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Commit 396e3a51 authored by Malte Woidt's avatar Malte Woidt
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Dritte Übung und Lösung für Aufgabe 1 und 2

parent f16751a6
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%% Cell type:markdown id:18aad444-cf2f-4db2-843b-9481d9529894 tags:
# <font color='blue'>**Übung 1 - Grundlagen Python**</font>
%% Cell type:markdown id:bb2e9a17-024f-4329-82e7-c185f2163b63 tags:
## <font color='blue'>**Die Grundlagen von Python Teil 1**</font>
Dieses Notebook wird in der ersten Übung verwendet. Es stellt den ersten Teil der Python Grundlagen dar. In diesem Notebook geht es um die ersten Gehversuche mit der Programmiersprache Python. Das Notebook besteht, wie alle folgenden, aus einigen Beispielen, die in der Übung erklärt werden. Im Anschluss gibt es Aufgaben zum selber ausprobieren. Da wir im Moment ganz am Anfang der Übung stehen, hat dieses Notebook noch keine zusammenhängende Aufgabe, sondern soll vor allem Grundlagen erläutern. Das wird sich mit den kommenden Übungen ändern. Zu den Übungen gibt es Grundlagen Notebooks, die zum Nachschlagen der wichtigsten Informationen der Übung dienen sollen und teilweise einige Informationen enthalten, die in der Übung aus Zeitgründen nicht ausführlich besprochen werden.
### **Weitere Notebooks, die dir helfen könnten**
* Jupyter Grundlagen
* Python Grundlagen
### **Vorkenntnisse**
* Keine
%% Cell type:markdown id:70133fc6-40c9-4e4b-b106-f64d2e145e63 tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 1 - Verwendung von Python als Taschenrechner**</font>
## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>
Berechne die Oberfläche eines Würfels mit der Kantenlänge 3,2394
%% Cell type:markdown id:9f8951be-3086-4427-9dc5-be3263af2a58 tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:592319ed-cc88-4291-8834-3b3db239f620 tags:
``` python
3.2394**2*6 #Kommazahlen werden mit einem . geschrieben. Ein Würfel hat 6 Flächen. Jede Fläche hat den Inhalt Kantenlänge zum quadrat. Punkt- vor Strichrechnung funktioniert hierbei wie man es erwaten würde
```
%% Output
62.96227415999999
%% Cell type:markdown id:a55562c9-557d-4864-9fa9-c0090413a8c7 tags:
## <font color='blue'>*Grundlagen*</font>
Python ist in diesem Notebook im interaktiven Modus gestartet. In diesem Modus kann das auszuführende Programm Zeile für Zeile eingegeben werden, wobei jede Zeile nach der Eingabe ausgeführt wird. Im einfachsten Fall kann man Python wie einen Taschenrechner verwenden.
%% Cell type:code id:57d2a9b3-6be4-4d8e-9ad7-7263b48aae1b tags:
``` python
3+5
```
%% Cell type:code id:48a1c463-27b0-43bc-8b97-395887ed9e5a tags:
``` python
3**4
6-2.9301
```
%% Cell type:code id:b7a9e863-b61e-48a4-a34c-4e04e826c660 tags:
``` python
3+4*3
```
%% Cell type:markdown id:da7f9a36-3736-408a-9bb1-93eaddb1d805 tags:
Die Notebook-Codezellen können auch mehr als eine Zeile enthalten. Bei der Ausführung werden alle Zeilen an den Python-Interpreter geschickt, der sie nacheinander ausführt. In den Beispielen ist zu sehen, dass das Ergebnis der letzten Zeile ausgegeben wird
Die Ausgaben sind sogenannte Debug-Ausgaben, weil in der letzten Zeile ein Wert "übrigbleibt". Alle anderen Werte werden zwar berechnet, gehen aber verloren.
Um mit den Ergebnissen etwas anzufangen, kann man sie z.B. ausgeben. Die Funktionalität heißt print
%% Cell type:code id:ff16400c-027b-460f-a13f-608359e2bf17 tags:
``` python
print(3+4)
print(8+9)
print(2**4)
```
%% Cell type:markdown id:36b551f4-6f32-4e94-9b69-ae2a9a663053 tags:
Die Werte, die print ausgeben soll, stehen in runden Klammern hinter dem print. Python ist Textzeilen basiert. In jeder Zeile kann nur ein Befehl, also ein print, stehen. Der Befehl kann dabei aber beliebig kompliziert werden.
Es können nicht nur Berechnungen angestellt werden, sondern auch Werte verglichen werden
%% Cell type:code id:da039e49-2726-4716-a346-75c03beeb7f7 tags:
``` python
print (3+7<9*4)
```
%% Cell type:markdown id:97149c54-b9e5-4658-9aa9-4065c169f2d3 tags:
Etwas vorsicht ist geboten, das die Abfrage, ob zwei Werte gleich sind mit einem == durchgeführt wird
%% Cell type:code id:e1e7851e-4adc-467e-a14f-55d2591e497e tags:
``` python
print (7*9==53)
```
%% Cell type:markdown id:1daeb6f0-29dd-467f-a0ce-ed09177fba97 tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 2 - Definition von Variablen**</font>
%% Cell type:markdown id:50800ef0-0245-4fd1-80b2-93c623d4121b tags:
## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>
Berechne die Oberfläche, das Volumen und die Länge aller Kanten eines Quaders mit den Abmessungen (HxBxT) 2,3x4,9x2,1
%% Cell type:markdown id:ba41fef8-6c52-4b19-b3ff-bb0a0c507d2c tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:e6120a8a-9674-4057-abf7-ec0b362728e4 tags:
``` python
h=2.3
b=4.9
t=2.1
flaeche=h*t*2 #Die linke und rechte fläche
flaeche+=h*b*2 #Die Fläche vorn und hinten
flaeche+=b*t*2 #Die Fläache oben und unten
print(flaeche)#die Gesamtfläche ausgeben
volumen=h*b*t #Das Volumen ist höhe mal breite mal tiefe
print(volumen)# Volumen ausgeben
```
%% Output
52.78
23.667
%% Cell type:markdown id:ccd72eba-be65-4441-96c5-2e3c638f8956 tags:
## <font color='blue'>*Grundlagen*</font>
Prinzipiell ließe sich die Aufgabe wie die letzte Aufgabe bearbeiten. Das Prolem ist nur, dass der Ansatz keinen Vorteil gegenüber der Verwendung eines Taschenrechners hat. Bis jetzt wurden Werte nur berechnet und ausgegeben. Wir können Werte jedoch auch in Variablen speichern,die wir später wiederverwenden können. Nehmen wir als Beispiel wieder den Würfel
%% Cell type:code id:dad88763-7981-476b-8ffd-7feb5ee4eca2 tags:
``` python
h=3.2394
print(h)
volumen=h**3
flaeche=h*h*6
print(volumen)
print(flaeche)
```
%% Cell type:markdown id:0067ed23-13cf-4a45-8de7-964ab7453777 tags:
Variablen sollten sinvoll benannt werden. Sonderzeichen sind in Variablennamen nicht zulässig und der Name darf nicht mit einer Zahl beginnen
Wir könnten diese Zellefür andere Kantenlängen schnell verändern und erneut ausführen
%% Cell type:code id:85d667b1-34c3-4ddf-bfcd-2ff7f04c722d tags:
``` python
print (volumen/flaeche)
```
%% Cell type:markdown id:345f62ac-aaaf-439b-b9de-b695e17f4f42 tags:
Variablen aus bereits ausgeführten Zellen sind nach beendigung der Ausführung weiter verfügbar. Ihr Wert kann jederzeit geändert werden. Das = kopiert den Wert einer Variable. Die Variablen sind also nicht dauerhaft gleich
%% Cell type:code id:5a9d0b0c-0ac7-49ea-9c01-dd52f5fc2be2 tags:
``` python
variable=volumen
print (volumen)
print (variable)
volumen=9
print (volumen)
print (variable)
```
%% Cell type:markdown id:636203fb-d387-40e3-b566-bfbc3b3488d3 tags:
Berechnungen werden immer mit dem Wert durchgeführt den die Variable hat, wenn die Zelle ausgeführt hat. Die Zelle die das Oberflächenverhältnis bestimmt gibt jetzt einen anderen Wert aus.
