於從任何命令提示字元執行 Python 命令至關重要。對於使用 Unix-based 系統的使用者，Python 有時會預先安裝；然而，如果需要，通常會安裝較新的版本。安裝完成後，可以透過開啟終端機或命令提示字元並執行以下命令來驗證設定：
python --version
通常，輸出會顯示已安裝的版本，例如：
Python 3.10.4
這確認了直譯器已正確安裝並可從終端機存取。正確設定的 Python 環境是建立強健程式設計工作流程的基礎。
安裝 Python 後，下一步是撰寫您的第一個指令碼。Python 中的指令碼只是一個包含 Python 程式碼的檔案，直譯器可以執行它。首先，開啟任何基本文字編輯器或整合開發環境（IDE），例如 IDLE、Visual Studio Code 或 PyCharm。建立一個新檔案，並將其儲存為 .py 副檔名，例如 hello.py。在檔案中，您可以撰寫一個簡單的命令，將文字輸出到控制檯，這是熟悉語言語法的理想起點。以下程式碼片段展示了一個基本的 Python 指令碼：
print("Hello, world!")
上述命令使用了內建函式 print()，將引號內的字串輸出到螢幕上。要執行指令碼，請在檔案儲存的目錄中開啟終端機，並執行以下命令：
python hello.py
執行後，控制檯應顯示預期的訊息：
Hello, world!
這個簡單的練習介紹了幾個關鍵方面：撰寫原始碼、將其儲存在檔案中，以及使用 Python 直譯器執行它。隨著進展，瞭解程式碼編輯器和直譯器之間的互動將變得越來越重要。
內容解密：
- 安裝 Python：首先，從官方網站下載並安裝 Python。確保選擇最新的穩定版本，以獲得最新的功能和安全更新。
- 驗證安裝：透過在終端機或命令提示字元中執行
python --version來確認 Python 已正確安裝。 - 撰寫第一個 Python 指令碼：使用文字編輯器或 IDE 建立一個
.py檔案，並撰寫簡單的print()命令來輸出訊息。 - 執行 Python 指令碼：在終端機中導航到指令碼所在的目錄，並使用
python 指令碼名稱.py命令執行它。 - 理解基本互動：學習如何撰寫、儲存和執行 Python 程式碼，是進一步學習程式設計的基礎。
本章節介紹了建立 Python 程式設計環境的基本步驟，包括安裝 Python、驗證安裝、以及撰寫和執行第一個 Python 指令碼。透過這些步驟，讀者可以建立一個穩固的基礎，以便進一步學習 Python 程式設計和演算法分析。接下來的章節將探討更多關於 Python 語法、資料結構和演算法的內容，幫助讀者全面掌握程式設計的核心概念。
建立Python環境與核心語法解析
在開始Python程式設計之前，建立一個功能完整的Python環境是至關重要的第一步。這不僅包括安裝Python直譯器，還需要熟悉如何使用互動式Python shell、管理外部函式庫以及理解檔案系統的操作。這些基礎知識將為後續更複雜的程式設計任務奠定堅實的基礎。
互動式Python Shell的使用
Python的互動式shell提供了一個即時回饋的環境，讓使用者能夠直接輸入Python指令並立即看到執行結果。這對於測試函式、進行快速計算或學習Python內建功能非常有幫助。當你啟動Python直譯器進入互動模式時，通常會看到類別似於 >>> 的提示符號。
內容解密：
- 在互動式shell中，可以直接輸入Python指令，例如：
print("Interactive mode active")，並立即看到輸出結果。 - 這種即時執行的特性有助於更深入地理解基本操作和偵錯概念。
使用pip管理外部函式庫
pip是Python的套件管理工具，用於安裝和管理第三方函式庫。要驗證pip是否已安裝，可以執行 pip --version 指令。如果需要安裝新的函式庫，例如numpy，可以使用 pip install numpy 指令。
內容解密：
- pip是Python安裝時通常會包含的工具，用於安裝第三方模組。
- 透過pip，可以輕鬆安裝和管理專案所需的外部函式庫。
檔案系統與命令列介面（CLI）操作
在進行Python程式設計時，熟悉檔案系統的操作和命令列介面是必不可少的。使用者需要了解如何導航目錄、執行命令以及組織專案檔案。
內容解密：
- 在Windows系統中，可以使用
