《Python程序设计（第3版）》[美] 约翰·策勒（John Zelle） 第 3 章 答案

《Python程序设计（第3版）》[美] 约翰·策勒（John Zelle） 第 3 章 答案

答案仅供参考，若有错误欢迎指正

判断对错

1．由计算机存储和操作的信息称为数据。
2．由于浮点数是非常准确的，所以通常应该使用它们，而不是int。
3．像加法和减法这样的操作在math库中定义。
4．n 项的可能排列的数目等于 n！。
5．sqrt函数计算数字的喷射（squirt）。
6．float数据类型与实数的数学概念相同。
7．计算机使用二进制表示数字。
8．硬件float可以表示比硬件int更大范围的值。
9．在获取数字作为用户输入时，类型转换函数（如float）是eval的安全替代。
10．在 Python 中，4 + 5 产生与 4.0 + 5.0 相同的结果类型。
解答

1. T
2. F（p.36 “由于浮点值不精确，而 int 总是精确的，所以一般的经验 法则应该是：如果不需要小数值，就用 int”）
3. F（见 p.37 “表 3.1 Python 内置的数值操作”）
4. T
5. F（p.41 “该程序使用了 math 库模块的平方根函数 sqrt”）
6. F（p.36 “int 和 float 之间的另一个区别是，float 类型只能表示对实数的近似”）
7. T
8. T
9. T
10. F（p.38 “结果的数据类型取决于操作数的类型”）

多项选择

1．下列________________项不是内置的 Python 数据类型。
a．int
b．float
c．rational
d．string
2．以下________________项不是内置操作。
a．+
b．%
c．abs()
d．sqrt()
3．为了使用 math 库中的函数，程序必须包括________________。
a．注释
b ．循环
c．操作符
d ．import 语句
4．4！的值是________________。
a．9
b．24
c．41
d．120
5．用于存储π的值，合适的数据类型是________________。
a．int
b．float
c．irrational
d．string
6．可以使用 5 位比特表示的不同值的数量是________________。
a．5
b．10
c．32
d．50
7．在包含 int 和 float 的混合类型表达式中，Python 会进行的转换是________________。
a．浮点数到整数
b．整数到字符串
c．浮点数和整数到字符串
d．整数到浮点数
8．下列________________项不是 Python 类型转换函数。
a．float
b．round
c．int
d．abs
9．用于计算阶乘的模式是________________。
a．累积器
b．输入、处理、输出
c．计数循环
d．格子
10． ________________。
a．导致溢出
b．转换为 float
c．打破计算机
d．使用更多的内存
解答

1. C（Python 使用 fractions 库中的 Fraction 函数来表示有理数，其实就是用分数来表示有理数?）
2. D（sqrt() 函数是 math 库中的函数）
3. D
4. B（4！= 4 × 3 × 2 × 1 = 24）
5. B
6. C（1 位比特可以表示两个不同的值，5 位比特可以表示 2^5 = 32 个不同的值）
7. D（p.38 “在“混合类型表达式”中，Python 会自动将int 转换为浮点数，并执行浮点运算以产生浮点数结果。”）
8. D（abs() 函数返回实数的绝对值或负数的模）
9. A
10. D

讨论

1．显示每个表达式求值的结果。确保该值以正确的形式表示其类型（int 或float）。如果表达式是非法的，请解释为什么。

a. 7.4
b. 5.0
c. 8
d. 表达式非法（p.42 “sqrt 函数无法计算负数的平方根。Python 打印“math domain error”。这告诉我们，负数不在sqrt 函数的定义域中”。若要计算负数的平方根，请使用 cmath.sqrt ）
e. 11
f. 27（3 ** 3 相当于 pow(3, 3)，见 pow 。注意与 math.pow 的不同之处）

2．将以下每个数学表达式转换为等效的Python 表达式。你可以假定math 库已导入（通过import math）。

a. (3 + 4) * 5
b. n * (n - 1) / 2
c. 4 * math.pi * r ** 2
d. math.sqrt(r * (math.cos(a)) ** 2 + r * (math.sin(b)) ** 2)
e. (y2 - y1) / (x2 - x1)

3．显示将由以下每个 range 表达式生成的数字序列。
a．range(5)
b．range(3, 10)
c．range(4, 13, 3)
d．range(15, 5, -2)
e．range(5, 3)