Variablen können immer statt eines Wertes verwendet werden. Auch die Beispiele mit Vergleichen funktioniert
%% Cell type:code id:c139e606-a307-460a-a85e-4b79d4966839 tags:
``` python
print(flaeche==h**2*6)
print(flaeche==3.2394**2*6)
```
%% Cell type:markdown id:f82757ab-69a7-474c-81b4-58fbdf7f450c tags:
Beim Vergleich von Fließkommazahlen am PC auf Gleichheit ist etwas Vorsicht geboten. Der Vergleich ist exakt, die Berechnungen unterliegen aber Rundungsfehlern! Diese können relevant werden, wenn mit Zahlen unterschiedlicher Größenordnung gerechnet wird
%% Cell type:code id:cdb8e497-c51b-4de1-bd35-6707a1079611 tags:
``` python
a=(11**10)/(3**-5)
b=((3**-5)/(11**10))
print(a==1/b)
```
%% Cell type:code id:c9c53e76-5d73-444b-b424-69b493231406 tags:
``` python
print(a-1/b)
print(a)
```
%% Cell type:markdown id:508ca08a-ae3a-462e-884d-733950eddbe7 tags:
### *Ein kleiner Tip um später Schreibarbeit zu sparen*
Beim Programmieren gibt es oft Situationen, in denen man den Wert einer Variablen verändern möchte, indem man z.B. den Wert der Variable mal 6 nehmen möchte. Wenn wir z.B. den Flächeninhalt einer Fläche des obigen Würfels berechnen wollen und dann die Gesamtoberfläche ginge das so
%% Cell type:code id:2972a23a-541f-41a6-9267-f40d3cfaf044 tags:
``` python
flaeche=h*h
print(flaeche)
flaeche=flaeche*6
print(flaeche)
```
%% Cell type:markdown id:04e27b56-89cc-4b9e-b551-23f4db2beb59 tags:
Eine Variable kann also auf beiden Seiten des = auftauchen. Auf der rechten Seite mit dem alten Wert bevor ihr der neue Wert zugewiesen wird. Da solche Zeilen in Programmen extrem häufig vorkommen gibt es eine Kurzschreibweise
%% Cell type:code id:ee23a3c0-60f0-4c43-bae6-91eb8920a4be tags:
``` python
flaeche=h*h
flaeche*=6
print(flaeche)
```
%% Cell type:markdown id:16cc99c7-a7f7-42cd-ba6a-8410ef9dfec7 tags:
Das funktioniert auch mit allen anderen Rechenarten
%% Cell type:markdown id:43fc8099-4463-4142-8667-53dfdce8daac tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 3 - Verwendung von Zeichenketten**</font>
%% Cell type:markdown id:523caae5-6106-43d9-8568-2147ada140ff tags:
## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>
Die bisherigen Beispiele haben wir nur Werte ausgegeben. Ohne das Programm komplett zu verstehen sind diese Werte relativ nutzlos, weil nirgendwo angegeben wird, was sie bedeuten. Erweitere das Programm aus Abschnitt 2 so, dass vor jedem Ausgegebene eine Ausgabe erfolgt die beschreibt, was der Wert bedeutet
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:c30d3f3e-ab88-4141-88e7-06794115ae2f tags:
``` python
h=2.3
b=4.9
t=2.1
print ("Der Quader hat die Abmessungen HxBxT")
print(h)
print(b)
print(t)
flaeche=h*t*2 #Die linke und rechte fläche
flaeche+=h*b*2 #Die Fläche vorn und hinten
flaeche+=b*t*2 #Die Fläache oben und unten
print("Die Oberfläche des Quaders ist")
print(flaeche)#die Gesamtfläche ausgeben
print ("Das Volumen des Quaders ist")
volumen=h*b*t #Das Volumen ist höhe mal breite mal tiefe
print(volumen)# Volumen ausgeben
```
%% Output
Der Quader hat die Abmessungen HxBxT
2.3
4.9
2.1
Die Oberfläche des Quaders ist
52.78
Das Volumen des Quaders ist
23.667
%% Cell type:markdown id:36e32f85-7977-462f-9ef8-618b186075dd tags:
## <font color='blue'>*Grundlagen*</font>
In vielen Programmier-Situationen ist es hilfreich, auch Text ausgeben zu können. Text wird in Python grundlegend anders behandelt als Zahlen. Auch wenn der Text nur Ziffern enthält bleibt er ein Text. Text kann z.B. in Anführungszeichen eingegeben werden
%% Cell type:code id:af7d575d-a213-4dd6-8f49-1ec32cf9d683 tags:
``` python
print("Hallo Welt")
```
%% Cell type:markdown id:7dc61c90-01c7-4aa0-a61d-704cb4e559bd tags:
So kann man die vorherigen Übungsprogramme schon etwas verbessern
%% Cell type:code id:96820aa0-5539-496b-a626-374962669204 tags:
``` python
h=3.2394
print("Ein Würfel mit einer Kantenlänge von:")
print(h)
volumen=h**3
flaeche=h*h*6
print("hat ein Volumen von:")
print(volumen)
print("und eine Fläche von:")
print(flaeche)
```
%% Cell type:markdown id:dcdc957d-4355-4281-8e7d-797867dc1da3 tags:
Text lässt sich nicht nur ausgeben, sondern auch in Variablen speichern. Die Variablen lassen sich auch mit den Rechenoperatoren verändern (zumindest mit dem + und dem \*). Die Bedeutung ist aber eine andere
%% Cell type:code id:97115c66-bb2c-4b4a-80e6-712cd0de260b tags:
``` python
text1="hallo"
text2="welt"
print (text1+text2)
print (text1+" "+text2)
```
%% Cell type:code id:c65f62bf-0a89-4075-b260-7559edaf2a96 tags:
``` python
text3=text1+" "+text2
print(text3*3)
```
%% Cell type:markdown id:b6aa71e5-81c7-4b9b-9b95-9d9b457d716d tags:
# <font color='blue'>**Aufgabe zum selbst probieren**</font>
Verbessere das Programm zur Quaderberechnung. Wie bisher werden Länge, Breite und Tiefe über drei Variablen vorgegeben. Neben den bisherigen Ausgaben soll das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen berechnet werden. Außerdem soll die Ausgabe verbessert werden. Im bisherigen Beispiel erfolgt die Ausgabe eines Wertes immer eine Zeile unter der Beschreibung. Die Ausgabe deines Programmes soll zum schluss etwa so aussehen:
```
Ein Quader mit den Abmessungen (LxBxT): 2.3x3.9x2.1
hat ein Volumen von 23.667m3
bei einer Oberfläche von 52.78m2
Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist 2.230109435978379
Die Gesamtlänge seiner Kanten beträgt 37.2m
```
Wie viele Dezimalstellen genau ausgegeben werden ist hierbei egal. Eine Lösung um das zu kontrollieren finden wir in späteren Übungen. Wenn die Codezelle mit anderen Werten für Länge, Breite und Tiefe ausgeführt wird, sollen sich die Ausgabewerte entsprechend anpassen
%% Cell type:markdown id:a69e45f4-0957-40c6-bc3f-3b7808297f76 tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:aa0cced0-059f-4290-8f47-62f7215a929e tags:
``` python
```
%% Cell type:markdown id:fe45f476-750e-4ded-81f7-96e6cb63be52 tags:
### Hinweis zur Aufgabe
Prinzipiell besteht die Schwierigkeit in der Ausgabe von Text und Zahlen in einer Zeile. Es sind zwei Lösungsmöglichkeiten. Wenn du die Python-Grundlagen zur Hilfe nimmst, kannst du zwei Lösungswege finden. Eine möglichkeit wäre, die Zahlenwerte in Text umzuwandeln und mit den in der Übung gezeigten Hilfsmitteln die Ausgabezeilen "zusammenzubauen"
%% Cell type:markdown id:757b9a6c-6599-4cd6-93c5-c4fb30ed5b53 tags:
# <font color='blue'>**Übung 2 - Steuerung des Programmablaufs**</font>
%% Cell type:markdown id:d3a49027-9186-48a6-ba9f-332428e93bd9 tags:
## <font color='blue'>**Die Grundlagen von Python Teil 2**</font>
Dieses Notebook wird in der zweiten Übung verwendet. Im ersten Teil der Python Grundlagen wurden Zahlen, Zeichenketten und Variablen behandelt. Die Übungsprogramme haben Rechenabläufe automatisiert, der Programmablauf innerhalb der Programme war aber immer linear und bei jeder Ausführung gleich, von den vorgegebenen Zahlenwerten abgesehen. Um wirklich sinnvolle Programme schreiben zu können reicht das noch nicht aus. In dieser Übung wird gezeigt, wie sich der Programmablauf verändern lässt. Außerdem wird die Liste als neuer Variablentyp eingeführt, die etwas anderen Regeln folgt als die bisher gezeigten Variablen. Wie in folgenden Notebooks, musst du dir für diese Übung etwas mehr Informationen aus dem Grundlagen-Notebook zusammensuchen. Die Regeln über lokale und globale Variablen und die mutable-Objects sind in diesem Notebook etwas detaillierter in ihrer Theorie beschrieben. Auch wenn nicht alles davon unmittelbar in dieser Übung wichtig wird, ist dieses grundsätzliche Verhalten für folgende Übungen immer wieder wichtig und gerade ohne Programmiererfahrung etwas schwierig zu durchblicken.\
Die Aufgaben in dieser Übung erfüllen schon eher einen konkreten Zweck, in der nächsten Übung werden wir anfangen, auch konkrete Ingenieursproblem zu betrachten.