dir指令列出目錄內容。 - 在macOS或Linux系統中，則可以使用
ls -l指令達到相同的效果。 - 使用
cd指令可以在不同目錄之間切換，這對於管理工作流程至關重要。
使用IDE提升程式設計體驗
許多初學者發現，使用整合開發環境（IDE）可以提升程式設計體驗。IDE提供了諸如語法高亮、程式碼自動完成、偵錯工具和專案管理等功能。Visual Studio Code是一個廣受推薦的選擇，因為它具有豐富的外掛支援和簡單的組態過程。
內容解密：
- IDE提供了整合的開發環境，讓使用者可以在一個地方編寫、測試和偵錯程式碼。
- Visual Studio Code是一個功能強大且易於組態的IDE，非常適合Python開發。
建立最佳實踐的目錄和檔案組織
隨著專案變得越來越複雜，保持程式碼檔案的有序變得至關重要。通常會為原始碼、測試和檔案建立獨立的目錄。這種做法為後續的版本控制和偵錯奠定了基礎。
內容解密：
- 為原始碼、測試和檔案建立獨立的目錄，有助於保持專案的整潔和組織。
- 這種做法對於未來的軟體工程學習至關重要。
Python核心語法與資料型別
Python的語法設計注重可讀性和簡潔性，主要透過使用清晰一致的語言結構來實作。Python使用縮排來定義程式碼區塊，而不是使用大括號或關鍵字。這種方法強制了統一的格式，使指令碼更容易閱讀。
程式碼範例：
if 5 > 3:
print("Five is greater than three")
內容解密：
- Python使用縮排來定義程式碼區塊，這使得程式碼更具可讀性。
- 在上述範例中，
print陳述式縮排在if區塊內，明確了其作用範圍。
結合實務經驗與技術深度
在設定Python環境和學習核心語法的過程中，結合實務經驗和技術深度是非常重要的。透過實際操作和不斷練習，可以更深入地理解Python的運作原理和最佳實踐。這不僅有助於提升程式設計技能，也為後續學習更進階的主題奠定了堅實的基礎。
Python 程式設計基礎
Python 語言以其簡潔易讀的語法著稱，縮排的使用對於控制程式碼結構至關重要。Python 使用縮排來決定陳述式的分組，這使得程式碼更具可讀性。此外，Python 支援使用井號（#）符號的內嵌註解。任何在 # 字元之後的內容都會被直譯器忽略，這對於新增說明或在偵錯過程中暫時停用程式碼非常有用。
註解與程式碼可讀性
# 這是一個註解，說明下一行程式碼的功能
print("Python 很容易學習！") # 輸出訊息
變數指定與資料型別
Python 中的變數指定不需要明確的型別宣告。這種動態型別系統允許變數在程式的生命週期中儲存不同型別的值。變數在指定給它值的瞬間就被建立了。考慮以下指定範例：
counter = 10
pi_value = 3.14159
message = "Hello, Python!"
is_valid = True
在這裡，變數 counter 被賦予一個整數，pi_value 一個浮點數，message 一個字串，而 is_valid 一個布林值。Python 的動態型別系統會在執行時自動識別這些值的型別。內建函式 type() 可以用來識別變數的資料型別，如下所示：
print(type(counter)) # 預期輸出：<class 'int'>
print(type(pi_value)) # 預期輸出：<class 'float'>
print(type(message)) # 預期輸出：<class 'str'>
print(type(is_valid)) # 預期輸出：<class 'bool'>
內容解密：
- 變數指定：在 Python 中，無需宣告變數的型別，直接指定即可建立變數。
- 動態型別系統：Python 的變數型別是在執行時根據所賦的值自動確定的。
type()函式：用於檢查變數的資料型別。
算術運算元
算術運算元對於在 Python 中執行數學計算至關重要。基本的算術運算元包括加法（+）、減法（-）、乘法（*）、除法（/）、整數除法（//）、模數（%）和指數運算（**）。例如：
a = 8
b = 3
addition = a + b # 11
subtraction = a - b # 5
multiplication = a * b # 24
division = a / b # 2.666...
