Python Programming - An Introduction to Computer Science, First Edition, v1.0rc2 (Python 2.x) (2002).pdf

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Python Programming:
An Introduction to Computer Science
John M. Zelle, Ph.D.
Version 1.0rc2
Fall 2002
Copyright c
2002 by John M. Zelle
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Contents
1 Computers and Programs 1
1.1 The Universal Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Program Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 What is Computer Science? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Hardware Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Programming Languages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 The Magic of Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.7 Inside a Python Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.8 Chaos and Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Writing Simple Programs 13
2.1 The Software Development Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Example Program: Temperature Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Elements of Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Output Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Assignment Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.1 Simple Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.2 Assigning Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.3 Simultaneous Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 Denite Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 Example Program: Future Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Computing with Numbers 25
3.1 Numeric Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Using the Math Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Accumulating Results: Factorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 The Limits of Int . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Handling Large Numbers: Long Ints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6 Type Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Computing with Strings 39
4.1 The String Data Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Simple String Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3 Strings and Secret Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.1 String Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.2 Programming an Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.3 Programming a Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.4 Other String Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
i
ii
CONTENTS
4.3.5 From Encoding to Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Output as String Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.1 Converting Numbers to Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 String Formatting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.3 Better Change Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 File Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5.1 Multi-Line Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5.2 File Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.3 Example Program: Batch Usernames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5.4 Coming Attraction: Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5 Objects and Graphics 61
5.1 The Object of Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Graphics Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Using Graphical Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.4 Graphing Future Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.5 Choosing Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.6 Interactive Graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.6.1 Getting Mouse Clicks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.6.2 Handling Textual Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.7 Graphics Module Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.7.1 GraphWin Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.7.2 Graphics Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.7.3 Entry Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.7.4 Displaying Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.7.5 Generating Colors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6 Dening Functions 85
6.1 The Function of Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2 Functions, Informally . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3 Future Value with a Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4 Functions and Parameters: The Gory Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.5 Functions that Return Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.6 Functions and Program Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7 Control Structures, Part 1 101
7.1 Simple Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1.1 Example: Temperature Warnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1.2 Forming Simple Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.1.3 Example: Conditional Program Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.2 Two-Way Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3 Multi-Way Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.4 Exception Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.5 Study in Design: Max of Three . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.5.1 Strategy 1: Compare Each to All . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.5.2 Strategy 2: Decision Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.5.3 Strategy 3: Sequential Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.5.4 Strategy 4: Use Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.5.5 Some Lessons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
CONTENTS
iii
8 Control Structures, Part 2 119
8.1 For Loops: A Quick Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2 Indenite Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3 Common Loop Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.3.1 Interactive Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.3.2 Sentinel Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.3.3 File Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.3.4 Nested Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.4 Computing with Booleans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.4.1 Boolean Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.4.2 Boolean Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.5 Other Common Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.5.1 Post-Test Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.5.2 Loop and a Half . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.5.3 Boolean Expressions as Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9 Simulation and Design 137
9.1 Simulating Racquetball . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.1.1 A Simulation Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.1.2 Program Specication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.2 Random Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3 Top-Down Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.3.1 Top-Level Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.3.2 Separation of Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.3.3 Second-Level Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.3.4 Designing simNGames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.3.5 Third-Level Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.3.6 Finishing Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.3.7 Summary of the Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.4 Bottom-Up Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.4.1 Unit Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.4.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.5 Other Design Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.5.1 Prototyping and Spiral Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.5.2 The Art of Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10 Dening Classes 155
10.1 Quick Review of Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.2 Example Program: Cannonball . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.2.1 Program Specication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.2.2 Designing the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.2.3 Modularizing the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.3 Dening New Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.3.1 Example: Multi-Sided Dice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.3.2 Example: The Projectile Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10.4 Objects and Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10.4.1 Encapsulating Useful Abstractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10.4.2 Putting Classes in Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10.5 Widget Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.5.1 Example Program: Dice Roller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.5.2 Building Buttons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10.5.3 Building Dice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

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