Programmieren II: Python Grundlagen

Slides: 2022_programmieren_ii.pdf

Du kannst nun mit Struktogrammen einfache Programme schreiben. Damit wir diese auch einem Computer zum Ausführen geben können, müssen wir diese in einer Sprache formulieren, die ein Computer versteht. Wir wählen dazu die Programmiersprache Python. Die Elemente, die wir bei den Struktogrammen kennengelernt haben, gibt es auch in Python.

In einer Variablen kann ein Wert gespeichert werden. Zum Beispiel kann man der Variablen x den Wert $42$ oder der Variablen name den Wert "Albert Einstein" zuweisen.

x = 42
name = "Albert Einstein"

Mit einer Schleife kann man einen Codeblock wiederholt ausführen lassen und zwar solange, wie eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.

while <Bedingung>:
    # Anweisung 1
    # Anweisung 2
    # ...

Mit einer Verzweigung kann man das Programm eine Entscheidung treffen: Je nach dem, ob eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist oder nicht, nimmt der Code einen anderen Verlauf.

if <Bedingung>:
    # Codeblock der ausgeführt wird,
    # falls (if) Bedingung erfüllt (True) ist
else:
    # Codeblock der ausgeführt wird,
    # der ansonsten ausgeführt wird,
    # falls also Bedingung NICHT erfüllt ist (False)

Eingabe und Ausgabe:

x = int(input("Gib eine Zahl ein")) # Aufforderung, etwas einzugeben, wird sichergestellt, dass Zahl (int für Integer) ist, dann in Variable x gespeichert
s = str(input("Gib einen String ein")) # wie oben, wird aber als Text (String) gespeichert
print(x) # der Wert der Variablen x wird in Konsole ausgegeben

x = int(input("Gib eine Zahl ein"))
s = str(input("Gib einen String ein"))
print(x)

Auf den unteren Zeilen des obigen Beispiels findest du Kommentare. Diese beginnen mit einem Hashtag #. Sämtlicher Code der folgt, wird von Python ignoriert. Damit kann man seinem Code zum Beispiel Überschriften oder Erklärungen anfügen. Möchte man Kommentare über mehrere Zeilen schreiben, verwendet man drei Anführungszeichen:

# single line comment
 
"""
multi
line
comment
"""

Leitfragen

Für Bedingungen in Verzweigungen und Schleifen benötigen wir Vergleichsoperatoren:

Leitfragen

Neben dem + gibt es eine Vielzahl an mathematischen Operatoren:

Leitfragen

Strings werden bekanntlich mit Anführungs- und Schlusszeichen geschriebene, zum Beispiel:

name = "Albert Einstein" # Ob doppeltes Anfuehrungs-/Schlusszeichen oder....
job = 'Physicist'        # ... einfaches spielt keine Regel. In einem String darf man einfach nicht mischen.

Oft möchte man mehrere Strings und Zahlen zu einem einzelnen String kombinieren. Einzelne Strings können mit + zusammengefügt werden. Möchte man eine Zahl-Variable x an einen String anfügen, so muss man diese zuerst in einen String umwandeln: str(x). Ein String, der aus mehreren einzelnen Strings und Zahlen zusammengesetzt wurde, nennt man einen formatierten String. Wird der String mit print ausgegeben, so spricht man von einer formatierten Ausgabe. Beispiel:

firstname = "Albert"
lastname = "Einstein"
print("Full name is " + firstname + " " + lastname + "!")

Beachte, dass der Plus-Operator + komplett unterschiedliche Bedeutungen haben kann, je nach Situation, in der er angewendet wird:

• 3 + 7: Wird er auf zwei Zahlen angewendet, so handelt es sich um die normale mathematische Addition. Das Resultat ist also 10.
• "Hallo " + "Klasse" oder "3" + "7": Wird er auf zwei Strings angewendet, werden diese aneinander gehängt. Resultat: "Hallo Klasse", resp. "37"
• Mischt man die beiden, z.B. "Meine Lieblingszahl ist " + x (wobei x = 42), so erhält man einen Fehler. Um diesen zu beheben, muss man den Wert von x vorher noch in einen String umwandeln: "Meine Lieblingszahl ist " + str(x)

Praktisch sind auch die Befehle lower(s) und upper(s), mit denen ein String s in kleinbuchstaben, resp. GROSSBUCHSTABEN umgewandelt werden.

Leitfragen

Mithilfe des random-Moduls können ganz einfach Zufallszahlen erzeugt werden. Folgender Code simuliert den Wurf eines Würfels:

import random
 
z = random.randint(1,6) # bestimmt eine Zufallszahl aus Bereich 1,2,3,4,5,6
print(z)

Beachte, dass die Zufallsfunktion randint heisst. Dies steht für 'random integer', also 'zufällige ganze Zahl'. Ganze Zahlen sind Zahlen ohne Nachkommastellen, also $\ldots, -3,-2,-1,0,1,2,3,\ldots$.

Verwende den Debugger (Breakpoints in VSCode), um deinen Code anzuhalten resp. verlangsamt durchlaufen zu lassen. Dies ist sehr nützlich um Bugs, also Fehler im Code, zu identifizieren. Daher auch der Name Debugger.

Im Kapitel haben wir bereits if-else-Verzweigungen kennengelernt:

if <Bedingung>:
    # Codeblock der ausgeführt wird,
    # falls (if) Bedingung erfüllt (True) ist
else:
    # Codeblock der ausgeführt wird,
    # der ansonsten ausgeführt wird,
    # falls also Bedingung NICHT erfüllt ist (False)

Diese sind sehr praktisch, wenn man im Code zwischen zwei verschiedenen Fällen unterscheiden will.

Gibt es aber drei oder mehr Fälle, muss man if-else-Verzweigungen ineinander verschachteln, wie zum Beispiel in der Schnaps, Bier & Sirup Aufgabe. Dadurch wird der Code sehr schnell unübersichtlich und fehleranfällig. Es ist dann besser, eine if-elif-else-Verzweigung zu programmieren, da man mit dieser beliebig viele Fälle unterscheiden kann:

if BEDINGUNG1:
    # Code, falls BEDINGUNG1 erfüllt ist.
elif BEDINGUNG2:
    # Code, falls BEDINGUNG2 erfüllt ist, aber nicht BEDINGUNG1.
else:
    # Code, falls keine der Bedingungen erfüllt ist.