integer_division = a // b # 2
modulus = a % b # 2
exponentiation = a ** b # 512
內容解密：
- 算術運算元：Python 提供多種算術運算元來執行數學計算。
- 除法運算：Python 處理浮點數除法時會自動將結果轉換為浮點數。
- 模數運算元：傳回兩個整數相除的餘數。
- 指數運算：計算一個數的指定次方。
關係與比較運算元
關係與比較運算元允許根據邏輯關係評估表示式。諸如相等（==）、不等於（!=）、大於（>）、小於（<）、大於或等於（>=）和小於或等於（<=）等運算元在制定決策陳述式中至關重要。例如：
x = 15
y = 20
print(x == y) # False
print(x != y) # True
print(x < y) # True
print(x >= y) # False
內容解密：
- 比較運算元：用於比較兩個值的大小或相等關係。
- 邏輯表示式：用於根據條件進行決策。
邏輯運算元
邏輯運算元如 and、or 和 not 使您能夠將多個關係表示式組合成更複雜的條件。以下表達式示範了邏輯運算元的使用：
age = 25
has_id = True
# 同時檢查年齡是否至少18歲以及是否持有身份證明
if age >= 18 and has_id:
print("允許進入。")
內容解密：
and邏輯運算元：只有當兩個條件都為真時，才會執行相關操作。- 條件判斷：用於根據多個條件進行決策。
字串操作
Python 的字串型別（str）非常靈活。字串可以用單引號、雙引號或三引號括起來，用於多行文字。基本字串操作包括使用 + 運算元進行連線，使用 * 運算元進行重複，以及使用索引和切片存取個別字元或字串的子集。例如：
greeting = "Hello"
name = "World"
full_message = greeting + ", " + name + "!" # 連線字串
echo = greeting * 3 # 重複字串
# 索引和切片操作
first_letter = greeting[0] # 'H'
subset = full_message[7:12] # 'World'
print(full_message)
內容解密：
- 字串連線：使用
+將多個字串合併成一個。 - 字串重複：使用
*重複一個字串多次。 - 索引和切片：用於存取字串中的特定字元或部分。
複合資料型別
除了基本資料型別外，Python還提供了多種複合資料型別，這些是語言功能性的核心。列表（list）、元組（tuple）、字典（dictionary）和集合（set）型別用於收集和操作物件群組。列表是有序且可變的序列，可以儲存不同型別的專案。例如：
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
numbers.append(6) # 在列表末尾新增元素
first_item = numbers[0] # 存取列表的第一個元素
內容解密：
- 列表操作：列表可以動態新增或修改元素。
- 元組與列表的區別：元組是不可變的，而列表是可變的。
表示式與運算元優先順序
Python中的表示式是透過組合文字、變數、運算元和函式呼叫來產生新值的結果。基本的算術表示式，如 3 + 4 * 2，會按照標準的運算元優先順序規則進行評估。Python遵循慣用的運算元優先順序規則，即先進行乘法和除法，然後才是加法和減法。使用括號可以改變這個順序，確保表示式按照預期的順序計算。例如：
result = (3 + 4) * 2 # 結果為14，而不是11
內容解密：
- 運算元優先順序：決定了表示式中各部分的計算順序。
- 使用括號控制計算順序：可以明確指定計算順序，避免混淆。
基本輸入/輸出操作
Python 的互動性主要透過輸入/輸出操作來實作，這對於開發能夠與使用者溝通的程式至關重要。Python 提供了內建函式，能夠從標準輸入裝置（通常是鍵盤）捕捉使用者輸入，並將輸出顯示到終端。
使用 input() 函式取得使用者輸入
input() 函式是取得使用者資料的主要手段。該函式等待使用者輸入回應，並將輸入作為字串傳回。由於傳回的資料始終是字串，因此在需要數值輸入時可能需要進行轉換。例如，要捕捉使用者的年齡，應使用內建的 int() 函式將接收到的字串值轉換為整數。考慮以下指令碼：
user_input = input("請輸入您的年齡：")
age = int(user_input)
print("您輸入的年齡是：", age)
內容解密：
input("請輸入您的年齡：")：提示使用者輸入年齡，並將輸入內容作為字串傳回。age = int(user_input)：將使用者輸入的字串轉換為整數，以便進行數值運算。print("您輸入的年齡是：", age)：輸出使用者輸入的年齡。
