1 Hello, World!

25

1.1 Python installieren

25

Linux

25

Windows

26

macOS

28

1.2 »Hello, World!« in der Python-Shell

29

Python in der Shell kennenlernen

29

1.3 »Hello, World!« als eigenständiges Programm

32

VSCode samt Python-Erweiterung installieren

32

Das minimalistische Hello-World-Programm

33

Noch ein Beispiel

34

1.4 Thonny

37

Thonny-Eigenheiten

38

»Richtige« Entwicklungsumgebungen

38

1.5 Elementare Syntaxregeln

40

Anweisungen

40

Blockelemente

41

»print«

42

»input«

44

Module und »import«

44

Kommentare

46

1.6 Wiederholungsfragen

47

2 Variablen

48

2.1 Grundregeln

48

Variablennamen

49

2.2 Datentypen

50

Erkennung des Datentyps

51

Angabe des vorgesehenen Datentyps (Type Annotation)

52

Mutable oder immutable

52

Veränderliche Daten kopieren

55

Typumwandlung

56

2.3 Gültigkeitsbereich von Variablen

57

2.4 Wiederholungsfragen

59

3 Operatoren

60

3.1 Überblick

60

3.2 Details und Sonderfälle

62

Division

62

Zuweisung und Berechnung verbinden

62

Zuweisung und Auswertung verbinden (»Assignment Expressions«)

63

»in«-Operator

64

Binäre versus logische Operatoren

64

Short-Circuit-Evaluation

65

Operatorhierarchie

66

Variablen und Daten vergleichen

67

Mehrfachvergleiche

68

»operator«-Modul

69

Operatoren selbst implementieren

69

3.3 Wiederholungsfragen

69

4 Zahlen

70

4.1 Ganze Zahlen

71

Division

71

Binäre und hexadezimale Darstellung

72

Ganze Zufallszahlen

73

4.2 Fließkommazahlen

73

Rundungsfehler

73

Zufällige Fließkommazahlen

74

4.3 Komplexe Zahlen, Brüche und Festkommazahlen

75

Komplexe Zahlen

75

Rationale Zahlen (Brüche)

76

Dezimalzahlen

76

4.4 Boolesche Werte

77

4.5 Wiederholungsfragen

78

5 Zeichenketten

79

5.1 Grundregeln

79

Zeichenketten aneinanderfügen und vervielfältigen

80

Sonderzeichen

80

Raw-Zeichenketten

82

»chr«- und »ord«-Funktion

82

5.2 Zugriff auf Teilzeichenketten

82

»IndexError«

83

Schrittweite (Stride)

83

5.3 Zeichenkettenfunktionen

84

Eigenschaften von Zeichen(ketten) ermitteln

87

Suchen und ersetzen

88

5.4 Zeichenketten formatieren und konvertieren

88

Daten formatieren

89

Formatierung mit dem Prozentoperator

89

Formatierung mit der »format«-Methode

90

»format«-Kurzschreibweise

92

5.5 Lokalisierung

93

Lokalisierte Zeichenketten in Zahlen umwandeln

94

Lokalisierungsbeispiel

95

5.6 Reguläre Ausdrücke

96

5.7 Wiederholungsfragen und Übungen

98

6 Datum und Zeit

99

6.1 Zeit ermitteln und darstellen

99

Datum aus Zeichenkette einlesen (»parsen«)

101

Datum ohne Zeit

101

Zeit ohne Datum

102

Objekte für einen beliebigen Zeitpunkt

102

Zeiten mit Zeitzone

103

6.2 Mit Zeiten rechnen

104

Zeiten subtrahieren

105

Laufzeit von Code messen

105

6.3 Wiederholungsfragen und Übungen

106

7 Listen, Tupel, Sets und Dictionaries

107

7.1 Listen

108

»range«-Funktion

109

Listen und Zeichenketten

109

List Comprehension

110

7.2 Funktionen zur Verarbeitung von Listen

111

»map«-Funktion

113

»reduce«-Funktion

115

»filter«-Funktion

116

»any«- und »all«-Funktion

116

Listen sortieren

117

Zeichenketten mit deutschen Buchstaben sortieren

118

7.3 Tupel (Sequenzen)

119

Anwendungsfälle

119

»zip«-Funktion

120

7.4 Sets (Mengen)

121

»set«-Methoden

122

Mengenlehre

122

7.5 Dictionaries

123

Dictionaries (assoziative Arrays)