### **Weitere Notebooks, die dir helfen könnten**
* Python Grundlagen Teil 1
* Python Grundlagen Teil 2
### **Vorkenntnisse**
* Übung 1
### **Lernziele**
* Schleifen
* Funktionen
* Verzweigungen
* Listen
* lokale und globale Variablen
* mutable Objects
%% Cell type:markdown id:b0e426c9-9a66-4bc6-a0be-fc8e08c18858 tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 1 - Schleifen**</font>
## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>
Berechne die 25. Fibonacci-Zahl
## <font color='blue'>*Grundlagen*</font>
Die Fibonacci-Zahlen sind eine Folge ganzer Zahlen. In der hier verwendeten Definition beginnt die Folge mit:
$0,1,1,2,3,5,8,13,...$
Für die Zahlen gilt die Berechnungsvorschrift\
$f_{n}=f_{n-2}+f_{n-1}$ wenn $n>=3$\
$f_{1}=0$\
$f_{2}=1$
d.h. nach den ersten beiden vorgegebenen Zahlen ist jede Zahl die Summe ihrer beiden vorhergehenden Zahlen.
%% Cell type:markdown id:b29c819a-aedd-4232-bcd7-eedcd810695c tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:6b0c8c9d-f3b6-47fc-9de7-04f557ed5511 tags:
``` python
fn_2=0
fn_1=1#definiert Variablen für die letzte und vorletzte Fibonacci Zahl
for i in range(3,26):#Eine Schleife, bei der i als Zählvariable bei 3 Anfängt und die Schleife bei i==25 endet
fn=fn_2+fn_1 #Die aktuelle Fibonaci Zahl ist die Summer der beiden vorhergehenden. Beim ersten Schleifendurchlauf wird also die 3. Berechnet, weswegen i bei 3 startet
fn_2=fn_1#Für die Berechnung der nächsten Fibonacci-Zahl ist die jetzt letzte Zahl die vorletzte
fn_1=fn#und die gerade berechnete die letzte bekannte Fibonacci Zahl
print ("Die ",i," Fibonacci-Zahl ist",fn)
```
%% Output
Die 25 Fibonacci-Zahl ist 46368
%% Cell type:code id:da506129-3e45-4420-befb-478572d73bc6 tags:
``` python
#Alernativ kann man das ganze auch mit einer while-Schleife implementieren
fn_2=0
fn_1=1#definiert Variablen für die letzte und vorletzte Fibonacci Zahl
i=3#Die erste berechnete Fibonacci-Zahl wird die 3. sein
while i<=25: #so lange i kleiner oder gleich 25 ist
fn=fn_2+fn_1 #Die aktuelle Fibonaci Zahl ist die Summer der beiden vorhergehenden. Beim ersten Schleifendurchlauf wird also die 3. Berechnet, weswegen i bei 3 startet
fn_2=fn_1#Für die Berechnung der nächsten Fibonacci-Zahl ist die jetzt letzte Zahl die vorletzte
fn_1=fn#und die gerade berechnete die letzte bekannte Fibonacci Zahl
i+=1# hierbei nicht vergessen, dass die Zählvariable selbst weitergezählt werden muss
print ("Die ",i-1," Fibonacci-Zahl ist",fn)#Die Schleife zählt in ihrem letzten durchgang i noch eins weiter hoch, sodass in der Ausgabe i-1 stehen muss, das ließe sich auch anders Programmieren
```
%% Output
Die 25 Fibonacci-Zahl ist 46368
%% Cell type:markdown id:4086f815-c7a9-42d5-84ce-0068818069b7 tags:
## <font color='blue'>*Hintergründe*</font>
Mit den Informationen aus der ersten Übung sollte es dir bereits möglich sein zwei Zellen zu Programmieren, wobei die Zweite Zelle das Gewünschte Ergebnis nach 23 maliger Ausführung liefert. Probiere es einfach aus. Du brauchst für die Berechnung einer Fibonacci-Zahl die beiden vorhergehenden Zahlen. Definiere zwei Variablen fn_2 und fn_1 für die vorletzte und letzte Fiboncci-Zahl (also $f_{n-2}$ und $f_{n-1}$) und initialisiere sie mit 0 und 1, den ersten beiden Elementen der Folge. In einer zweiten Zelle kannst du das fn ($f_{n}$), also die nächste Fibonacci-Zahl aus den beiden anderen Variablen berechnen. Um für den nächsten Durchlauf alles vorzubereiten, speicherst du die Zahl aus fn_1 in fn_2 und die Zahl aus fn in fn_1. Damit wird beim nächsten Ausführen der Zelle die nächste Fibonacci-Zahl berechnet
%% Cell type:code id:7309e508-227e-4431-901b-4125b0f8ed65 tags:
``` python
fn_2=0
fn_1=1
n=2
```
%% Cell type:code id:8e27cc1a-62c2-4003-a6ab-4c8baff3cfaf tags:
``` python
fn=fn_2+fn_1
n+=1
print ("Die ",n," Fibonacci-Zahl ist", fn)
fn_2=fn_1
fn_1=fn
```
%% Output
Die 7 Fibonacci-Zahl ist 8
%% Cell type:markdown id:a9309ddf-6566-4b7c-aa99-65df4a673004 tags:
Natürlich ist dieses Vorgehen nicht besonders zielführend. Du müsstest den Quellcode der zweiten Zelle mehrmals automatisch ausführen können. Das bezeichnet man als Schleife. Du kanst dir entsprechende Möglichkeiten im Grundlagen-Notebook anschauen und dir die Möglichkeit aussuchen, die dir besser gefällt. Wenn du die Zählervariable der Schleife bei 3 beginnen lässt, dann kannst du mit ihr auch ermitteln, welche Fibonacci-Zahl du tatsächlich berechnet hast.
%% Cell type:markdown id:46d21f3a-b37e-49d3-864f-587b09ba0b89 tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 2 - Funktionen**</font>
Ermögliche eine komfortablere Möglichkeit, beliebige Fibonacci-Zahlen zu berechnen. Erstelle dazu eine Funktion mit dem Namen "Fib", die als Parameter eine Zahl übergeben bekommt die bestimmt, die wie vielte Fibonacci-Zahl berechnet werden soll. Du kannst hierfür davon ausgehen, dass nur Parameter größer oder gleich 3 eingegeben werden. Die Fibonacci-Zahl sollte deine Funktion sinnvollerweise als Ergebnis zurückliefern
%% Cell type:markdown id:e7333454-be6d-487d-a39e-ba509472aa30 tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:dc85e62c-a188-46ab-b7c5-55fc44d8bbbf tags:
``` python
def Fib(nr):##Definition eine Funktion mit dem Namen Fib. Ein Parameter. Außerdem ein Hilfe-Text für help(Fib) (der Optional ist)
"""
Diese Funktion berechnet eine Fibonacci-Zahl
"""
fn_2=0#der Inhalt entspricht der Aufgabe 1
fn_1=1
for i in range(3,nr+1):#hier Aufpassen. Das Range Intervall enthält die zweite Zahl gerade nicht mehr. Um z.B. die 20 Zahl auszurechnen muss range(3,21) verwendet werden!
fn=fn_2+fn_1
fn_2=fn_1
fn_1=fn
return fn
```
%% Cell type:code id:0e9c8780-e30c-4b89-9e46-df58801dc17f tags:
``` python
Fib(20)
```
%% Output
4181
%% Cell type:markdown id:ba7ac092-04ed-4dac-99a6-9e4f702bd8f9 tags:
## <font color='blue'>*Grundlagen*</font>
Funktionen werden manchmal auch als Unterprogramme bezeichnet, was genauer beschreibt, was sie sind. In einer Funktion kann ein beliebig langer Abschnitt eines Programms unter einem Namen zusammengefasst werden. Der Programmabschnitt kann dann mit diesem Namen ausgeführt werden. Dadurch wird der in der Funktion enthaltene Quelltext einmal komplett ausgeführt. Dass kann innerhalb eines Programms auch mehrfach passieren, sodass Programmabschnitte, die mehrfach in einem Programm vorkommen, wiederverwendet werden können.