使用 print() 函式進行輸出
Python 中的輸出由 print() 函式管理，該函式將資料傳送到標準輸出裝置（如控制檯）。print() 函式可以處理多個引數，自動在它們之間插入空格，並預設在結尾新增換行符。這使得構建可讀的程式輸出變得簡單直接。下面是一個簡單的輸出範例：
name = "Alice"
print("您好，", name, "歡迎使用 Python I/O 操作。")
執行後，輸出結果如下：
您好， Alice 歡迎使用 Python I/O 操作。
使用格式化字串進行結構化輸出
Python 允許使用更先進的格式化技術來生成結構化的輸出。現代方法使用格式化字串文字（f-strings）將表示式直接嵌入字串常數中。f-strings 以字母 f 為字首，允許變數和表示式以人類可讀的格式插入。例如：
name = "Bob"
score = 95
print(f"{name} 在考試中獲得了 {score} 分。")
輸出結果如下：
Bob 在考試中獲得了 95 分。
內容解密：
print(f"{name} 在考試中獲得了 {score} 分。")：使用 f-strings 將變數name和score的值嵌入字串中。- f-strings 提供了簡潔且可讀性高的字串格式化方式。
控制輸出格式
在輸出多行或結構化資料時，通常需要控制輸出的確切格式。print() 函式支援 sep 引數來更改多個引數之間的分隔符，以及 end 引數來定義最後一個值之後追加的內容。例如：
print("第一行", "第二行", "第三行", sep="\n", end="\n\n")
print("這是新的文字區塊。")
在上述程式碼中，由於 sep 引數指定了換行符，每個引數都被列印在單獨的一行上，並且透過指定 end="\n\n" 在第一個 print() 陳述式的結尾引入了一個額外的空行。這種對輸出格式的控制對於建立使用者友好的提示、報告或日誌至關重要。
內容解密：
sep="\n"：將多個引數之間的分隔符設定為換行符，使每個引數列印在新的一行。end="\n\n"：在輸出結尾追加兩個換行符，產生一個空行。
處理多個輸入值
與使用者互動通常涉及讀取各種形式的輸入，例如文字、數字或由分隔符分隔的序列。在單行中提供多個輸入值的情況下，可以使用 split() 方法與 input() 結合，將字串分解為單獨的元素。下面是一個讀取一行中輸入的數字列表的範例：
numbers_str = input("請輸入以空格分隔的數字：")
numbers_list = numbers_str.split() # 將輸入分割成字串列表
numbers = [int(num) for num in numbers_list] # 將每個元素轉換為整數
print("您輸入的數字是：", numbers)
內容解密：
numbers_str.split()：根據空白字元將輸入字串分割成字串列表。[int(num) for num in numbers_list]：使用列表推導式將字串列表中的每個元素轉換為整數。
基本錯誤處理
在輸入操作中，錯誤處理是一個重要的方面。程式設計師必須意識到使用者輸入本質上是不可預測的。例如，如果使用者在預期輸入數字的情況下按下 Enter 鍵或輸入非數字資料，程式應該能夠優雅地處理異常。雖然詳細的例外處理通常在後續章節中介紹，但使用 try 和 except 區塊的基本錯誤處理可以確保程式在遇到無效資料時不會突然終止。考慮以下範例：
try:
user_input = input("請輸入您的年齡：")
age = int(user_input)
print(f"您輸入的年齡是 {age}。")
except ValueError:
print("無效的輸入。請輸入有效的整數作為您的年齡。")
內容解密：
try區塊嘗試將使用者輸入轉換為整數。- 如果轉換失敗，
except ValueError區塊捕捉異常並列印錯誤訊息，避免程式當機。
輸出重定向
Python 也支援輸出重定向，這對於日誌記錄或將輸出寫入檔案而非顯示在控制檯上非常有用。內建函式 open() 允許進行檔案操作，而 write() 和 read() 方法則促進了與檔案的輸出和輸入操作。下面是一個寫入檔案的範例：
with open("output.txt", "w") as file:
file.write("這是輸出的內容。\n")
file.write("這是另一行內容。\n")
內容解密：
open("output.txt", "w")：以寫入模式開啟檔案output.txt。file.write()：將指定字串寫入檔案。
透過這些基本輸入/輸出操作，Python 程式設計師可以建立互動式程式，處理使用者輸入，並以結構化的方式輸出結果，為進一步的程式設計和演算法開發奠定基礎。