Tips: range 类型表示一个不可变的数字序列，在 range(start, stop[, step]) 中，如果省略了 step 参数，则其默认为 1；如果省略 start 参数，则其默认为 0；如果 step 参数为 0，则会引发 ValueError

a. [0, 1, 2, 3, 4]
b. [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
c. [3, 6, 9, 12]
d. [15, 13, 11, 9, 7]
e. []（省略了 step 参数，且 start 小于 stop，生成一个空的数字序列）

4．显示以下每个程序片段产生的输出。

a. 1
   4
   9
   16
   25
   36
   49
   64
   81
   100
b. 1 : 1
   3 : 27
   5 : 125
   7 : 343
   9 : 729
   9
c. 012
   212
   412
   612
   812
   done
d. 1
   2
   3
   4
   5
   6
   7
   8
   9
   10
   385

5．如果使用负数作为 round 函数中的第二个参数，你认为会发生什么？例如，round(314.159265, -1) 的结果应该是什么？请解释答案的理由。在你写下答案后，请参阅 Python 文档或尝试一些例子，看看Python 在这种情况下实际上做了什么。

Python 环境：Python 3.6.5 (v3.6.5:f59c0932b4, Mar 28 2018, 17:00:18) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

310.0（参阅 round() 函数）

n = 314.159265
s = str(n)
l = s.split('.')
for i in range(-len(l[0]), len(l[1]) + 1):
    print('round({0}, {1}) = {2}'.format(n, i, round(n, i)))
# Output:
# round(314.159265, -3) = 0.0
# round(314.159265, -2) = 300.0
# round(314.159265, -1) = 310.0
# round(314.159265, 0) = 314.0
# round(314.159265, 1) = 314.2	①
# round(314.159265, 2) = 314.16
# round(314.159265, 3) = 314.159
# round(314.159265, 4) = 314.1593
# round(314.159265, 5) = 314.15927	③
# round(314.159265, 6) = 314.159265

for i in range(-2, 3):
    print('round(0.5, {0}) = {1}'.format(i, round(0.5, i)))
# Output:
# round(0.5, -2) = 0.0
# round(0.5, -1) = 0.0
# round(0.5, 0) = 0.0	②
# round(0.5, 1) = 0.5
# round(0.5, 2) = 0.5

Tips: 根据 Python 3.5 的文档，round() 函数并不是简单地四舍五入取整，“For the built-in types supporting round(), values are rounded to the closest multiple of 10 to the power minus ndigits; if two multiples are equally close, rounding is done toward the even choice (so, for example, both round(0.5) and round(-0.5) are 0, and round(1.5) is 2”，即如果值距离两边的整数的距离相等，则向相邻的偶数取整（具体见结论 6）。.

结论：

1. round 函数用于对浮点数进行四舍五入求值，具体保留几位小数，由传入的 ndigits 参数来控制
2. ndigits 是可选参数，当不传入时，即以默认保留 0 位小数进行取整，返回的是整数
3. ndigits 传入 0 时，与不传入时一样以保留 0 位小数进行取整，但返回的是浮点数
4. ndigits 传入正数时，取整到 ndigits 位小数，整数部分不变，返回的是浮点数。如果传入的浮点数的小数部分的位数小于 ndigits 位，则返回原来的数
5. ndigits 传入负数时，对整数部分的后 abs(ndigits) 位进行取整（ 例如：ndigits 为 -3，则对整数部分的后 3 位进行取整），小数部分清 0，返回的是浮点数。如果 ndigits 的绝对值大于传入的浮点数的整数部分的位数，则返回 0.0
6. 当值距离两边的整数的距离相等时的取整方法，根据官方文档，Python 2.x 与 Python 3.x 的具体实现是不同的，这里只讨论 Python 3.x 的情况。这里需要提到一种取整方法，Banker’s rounding 算法（银行家舍入法）。简单地说就是，如果舍弃部分左边的数字为奇数，则向上取整（如 ①）；如果舍弃部分左边的数字为偶数，则向下取整（如 ②）（参考链接）
7. （浮点运算的一个问题）查看 ③ 的结果，按照上面的规则，round(314.159265, 5) 应该等于 314.15926 才对，可是答案却不符合我们的预期。这不是一个 Bug，这跟浮点数的精度有关。在计算机中浮点数不一定能精确表达，导致在计算机中保存的 314.15926 比其真实值要大一点点，因此取整时就近似为了 314.15927（参考链接）

