Python Programming - An Introduction To Computer Science

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Python Programming:

An Introduction to Computer Science

John M. Zelle, Ph.D.

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Fall 2002

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Contents

1 Computers and Programs 1

1.1 The Universal Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 ProgramPower ......................................... 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 Deﬁnite 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

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 Deﬁning 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 Indeﬁnite 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 Speciﬁcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Deﬁning Classes 155

10.1 Quick Review of Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

10.2 Example Program: Cannonball . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

10.2.1 Program Speciﬁcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

10.2.2 Designing the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

10.2.3 Modularizing the Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

10.3 Deﬁning 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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