第 04 章 - 學習 python - 使用雲平台

上次更新日期 2024/03/09

程式語言的學習其實存在我們的生活當中，因為我們腦袋本來就一直在進行著選擇 (if) 與迴圈 (for) 等任務。任何地方只要有瀏覽器就可以上網來撰寫簡單的程式碼，那就是學習 python。python 可以應用的場景非常多，可以用在 AI 運算上面，也可以用在環工繪圖方面，因為 python 有太多的外部函數可以使用，應用面非常廣。我們可以不用安裝 python 軟體，直接透過 google 雲端平台，就可以學習 python 了。

學習目標

建立第一隻 python 程式與執行它
設計變數功能
簡易的數值運算
python 的 if 條件判斷
python 的 for 與 while 迴圈學習

4.1：使用 python 腳本與執行
4.2；使用 if ... else 進行條件判斷與使用 datetime 模組

4.3；使用 for 迴圈搭配數值 range() 與字串陣列

4.4；使用 while 迴圈搭配 break 與 continue 功能

4.5；使用 Matplotlib 做簡易繪圖

4.6：課後練習

4.1：使用 python 腳本與執行

傳統的程式語言，如 C, java, fortran 等，都需要透過『編譯』之後，才有辦法執行程式碼。許多新的程式語言，包括 javascript, PHP, python 等，屬於直譯式程式語言，基本上，我們可以稱為『腳本』，將許多功能寫在一起，變成一整串人類可讀的程式碼，透過外部程式的執行，即可進行運作！不需要重新編譯。雖然效能方面可能無法跟傳統程式語言比，但是，可讀性、可攜性、便利性就變得很好！因此，許多的功能，漸漸都朝向這方面的語言靠近。

python 有很多可用的外掛模組，可以直接應用到樹莓派上，因此，熟悉 python 對於樹莓派來說，也是很重要的。那我們需要樹莓派嘛？也不需要，可以使用你的 google 帳號，在瀏覽器上面登入 google 之後，連線到底下的網址，就可以使用雲端平台來學習 python 了！

https://colab.research.google.com/?hl=zh-tw

如上，登入之後，系統會提示你，是否要選用舊的程式碼 (在此平台中，稱為筆記本)，如果沒有任何筆記本，那就按下上圖中的『新增筆記本』即可。然後會出現類似底下的畫面：

1 的地方是檔名，你可以將檔名取為較容易記憶的名字
2 是顯示左側選單的按鈕
3 是顯示目前可用檔案的按鈕
4 是增加新的程式區段
5 是可以直接撰寫程式碼的區段

基本上， python 撰寫時，記得你的副檔名最好都寫成 OOXX.py，檔名最好都用英文與數字加上底線的組合，不要用中文或其他特殊符號比較好。不過，我們是使用雲端平台，這個平台當中的檔名都必須要儲存成為 .ipynb 才行！同樣的，檔名盡量也是使用英文搭配底線就好。

第一隻 python 程式，印出哈囉 python

使用 print("字串") 這個程式碼功能，就可以在螢幕上列出你要輸出的字串！寫程式第一隻通常就是哈囉世界 (hello world)，讓我們來玩一玩！檔名就稱為 hello.py 好了。

# 4.1.1
# 這個 # 是註解
print("Hello Python")

程式碼撰寫完畢要執行時，如同上面的圖示，你只要點下第 2 個箭頭處，就可以得到 3 區段的顯示資訊！在 python 程式裡面，所有在 # 後面的資料全部是註解！所以，你可以在程式腳本裡面增加一些註解，讓自己以後知道該程式的用途。至於執行的方法，直接以『 python filename.py 』的方式來執行即可！另外，還是得要再次強調，每一行程式碼都得要對齊，然後，如果有特殊的函數或相關的迴圈判斷式，就得要縮排！否則會出問題！

另外，如果是字串資料，則字串頭尾都需要使用雙引號來處理，否則就可能是變數名稱或者是數值型態的資料喔！這點得要特別注意！

使用變數

包括在未來我們可能會使用到的許多感測器模組，大多會使用變數的方式來提供使用者取得感測器的數值。那什麼是變數？基本上，就是一個數學式！只是，等號的兩側中，左側永遠是未知數 (變數名稱)，右側則是已知數 (變數內容)。舉例來說，假設有公式『 y = a*x + b 』的話，那 y 這個變數可以是未知數，但是 a, b, x 就必須要先指定！不然，式子就會發生錯誤喔！另外，我們也可以透過 print 去印出來結果！