Bemerkungen:

• Man kann beliebig viele elif-Befehle hintereinander schalten.
• Falls die Bedingung bei if oder einem elif erfüllt ist, werden alle darauffolgenden elifs gar nicht mehr überprüft.

Links zu Online-Tutorials

Wir haben gesehen, dass man mit einer while-Schleife den gleichen Codeblock mehrfach hintereinander ausführen kann. Was ist nun aber, wenn man den gleichen Codeblock nicht direkt hintereinander, sondern an verschiedenen Orten im Code aufrufen möchte? Nach unserem jetztigen Wissensstand bleibt uns nur Copy-Paste! Gleichzeitig wissen wir aber, dass wir uns schlecht fühlen sollen, wenn wir dies machen! Damit wir uns nicht schlecht fühlen müssen, wurden Funktionen erfunden: Diese erlauben es uns, den gleichen Codeblock von verschiedenen Stellen im Code aufzurufen. Funktionen sind auch nützlich, um komplexe Programme in kleinere, leichter zu programmierende Teilprogramme zu zerlegen.

Beispiele:

• In einem Zahlenspiel wollen wir oft überprüfen, ob eine Benutzereingabe eine nicht-negative Zahl ist. Diese Überprüfung könnte man in eine Funktion check_user_input(...) 'aussourcen'.
• Du möchtest oft die gleiche Art Rechnung ausführen, z.B. eine lineare Gleichung lösen → Funktion linear_equation_solver(...)

Übrigens hast du schon viele Funktionen kennengelernt - ohne dass du es wahrscheinlich gemerkt hast. Zum Beispiel ist die Funktion forward(...) für Turtles eine Funktion, die ein Turtle eine gewisse Anzahl Pixel vorwärts laufen lässt.

In Python wird eine Funktion wie folgt programmiert:

def name_der_funktion(<Argument(e)>): # Argumente/Parameter sind optional
    # Codeblock
    # der Funktion
    return <Resultat> # ist optional

• Das Schlüsselwort def leitet immer die Definition einer Funktion ein.
• Darauf folgt der Funktionsname. Typischerweise schreibt man diesen mit ausschliesslich Kleinbuchstaben und Underlines _
• Direkt anschliessend werden runde Klammern geschrieben. Diese enthalten die Parameter. Das sind Werte, die an die Funktion übergeben werden. Funktionen können auch ohne Parameter definiert werden, die Klammern sind dann halt einfach leer.
• Nach einem Doppelpunkt …
• kommt der Funktionskörper, welcher den eigentlichen Code der Funktion beinhaltet. Dieser Code muss eingerückt sein.
• Eine Funktion kann (muss aber nicht) mit return etwas zurückgeben.

Nachdem du eine Funktion definiert hast, kannst du sie ganz einfach aufrufen. Dazu mehr in den Beispielen unten.

Die Funktion gibt einfach „Hallo du!“ aus, wenn sie aufgerufen wird. Die ersten beiden Zeilen definieren die Funktion. Unten wird sie zweimal aufgerufen, dementsprechend wird 2x „Hallo du!“ ausgegeben.

def say_hi():
    print("Hallo du!")
 
say_hi()
say_hi()

Nun soll unsere Begrüss-Funktion persönlicher werden. Wir wollen sowohl Silvia wie auch Gabriele grüssen. Der Code dazu ist identisch, mit Ausnahme des Namens. Dazu können wir der Funktion einen Parameter (hier: den Name) übergeben. Dazu müssen wir die Funktion 'vorwarnen': In den runden Klammern schreiben wir einen Parameter hinein, hier name in def say_hi(name). Dies sagt der Funktion, dass man ihr einen Parameter übergeben muss. Wird der Funktionskörper ausgeführt ist name wie eine gewöhnliche Variable, die eben diesen Parameterwert trägt. Beim ersten Funktionsaufruf unten hat name also den Wert "Silvia" und beim zweiten den Wert "Gabriele".

def say_hi(name):
    print("Hallo " + name + "!")
 
say_hi("Silvia")
say_hi("Gabriele")

In einem Glücksspiel wollen wir oft einen Würfelwurf simulieren. Dazu wollen wir eine Würfelfunktion wuerfle() programmieren, die uns eine Zufallszahl von $1$ bis $6$ gibt:

import random
 
def wuerfle():
    rand_nr = random.randint(1,6)
    return rand_nr
 
print(wuerfle())
print(wuerfle())
print(wuerfle())

Nun wollen wir auch andere Würfel (z.B. 12er-Würfel) simulieren können. Dazu führen wir einen Parameter ein, der den maximalen Wert des Würfels festlegt:

import random
 
def wuerfle(max_nr):
    rand_nr = random.randint(1,max_nr)
    return rand_nr
 
print(wuerfle(12))
print(wuerfle(12))
print(wuerfle(12))

In Realität ist es aber so, dass die meisten Würfel bis $6$ gehen. Wir können nun unser Leben einfacher machen, indem wir die Funktion mit einem Standardargument ausstatten:

import random
 
def wuerfle(max_nr=6):
    rand_nr = random.randint(1,max_nr)
    return rand_nr
 
print(wuerfle(12)) # 12er-Wuerfel
print(wuerfle())   # 6er-Wuerfel, verwendet Standardargument

Der erste Funktionsaufruf simuliert natürlich einen 12er-Würfel. Der zweite einen 6er-Würfel: Da kein Parameter übergeben wird, wird das Standardargument (max_nr=6) verwendet. Hier ist es üblich, keinen Abstand links und rechts vom Operator zu machen.

2023_listen.pdf

Bisher haben wir in Variablen einzelne Werte gespeichert. Kann man auch mehrere Werte in einer Variablen speichern? Ja! Mit Listen!