6．当整数除法或余数运算的操作数为负数时，你认为会发生什么？考虑以下每种情况并尝试预测结果。然后在 Python 中试试。（提示：回顾一下神奇的公式 a = (a // b)(b) + (a % b)。）
a．−10 // 3
b．−10 % 3
c．10 // −3
d．10 % −3
e．−10 // −3

Python 环境：Python 3.6.5 (v3.6.5:f59c0932b4, Mar 28 2018, 17:00:18) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

>>> -10 // 3
-4
>>> -10 % 3
2
>>> 10 // -3
-4
>>> 10 % -3
-2
>>> -10 // -3
3

1. 首先要知道一点，取余结果的符号与 % 第二操作数的符号相同，且 0 <= abs(a % b) < abs(b)。a % b 实质上是 a 加上或者减去整数个 b，使得结果落在区间 [0, b - 1](b > 0) 或 [b + 1, 0](b < 0)，那么得到的结果就是 a % b
2. 先求 b. ，在表达式 -10 % 3 中，3 大于 0，所以结果的范围是 [0, 2]，由 -10 + 4 * (3) = 2 得 -10 % 3 = 2；再求 a. ，根据神奇的公式 a = (a // b)(b) + (a % b)，可以得出 -10 // 3 = -4
3. 先求 d. ，在表达式 10 % -3 中，-3 小于 0，所以结果的范围是 [-2, 0]，由 10 + 4 * (-3) = -2 得 10 % -3 = -2；再求 c. ，可得 10 // -3 = -4
4. 对于 e. 也是一样，代入神奇的公式 a = (a // b)(b) + (a % b) 有 -10 = (-10 // -3)(-3) + (-10 % -3)，由于 (-10 % -3) 的值为负且在区间 [-2, 0] 内，-10 // -3 只能为 3

编程练习

1．编写一个程序，利用球体的半径作为输入，计算体积和表面积。以下是一些可能有用的公式：
$V=4/3\pi r^3$
$A=4\pi r^2$

#	A program to calculate the volume and 
# 	surface area of a sphere from its radius, given as input
import math
def main():
	radius = float(input("radius: "))
	volume = 4 / 3 * math.pi * radius ** 3
	area = 4 * math.pi * radius ** 2
	print("volume: {0}\nsurface area: {1}".format(volume, area))

main()

2．给定圆形比萨饼的直径和价格，编写一个程序，计算每平方英寸的成本。面积公式为$A=\pi r^2$。

#   A program to calculate the cost per square inch of 
#   a circular pizze, given its diameter and price
import math
def main():
    diameter = float(input("diameter(in inches): "))
    price = float(input("price (in cents): "))
    area = math.pi * (diameter / 2) ** 2
    cost = price / area
    print("The cost is", cost, "cents per square inch.")

main()

3．编写一个程序，该程序基于分子中的氢、碳和氧原子的数量计算碳水化合物的分子量（以克/摩尔计）。程序应提示用户输入氢原子的数量、碳原子的数量和氧原子的数量。然后程序基于这些单独的原子量打印所有原子的总组合分子量。

原子	摩尔质量（克/摩尔）
H	1.00794
C	12.0107
O	15.9994

例如，水（H₂O）的分子量为2（1.00794）+ 15.9994 = 18.01528。

#   A program to compute the molecular weight of a hydrocarbon
import math
def main():
    hydrogen_atoms = float(input("Please enter the number of hydrogen atomes: "))
    carbon_atoms = float(input("Please enter the number of carbon atomes: "))
    oxygen_atoms = float(input("Please enter the number of oxygen atomes: "))
    
    molar_mass = dict({"H": 1.00794, "C": 12.0107, "O": 15.9994})
    molecular_weight = hydrogen_atoms * molar_mass["H"] + carbon_atoms * molar_mass["C"] \
    + oxygen_atoms * molar_mass["O"]
    print("The molecular weight of all the atoms is",   molecular_weight)

main()

4．编写一个程序，根据闪光和雷声之间的时间差来确定雷击的距离。声速约为1100 英尺/秒，1 英里为 5280 英尺。

#   A program to calculate the distance to a lightning strike 
def main():
    seconds = float(input("Enter number of seconds between flash and crash: "))
    feet = 1100 * seconds
    miles = feet / 5280.0
    print("The lightning is approximately", miles, "miles away.")

main()

5．Konditorei 咖啡店售卖咖啡，每磅 10.50 美元加上运费。每份订单的运费为每磅 0.86 美元 + 固定成本 1.50 美元。编写计算订单费用的程序。