%% Cell type:code id:38945dd8-5519-4e80-8ae8-e1856287ac48 tags:
``` python
def ausgabe():
print ("Ausgabe von Text aus einer Funktion")
ausgabe()
ausgabe()
```
%% Output
Ausgabe von Text aus einer Funktion
Ausgabe von Text aus einer Funktion
%% Cell type:markdown id:f64925ee-5bc6-4fb6-a3ae-34fa4ecb0bfd tags:
Funktionen können optional Parameter besitzen. Diese werden in den runden Klammern angegeben. Die Parameter können bei der Definition der Funktion beliebig benannt werden und stehen dann innerhalb der Funktion als Variablen bereit. Den Wert, den diese Variablen am Start der Funktion haben, wird beim Aufruf der Funktion angegeben
%% Cell type:code id:c239c355-f89f-4c6a-9be1-7d5b50cf8c9e tags:
``` python
def ausgabe(name,wert):
print("Der Wert mit dem Namen "+name+" hat den Wert "+str(wert))
y=10
ausgabe("X",5)
ausgabe("X",5)#Diese Zeile
ausgabe("Y",y)
```
%% Output
Der Wert mit dem Namen X hat den Wert 5
Der Wert mit dem Namen Y hat den Wert 10
%% Cell type:code id:707035e8-7c5a-4391-9cee-8e62e3a6353f tags:
``` python
name="X"
wert=5
print("Der Wert mit dem Namen "+name+" hat den Wert "+str(wert))
```
%% Output
Der Wert mit dem Namen X hat den Wert 5
%% Cell type:markdown id:8a2f2e31-b96a-4fcd-9ce5-88d9d2c5cee4 tags:
In diesem Beispiel wird die Funktion *ausgabe* mit zwei Parametern aufgerufen. "X" und 5. Statt einem Festwert können auch die Werte einer Variablen verwendet werden. Wenn die Funktion aufgerufen wird, muss die Anzahl der Parameter der Anzahl an Parametern in der Funktionsdefinition entsprechen. In diesem Fall werden die Parameter beim Aufruf in der selben Reihenfolge angegeben, wie sie in der Definition erscheinen. Im Grundlagen-Notebook sind weitere Möglichkeiten beschrieben.\
Wird eine Funktion ausgeführt, werden zu erst lokale Variablen mit dem Namen, wie in der Funktionsdefinition angegeben, erzeugt. Diesen wird dann das "X" und die 5 zugewiesen. Das Verhalten entspricht dabei dem des Zusweisungsoperators. Anschließend wird die Funktion ausgeführt. Die Variablen *name* und *wert* sind dabei lokale Variablen der Funktion. Das heißt, dass sie nach Beendigung der Funktion gelöscht werden.\
Funktionen können auch Werte zurückgeben. Zum Beispiel wenn sie etwas berechnet haben. Das Funktioniert mit einem *return*
%% Cell type:code id:5a7265f9-0db7-4972-8a68-40381455fd29 tags:
``` python
def addiere(x,y):
return x+y
y=addiere(3,2)
print(addiere(y,5))
```
%% Output
10
%% Cell type:markdown id:30600ff2-390a-4f5d-abae-310f67cc4dfd tags:
Das *return* beendet die Ausführung der Funktion sofort. Wenn noch Anweisungen hinter dem *return* stehen, werden diese nicht ausgeführt. Das *return* kann auch ohne anschließenden Wert verwendet werden, um die Funktion einfach nur zu beenden. Der Funktionsaufruf liefert einen Wert, als ob an der Stelle des Funktionsaufrufs eine Variable oder ein Festwert stehen würde. Daher kann das Ergebnis einer Funktion einer Variablen zugewiesen werden, oder auch direkt als Funktionsparameter (z.B. für print) verwendet werden.
Wenn ein Funktionsaufruf beendet wird, dann geht das Programm dort weiter, wo es durch den Funktionsaufruf unterbrochen wurde. Innerhalb einer Funktion können also weitere Funktionen aufgerufen werden
%% Cell type:code id:7fcac190-6fbf-461a-a458-6916577529f5 tags:
``` python
def funktion1():
print("Funktion 1 startet")
print ("Funktion 1 endet")
def funktion2():
print("Funktion 2 startet")
funktion1()
print("Funktion 2 endet")
funktion2()
```
%% Output
Funktion 2 startet
Funktion 1 startet
Funktion 1 endet
Funktion 2 endet
%% Cell type:markdown id:e858cbbf-331e-458b-ba55-907b2eb53a72 tags:
### lokale und globale Variablen in Python
In Python werden globale und lokale Variablen unterschieden. Das sind Ausdrücke mit denen die Sichtbarkeit und die Lebensdauer von Variablen beschrieben wird. In Python unterliegen die Regeln für diese Unterscheidung teilweise impliziten Regeln. Diese Regeln sind nicht zwingend logisch, sondern einfach definiert.
Eine kurze Beschreibung der Regeln:
* Auf globale Variablen kann überall im Programm zugegriffen werden
* Auf eine lokale Variable kann nur innerhalb der Funktion zugegriffen werden, in der sie erstellt wurde. Sie wird am Ende der Funktion wieder gelöscht
* Eine Variable die Außerhalb jeglicher Funktion definiert wird ist immer eine globale Variable
* Eine Variable, die innerhalb einer Funktion definiert wird, ist standardmäßig immer eine lokale Variable
* Besteht die Möglichkeit, dass innerhalb einer Funktion eine lokale Variable mit gleichem Namen wie eine globale Variable definiert wird, ist die globale Variable innerhalb der Funktion unsichtbar
* Soll innerhalb einer Funktion eine globale Variable definiert werden oder eine globale Variable neu zugewiesen werden, dann muss das Schlüsselwort global verwendet werden
Eine kurze Erläuterung zu den Regeln:\
Eine Variable, die außerhalb einer Funktion definiert wird ist global. Sofern innerhalb einer Funktion keine lokale Variable gleichen Namens vorhanden ist, kann auf globale Variablen zugegriffen werden
%% Cell type:code id:38b648f0-321b-43ec-aeaf-82fd5efdefb7 tags:
``` python
def ausgabe():#Eine Funktion kann mehrfach mit dem gleichen Namen definiert werden. Die alte Funktion wir dann einfach überschrieben!
print(x)
x=10#x wird außerhalb einer Funktion definiert, also ist sie global
ausgabe()
```
%% Output
10
%% Cell type:markdown id:bc02bae8-1a39-4b31-9659-500ab692579e tags:
Regel: Eine Variable, die innerhalb einer Funktion definiert wird ist eine lokale Variable. Sie wird am Ende der Funktion gelöscht und auf sie kann nur innerhalb der Funktion zugegriffen werden
%% Cell type:code id:589ff0c2-7acc-4771-900f-bb22f6b62106 tags:
``` python
def funktion1():
print (meineVariable)
def funktion2():
meineVariable=10#meineVariable ist eine lokale Variable der Funktion 'funktion2', sie ist nur innerhalb von 'funktion2' vorhanden
funktion1()
funktion2()
```
%% Output
---------------------------------------------------------------------------
NameError Traceback (most recent call last)
Cell In [29], line 6
4 meineVariable=10
5 funktion1()
----> 6 funktion2()
Cell In [29], line 5, in funktion2()
3 def funktion2():
4 meineVariable=10
----> 5 funktion1()
Cell In [29], line 2, in funktion1()
1 def funktion1():
----> 2 print (meineVariable)
NameError: name 'meineVariable' is not defined
%% Cell type:markdown id:82b6ce17-16ee-4317-a37f-da9a4eea6e4a tags:
Die Variable *meineVariable* ist bzgl. der Funktion *funktion2* lokal. Wenn innerhalb dieser Funktion eine weitere Funktion aufgerufen wird, kann diese nicht auf lokale Variablen anderer Funktionen zugreifen.
Dieses Verhalten ist in vielen Programmiersprachen existend. Es ist zu beachten, dass alle lokalen Variablen einer Funktion mit beendigung der Funktion gelöscht werden. Sollten Funktionen von innerhalb der Funktion aufgerufen werden, sind die lokalen Variablen der aufrufenden Funktion für diese auch nicht sichtbar. Deshalb heißen diese Varialben lokal. Die lokalen Variablen sind genau genommen nicht einer Funktion zugeordnet sondern einem Funktionsaufruf (das heißt Funktionen können sich selbst aufrufen, jeder Aufruf hat dann seine eigenen lokalen Variablen)
Regel: Besteht die Möglichkeit, dass innerhalb einer Funktion eine lokale Variable mit gleichem Namen, wie eine globale Variable definiert wird, ist die globale Variable innerhalb der Funktion unsichtbar.\
%% Cell type:code id:c29f7a95-9657-414f-9f23-26b1668c9f90 tags:
``` python
globaleVariable=20#Eine globale Variable wird angelegt
def meineFunktion():
print(globaleVariable)#auf die globale Variable 'globaleVariable' kann nicht zugegriffen werden. Sie ist für die Funktion unsichtbar, da in der nächsten Zeile eine lokale Variable gleichen Namens angelegt wird. Sie ist damit innerhalb der kompletten Funktion unsichtbar.
globaleVariable=30
meineFunktion()
print(globaleVariable)
```
%% Output
---------------------------------------------------------------------------
UnboundLocalError Traceback (most recent call last)
Cell In [15], line 5
3 print(globaleVariable)#auf die globale Variable 'globaleVariable' kann nicht zugegriffen werden. Sie ist für die Funktion unsichtbar, da in der nächsten Zeile eine lokale Variable gleichen Namens angelegt wird. Sie ist damit innerhalb der kompletten Funktion unsichtbar.