Eine Liste erstellt man wie folgt:

alphabet = ['a','b','c','d','e']

Die Liste im Beispiel oben hat die Elemente 'a','b','c','d' und 'e'. Jedes dieser Elemente hat einen bestimmten Index, seine Position in der Liste:

Beachte, dass das erste Element den Index 0 hat!

Über den Index kann man auf ein Element zugreifen. Dazu schreibt man zuerst den Namen der Liste und dann den Index in eckigen Klammern:

print(alphabet[2]) # gibt 'c' aus
 
alphabet[3] = 'z' # ändert Element an Position 3 (also 'd') zu 'z'
print(alphabet) # Ausgabe: ['a','b','c','z','e']

Einer Liste kann man Elemente hinzufügen und entfernen

alphabet.append('f')   # Fügt Element hinten an, Liste nachher: ['a','b','c','z','e','f']
alphabet.insert(1,'q') # Fügt Element 'q' an Position 1 ein, Liste nachher: ['a','q','b','c','z','e','f']
alphabet.pop(3) # Entfernt Element an Position 3, Liste nachher: ['a','q','b','z','e','f']
alphabet.pop()  # Entfernt letztes Element, Liste nachher: ['a','q','b','z','e']

Die Länge einer Liste bestimmt man wie folgt:

len(alphabet) # Anzahl Elemente in Liste

Oft möchte man durch alle Elemente einer Liste durchgehen und etwas mit diesen machen, z.B. sie in die Konsole printen:

alphabet = ['a','b','c','d','e']
i = 0 # Startindex, 0, weil wir zuerst das vorderste Element (hier 'a') auslesen möchten
while i < len(alphabet): # Bedingung while-Schleife
    print(alphabet[i]) # lese Element aus Liste aus, alphabet[i], und printe dieses
    i = i + 1 # erhöhe Index

In der Bedingung i < len(alphabet) ermitteln wir mit len(alphabet) die Länge der Liste. Wichtig ist auch, dass der Index i kleiner (und nicht kleiner gleich) ist als diese Länge, da sonst versucht wird, auf Element zuzugreifen, welches nicht existiert.

Mit folgendem Code überprüft man, ob ein Element in einer Liste steht:

if 'b' in ['a','c','e','g']:
    print('kommt in Liste vor')
else:
    print('kommt nicht in Liste vor')

Sowohl in Schleifen wie auch in Verzweigungen werden Aussagen überprüft (Bedingungen). Mit Logikoperatoren können mehrere Aussagen verknüpft (and, or) oder eine Aussage negiert (not) werden:

Ein String ist eine Zeichenkette, also eine Aneinanderreihung mehrerer Zeichen, zum Beispiel s = "KSR!". Ein String hat viele Ähnlichkeiten mit einer Liste, deren Elemente einzelne Zeichen sind, wie l = ['K','S','R','!',']:

• String hat Länge: len("KSR!") → 4
• Auf einzelnes Element in String zugreifen: s[2]
• Kann durch einzelne Zeichen durchgehen:

s = "KSR!"
i = 0
while i < len(s):
    print(s[i])
    i = i + 1

Man kann einfach auf einen Bereich eines Strings zugreifen:

s = "I love KSR!"
s[2:6] # -> "love" (Zeichen an Position 2 bis und mit 5)
s[:6] # -> "I love" (Zeichen von Anfang bis und mit 5
s[7:] # -> "KSR!" (Zeichen an Position bis Ende)

Beachte, dass Stings nicht veränderbar (immutable) sind. Deshalb kann man weder einzelne Zeichen eines Strings ändern, noch Zeichen entfernen oder hinzufügen. Befehle wie s[2] = 'A', s.append('A'), oder s.pop(), die du von den Listen kennst, funktionieren also nicht.

Möchte man deshalb einen String 'ändern', muss man einen neuen String erzeugen:

• Zusammenführen mehrerer Strings: mit dem Plus-Operator +:

s = "KSR!"
s = "I love " + s # s ist jetzt String "I love KSR!"

• Zeichen entfernen: Mithilfe von Teilstrings (:)

s = "I love KSR!"
s = s[:2] + s[7:] # -> "I KSR!" (Zeichen an Position 2 bis und mit 6 'entfernt')

Dieses Kapitel ist empfohlen für alle, die beim Programmieren wenig Mühe haben und while-Schleifen sehr gut verstehen.

For-Schleifen sind eine Alternative zu while-Schleifen. Da es nichts gibt, was man mit for machen kann, was man mit while nicht auch tun könnte, ist es aber nicht zwingend notwendig, über diese Bescheid zu wissen. For-Scheifen haben aber den Vorteil, dass sie kürzer zu programmieren sind als while-Schleifen.

Eine while-Schleife kann alles, was eine Schleife machen kann. Sie ist aber ein bisschen umständlich zu programmieren. Der folgende Code geht durch sämtliche Elemente einer Liste durch und printet diese:

nrs = [2,3,5,7,11,13,17,19]
i = 0
while i < len(nrs):
    print(nrs[i])
    i = i + 1

Für diese simple Schleife brauchen wir also vier Zeilen Code. Auch ist der Code relativ fehleranfällig, zum Beispiel hat man gleich eine Endlosschleife, wenn man die Erhöhung des Index i = i + 1 vergisst.

Mit einer for-Schleife kann man (fast) das Gleiche machen, allerdings mit nur zwei Zeilen Code (für die Schleife):

nrs = [2,3,5,7,11,13,17,19]
for el in nrs:
    print(el)

Die for-Schleife geht automatisch der Reihe nach durch alle Elemente der Liste hindurch und speichert sie in der angegebenen Variablen (hier: el). Damit sind Endlosschleifen unmöglich!

Programmiert man eine for-Schleife wie oben angegeben, kann man nur auf die Elemente selber, aber nicht auf deren Index zugreifen. Betrachte folgenden Code:

nrs = [2,3,5,7,11,13,17,19]
i = 0
while i < len(nrs):
    print("Das Element mit Index " + str(i) + " ist: " + str(nrs[i]))
    i = i + 1

In dieser while-Schleife gehen wir durch alle Indizes der Liste durch und lesen jeweils das entsprechende Element aus. Wie man diese mit eine for-Schleife umsetzen kann, erfährst du weiter unten.