#   A program that calculates the cost of an order
def main():
    account = float(input("How many pounds of coffee do you want? "))
    coffee_cost = pounds * 10.5
    shipping = pounds * 0.86 + 1.50
    print("Cost of coffee:", coffee_cost)
    print("Shipping:      ", shipping)
    print("-------------------------------")
    print("Total due:     ", coffee_cost + shipping)

main()

6．使用坐标（x1，y1）和（x2，y2）指定平面中的两个点。编写一个程序，计算通过用户输入的两个（非垂直）点的直线的斜率。
$$斜率=\frac{y2-y1}{x2-x1}$$

#   A program to calculate the slope of a line through
#   two (non-vertical) points entered by the user
def main():
    x1 = float(input("Enter the x for the first point: "))
    y1 = float(input("Enter the y for the first point: "))
    x2 = float(input("Enter the x for the second point: "))
    y2 = float(input("Enter the y for the second point: "))
    slope = (y2 - y1) / (x2 - x1)
    print("The slope of the line is", slope)
    
main()

7．编写一个程序，接受两点（见上一个问题），并确定它们之间的距离。
$$距离=\sqrt{(x2-x1{)}^2+(y2-y1{)}^2}$$

#   A program to calculate the distance between
#   two points entered by the user
import math
def main():
    x1 = float(input("Enter the x for the first point: "))
    y1 = float(input("Enter the y for the first point: "))
    x2 = float(input("Enter the x for the second point: "))
    y2 = float(input("Enter the y for the second point: "))
    distance = math.sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2)
    print("The distance between the points is", distance)

main()

8．格里高利闰余是从 1 月1 日到前一个新月的天数。此值用于确定复活节的日期。它由下列公式计算（使用整型算术）：
$C=year//100$
$epact=(8+(C//4)-C+((8C+13)//25)+11(year\%19))\%30$
编写程序，提示用户输入4 位数年份，然后输出闰余的值。

#   A program to figure out the Gregorian epact value of year
import math
def main():
    year = int(input("Enter the year (e.g. 2020): "))
    C = year // 100
    epact = (8 + (C//4) - C + ((8 * C + 13) // 25) + 11 * (year % 19)) % 30
    print("The epact value is", epact, "days.")

main()

关于如何确定复活节的日期的参考链接：
http://www.madore.org/~david/misc/calendar.html)
https://www.dateofeaster.com/

9．使用以下公式编写程序以计算三角形的面积，其三边的长度为 a、b 和 c：
$$s=\frac{a+b+c}{2}$$
$$A=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}$$

#   A program to calcualte the area of a triangle given 
#   the length of its three sides--a, b, and c
import math
def main():
    a= float(input("Please enter the length of side a: "))
    b= float(input("Please enter the length of side b: "))
    c= float(input("Please enter the length of side c: "))
    s = (a + b + c) / 2
    A = math.sqrt(s * (s - a) * (s - b) * (s - c))
    print("The area of the triangle is", A)
    
main()

10．编写程序，确定梯子斜靠在房子上时，达到给定高度所需的长度。梯子的高度和角度作为输入。计算长度使用公式为：
$$length=\frac{height}{sinangle}$$
注意：角度必须以弧度表示。提示输入以度为单位的角度，并使用以下公式进行转换：
$$radians=\frac{\pi }{180}degrees$$

#   A program to determine the length of a ladder required 
#   to reach a given height when leaned against a house
import math
def main():
    height = float(input("height: "))
    degrees = float(input("angle(in degrees): "))
    radians = math.pi / 180 * angle
    length = height / math.sin(radians)
    print("length:", length)
    
main()

angle 是梯子与地面的夹角

11．编程计算前 n 个自然数的和，其中 n 的值由用户提供。

#   A program to find the sum of the first n natural numbers
def main():
    n = int(input("Please enter the value of n: "))
    s = 0
    for i in range(1, n + 1):
        s += i
    # s = n * (n + 1) // 2
    print("The sum from i to", n, "is", s)

main()

12．编程计算前 n 个自然数的立方和，其中 n 的值由用户提供。

#   A program to find the sum of the cubes of the first n natural numbers
def main():
    n = int(input("Please enter the value of n: "))
    s = 0
    for i in range(1, n + 1):
        s += i ** 3
    # s = (n * (n + 1) // 2) ** 2
    print("The sum of cubes of 1 through", n, "is", s)

main()

