Funktionen [KSR Wiki]

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===== Funktionen =====

++++Links zu Online-Tutorials|

   * Dreiteiliges Tutorial zum Thema Funktionen vom Kanal "Programmieren Starten":
     * Funktionen: [[https://youtu.be/LQCfN5HS9xI]]
     * Funktionen mit Parametern: [[https://youtu.be/af9ORp1Pty0]]
     * Funktionen mit Rückgabewert: [[https://youtu.be/ehSP-sYoKCY]]

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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:
<code python>
def name_der_funktion(PARAMETER): # Parameter sind optional
    # Codeblock der Funktion
    return <Resultat>  # optional
</code>

   * Das Schlüsselwort `def` leitet immer die Definition einer Funktion ein.
   * Darauf folgt der **Funktionsname**. Typischerweise schreibt man diesen mit ausschliesslich Kleinbuchstaben und Underscores `_`.
   * 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** `:`
   * folgt der **Funktionskörper**, der 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.

=== Beispiel 1: Funktion ohne Parameter und Rückgabewert ===

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.
<code python>
def say_hi():
    print("Hallo du!")

say_hi()
say_hi()
</code>

=== Beispiel 2: Funktion mit Parameter und ohne Rückgabewert ===

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 ein **Argument** (hier: den Namen) 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 ein Argument übergeben muss. Wird der Funktionskörper ausgeführt, ist der Parameter `name` wie eine gewöhnliche Variable, die den Wert im Aufruf übergebenen Arguments trägt.

Beim ersten Funktionsaufruf unten hat `name` also den Wert `"Silvia"` und beim zweiten den Wert `"Gabriele"`.

<code python>
def say_hi(name):
    print("Hallo " + name + "!")

say_hi("Silvia")
say_hi("Gabriele")
</code>

=== Beispiel 3: Funktion ohne Parameter aber mit Rückgabewert ===

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:
<code python>
import random

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

print(wuerfle())
print(wuerfle())
print(wuerfle())
</code>

=== Beispiel 4: Funktion mit Parameter und mit Rückgabewert ===

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:
<code python>
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))
</code>

In Realität ist es aber so, dass die meisten Würfel bis $6$ gehen. Wir können nun unser Leben einfacher machen, indem wir den Parameter `max_nr` mit einem **Vorgabewert** ausstatten:

<code python>
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 Vorgabewert
</code>
Der erste Funktionsaufruf simuliert natürlich einen 12er-Würfel. Der zweite einen 6er-Würfel: Da kein Argument für den Parameter `max_nr` übergeben wird, wird der Vorgabewert (`max_nr=6`) verwendet. Hier ist es üblich, //keinen// Abstand links und rechts vom Operator zu machen.

==== Aufgaben E ====

**Vorwissen:**
   * [[gf_informatik:funktionen|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

=== Aufgabe E1 ===

**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!"

=== Aufgabe E2 ===

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

<nodisp 1>
++++Tipps:|
Erzeuge mithilfe des `random`-Moduls eine [[gf_informatik:programmieren_ii#zufallszahlen|Zufallszahl]] ($1$ oder $2$). Falls die Zufallszahl $1$ ($2$) ist, gibst du "Zahl" ("Kopf") aus. Verwende dazu eine Verzweigung.
++++
</nodisp>


=== Aufgabe E3 ===

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.

<nodisp 1>
++++Tipps:|
Ähnlich wie Münzwurf-Funktion oben. Bestimme wieder eine Zufallszahl (z.B. im Bereich $1-5$, falls du fünf Sprüche hast). Falls die Zufallszahl $2$ ist, gibst du den zweiten Spruch aus. Verwende dazu eine if-elif-...-else-Verzweigung.

Simuliere nun 20 Münzenwürfe.
++++
</nodisp>

=== Aufgabe E4 ===

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

=== Aufgabe E5 ===

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 als 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.

<nodisp 1>
++++Lösungen Aufgaben E|

==== Aufgaben E ====

=== Aufgabe E1 ===

<code python>
def greetings(name,residence):
    print("Hallo, mein(e) liebe(r) " + name + " aus " + residence + ". Ich wünsche dir einen ganz tollen Tag!")

greetings("Fritz","Romanshorn")
greetings("Monika","Amriswil")
</code>

=== Aufgabe E2 ===

<code python>
import random

"""
Wichtig: Die Ermittlung der Zufallszahl mit randint und die Verzweigung (Kopf oder Zahl) muss IN der Funktion gemacht werden, nicht ausserhalb!
"""

def head_or_tail():
    r = random.randint(1,2)
    if r == 1:
        print("Head!")
    else:
        print("Tail!")

head_or_tail()
head_or_tail()
</code>

=== Aufgabe E3 ===

<code python>
import random

def fortune_cookie():
    r = random.randint(1,3)
    if r == 1:
        print("Spruch 1")
    elif r == 2:
        print("Spruch 2")
    else:
        print("Spruch 3")
</code>