4 globaleVariable=30
----> 5 meineFunktion()
6 print(globaleVariable)
Cell In [15], line 3, in meineFunktion()
2 def meineFunktion():
----> 3 print(globaleVariable)#auf die globale Variable 'globaleVariable' kann nicht zugegriffen werden. Sie ist für die Funktion unsichtbar, da in der nächsten Zeile eine lokale Variable gleichen Namens angelegt wird. Sie ist damit innerhalb der kompletten Funktion unsichtbar.
4 globaleVariable=30
UnboundLocalError: local variable 'globaleVariable' referenced before assignment
%% Cell type:markdown id:92de3175-347e-4132-9d1a-c24776bed021 tags:
Innerhalb der Funktion "meineFunktion" wird in der Zeile 4 eine lokale Variable mit dem Namen "globaleVariable" angelegt. Deshalb ist die Globale Variable in der ganzen Funktion nicht sichtbar. Das heißt, man kann auch vor Definition der lokalen Variable nicht auf sie zugreifen. Das ist eine Art Schutzmechanismus, da ansonsten Programme extrem schwer verständlich geschrieben werden könnten.\
Dieses Verhalten geht so weit, dass der Fehler selbst ausgelöst wird, wenn die Erstellung der lokalen Variable unmöglich passieren kann (vgl. return beendet die Funktion sofort)
%% Cell type:code id:81dacbb1-4bd4-4300-857b-f16db227d023 tags:
``` python
globaleVariable=20
def meineFunktion():
print(globaleVariable)#Das gleiche Problem wie oben, obwohl praktisch gesehen die lokale Variable nie angelegt werden kann
return#Die Funktion endet hier garantiert. Die folgenden Zeilen der Funktion werden nie ausgeführt
globaleVariable=30
meineFunktion()
print(globaleVariable)
```
%% Output
---------------------------------------------------------------------------
UnboundLocalError Traceback (most recent call last)
Cell In [65], line 6
4 return
5 globaleVariable=30
----> 6 meineFunktion()
7 print(globaleVariable)
Cell In [65], line 3, in meineFunktion()
2 def meineFunktion():
----> 3 print(globaleVariable)
4 return
5 globaleVariable=30
UnboundLocalError: local variable 'globaleVariable' referenced before assignment
%% Cell type:markdown id:92237f17-bbf2-483d-b95a-3b42ee6a1cd4 tags:
Falls innerhalb einer Funktion für eine Variable, die links vom Zuweisungsoperator steht, eine globale statt einer lokalen Variable angelegt werden soll, dann kann dieses Verhalten mit dem Schlüsselwort global ausgelöst werden. Die Verändert die Regel, dass in Funktionen angelegte Variablen lokale Variablen sind. Somit können sowohl neue globale Variablen angelegt werden als auch globale Variablen neu zugewiesen werden
%% Cell type:code id:02ef67a7-0708-4489-9a51-cda0335d62e5 tags:
``` python
globaleVariable=20
def meineFunktion():
global globaleVariable#der Name 'globaleVariable' bezieht sich jetzt für den Rest der Funktion immer auf die globale Variable mit diesem Name
global globaleVariable2#Das geht auch mit Variablen, die noch nicht angelegt wurden
globaleVariable2=10
print (globaleVariable)
globaleVariable=30
meineFunktion()
print(globaleVariable)#Die Variable wurde in der Funktion 'meineFunktion' verändert
print(globaleVariable2)#Die Variable wurde in der Funktion 'meineFunktion' neu erstellt
```
%% Output
20
30
10
%% Cell type:markdown id:9bf73a54-e24d-44ac-b2b6-0ba3e2072507 tags:
Globale Variablen sollten nur im Notfall innerhalb einer Funktion verändert werden. Oft kennt ein Programmierer beim Aufruf nur die Funktionsdefinition und einen Hilfetext zur Funktion und möchte sie nutzen, ohne den Inhalt komplett nachvollzogen zu haben. Bei der Funktion *meineFunktion* werden potentiell globale Variablen des Programms (man spricht auch von Zustand) verändert, ohne das von außen ersichtlich ist, dass das passiert. Gerade bei großen Programmen, an denen mehrere Personen beteiligt sind, ist so ein Verhalten äußerst problematisch, da die Auswirkungen auf das gesamte Programm unvorhersehbar wird (Jede globale Variable gibt es nur ein mal mit diesem Namen im gesamten Programm). Prinzipiell werden wir noch verschiedene Möglichkeiten kennen lernen, diese Effekte zu vermeiden. Vor dem Verändern von globalen Variablen in einer Funktion sollte man sich immer die Frage stellen, ob es nicht eine andere Möglichkeit gibt, das gleiche Verhalten zu erzeugen. In den allermeisten Fällen, sind die Alternativen besser.
%% Cell type:markdown id:e7c122a8-ae90-4fb2-9b17-4380442fb15f tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 3 - Verzweigungen**</font>
## <font color='blue'>**Aufgabe**</font>
Programmiere eine Funktion "istPrimzahl", die eine ganze Zahl als Parameter bekommt und ermittelt, ob es sich bei dieser Zahl um eine Primzahl handelt. Du kannst in dieser Übung den Parameter einfach in eine ganze Zahl umwandeln um sicherzustellen, das alles wie geplant funktioniert
## <font color='blue'>**Grundlagen**</font>
Eine ganze Zahl ist dann eine Primzahl, wenn sie durch keine andere Zahl als sich selbst und 1 ohne Rest teilbar ist. Die 0 und die 1 sind keine Primzahlen! \
Für eine Zahl $x$ sind potentielle ganzzahlige Teiler $[2,x//2]$. Das ist eine sehr einfache und daher auch sehr ineffiziente Einschränkung, aber für diese Aufgabe zum Üben in Ordnung. Beachte das die Hälfte der Zahl innerhalb des Intervals liegt (sonst würde die 4 fälschlicherweise als Prinzahl erkannt werden). Überprüfe anschließend die Zahlen von 1 bis 100, ob sie Primzahlen sind, und gebe alle Primzahlen aus und ermittle, wie viele Primzahlen bis 100 es gibt. (Zum Überprüfen deines Erbebnisses, es sind 25)
## <font color='blue'>**Lösung**</font>
%% Cell type:code id:a13a6dc5-a537-4104-ae5c-6e6fb3700a69 tags:
``` python
def istPrimzahl(nr):#Eine Funktion definieren
if nr==1:#Überprüfen ob der Parameter gleich 1 war. 1 ist per Definition keine Primzahl
return False#Falls nr gleich 1 dann False zurückgeben, da 1 keine Primzahl. Das return beendet die Funktion. Daher wird in diesem Fall das folgende gar nicht mehr ausgeführt
elif nr==0:#Das gleiche für die 0, die auch keine Primzahl ist
return False
for t in range(2,nr//2+1):#Für alle Zahlen t von 2 an bis nr//2 (da kann man aufhören da die Zahl durch größere Zahlen als ihre hälfte nicht ganzzahlig teilbar sein kann). Die +1 wieder aus dem selben Grund wie bei den Fibonacci-Zahlen
if nr%t==0:#Falls die Zahl nr ganzzahlig durch t teilbar ist, ist sie keine Primzahl
return False#Deswegen in diesem Fall False zurückgeben. Das beendet die Funktion und damit auch die Schleife. WI
return True#Ist die Funktion bis hierhin ohne return durchgelaufen, was die Zahl nr durch keinen Testteiler teilbar. Sie ist eine Primzahl! Hier liegt der Grund, wieso die Fälle
#nr==0 und nr==1 gesondert abgefangen werden mussten. in diesen Fällen wäre das range in der Schleife range(2,1), da 0//2==0 und 1//2==0. In diesem Fall wäre die Range
#leer und die for schleife würde übersprungen bzw. 0 mal ausgeführt . Das würde dann immer ein True als Rückgabewert bedeuten, was in diesen beiden Fällen aber falsch ist.