# 4.1.2
# 開始計算 y = a*x + b
mycal = "y=a*x+b"
x = 3
a = 5
b = 10
y = a * x + b

print (mycal)
print ("嘗試計算："+mycal)
print (y)
print ("y =", a, "*", x, "+", b, "=", y)

執行成果會有點像底下這樣的輸出：

y=a*x+b
嘗試計算：y=a*x+b
25
y = 5 * 3 + 10 = 25

如同一開始說的，等號兩邊左側是未知，右側是已知，所以左邊是變數名稱，右邊是變數值，這真的要搞清楚喔！另外，字串也是可以相加的，如果一串相加的資料裡面有一個是字串，那整串都會變字串輸出。當然，過程中很可能會有數值相加減的！ print 是很萬用的輸出指令，在括號內的參數，可以是變數，也可以直接用加號 (+) 將資料進行累加，也可以將每個變數用逗號 (,) 分隔來輸出，很多變化！

特別的變數設定方式

變數名稱盡量使用英文與數字加上底線的組合，其他的符號都不要使用。另外，變數名稱開頭不能是數字，這得要留意才行！此外，python 真的很人性化，它變數的設定方式還能有底下的特殊方式喔！

# 4.1.3
# 開始計算 y = a*x + b
mycal = "y=a*x+b"
print ("嘗試計算：y=a*x+b")
x, a, b = 3, 5, 10
y = a * x + b
print ("y =", a, "*", x, "+", b, "=", y)
x = a = b = 15
y = a * x + b
print ("y =", a, "*", x, "+", b, "=", y)

執行成果會有點像底下這樣的輸出：

嘗試計算：y=a*x+b
y = 5 * 3 + 10 = 25
y = 15 * 15 + 15 = 240

上面的範例中，一個等號兩邊可以同時塞多個變數與變數值，python 會主動幫你設定好！如果變數內容相同，那可以使用第二種方式來處理！相當有趣！另外要注意，程式當中出現兩次 y=a*x+b，這是因為兩次的 a, x, b 數值有改變，所以當然要重新計算！要注意！要注意！

再寫一小段程式碼，快速的計算一下 BMI 的數值。BMI 的計算為：『體重(公斤) / 身高2(公尺2)』。建議你在程式碼當中輸入數個變數： myw 為體重，單位為公斤， myh 為身高，單位為公分， bmi 就是上述的計算。最後輸出的結果會有點像：

你的身高： 176 公分
你的體重： 70 公斤
你的 BMI： 22.5

4.2：使用 if ... else 進行條件判斷與使用 datetime 模組

寫程式碼，最需要學習的其實是邏輯概念。一般來說，邏輯就是判斷對與否 (true and false)，對要做什麼，不對則要做什麼這樣。就跟人腦一樣，會判斷是否要進行。不過，程式比較笨，大部分的時候，只會判斷『對』或『錯』而已，沒有模糊空間囉。那如何進行對錯呢？使用 if (如果) 搭配 else (別的, 要不然) 即可。

# 4.2.1
myday = 'monday'
if myday == 'monday':
  # 是星期一的時候
  print ("感到非常 blue")
else:
  # 不是星期一的時候
  print ("就是努力工作")

執行結果會有點像：

感到非常 blue

你可以將 myday 的內容由 monday 改成 tuesday, wednesday, thursday, friday, saturday, sunday 等。但，其實只有判斷是不是星期一而已... 真是有點不太準確...無論如何，要注意的是，if 後面加的是邏輯判斷式，並不是變數給予，因此，會有兩個等號！if 的結尾 (同一行最右邊) 並不是括號，而是冒號 (:)，下一行開始是 if 的子程式碼，因此需要縮排！縮幾格不是重點，有縮排就好！之後與 if 同層級的程式碼則是 else，同樣的，結尾需要有冒號，其下的程式碼則同樣是需要縮排！至於邏輯判斷經常使用的運算子則有：

X == Y
X != Y
X < Y
X <= Y
X > Y
X >= Y

運算子的比較，不是只有數值喔，字串也是可以比較的！只是，上面的案例有點怪～因為我們竟然手動輸入禮拜幾～好怪！明明電腦就有時間啊！能不能讓系統自動帶入時間呢？可以的！只是，需要匯入額外模組才行！