=== Aufgabe E4 ===

<code python>
from turtle import *
turi = Turtle()
turi.hideturtle()
turi.speed(1000)

def square(l):
    i = 0
    while i < 4:
        turi.forward(l)
        turi.right(90)
        i = i + 1

square(50)
square(100)
square(150)
square(200)
</code>

=== Aufgabe E5 ===

<code python>
from turtle import *
t = Turtle()
t.hideturtle()

def square(x,y,l):
    t.teleport(x,y)
    i = 0
    while i < 4:
        t.fd(l)
        t.right(90)
        i = i + 1

def circle(x,y,r):
    t.teleport(x,y)
    t.circle(r)

def rectangle(x,y,a,b):
    t.teleport(x,y)
    i = 0
    while i < 2:
        t.fd(a)
        t.right(90)
        t.fd(b)
        t.right(90)
        i = i + 1

def triangle(x,y,l):
    t.teleport(x,y)
    i = 0
    while i < 3:
        t.fd(l)
        t.right(120)
        i = i + 1

square(-200,-300,150)
circle(0,150,40)
rectangle(-150,50,20,100)
triangle(100,150,40)
</code>

[[https://webtigerpython.ethz.ch/?code=NobwRAdghgtgpmAXGGUCWEB0AHAnmAGjABMoAXKJMNGbAewCcyACBqCYumAHQgDMGXZmQCuTADZxmNek2YAqXiwC8zACpiykgBQBKJZgAWaYnFES4egwGdscOMW0BGAAwv9EXqb7NrARxEoBksADwJcAnFdRF5mOOFMMjhJWTJtMNwPeOlmVRdY-IB3Y0kcgB5mABYYiGzsskw-RyiCuoSGNABzQzSATndWurRcnIBqZideLzgfAGM0BlmdDIIGaMGGpJTGNIys-Ib5xZ01qY4Z1jhZighO5fCCKAIAI3Xag8TkuFT08P244Z5QbFNClYYVABMNTacQaTW0UH-dQaHW6fQG7zacMcr0G9UwqJ62n6SOygLGEzO3mEHXYd1CDyi0I-W2-O1-mUG5PymOYILBzAqAGZmVjGs1SR9CWknBCMTCcqphuNJp5zj42BwuAB9WZ0cSMbRkTW2IJwCBkZQAMSg4mscDe2WCxBGms4MAJ7GIGBlBGYEIArAGkZ1gubXV6uJ6OD7nH7A8HBs9xCIpKo3VG3bGnPGg0i0D5jexTcELaK6rbsIYoBGtR6sxbtAGXLnE7ynWYxLVtM6_aH7BA_cnU37K9Wkcl7eWO-Zu73mP3zUOUw6qRcgmQ0NY0o74tZq3ZrLX3dHvY3KgRXEj-VJ91BD8wAHzMFzTvcHuBH1R3h8AWkp7bvveaasJG9ZetmfqVJKcR0qU6ZgaesYtswJJ4h8kh8GkcGroBcQhMemYQY2v5OAAHCh5HyjCuCEeBMYkVRfpUTBvgmHATh0UhjZysxbisXCoLiHqBoMD2YG6vqhpqAwqa6AJmCFCYZCGNo1Fis8cCdBg2p8EJVh4dIPg_mmqhOG-bT-IEwS_MwERsaYTisckBa-B-uSqFC6FtEcSwMnZfrWOxTnecwLnGe5yiqCKoX1LStz3AFDkcc54iuSZHlVBZdRBaYEJcQ2aS8RM_GxfEwTXDhtn2blHGBexEIKeaxC6fprHZLwG5bjuvBgAAvgAukAA|Modern Artist]]

++++
</nodisp>

==== Aufgaben F ====

**Vorwissen:**
   * [[gf_informatik:funktionen|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.

=== Aufgabe F1 ===

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?

=== Aufgabe F2 ===

**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.


=== Aufgabe F3 ===

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`).

=== Aufgabe F4 ===

Schreibe eine Funktion `grade(points)`, die dir die Note (_en_. 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.

=== Aufgabe F5 ===

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 `factorial(...)`, der als Argument eine ganze Zahl übergeben wird und die 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!

=== Aufgabe F6 (optional) ===

**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

<nodisp 1>

++++Lösungen Aufgaben F|

==== Aufgaben F ====

=== Aufgabe F1 ===

<code python>
def volume_cube(x):
    return x**3

v = volume_cube(13)
print(v)
</code>

=== Aufgabe F2 ===

<code python>
def pythagoras(a,b):
    return sqrt(a*a + b*b)

print(pythagoras(3,4))
</code>


=== Aufgabe F3 ===

<code python>
import math
def volume_sphere(r):
    return 4*math.pi/3 * r**3

print(volume_sphere(3))
</code>


=== Aufgabe F4 ===

<code python>
def grade(points,points_6):
    gr = 5*points/points_6 + 1
    if gr > 6:
        gr = 6.0
    return round(gr,1)

print(grade(23,51))
</code>


=== Aufgabe F5 ===

<code python>
def factorial(n):
    product = 1
    i = 1
    while i <= n:
         product = product * i
         i = i + 1
    return product

print(factorial(5))
</code>


=== Aufgabe F6 ===

<code python>
def mitternachtsformel(a,b,c):
    d = b*b - 4*a*c
    if d < 0:
        return None
    elif d == 0:
        return -b / (2*a)    
    else:
        r = -b / (2*a)
        return [(-b - sqrt(d)) / (2*a), (-b + sqrt(d)) / (2*a)]

print(mitternachtsformel(3,-6,-5)) # 2 Loesungen
print(mitternachtsformel(1,-4,4))  # 1 Loesung
print(mitternachtsformel(1,2,7))   # keine Loesung
</code>

++++

</nodisp>