Der folgende Code zählt von $0$ auf $9$:

i = 0
while i < 10:
    print(i)
    i = i + 1

Dies kann man auch mit einer for-Schleife realisieren. Dazu verwendet man die range(...) Funktion, die einem eine Zahlensequenz zurück gibt. Der folgende Code zählt ebenfalls von $0$ bis $9$:

for i in range(0,9):
    print(i)

Beachte, dass in einer for-Schleife der Index automatisch erhöht wird! Ein i = i + 1 ist hier also unnötig!

Range-Funktion:

• Die range(...) verlangt eins bis drei Argumente: range(<Startwert>,<Endwert (wird NICHT erreicht)>,<Schrittgrösse>)
• Werden nur zwei Argumente angegeben, werden diese als Start- und Endwert aufgefasst, die Schrittgrösse wird auf $1$ gesetzt.
• Wird nur ein Argument angegeben, wird weiter der Startwert auf $0$ gesetzt.

Beispiele:

for i in range(3,15,2):
    print(i) # Ausgabe: 3,5,7,9,11,13
 
for j in range(3,15):
    print(j) # Ausgabe: 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14
 
for k in range(15):
    print(k) # 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14

Nun können wir das Gelernte der beiden letzten Unterkapitel kombinieren, um durch Listen zu iterieren, ohne dass wir den Index verlieren:

nrs = [2,3,5,7,11,13,17,19]
for i in range(len(nrs)):
    print("Das Element mit Index " + str(i) + " ist: " + str(nrs[i]))

Noch einfacher umsetzbar ist dies mit enumerate:

nrs = [2,3,5,7,11,13,17,19]
for i, el in enumerate(nrs):
    print("Das Element mit Index " + str(i) + " ist: " + str(el))

• Alles was eine for-Schleife kann, kann eine while-Schleife auch. Man kann also komplett auf for-Schleifen verzichten.
• Das Umgekehrte gilt aber nicht! Es gibt Situationen, die nur mit einer for- sondern nur mit einer while-Schleife umgesetzt werden können.
• Beispiel: Endlosschleife while True in Game, welches beliebig oft wiederholt werden soll.
• Tipp:
  • Verwende for-Schleife, wenn im Vorhinein klar ist, wie oft etwas wiederholt werden soll.
  • Verwende while-Schleife in allen anderen Fällen.

Mit break bricht man eine Schleife ab. Verwendet man mehrere ineinander verschachtelte Schleifen, so wird nur die innerste abgebrochen. Mit continue bricht man nur den aktuellen Durchgang einer Schleife (aber nicht die ganze Schleife) ab. Beide Befehle funktionieren sowohl für while- als auch für for-Schleifen.

Beispiel: Studiere den Code unten und versuche vorherzusagen, welchen Output dieser erzeugt. Führe dann den Code aus und überprüfe deine Vorhersage:

i = 0
while True:
    i = i + 1
    if i == 3:
        continue
    elif i == 7:
        break
    print(i)

In Python kann Code meist viel kürzer geschrieben werden als vergleichbarer Code in anderen Programmiersprachen. Dieses Kapitel beinhaltet eine Sammlung von praktischen Python-Hacks, die es dir erlauben, deinen Code kürzer zu schreiben. Es ist empfohlen, dies nur zu tun, wenn du die längere Schreibweise sehr gut verstanden hast.

In while-Schleifen muss typischerweise nach jedem Durchgang der Schleife der Index angepasst werden, z.B. mit i = i + 1. Dies kann mit i += 1 abgekürzt werden und macht genau das gleiche. Dies funktioniert auch für andere mathematischen Operationen wie a -= 2 anstelle von a = a - 2 oder b *= 3 anstelle von b = 3 * b.

Thema: Von Struktogrammen zu Python

Vorwissen: Von Struktogrammen zu Python

Alle Befehle, die wir in Struktogrammen kennengelernt haben, gibt es in ganz ähnlicher Form auch für die (richtige) Programmiersprache Python. In diesem ersten Aufgabenblock geht es darum, Struktogramme in Python und umgekehrt zu 'übersetzen'.

Löse diese Aufgaben zuerst auf Papier und erst dann am Computer, wenn dies im Auftrag vorgegeben wird.

Schlage deine Lösung zur Aufgabe 'Taschenrechner I' nach. Sie sollte in etwa so aussehen:

Schreibe das entsprechende Programm in Python (auf Papier).

Wie Teil 1, aber für 'Taschenrechner II'. Schreibe den Python-Code zuerst für die einfachere Lösung: und dann für die etwas anspruchsvollere Lösung: Beide Codes sollen wieder auf Papier geschrieben werden.

Probiere deine Lösungen (eine nach der anderen) am Computer in TigerJython aus: Tippe deinen Code ab, verwende für Einrückungen die Tabulator Taste (oben links). Führe dann den Code aus (grüner Pfeil oder F5)

Übersetze das Struktogramm zur Aufgabe „Countdown“ auf Python:

1. zuerst auf Papier.
2. Probiere deine Lösung dann am Computer aus.

Übersetze das Struktogramm zur Aufgabe „Sirup, Bier oder Schnaps“ auf Python:

1. zuerst auf Papier.
2. Probiere deine Lösung dann am Computer aus.

Übersetze alle Teilaufgabe aus der Aufgabe D2 „Struktogramme aufschreiben“ auch Python und zwar direkt am Computer.

Übersetze die Struktogramme der Zusatzaufgaben auf Python.

Vorwissen: Weitere Grundlagen

Python ist super im rechnen und macht jeden Taschenrechner vergessen. Studiere das folgende kurze Kapitel zu den mathematischen Operationen, welches eine Übersicht über die wichtigsten mathematischen Rechenoperationen beinhaltet.