```
%% Cell type:code id:b4c83fc4-ac7f-4384-a442-a7a268696085 tags:
``` python
n=0#Ein Zähler für gefundene Primzahlen. Bis jetzt haben wir 0 Primzahlen gefunden
for x in range(0,101):#x läuft von 0 bis inklusive 100
if istPrimzahl(x):#Testen ob x eine Primzahl ist
print(x," ist eine Primzahl")#Falls ja die Zahl ausgeben
n+=1#Weil eine Primzahl gefunden wurde die Zahl der gefundenen Primzahlen um 1 erhöhen
print ("es gibt",n," Primzahlen")# Ausgeben wie viele Primzahlen wir gefunden haben
```
%% Output
2 ist eine Primzahl
3 ist eine Primzahl
5 ist eine Primzahl
7 ist eine Primzahl
11 ist eine Primzahl
13 ist eine Primzahl
17 ist eine Primzahl
19 ist eine Primzahl
23 ist eine Primzahl
29 ist eine Primzahl
31 ist eine Primzahl
37 ist eine Primzahl
41 ist eine Primzahl
43 ist eine Primzahl
47 ist eine Primzahl
53 ist eine Primzahl
59 ist eine Primzahl
61 ist eine Primzahl
67 ist eine Primzahl
71 ist eine Primzahl
73 ist eine Primzahl
79 ist eine Primzahl
83 ist eine Primzahl
89 ist eine Primzahl
97 ist eine Primzahl
es gibt 25 Primzahlen
%% Cell type:markdown id:5ac65721-daea-43d8-937c-021b2dfa8502 tags:
## Hinweise
Prinzipiell muss für jeden potentiellen Teiler überprüft werden, ob die Zahl teilbar ist. Um das herauszufinden kannst du den % Operator verwenden. Dieser gibt den Rest bei einer ganzzahligen Division aus. Ist der Rest für einen Teiler gleich 0, dann ist die Zahl keine Primzahl. Die Funktion kann an diesem Punkt beendet werden. Also je nachdem, ob der Rest gleich Null ist oder nicht, kann die Funktion mit negativem Ergebnis beendet werden, oder muss weiterlaufen. Wenn alle potentiellen Teiler probiert wurden und keiner die Zahl teilt, dann ist die Zahl eine Primzahl und die Funktion kann mit positivem Ergebnis beendet werde. Es ist also nötig, dass das Programm je nach Ergebnis unterschiedlich weiterläuft. Dieses Verhalten wird Verzweigung genannt. Im Grundlagen-Notebook wird erklärt, wie eine Verzweigung funktioniert. Beachte außerdem, dass 0 und 1 keine Primzahlen sind
%% Cell type:markdown id:f6f121ed-0501-42c8-bbf4-2dddb87d25cb tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 4 - Listen**</font>
%% Cell type:markdown id:2c306592-95a5-4c6c-a7e0-ce8499772057 tags:
## <font color='blue'>**Augabe**</font>
Schreibe eine Funktion "statistik", die eine Liste von Werten als Parameter erhält und von diesen Werten den Mittelwert und die Standardabweichung berechnet. Probiere die Funktion mit der Liste, die in der zweiten Zelle gegebenen Liste.\
(Zur Kontrolle, der Mittelwert ist ca. 0.516, die Standardabweichung liegt bei ca. 0.289)
## <font color='blue'>**Grundlagen**</font>
der Mittelwert einer Liste von $n$ Zahlen ist\
$\overline{x}=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_{i})}{ n}$\
Die Standardabweichung ist definiert als die Wurzel der Varianz, bzw. der durchschnittlichen quadratischen Abweichung der Werte vom Mittelwert\
$
\sigma=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-\overline{x})^{2}}
$
## <font color='blue'>**Lösung**</font>
%% Cell type:code id:62f4cfe0-7e29-42eb-939f-87de2b568c13 tags:
``` python
def statistik(werte):#Eine Funktion statistik definieren. Der Parameter ist eine Liste von Werten
mean=0#Eine Variable für den Mittelwert
for x in werte:# x nimmt nacheinander den Wert aller Elemente der Liste an
mean+=x #Den aktuellen Wert zum Mittelwert hinzuzählen
mean/=len(werte)#An diesem Punkt ist mean die Summe aller Werte. Für den Mittelwert müssen wir durch die Anzahl der Werte in der Liste teilen
sigma=0#Eine Variable für die Standardabwichung
for x in werte:#Wir brauchen noch einmal eine Schleife über alle Werte der Liste
sigma+=(x-mean)**2#Das quadrat der Differenz von Wert und Mittelwert zur Variable addieren
sigma/=len(werte)#Und durch die Anzahl der Elemente teilen
sigma=sigma**0.5#Anschließend die Wurzel berechnen. Das ist hoch 0.5
return mean,sigma#Den Mittelwert und die Standardabweichung als Ergebnis zrückgeben
```
%% Cell type:code id:12c1ee6c-2e1f-453f-b530-d89638bf1ecd tags:
``` python
vals=[0.6964376821627082, 0.26266291048512347, 0.6745158617205556, 0.5288863107123398, 0.9274827629604636, 0.5243575061460061, 0.13385032676535535, 0.5411765303585021, 0.8198672857283978, 0.520437008812458, 0.562041573670414, 0.8561634972894122, 0.9623313631899726, 0.31907914320612074, 0.26119438987542387, 0.13520243670788368, 0.09469575247376472, 0.4246904822161435, 0.9133966307845354, 0.6420660225100518, 0.5785388233096391, 0.5238427408012839, 0.6647315475249502, 0.23571241136003973, 0.05961979239799975, 0.2165498289343185, 0.27159399814957363, 0.7655112819065766, 0.3431093024220383, 0.032247101142615864, 0.3015891143198096, 0.8097960606785481, 0.6796579318567529, 0.04436335567039129, 0.3407031394453095, 0.9458530157190131, 0.4218758395390574, 0.800645477912877, 0.7122317776120418, 0.16153560000189693, 0.8135112166616905, 0.6482516503330767, 0.19497040057189519, 0.7385295095967741, 0.5853177365981909, 0.7420310625532276, 0.9973422543876882, 0.6452433133176014, 0.08077974197489635, 0.46872138143040165, 0.4054095407349284, 0.9820027392529405, 0.1336574018638953, 0.7951695379763538, 0.526730196167776, 0.5838599467003179, 0.0101539445719665, 0.48955298718235196, 0.03312143865023964, 0.8037955706420147, 0.3720197208314814, 0.48910812354462607, 0.24786536056996467, 0.1308221105399613, 0.041839203867548025, 0.9577432390272803, 0.5173227078055732, 0.6214831882992236, 0.2735357256248029, 0.6800368701292161, 0.7925116477725586, 0.9995034932317471, 0.5874671327858604, 0.862421214533514, 0.528701106919735, 0.812381203902576, 0.5914815145860267, 0.6983657416025035, 0.9147650053289076, 0.1193325169156918, 0.2749890766516555, 0.7890513406461243, 0.10338960814994036, 0.497040228474409, 0.7482023492365272, 0.5720468814904877, 0.4042269451026068, 0.9831530451459302, 0.15738865410556224, 0.05169634869621442, 0.6801435501291248, 0.3197438911718855, 0.01245122578094271, 0.6284172563073083, 0.9055888582598005, 0.7634333890207554, 0.8039480668851395, 0.03594773926272621, 0.5331691153755076, 0.7424130320454684]
statistik(vals)
mean,sigma=statistik(vals)
print("Der Mittelwert ist", mean)
print("Die Standardabweichung ist", sigma,sep=":")
```
%% Output
Der Mittelwert ist 0.516335426194055
Die Standardabweichung ist:0.2891832330043811
%% Cell type:markdown id:764a11d8-b96c-471a-83c0-38765c41a5e3 tags:
## <font color='blue'>**Hintergründe**</font>
Es gibt in Python einen weiteren Variablentyp namens *list*. Listen sind Variablen, die mehrere Werte (potentiell unterschiedlichen Typs) zusammenfassen. Listen können also selbst aus Listen bestehen. Die einzelnen Werte dieser Liste sind über ihre Position innerhalb der Liste erreichbar (Zählung beginnt bei 0!). Um auf einen Wert der Liste zuzugreifen werden eckige Klammern verwendet. Man sagt, dass eine Liste indizierbar ist. Das erste Element hat den Index 0 nicht 1!