13．编程对用户输入的一系列数字求和。 程序应该首先提示用户有多少数字要求和，然后依次提示用户输入每个数字，并在输入所有数字后打印出总和。（提示：在循环体中使用输入语句。）

#   A program to sum a series of numbers entered by the user
def main():
    n = int(input("How many numbers are to be summed? "))
    s = 0
    for i in range(1, n + 1):
        each = float(input("Please enter a number: "))
        s += each
    print("The sum of the numbers is", s)

main()

14．编程计算用户输入的一系列数字的平均值。与前面的问题一样，程序会首先询问用户有多少个数字。注意：平均值应该始终为 float，即使用户输入都是 int。

#   A program to find the average of a series of numbers entered by the user
def main():
    n = int(input("How many numbers are to be calculated? "))
    s = 0
    for i in range(1, n + 1):
        each = float(input("Please enter a number"))
        s += each
    avg = s / n
    print("The average is", avg)

main()

15．编写程序，通过对这个级数的项进行求和来求近似的 π 值：4/1 – 4/3 + 4/5 – 4/7 + 4/9 − 4/11 + …… 程序应该提示用户输入 n，要求和的项数，然后输出该级数的前n 个项的和。让你的程序从math.pi 的值中减去近似值，看看它的准确性。

#   A program to approximate the value of pi by summing the terms 
#   of this series: 4/1 - 4/3 + 4/5 = 4/7 + 4/9 - 4/11 + ...
import math
def main():
    estimate = 0
    n = int(input("Please enter the number of terms to sum: "))
    for k in range(1, n + 1):
        estimate += (-1) ** (k + 1) * 4 / (2 * k - 1)
    error = abs(math.pi - estimate)
    print("""The approximation of pi is {0}, which is {1} 
    away from the value of math.pi({2})""".format(estimate, error, math.pi))

main()
# Output:
# Please enter the number of terms to sum: 10000000
# The approximation of pi is 3.1415925535897915, which is 1.0000000161269895e-07
#     away from the value of math.pi(3.141592653589793)

莱布尼兹恒等式：
$$\sum _{k=1}^{\infty }\frac{(-1{)}^n}{2n+1}=4\pi$$
看起来很帅，但是，该级数收敛起来非常慢?

16．斐波那契序列是数字序列，其中每个连续数字是前两个数字的和。经典的斐波那契序列开始于 1，1，2，3，5，8，13，……。编写计算第n 个斐波纳契数的程序，其中 n 是用户输入的值。例如，如果 n = 6，则结果为 8。

#   A program to compute the nth Fibonacci number where n is a value input by the user
def fibonacci(n):
    if n <= 0:
        raise ValueError("n must be positive") 
    elif n < 2:
        return n
    fib_n_minus_one = 1
    fib_n_minus_two = 0
    fib_n = 0
    for _ in range(2, n + 1):
        fib_n = fib_n_minus_one + fib_n_minus_two
        fib_n_minus_two = fib_n_minus_one
        fib_n_minus_one = fib_n
    return fib_n

def main():
    n = int(input("n = "))
    fib_n = fibonacci(n)
    print("The {0}th Fibonacci number is {1}".format(n, fib_n))

main()

17．你已经看到 math 库包含了一个计算数字平方根的函数。在本练习中，你将编写自己的算法来计算平方根。解决这个问题的一种方法是使用猜测和检查。你首先猜测平方根可能是什么，然后看看你的猜测是多么接近。你可以使用此信息进行另一个猜测，并继续猜测，直到找到平方根（或其近似）。一个特别好的猜测方法是使用牛顿法。假设 x 是我们希望的根，guess 是当前猜测的答案。猜测可以通过使用计算下一个猜测来改进：
$$\frac{guess+\frac{x}{guess}}{2}$$
编程实现牛顿方法。程序应提示用户找到值的平方根（x）和改进猜测的次数。从猜测值 x / 2 开始，你的程序应该循环指定的次数，应用牛顿的方法，并报告猜测的最终值。你还应该从 math.sqrt(x) 的值中减去你的估计值，以显示它的接近程度。

#   A program to implement Newton's method
import math
def main():
    x = float(input("Please enter the number we want the root of: "))
    times = int(input("Please enter the number of times to loop: "))
    guess = x / 2
    for _ in range(times):
        guess = (guess + x / guess) / 2
    root = math.sqrt(x)
    error = abs(root - guess)
    print("The final value of guess is {0}, which is {1} away from {2}".format(\
    guess, error, root))

main()