Berechne mit Python und gib das Resultat aus:

1. Addiere $7777$ und $8888$
2. Subtrahiere $27312$ von $101432$
3. Wie oft kommt $29$ in $1447$ vor?
4. Ist $1764$ eine Quadratzahl oder nicht? Beispiel für Quadratzahlen: $49$, weil $7^2 = 49$

Studiere das Kapitel zu Strings.

Schreibe ein Programm, in welchem eine Person der Reihe nach aufgefordert wird, ihren Namen, Wohnort und Alter (als Zahl, nicht String) einzugeben. Die Werte werden in passenden Variablen gespeichert. Die Details zur Person werden dann in einem schön formatierten String ausgegeben, z.B. „Fritz wohnt in Romanshorn und ist 42 Jahre alt!“

Studiere das Kapitel zu Vergleichsoperatoren.

Schreibe ein Programm, in welchem man aufgefordert wird, ein Wort einzugeben. Alle Eingaben sind ok bis auf eine: Die des verbotenen Wortes „Voldemort“. Gibt man dieses Wort ein, soll eine deutliche Warnung angezeigt werden mit der Aufforderung, dieses Wort nie wieder einzugeben! Ansonsten erhält man die Rückmeldung, dass das Wort in Ordnung sei. Verwende dazu den Ungleich-Operator.

Weise der Variablen x der Wert $7$ zu. Verändere nun die Variable nacheinander wie folgt:

1. verdopple sie
2. multipliziere mit 100
3. dividiere ganzzahlig (keine Nachkommazahlen) durch 80
4. rechne hoch drei
5. subtrahiere 13
6. ziehe die Quadratwurzel
7. dividiere durch 10

Nun solltest du wieder 7 erhalten.

1. Gib alle Zahlen $0,1,2, \ldots, 9$ mithilfe einer Schleife aus.
2. Gib nun alle Werte von $0$ bis und mit $99$ aus. Hast du den Code im ersten Schritt richtig programmiert, musst du nur einen einzigen Wert ändern.

Berechne dein Alter in Tagen, Stunden und Sekunden. Speichere zuerst dein Alter in Jahren in einer passenden Variablen, z.B.

my_age_in_years = 14

Berechne nun das Alter in:

1. Tagen
2. Stunden
3. Sekunden

Jeder Wert soll in einer Variablen mit passendem Namen, z.B. my_age_in_seconds gespeichert werden. Gib nun die Berechneten Werte in formatierten Strings als Sätze aus, z.B.:

1. „I am 14 years old.“
2. „I am … day old.“
3. „…“

Wichtig! Ändert man nun den Wert von my_age_in_years, so müssen sich alle daraus berechneten Werte entsprechend anpassen!

Es sollen zwei Zahlen eingegeben werden. Der Code berechnet dann die Ganzzahldivision inklusive Rest der beiden Zahlen und gibt diese in einem formatierten String aus.

Beispiel: Werden $23$ und $5$ eingegeben, so ist die Ausgabe: „23 : 5 = 4 Rest 3“

Vorwissen: Weitere Grundlagen

In einer alten Aufgabe hast du mithilfe von repeat ein Turtle ein Quadrat zeichnen lassen. Der repeat befehlt ist eine Eigenheit von TigerJython und kein richtiges Python. Verwendest du repeat, outest du dich als uncool, weshalb wir von nun an an die Finger von repeat lassen und stattdessen while-Schleifen verwenden! Bei allen weiteren Prüfungen ist das Verwenden von repeat verboten!

Lasse eine Turtle ein Quadrat ablaufen, diesmal aber mithilfe der while-Schleife.

Du hast hoffentlich herausgefunden, wie man in einer quadratischen Spirale die Abstände zwischen den Linien kleiner und grösser machen kann. Zeichne nun in eine Figur zwei solche Spiralen ähnlich wie im Bild. Zeichne dazu mit einer while-Schleife die eine. Versetze dann die Position deiner Turtle mit setX und setY (oder setPos) und zeichne die Zweite Spirale mit einer neuen while-Schleife.

Zeichne folgende Figur:

Zeichne folgende Figur:

Nutze TurtleGraphics, um eine Uhr zu simulieren. Wähle selbst aus, ob es eine traditionelle SBB-Uhr oder eine Digitaluhr sein soll:

• SBB-Uhr: https://sca.ksr.ch/doku.php?id=gf_informatik:programmieren_zusatzaufgaben#sbb-uhr
• Digitaluhr: https://sca.ksr.ch/doku.php?id=gf_informatik:programmieren_zusatzaufgaben#digitale_uhr

Schicke das Endresultat per Teams der Lehrperson.

Vorwissen: Verzweigungen im Detail

Bei diesen Aufgaben geht es um folgendes:

• Schleifen mit elif zu programmieren
• etwas längere Programme schreiben

Programmiere die Schnaps, Bier & Wein Aufgabe mit einer if-elif-else-Verzweigung.

Die Benutzerin wird aufgefordert, eine Zahl einzugeben. Der Code analysiert, ob die Zahl positiv, Null oder negativ ist und gibt eine entsprechende Nachricht.

Der Benutzer wird aufgeforder, eine der folgenden Eingaben zu machen:

• „q“ für Quadrat
• „k“ für Kreis
• „r“ für Rechteck
• „…“ für eigene Figur

Die Turtle zeichnet dann die entsprechende Figur. Vermeide Code-Repetitionen, verwende stattdessen Schleifen!

Wird etwas anderes eingegeben, so soll eine der folgenden Varianten zum Zug kommen (entscheide selbst):

• Variante 1: einfach eine Rückmeldung, dass unzulässige Eingabe
• Variante 2: Turtle läuft ein Fragezeichen ab

Erweitere nun deinen Code wie folgt:

1. Nach der Eingabe für die Form soll der Benutzer die Farbe für den Stift und die Füllfarbe auswählen können (Tipp: askColor(...)). Mehr zu Farben findest du hier.
2. Der Stift wird auf die entsprechende Farbe gesetzt …
3. und die Form mit der ausgewählten Füllfarbe ausgefüllt. Tipp: fill(x,y)

Schreibe ein kleines Mathe-Quiz-Spiel. Der Benutzer soll eine Additionsrechnung erhalten, die er lösen soll. Nachdem er das Resultat eingegeben hat, soll er die Rückmeldung erhalten, ob das Resultat korrekt war oder nicht.