%% Cell type:code id:565d45c1-30f9-47bc-aed6-c95d29a744fd tags:
``` python
meineListe=[1,2,"hallo",9.9]
print(meineListe[0])
print(meineListe[2])
```
%% Output
1
hallo
%% Cell type:markdown id:8578e730-1027-4094-a423-91b0fabc0954 tags:
for-Schleifen können genutzt werden, um über die Elemente einer Liste zu iterieren. Dabei nimmt die Zählvariable dür Jeden durchlauf ein Element der Liste an
%% Cell type:code id:c0f9ea13-2d67-4921-8612-86108808225c tags:
``` python
eineListe=[4,"Apfel",3,9.3]
for x in eineListe:
print(x)
```
%% Output
4
Apfel
3
9.3
%% Cell type:markdown id:eb7d5ae9-3a54-44d2-a89a-b09d855df6eb tags:
Die einzelnen Einträge einer Liste sind veränderbar. Die Liste ist ein sogenanntes mutable-Object. Es können auch Elemente entfernt oder hinzugefügt werden
%% Cell type:code id:09a9d888-f5f2-4914-a803-594fd43d9f7c tags:
``` python
meineListe[1]="ein neuer Wert"
print(meineListe)
```
%% Output
[1, 'ein neuer Wert', 'hallo', 9.9]
%% Cell type:markdown id:ac5cea15-5204-44e6-bed9-882e408a8bde tags:
Auch Zeichenketten sind in Python indizierbar! Der Einzelbuchstabe an der betreffenden Position wird ausgegeben. Eine Zeichenkette ist allerdings immutable, die Buchstaben können nur gelesen werden. Die Zeichenkette lässt sich aber nicht verändern
%% Cell type:code id:13659f43-ff9d-4039-892e-d5aa01dcc773 tags:
``` python
Zeichenkette="ABCDEFG"
print("Der zweite Buchstabe der Zeichenkette ist: " +Zeichenkette[2])
```
%% Output
Der zweite Buchstabe der Zeichenkette ist: C
%% Cell type:code id:2582827c-b3a9-47df-9dc5-ab13064fe2e8 tags:
``` python
Zeichenkette[2]="A"#das Funktioniert nicht, da Zeichenketten nicht veränderbar sind
```
%% Output
---------------------------------------------------------------------------
TypeError Traceback (most recent call last)
Cell In [83], line 1
----> 1 Zeichenkette[2]="A"
TypeError: 'str' object does not support item assignment
%% Cell type:markdown id:af12b75c-a6e1-45b9-9b04-6d00b7a14bcf tags:
Generell kannst du dir merken, dass die Datentypen list, dict und alle selbst definierten Objekte (dazu kommen wir in der nächsten Übung) mutable-Objects sind, alle anderen Datentypen, wie auch die, die wir bereits kennengelernt haben, immutable-Objects sind. Diese Unterscheidung hat praktischen Einfluss auf die Verwendung von Variablen. Schaue dir das nächste Beispiel an
%% Cell type:code id:b138b8bb-6766-4e77-ba01-8606459aa438 tags:
``` python
var1=9
Liste1=[1,2,3,4,5]
Liste2=Liste1
var2=var1
var2=12
Liste2[0]=9
Liste1.append(9)
print (var1)
print (Liste1)
```
%% Output
9
[9, 2, 3, 4, 5]
[9, 2, 3, 4, 5, 9]
%% Cell type:markdown id:01035473-7d4c-4e0b-9bee-20e93522cd48 tags:
In diesem Beispiel scheint es, als ob die Zuweisung bei Listen etwas anderes tut, als bei anderen Variablen. Das stimmt nicht ganz. Im Grundsatz folgt die Zuweisung einer etwas anderen Idee. Du kannst dir das Verhalten so vorstellen, dass das Literal '9' ein ganze Zahl mit dem Wer 9 erzeugt. Das ist ein immutable-Objekt, daher bleibt es immer eine 9. Die Zuweisung 'var2=var1' hat zur Folge, dass *var2* und *var1* auf die selbe 9 verweisen, also zwei Namen für die selbe 9 sind. Eine erneute Zuweisung 'var2=12' hat zur Folge, dass eine ganze Zahl 12 erzeugt wird und *var2* auf die neu erzeugte 12 verweist, *var1* aber weiterhin auf die 9. Bei den Listen ist es genau so. Nur das die Liste eben veränderbar ist. Weißt du der Variable *Liste2* einen neuen Wert zu, dann verändert das die Liste, auf die *Liste1* verweist nicht.
%% Cell type:code id:ecc55c5d-e9d2-40aa-b2bd-189f176c19be tags:
``` python
Liste2=5
print("Liste2 ist jetzt eine Zahl mit dem Wert ",Liste2)
print("Liste1 ist weiterhin die Liste",Liste1)
print("Liste1 ist weiterhin die Liste",Liste1,sep=":")
```
%% Output
Liste2 ist jetzt eine Zahl mit dem Wert 5
Liste1 ist weiterhin die Liste [9, 2, 3, 4, 5]
---------------------------------------------------------------------------
NameError Traceback (most recent call last)
Cell In [47], line 3
1 Liste2=5
2 print("Liste2 ist jetzt eine Zahl mit dem Wert ",Liste2)
----> 3 print("Liste1 ist weiterhin die Liste",Liste1,sep=":")
NameError: name 'Liste1' is not defined
%% Cell type:markdown id:434bd101-84bc-49d4-9cf6-7060aa1208ed tags:
Manchmal möchtest du allerdings, dass bei der Zuweisung eine Liste wirklich kopiert wird. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Das erste Beispiel nutzt aus, dass Slicing immer eine Kopie erzeugt und ist eine Art kurze Schreibweise. Quellcode dieser Art kommt in Python Programmen häufig vor
%% Cell type:code id:2c4d9b94-1a38-450f-b108-7ba9b9ace6c8 tags:
``` python
Liste1=[1,2,3,4,5]
Liste2=Liste1[:]
Liste2[0]=9
print (Liste1)
```
%% Output
[1, 2, 3, 4, 5]
%% Cell type:code id:1fb4d0ec-a224-446b-8796-77acdb4650eb tags:
``` python
Liste1=[1,2,3,4,5]
Liste2=list(Liste1)
Liste2[0]=9
print (Liste1)
```
%% Output
[1, 2, 3, 4, 5]
%% Cell type:markdown id:b31bc586-1c3f-4220-a7af-eeed643df660 tags:
Der Effekt, dass die Zuweisung nicht wirklich eine Kopie ist, ist in dieser Form meist nicht sonderlich hilfreich. Allerdings kann man das Verhalten im Kontext von Funktionen nutzen
%% Cell type:code id:12ab3408-fcab-4cd4-a96a-7114e4cd02fe tags:
``` python
def meineFunktion(parameter):
parameter[0]=10
meineListe=[1,2,3,4,5]
meineFunktion(meineListe)
print(meineListe)
```
%% Output
[10, 2, 3, 4, 5]
%% Cell type:code id:433c1215-837d-4f41-9816-c1d9475285f6 tags:
``` python
meineListe=[1,2,3,4,5]
#meineFunktion()
parameter=meineListe
parameter[0]=10
#Ende meine Funktion
print(meineListe)
```
%% Cell type:markdown id:73036041-e0cd-48c8-8d8b-2a751e48413d tags:
Wie oben beschrieben funktioniert das erstellen der Parameter-Variablen wie eine Zuweisung, es folgt also den gleichen Regeln.
Hier siehst du schon ein Beispiel, wie globale Variablen vermieden werden können. Die Liste kann innerhalb der Funktion verändert werden. Da die Funktion die Liste allerdings als Parameter übergeben bekommt, ist besser verständlich, wieso sie auch innerhalb der Funktion veränderbar ist.
%% Cell type:markdown id:595a83db-5a61-4048-84d3-e5f1ca14c263 tags:
# <font color='blue'>**Aufgabe zum selbst probieren**</font>
%% Cell type:markdown id:ca559a03-b79b-4f1a-a128-4e3e3e177017 tags:
Versuche in einem Programm Alle Primzahlen bis zur 100.000 zu finden. Das Wird nicht mehr mit dem oben programmierten Primzahltest funktionieren, da zu viele Probedivisionen durchgeführt werden müssen. Es gibt eine Methode, die Primzahlen schneller zu identifizieren, wenn man die Primfaktorzerlegung als Ausgangspunkt nimmt. Jede nicht-Primzahl $n$ ist durch eine Primzahl $p$ mit $2\le$p$\le\sqrt{n}$ ganzzahlig teilbar. Damit muss ausgehend von der 2, die bekanntermaßen die erste Primzahl ist, eine Liste geführt werden, welche Primzahlen bereits gefunden wurden. So kann man ausgehend von der 3 jede Zahl nacheinander darauf testen, ob sie eine Primzahl ist. Falls dir die Beschreibung nicht reicht einen Algorithmus zu entwickeln, gibt es in der nächsten Zelle noch einige Hinweise. (Es gibt bis 100.000 9.592 Primzahlen. Bis 1.000.000 sind es 78.498, das kannst du mit diesem Algorithmus auch herausfinden; probiere das aber bitte nicht auf dem GITZ-Server aus, auf deinem Laptop sollte es jedoch kein Problem sein)
## <font color='blue'>**Lösung**</font>
%% Cell type:code id:6a4e935d-1468-41be-a175-71505b044a38 tags:
``` python
```
%% Cell type:code id:59d7ecb7-feec-40a9-a3a5-a93dacdcec76 tags:
``` python
```
%% Cell type:markdown id:0109a144-56cc-40a7-8457-df445d8b92ae tags:
## <font color='blue'>**Hinweise - falls du nicht weißt, wie du anfangen sollst**</font>
Zu erst einmal musst du alle Primzahlen finden und benötigst die Gefundenen später auch noch. Also brauchst du eine Liste, um gefundene Primzahlen zu speichern. Die sollte am Anfang, wie oben beschrieben, bereits die 2 enthalten.\
Anschließend musst du bei jeder Zahl von 3 bis 100.000 testen, ob sie eine Primzahl ist. Falls ja, musst du sie hinten an die Liste der bekannten Primzahlen anhängen.\
Für den Test schreibst du am besten eine Funktion. Die benötigt als Parameter die Zahl n, die du testen möchtest und die Liste der bekannten Primzahlen. diese Funktion muss alle Elemente der Liste durchlaufen. Für jedes Element überprüfst du, ob n durch das Element restlos teilbar ist. Falls ja, dann ist n keine Primzahl. Anschließend überprüfst du, ob das Element größer als $\sqrt{n}$ ist, falls ja ist n eine Primzahl. Das funktioniert, da die Liste nach größe aufsteigend sortiert angelegt wurde. Die restlichen Elemente müssen gar nicht mehr getestet werden, da die Zahl n nicht ganzzahlig durch sie teilbar sein kann. Falls die Schleife über die Elemente das Ende der Primzahlen erreicht, dann ist n auch eine Primzahl, da kein Teiler gefunden wurde
%% Cell type:markdown id:34903ede-f475-4cf9-a5ff-29840f89f44f tags:
# <font color='blue'>**Beispiel zum nachvollziehen**</font>
die folgende Funktion berechnet auf eine andere Art eine beliebige Fibonacci-Zahl. Sie funktioniert sogar für die erste und Zweite. Kannst du nachvollziehen, wieso sie funktioniert?