123

Verarbeitung von Dictionary-Elementen

125

Dictionaries zusammenführen (Vereinigung/Union)

126

»zip«-Funktion

127

7.6 Type Annotations

127

7.7 Arrays

128

7.8 Wiederholungsfragen und Übungen

130

8 Verzweigungen und Schleifen

131

8.1 »if«-Verzweigung

131

»pass«-Schlüsselwort

133

»if«-Kurzschreibweise

133

Kein »switch«

134

8.2 Beispiel: Schaltjahrtest

135

8.3 »for«-Schleife

136

Schleifen über Zahlenbereiche (»range«)

137

Schleifen über die Zeichen einer Zeichenkette

138

Schleifen über Listen, Tupel und Sets

138

»enumerate«-Funktion

139

List/Tupel/Set Comprehension

139

Schleifen über Dictionaries, Dictionary Comprehension

140

Generator Expressions

141

»break«, »continue« und »else«

142

»_« als Schleifenvariable

143

8.4 »while«-Schleife

144

8.5 Beispiele für Schleifen

145

Summe der Zahlen von 1 bis 1000

145

Einmaleins-Tabelle

147

Parameter verarbeiten

148

8.6 Pattern Matching

150

8.7 Wiederholungsfragen und Übungen

151

9 Funktionen

153

9.1 Eigene Funktionen definieren

154

»Hello, Function!«

155

Beispiel: zufällige Zeichenkette

155

Beispiel: Passwortgenerator

157

9.2 Lokale und globale Variablen

158

Variablenverwaltung

158

Globale Variablen

160

9.3 Parameter

161

Parameter für unveränderliche Typen (immutable)

161

Parameter für veränderliche Typen (mutable)

162

Optionale Parameter

163

Variable Parameteranzahl

164

Parameterreihenfolge erzwingen

165

Parametertyp überprüfen

166

Type Annotations

167

9.4 Rekursion

167

Fakultät rekursiv berechnen

168

Unkontrollierte Rekursion

168

9.5 Lambda-Funktionen

170

9.6 Funktionale Programmierung

171

Beispiel: Funktionsgenerator

171

Beispiel: verschachtelter Funktionsgenerator

172

Beispiel: Listengenerator

173

9.7 Generatoren

174

Beispiel: Fibonacci-Zahlen

175

9.8 Wiederholungsfragen und Übungen

178

10 Umgang mit Fehlern (Exceptions)

180

10.1 Fehlerabsicherung mit »try« und »except«

181

Beispiel

182

Catch-all-Absicherung

184

Auswertung von Exception-Objekten

184

Nichts tun mit »pass«

185

Fehler in verschachteltem Code

185

10.2 Selbst Exceptions auslösen (»raise«)

187

10.3 Programmunterbrechungen abfangen

187

Absicherung mit »try«/»except«

188

Absicherung mit »signal«

188

Probleme beim Programmabbruch

189

10.4 Wiederholungsfragen und Übungen

190

11 Objektorientierte Programmierung

192

11.1 Crashkurs

193

Funktionen helfen, Teilaufgaben zu lösen

193

Klassen bringen Daten und Methoden zusammen

193

Objekte sind konkrete Ausformungen von Klassen

194

Begriffe (Nomenklatur)

195

11.2 »Hello, Class!«

197

Konstruktor

197

Methoden

198

Verwendung der Klasse (»Hello, Object!«)

199

11.3 Klassen- und Instanzvariablen

201

Namensräume

202

Nochmals Instanz- versus Klassenvariable

203

Type Annotations

204

Private Instanzvariablen

205

Ad-hoc-Objekte

206

11.4 Methoden

207

Statische Methoden versus Instanzmethoden

207

Methoden innerhalb einer Klasse aufrufen

209

Getter- und Setter-Methoden (Eigenschaften)

210

11.5 Operator Overloading

213

Gleichheitstest (»eq«-Methode)

214

Umwandlung in Zeichenkette (»str« und »repr«)