Erweitere nun dein Mathe-Quiz. In diesem soll die Aufgabe per Zufall generiert werden. Nutze den Zufallsgenerator von Python, um die beiden Zahlen, die addiert werden sollen, zufällig zu wählen.

Dazu musst du das random-Modul einbinden.

import random # schreibe dies ganz oben in deinem Code
...
x = random.randint(0,10) # wählt zufällig eine Zahl aus den Zahlen 0,1,2,3,...,9,10 aus
...

Erweitere nun dein Spiel wie folgt: Insgesamt sollen 10 Runden gespielt werden, wobei in jeder Runde eine Zufallsaufgabe generiert wird (wie in Schritt 2). Es soll mitgezählt werden, wie viele Aufgaben richtig gelöst wurden. Am Schluss soll der Spieler eine entsprechende Rückmeldung erhalten, z.B.: Du hast 7 von 10 Aufgaben richtig gelöst.

Gleich wie Schritt 3, die Rückmeldung soll aber erweitert werden. Je nach erreichter Anzahl Punkte soll eine andere Meldung erscheinen:

Mache eine Kopie von deinem Mathe-Quiz. Erweitere deinen Code nun so, dass neben der Addition auch Subtraktionen und Multiplikationen vorkommen können. Die Division sollte weggelassen werden, da es dort schnell Aufgaben gibt, die man kaum lösen kann. Welche der drei Operationen an der Reihe ist, soll ebenfalls der Zufall entscheiden.

Vorwissen:

• Funktionen
• Bis und mit Beispiel 2 „Funktion mit Parameter und ohne Rückgabewert“

Bei diesen Aufgaben geht es um folgendes:

• Verstehen, was Funktionen sind und wozu sie nützlich sind
• einfache Funktionen programmieren

Nette Begrüssung: Schreibe eine Funktion, der man den Namen und den Wohnort einer Person als Argumente übergibt. Die Funktion begrüsst diese Person dann ganz herzlich. Beispiel: „Hallo, mein lieber Oskar aus Amriswil, ich wünsche dir einen ganz tollen Tag!“

Schreibe eine Funktion head_or_tail(), die einen Münzenwurf simuliert. Zufällig soll Kopf oder Zahl ausgewählt und ausgegeben werden.

Schreibe eine Funktion fortune_cookie(), die ein Glückskeks-Spruch-Generator ist: Jedesmal wenn die Funktion aufgerufen wird, wird zufällig einer von mehreren Sprüchen ausgewählt und ausgegeben. Erfinde selber Sprüche oder klaue sie dreist aus dem Internet.

Rufe die Funktion auf.

TurtleGraphics: Schreibe eine Funktion square(x), die eine Zahl $x$ als Argument entgegen nimmt und ein Quadrat mit dieser Länge zeichnet.

Schreibe folgende Funktionen:

• square(x,y,l): Zeichnet Quadrat mit Seitenlänge l, startend an Position $(x,y)$
• circle(x,y,r): Zeichnet Kreis mit Radius r, startend an Position $(x,y)$
• rectange(x,y,a,b): Zeichnet Rechteck mit Seitenlängen a und b, startend an Position $(x,y)$
• triangle(x,y,l): Zeichnet gleichseitiges Dreieck mit Seitenlänge l, startend an Position $(x,y)$
• Funktion für selbst gewählte geometrische Figur

Mache nun moderne Kunst, indem du diese Funktionen aufrufst.

Challenge (optional): Erstelle mit möglichst vielen Zufallswerten moderne Kunst. Ziel: Kunst von deinem Programm soll besser und schöner sein wie die vom Programm der Lehrperson!

Vom Zufall abhängen können z.B. folgende Werte:

• Anzahl, wie oft jede Funktion aufgerufen wird.
• Position von Figuren
• Grössen von Figuren
• Drehung von Figuren
• Farben (Stift- und Füllfarbe), dazu kannst du den Funktionen weitere Argumente übergeben

Tipps:

• Es lohnt sich, z.B. eine Funktion draw_random_shape() zu definieren, die dann zufällig eine der Formen zeichnet.
• Du kannst auch weitere Funktionen definieren, die dir das Leben erleichtern.

Vorwissen:

• Funktionen
• Bis und mit Beispiel 4 „Funktion mit Parameter und Rückgabewert“

Bei diesen Aufgaben geht es um folgendes:

• Funktionen mit Rückgabewert verstehen und anwenden.
• Lernen, wann man eine Funktion (k)einen Rückgabewert haben sollte.

Definiere eine Funktion mit einem Argument volume_cube(x), die das Volumen eines Würfels mit Seitenlänge $x$ (in cm) berechnet und zurückgibt (also NICHT printed). Speichere das Resultat in einer Variablen und gebe es dann aus.

Welches Volumen hat ein Würfel mit Seitenlänge 13 cm?

Satz von Pythagoras: Schreibe eine Funktion pythagoras(a,b), mit der du die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks mit Katheten $a$ und $b$ berechnen kannst. Das Resultat soll zurückgegeben werden.
Tipp: Die Wurzel einer Zahl ziehst du mit sqrt(x), dazu musst du aber zuerst das math-Modul importieren: import math.

Kontrolle: Für die Katheten 3 und 4 ist die Hypothenuse 5. Die Codezeile print(pythagoras(3,4)) soll dann also 5.0 ausgeben.

Das Volumen einer Kugel mit Radius $R$ ist: $$V = \frac{4\pi}{3}\cdot R^3$$ Definiere eine Funktion volume_sphere(...), der man als Argument den Radius übergibt und die dann das Volumen zurückgibt. Die Kreiszahl Pi ($\pi$) kannst du mit math.pi aufrufen, dazu muss aber auch wieder zuerst das math-Modul importiert werden (import math).