%% Cell type:code id:0e29c3dd-bd64-4e61-a1f5-5d17bb1e44ac tags:
``` python
def Fib(n):
if n<1:
print ("Die Reihe der Fibonacci-Zahlen beginnt mit der ersten Zahl!")
return
if n==1:
return 0
if n==2:
return 1
return Fib(n-2)+Fib(n-1)
```
%% Cell type:code id:57b03415-9dfb-4a08-9733-5cdfc6e6a782 tags:
``` python
Fib(6)
```
%% Output
5
......
This diff is collapsed.
%% Cell type:markdown id:757b9a6c-6599-4cd6-93c5-c4fb30ed5b53 tags:
# <font color='blue'>**Übung 3 - Objektorientierte Programmierung**</font>
%% Cell type:markdown id:d3a49027-9186-48a6-ba9f-332428e93bd9 tags:
## <font color='blue'>**Die Grundlagen von Objektorientierter Programmierung**</font>
In den vorherigen Übungen wurden die grundlegenden Elemente zur Ablaufsteuerung von Programmen behandelt. In dieser Übung führen wir ein wichtiges Konzept der Programmierung ein, die Objektorientierte Programmierung. Diese hilft sowohl bei der Strukturierung komplexer Projekte, der Verständlichkeit von Quellcode und dem gemeinsamen Arbeiten. Die Grundidee dahinter ist es, zusammengehörende Daten zusammen mit dazu passenden Operationen in (selbst) definierten Datentypen zusammenzufassen.
### **Weitere Notebooks, die dir helfen könnten**
* Python Grundlagen Teil 1
* Python Grundlagen Teil 2
* OOP Grundlagen
### **Vorkenntnisse**
* Übung 1
* Übung 2
### **Lernziele**
* Klassen und Objekte
* Attribute und Methoden
* Spezielle Methoden
%% Cell type:markdown id:b0e426c9-9a66-4bc6-a0be-fc8e08c18858 tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 1 - Einfache Klasse**</font>
## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>
Für den ersten Kontakt mit Klassen und Objekten wollen wir mit einem einfachen Alltagsbeispiel beginnen.
Erstelle eine Klasse namens Artikel, mit dem ein Supermarkt seine Artikel verwalten kann. Die Artikel sollen einen Namen, eine Menge und einen Preis pro Mengeneinheit haben. Dazu soll die Datenstruktur Methoden besitzen, mit denen der Supermarkt den Lagerbestand auffüllen kann, sowie eine bestimmte Menge eines Artikels (soweit vorhanden) verkaufen kann. Beim Verkaufen soll eine Ausgabe über die verkaufte Menge, den Preis und die verbleibende Menge gegeben werden. Außerdem soll ermittelbar sein, wieviele verschiedene Artikel es gibt.
Teste das Programm anhand eines Supermarktes der zu Beginn 500 kg Zucker zu 1 Euro pro kg, und 1000 kg Mehl zu 1,50 Euro pro kg auf Lager hat. Er füllt das Lager um 600 kg Zucker auf, und ein Kunde kauft 4 kg Mehl. Nutze die erstellte Klasse, um die neuen Lagerbestände zu ermitteln, sowie den vom Kunden gezahlten Preis.
%% Cell type:markdown id:b29c819a-aedd-4232-bcd7-eedcd810695c tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
Klassendefinition und Instanziierung:
%% Cell type:code id:6b0c8c9d-f3b6-47fc-9de7-04f557ed5511 tags:
``` python
```
%% Cell type:markdown id:d046ee6a tags:
Auffüll- und Verkaufsoperationen, sowie Testausgaben (beliebig oft wiederholbar):
%% Cell type:code id:7b68c5f0 tags:
``` python
```
%% Cell type:markdown id:c665968c tags:
## <font color='blue'>*Hinweise*</font>
Es soll eine Klasse und ein Hauptprogramm erstellt werden. In dem Hauptprogramm sollen Objekte der Klasse verwendet werden, um die beispielhafte Testaufgabe zu erfüllen. Natürlich kannst du dich hier auch frei austoben und mehrere Verkäufe machen, oder testen, ob die Klasse beim Verkaufen korrekt erkennt, wenn nicht genug auf Lager ist. Es darf keine negativen Mengen geben.
Wir machen folgende Vorschläge für die Namen der Klasse, Attribute und Methoden:
Klasse ```Artikel```,
Attribute ```anz_artikel```, ```menge```, ```preis```, ```name```
Methoden ```__init__()```, ```auffuellen()```, ```verkaufen()```
Für die Syntax benötigst du Informationen aus dem Grunlagen OOP Notebook. Für diesen Abschnitt benötigst du Klassen und Objekte, Klassen- und Objektattribute, sowie Objektmethoden.
%% Cell type:markdown id:46d21f3a-b37e-49d3-864f-587b09ba0b89 tags:
# <font color='blue'>**Abschnitt 2 - Vektorrechnungen**</font>
Nachdem du nun erste Erfahrungen mit der Objektorientierten Programmierung gemacht hast, wollen wir uns einem mathematischeren Thema widmen. Dabei wollen wir auch das Thema spezielle Methoden (auch magic method genannt) einführen. Diese erlauben es uns in dieser Aufgabe, Vektorrechnung mit den bekannten Operatoren wie mit "normalen" Variablen auch, durchzuführen.
%% Cell type:markdown id:6e25b06f tags:
## <font color='blue'>*Aufgabe*</font>
Berechne den Betrag des Vektors c = a-b, mit den Vektoren a = (1,2,3) und b = (5,-4,3). Außerdem soll das Skalarprodukt mit a * b berechnet werden. Erstelle dazu eine Klasse ```Vektor3``` für die dreidimensionalen Vektoren so, dass die bereits gegebenen Codezeilen erfolgreich ausgeführt werden können.
%% Cell type:markdown id:e7333454-be6d-487d-a39e-ba509472aa30 tags:
## <font color='blue'>*Lösung*</font>
%% Cell type:code id:4d5ce741-9f03-4e88-b10a-be8d223ef9e5 tags:
``` python
```
%% Cell type:code id:dc85e62c-a188-46ab-b7c5-55fc44d8bbbf tags:
``` python
a = Vektor3([1,2,3])
b = Vektor3([5,-4,3])
c = a-b
print("Betrag des Vektors c: " + str(c.get_betrag()))
print("Skalarprodukt a * b: " + str(a*b))
```
%% Cell type:markdown id:ac9ba52d tags:
## <font color='blue'>*Hinweise*</font>
Nun benötigst du noch den Abschnitt über spezielle Methoden aus dem OOP-Grundlagen Notebook. Diese erlauben es, die Methoden so zu definieren, dass die Operationen wie a-b mit den selbst definierten Vektoren funktionieren.
Es ist dir selbst überlassen, ob du die Einträge der Vektoren als eine Liste, oder als drei einzelne Werte speicherst.
Das Ergebnis einer Summe oder Differenz ist ein neuer Vektor.
%% Cell type:markdown id:595a83db-5a61-4048-84d3-e5f1ca14c263 tags:
# <font color='blue'>**Aufgabe zum selbst probieren**</font>
%% Cell type:markdown id:ca559a03-b79b-4f1a-a128-4e3e3e177017 tags:
Erweitere die Vektorklasse um weitere Operationen, die dir sinnvoll erscheinen. Ebenso könnte es interessant sein, die Beschränkung auf 3 Dimensionen aufzuheben. Beachte dabei, dass die Operationen bestimmte Anforderungen haben. So funktioniert das Kreuzprodukt nur mit Vektoren mit drei Dimensionen, Addition und Substraktion nur für Vektoren gleicher Dimension etc. Die Funktionen müssen das dann überprüfen, ob sie selbst und auch der andere Operand die geforderte länge haben.
## <font color='blue'>**Lösung**</font>
%% Cell type:code id:6a4e935d-1468-41be-a175-71505b044a38 tags:
``` python
```
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