215

Größenvergleich (»lt« und »le«)

215

Hash-Funktion

216

11.6 Datenklassen

217

Unveränderliche Datenklassen

218

11.7 Vererbung

219

Klassenzuordnung und -hierarchie feststellen

221

Beispiel: Schachfiguren

221

Klasse für Pferd/Springer

223

Klasse für Läufer

225

Mehrfachvererbung

226

11.8 Wiederholungsaufgaben und Übungen

227

12 Module

231

12.1 Module nutzen (»import«)

231

»import as«

232

»from import«

233

12.2 Modul-Interna

234

Welche Module stehen zur Verfügung?

234

Wo befinden sich Moduldateien?

235

Welche Module sind geladen?

237

12.3 Module installieren (»pip«)

237

»pip« installieren oder aktualisieren

238

Pakete installieren und verwalten

239

»pip« versus Linux-Pakete versus Virtual Environments

240

12.4 Eigene Module entwickeln

241

Variablen über mehrere Module teilen

241

Die »name«-Variable

242

Packages

242

»pycache«-Verzeichnis

244

12.5 Wiederholungsfragen und Übungen

244

13 Interna

246

13.1 Python-Scripts ausführen

246

Was ist ein Script?

246

Scripts ausführen

247

Scripts unter Windows ausführen

248

Scripts unter Linux und macOS ausführen

249

Windows versus Linux/macOS

249

13.2 Garbage Collection

252

13.3 Shared References

253

13.4 Namensräume erforschen

255

13.5 Python-Compiler

256

13.6 Systemfunktionen

257

Programmparameter

257

Andere Programme bzw. Kommandos aufrufen

258

Warten (»sleep«)