Schreibe eine Funktion grade(points), die dir die Note (grade) für eine gegebene Punktzahl berechnet und zurückgibt. Lege die Punktzahl, die für die Note $6$ notwendig ist in einer Konstanten (wie Variable, aber alles Grossbuchstaben) fest. Die Formel geht wie folgt: $$\text{Note} = \frac{5 \cdot \text{(erreichte Punkte)}}{\text{Punktzahl für Note 6}} + 1$$

Beachte:

• Um die Noten schön zu runden, kannst du die vordefinierte Funktion round verwenden: round(3.14159,2) rundet dir die Zahl $3.14159$ auf zwei Nachkommastellen, man erhält also $3.14$.
• Erreicht man mehr Punkte als notwendig für Note 6, soll man trotzdem die Note 6 erhalten.

Die Fakultät ist eine Funktion, welche jeder ganzen natürlichen Zahl das Produkt aller natürlichen Zahlen (ohne Null) kleiner und gleich dieser Zahl zuordnet. Sie wird mit einem Ausrufezeichen geschrieben. Als Beispiel: $5!=1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 =120$.

Schreibe eine Funktion faculty(...), welcher als Argument eine ganze Zahl übergeben wird und welche dir dann die Fakultät dieser Zahl zurückgibt.

optionale Challenge für absolute Freaks: Kannst du die Fakultät ganz ohne Schleife berechnen? Dann hast du das Prinzip der Rekursion (Selbst-Aufruf) entdeckt!

Mitternachtsformel: Eine quadratische Funktion kann immer in die Form $$ax^2 + bx + c = 0$$ gebracht werden. Die Lösung ist gegeben durch: $$x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}$$

Schreibe eine Funktion mitternachtsformel(...), die die drei Werte für $a,b,c$ entgegennimmt und die Lösung(en) zurück gibt. Beachte, dass es drei Fälle gibt:

• keine Lösung: gib None zurück, dies ist der Fall, wenn der Term in der Wurzel negativ ist
• eine Lösung, dies ist der Fall, wenn der Term in der Wurzel genau 0 ist
• zwei Lösungen: gib Liste mit den beiden Werten zurück

Tipp: Verwende die Diskriminante, um den richtigen Fall zu ermitteln.

Kontrolle: Die quadratische Gleichung …

• $3 x^2 - 6 x - 5 = 0$ hat die zwei Lösungen: $-0.632993$ und $2.63299$
• $x^2 - 4 x + 4 = 0$ hat eine Lösung: $2$
• $x^2 + 2 x + 7 = 0$ hat keine Lösung

Vorwissen:

• Listen

Bei diesen Aufgaben geht es um folgendes:

• Verstehen, was Listen sind und wofür diese gut sind.
• Einfache Aufgaben mit Listen lösen.

Betrachte die Liste alphabet = ["B","C","X","D","Z","F","G","I","J"]. Korrigiere die Liste, indem du:

• am Anfang ein „A“ einfügst
• das „X“ entfernst
• dem Element mit Wert „Z“ den korrekten Wert „E“ zuweist
• am richtigen Ort ein „H“ einfügst
• am Ende ein „K“ anhängst

Betrachte die Liste:

likeable_football_clubs = ["bvb", "liverpool", "st. gallen", "bayern", "freiburg", "breitenrain"]

1. Gehe mit einer Schleife der Reihe nach durch alle Elemente der Liste durch und gebe sie aus.
2. Die Bayern haben nichts in dieser Liste verloren. Bitte entferne sie, danke! Füge weiter deinen Lieblingsklub hinzu.

Erzeuge mithilfe einer while-Schleife eine Liste, die alle Zahlen $0,1,2,\ldots,99,100$ beinhaltet.

Tipp: Erstelle zuerst eine leere Liste numbers = []. Erzeuge dann in eine while-Schleife die gesuchten Zahlen. Füge diese der Liste hinzu.

Vorwissen:

• Strings im Detail
• Logikoperatoren

Bei diesen Aufgaben geht es um folgendes:

• Strings 'manipulieren' können.
• Verstehen, was Strings und Listen gemeinsam haben und wie sie sich unterscheiden.
• Mehrere Bedingungen mithilfe von Logikoperatoren miteinander verknüpfen.

Studiere zuerst das Kapitel zu den Logikoperatoren. Nutze Logikoperatoren, um die folgende Aufgabe zu lösen:

Um eine geheime Nachricht lesen zu können, muss man nacheinander zwei verschiedene Passwörter eingeben.

Die geheime Nachricht soll nur angezeigt werden, wenn man beide Passwörter korrekt eingibt. Realisiere dies a) zuerst mit zwei ineinander verschachtelten Verzweigungen und dann b) mit dem passenden Logikoperator.

Die geheime Nachricht soll nur angezeigt werden, wenn man mindestens eines der Passwörter korrekt eingibt.

Studiere zuerst das Kapitel zu den Strings im Detail.

Betrachte den String s = "Mein Name ist Mani Matter und ich komme aus Herzogenbuchsee".

Passe in diesem String den Namen und Ort so an, dass er zu dir passt. Extrahiere also die Teile, die du verwenden kannst und kombiniere sie mit neuen (z.B. deinem Namen). Erinnerung: Einen Teilstring erhältst du z.B. mit s[2:5].

1. Schreibe eine Funktion count_char_in_string(s,c), welcher ein String s und ein Buchstabe c (engl. char, character) übergeben wird. Die Funktion zählt, wie oft c in s vorkommt und gibt diesen Wert zurück (nicht print!). Versuche die Aufgabe zuerst alleine zu lösen. Falls du nicht weiter kommst, findest du in den Tipps unten eine Schritt-für-Schritt Anweisung.
   
   
2. Wende deine Funktion an: Wie oft kommt im Lied „Ich han es Zündhölzli azündt“ von Mani Matter der Buchstabe „z“ vor?

Liedtext Mani Matter

lyrics = "i han es zündhölzli azündt, und das het e flamme gäh, und i ha für d'zigarette, welle füür vom hölzli näh, aber s'hölzli isch dervo-, gspickt und uf e deppich cho, und es hätt no fasch es loch in deppich gäh dervo, ja me weis was cha passiere, we me nit ufpasst mit füür, und für d'gluet and' zigarette, isch e deppich doch denn z'tüür, und vom deppich hätt o grus, chönne s'füür is ganze hus, und wär weis, was da nit no wär worde drus, s'hätt e brand gäh im quartier, und s'hätti d'füürwehr müesse cho, hätti ghornet i de strasse, und dr schluuch vom wage gno, und sie hätte wasser gsprützt, und das hätti glych nüt gnützt, und die ganzi stadt hätt brönnt, es hätt si nüt meh gschützt, und d'lüt wären, umenandgsprunge, i dr angscht um hab und guet, hätte gmeint s'heig eine füür gleit, hätte d'sturmgwehr gno ir wuet, alls hätt' brielet: wär isch tschuld?, ds ganze land in eim tumult, dass me gschosse hätt uf d'bundesrät am rednerpult, d'uno hätt interveniert, und d'uno-gägner sofort o, für ir'd schwyz dr fride z'rette, wäre beid mit panzer cho, s'hätt sech usdehnt nad inah uf europa, afrika, s'hätt e wältchrieg gäh und d'mönschheit wär jitz nümme da, ja i han es zündhölzli azündt, und das het e flamme gäh, und i ha für d'zigarette, welle füür vom hölzli näh, aber ds hölzli isch dervo-, gspickt und uf de deppich cho -, gottseidank dass i's vom deppich wider furt ha gno"

Tipps

1. Schreibe eine Funktion my_max(l), welche das Maximum (die grösste Zahl) einer Liste l bestimmt und zurückgibt. Programmiere dies selbst und verwende keine vordefinierten Funktionen wir max().
   
   
2. Wende deine Funktion auf die Liste unten an und zeige, dass die $76$ deren Maximum ist.

[28, 21, 67, 41, 59, 14, 47, 2, 58, 4, 76, 65, 36, 23, 60, 64, 35, 5, 49, 63, 49, 62, 7, 30, 60, 13, 14, 60, 48, 10, 76, 52, 68, 58, 51, 38, 24, 12, 51, 5]

Tipps

1. Schreibe eine Funktion quersumme(x), die die Quersumme einer Zahl $x$ berechnet und zurück gibt. Beispiel: Die Quersumme der Zahl 413 ist $8$, weil $4+1+3 = 8$.
   
   
2. Speiche alle Zahlen unter $1000$, die die Quersumme $19$ haben, in einer Liste. Wie viele sind es? Nutze deine Funktion vom ersten Teil.

Tipps

Mit Python kann man ziemlich einfach Text auf gewisse Merkmale analysieren. Davor solltest du folgende Theoriekapitel studiert haben:

• Strings
• Logikoperatoren
• For-Schleifen

Nutze deine Funktion count_char_in_string(s,c), um auf systematische Art und Weise herauszufinden, welcher Buchstabe am häufigsten vorkommt im Lied von Mani Matter.

Nutze dazu die folgende Liste mit allen gängigen Kleinbuchstaben:

alphabet = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z', 'ü', 'ö', 'ä', 'è', 'é', 'à']

Antwort

Wie oft kommt jeder Buchstabe des Alphabets in Goethes Buch „Faust“ vor? Solche Fragen lassen sich einfach mit Python beantworten. Auf https://www.gutenberg.org/ findest du jede Menge Bücher im einfachen Textformat, zum Beispiel eben Faust: https://www.gutenberg.org/files/2229/2229-0.txt

Tipps:

• Verwende lower(...), um String in Kleinbuchstaben umzuwandeln.
• Mit dem folgenden Code kannst du ein Buch direkt über ein URL einlesen:

import urllib2
 
data = urllib2.urlopen(<Pfad zu File als String>)
 
for line in data:
    line = line.replace('\n', '').decode('utf-8') # replace(...): entfernt nervige Zeilenumbrueche, decode(): Umlaute usw richtig anzeigen
    print(line) # Achtung: keine gute Idee, wenn File sehr viele Zeilen beinhaltet! Baue z.B. Counter ein, damit nach z.B. 100 Ausgaben abbricht

Wie oft kommt der Buchstabe 'x' (gross oder klein) in der Bibel vor?

Link: https://www.sermon-online.com/de/contents/6068

Schreibe Code um als Funktion my_sort(a,b,c), die die drei Zahlen a,b,c sortiert und richtig geordnet in eine Liste schreibt. Die Liste wird zurückgegeben. Verwende keine vordefinierten Sortierfunktionen.

• Spiele mit einer Kollegin/einem Kollegen nochmals das Subtraction Game (Spiel mit 21 Stiften).
• Programmiere es dann in Python. Die Spielerin soll gegen den Computer spielen und beginnen dürfen. Der Computer soll immer gewinnen, wenn die Spielerin einen unklugen Zug macht.

Eine geheime Zahl zwischen $0$ und $100$ wird in einer Variablen gespeichert. Der Spieler versucht solange die geheime Zahl zu erraten, bis er erfolgreich ist.

Zusatzpunkte:

• Das Programm gibt dem Spieler Tipps, z.B. ’Ausgabe: «Die eingegebene Zahl ist zu klein»’
• Die Anzahl Fehlversuche wird gezählt und am Schluss ausgegeben.

Der Spieler merkt sich eine geheime Zahl zwischen $0$ und $100$, der Computer soll sie erraten. Der Spieler soll dem Computer bei jedem Versuch mitteilen, ob die gesuchte Zahl kleiner oder grösser als die Vermutung ist:

• Ist die geheime Zahl kleiner als die Vermutung, muss der Spieler < eingeben.
• Ist die geheime Zahl grösser als die Vermutung, muss der Spieler > eingeben.
• Ist die geheime Zahl erraten, soll = eingegeben werden.

Zusatzpunkte:

• Der Computer detektiert, wenn der Spieler gelogen hat.