258

Asynchrone Programmierung

259

Programm beenden

259

13.7 Wiederholungsfragen

260

14 Dateien lesen und schreiben

263

14.1 Verzeichnisse

263

Das aktuelle Verzeichnis

264

Das Codeverzeichnis

264

Heimatverzeichnis ermitteln

265

Temporäres Verzeichnis und temporäre Dateien

265

Verzeichnis- und Dateinamen kombinieren und zerlegen

266

Verzeichnisse erstellen, umbenennen und löschen

267

Verzeichnisse durchsuchen

268

14.2 Textdateien lesen und schreiben

269

»Hello, File!«

270

Dateien mit »with/as« automatisch schließen

271

14.3 Beispiel: Indexeinträge in Textdateien ändern

273

14.4 Standardeingabe und Standardausgabe

275

Beispiel

276

14.5 JSON-Dateien verarbeiten

277

»Hello, JSON!«

277

JSON-Dokumente erzeugen

278

JSON für Objekte eigener Klassen

279

14.6 XML-Dateien verarbeiten

281

»Hello, XML!«

282

Beispiel: Newsfeed auswerten

284

14.7 Wiederholungsfragen und Übungen

286

15 Netzwerkfunktionen

287

15.1 Download und Upload von Dateien

287

Zertifikatsprobleme unter macOS

288

Große Dateien stückweise herunterladen

289

FTP

290

15.2 Mails versenden

291

Mail-Versand an einen externen SMTP-Server

292

HTML-Mail

293

Bild hinzufügen

293

Weitere Mail-Varianten

294

15.3 Dropbox

294

Dropbox-Zugang testen

295

Upload

296

Download

297

15.4 Twitter

298

Tweet senden

298

16 Systemadministration

301

16.1 Linux-Kommandos aufrufen

301

Ergebnisse verarbeiten

302

Kommando durch die »bash« ausführen

303

Fehler beim Kommandoaufruf

303

16.2 Linux-Accounts einrichten

304

Passwörter erzeugen

306

Dateien lesen und schreiben

306

Kommandos aufrufen

306

Script ausführen

307

Accounts wieder löschen

307

16.3 MySQL/MariaDB-Datenbankzugriff

308

Voraussetzungen

309

»Hello, Database!«

310

Verbindungsaufbau

311

SQL-Kommandos ausführen

311

SELECT-Ergebnisse verarbeiten

312

Weitere Informationen

312

16.4 Mehrere gleichartige Datenbanken analysieren

313

SELECT-Kommando zusammenstellen

313

Liste der Kundendatenbanken einlesen

314

Datenbankverbindung herstellen, Abfragen durchführen

314

Auswertung

315

17 Raspberry Pi

317

17.1 GPIO-Zugriff mit RPi.GPIO

318

GPIO-Setup

319

LED ein- und ausschalten

321

LED-Helligkeit steuern

321

Zustand eines Tasters auswerten

322

Taster entprellen

323

17.2 LED-Ampel für die CPU-Temperatur

325

Code

326

Test

328

17.3 GPIO-Zugriff mit »gpiozero«

328

Nochmals die CPU-Temperatur visualisieren

329

17.4 Sense HAT

330

»Hello, Sense HAT!«

331

Das Display Pixel für Pixel steuern

332

Pixel mit Joystick bewegen

333

Pixel mit dem Gyroskop-Sensor bewegen

335

18 Grafische Benutzeroberflächen

337

18.1 »Hello, Qt!«

338

18.2 Buttons platzieren und nutzen

340

Gewöhnliche Buttons

340

Auswahlhäkchen (Checkboxes) und Radio-Buttons

342

18.3 Textfelder, Grid-Layout und Nachrichtenboxen

345

Grid-Layout

346

Nachrichtenbox anzeigen

348

18.4 Dateiauswahl

349

Beispiel

350

18.5 Listenfelder

352

Beispiel: Länderauswahl

353

18.6 Oberfläche zur GPIO-Steuerung

356

Programmaufbau

356

Schieberegler (»QSlider«)

357

Periodischer Aufruf einer Methode (»QTimer«)

358

19 Grafikprogrammierung

360

19.1 Grafische Grundfunktionen

361

Linien

364

Rechtecke und Polygone

364

Kreise und Ellipsen

365

Text

366

Hintergrundfarbe einstellen

367

19.2 Grafik in einem Widget

367

Grafik in PNG-Datei speichern

369

19.3 Spaß mit Sinus und Cosinus

370

Programmaufbau

371

Einen Kreis zeichnen

373

Spiralkurve zeichnen

374

Linienmuster zeichnen

374

Bunte, verdrehte Rechtecke auf einer Spiralkurve zeichnen

375

19.4 Temperaturkurve anzeigen

377

Programmaufbau

377

Daten einlesen

378

Gitter zeichnen und beschriften

379

Temperaturkurve zeichnen

382

Verbesserungsmöglichkeiten

383

20 Wissenschaftliche Anwendung

384

20.1 Anaconda, IPython und Jupyter-Notebooks

384

Installation

385

Paketmanager »conda«

387

IPython

388

Jupyter-Notebooks

391

Traditionelle Python-Scripts

393

20.2 NumPy

394

Matrizen erzeugen und speichern

394

Slicing

396

Mit Matrizen rechnen

397

20.3 pandas

399

Serien (»Series«-Klasse)

400

Tabellen (»DataFrame«-Klasse)

401

20.4 SciPy

404

Beispiel 1: Minimum einer Funktion suchen

405

Beispiel 2: Interpolationsfunktion

406

20.5 Matplotlib

408

»Hello, Matplotlib!«

408

»vectorize«-Funktion

410

Diagramm und Achsen beschriften

412

Mehrteilige Diagramme

413

Temperaturkurve

414

Andere Diagrammtypen

416

A Lösungen

417

A.1 Kapitel 1: »Hello, World!«

417

A.2 Kapitel 2: Variablen

418

A.3 Kapitel 3: Operatoren

420

A.4 Kapitel 4: Zahlen

421

A.5 Kapitel 5: Zeichenketten

422

A.6 Kapitel 6: Datum und Uhrzeit

424

A.7 Kapitel 7: Listen, Tupel, Sets und Dictionaries

425

A.8 Kapitel 8: Verzweigungen und Schleifen

429

A.9 Kapitel 9: Funktionen

433

A.10 Kapitel 10: Umgang mit Fehlern

439

A.11 Kapitel 11: Objektorientierte Programmierung

440

A.12 Kapitel 12: Module

445

A.13 Kapitel 13: Interna

446

A.14 Kapitel 14: Dateien lesen und schreiben

447