匯入並使用 datetime 模組

python 有非常多的外掛，其中一個重要的外掛，就是日期時間模組。要使用這個模組時，就得要先匯入模組資料才行！使用的方法有點像這樣：

# 4.2.2
# 先匯入模組，並成為 datetime 物件
import datetime

# 設定一個變數，使用 datetime 物件，該物件內使用 datetime 函數， now 為該函數功能之一
#       物件名  .函數名  .功能之一
myday = datetime.datetime.now()

# 印出目前時間
print(myday)

# 印出目前是星期幾
print(myday.strftime("%w"))

# 印出該項目的變數類型
print(type(myday.strftime("%w")))

執行的結果有點像這樣：

2022-10-17 09:50:47.877555       <==日期與時間
1                                <==星期幾
<class 'str'>                    <==變數的類型為字串

這個日期模組挺有趣的，我們要先以 import 的方式『匯入』這個模組，如果你都沒有指定任何的別名，那麼就直接拿這個模組名稱當成一個物件來處理。那個 now() 就是『現在這個時間點』的功能，如此，就可以將這個日期推論出來。只是，最終並不是我們需要的禮拜幾。有興趣可以看一下文末的參考資料，我們這邊可以直接說，我要取出星期 0~6 (星期 0 是星期天的意思)，那就可以使用上面的 myday.strftime("%w") 來處理！那個 strftime 可以解釋成『 string from time (時間轉成字串)』的概念，比較好記憶。

日期結合條件判斷，自動判斷星期幾

來改變一下我們剛剛的條件判斷式吧！

# 4.2.3
import datetime                      # 匯入時間模組

myday = datetime.datetime.now()      # 取得目前的時間
wday  = int(myday.strftime("%w"))    # 由上面的變數取得星期幾

if wday == 1:                        # 調查是不是星期一
  # 是星期一的時候
  print ("感到非常 blue")
else:
  # 不是星期一的時候
  print ("就是努力工作")

執行的結果有點像這樣：

感到非常 blue

這樣看起來算是比較合理的狀態！

使用 if ... elif ... else 進行多重條件判斷

再仔細想想，剛剛的範例還是不太合理～如果是星期六、日，明明就可以休息，結果竟然寫需要努力工作！不太恰當... 所以，我們應該要判斷特別的星期一，普通的星期二到星期五，假日的星期六日。因為會有複合的運算子，因此就得要有 and 以及 or 的支援！同時，多重條件判斷，就需要 elif (else if 的縮寫) 的支援！所以，上面 if 的範例，進一步變成這樣：

# 4.2.4
import datetime

myday = datetime.datetime.now()
wday  = int(myday.strftime("%w"))

if wday == 1:
  # 是星期一的時候
  print ("感到非常 blue")
elif wday >=2 and wday <=5:
  # 星期二到五要努力
  print ("就是努力工作")
else:
  # 不是星期一到五，當然就是假日
  print("好好玩、好好休息、好好充電")

需要測試的話，可以在 wday 底下額外指定 wday = 0 之類的方式來測試！測試完畢就可以註解該行！這樣，才有辦法處理程式碼的確認～否則，難道真要每天運作？哈哈！那是沒道理的！因此，很多時候，你會發現，程式設計過程中，許多的『測試』得要花費心思去處理！另外，python 真的很有趣！它可以跟人類寫的判斷式一樣，使用如下的方法來處理：

#elif wday >=2 and wday <=5:
elif 2 <= wday <=5:

不過，這種寫法畢竟好像只有特殊的腳本程式語言才支援，一般還是透過 and 或者是 or 連結兩個條件判斷處理，建議還是不要使用這種偷懶的方式處理啦！呵呵！

請參考下面的網站，去了解 strftime() 裡面的相關意義，例如 %w 是列出星期幾的數值，不過，請找出類似 Sunday, Monday 等星期幾的名字，而不是數值。

https://www.programiz.com/python-programming/datetime/strftime

請修改 4.2.4 的腳本，最終在上述的星期判斷中，先列出日期資料，例如；

今天是:2024-03-09 (Saturday)
好好玩、好好休息、好好充電

4.3：使用 for 迴圈搭配數值 range() 與字串陣列

如果你要算一大堆連續的資料，總不會一筆一筆數字輸入吧！那有沒有辦法『連續輸出一串數值』呢？可以的！使用 range 即可！這個 range 的使用方式大致上是這樣：

range(10)       # 代表 0, 1..., 9，注意，是 0 到 9 ，不含 10 喔！
range(10,16)    # 代表 10, 11..., 15，不含 16 喔！
range(0,101,5)  # 代表 0, 5, 10...100，間隔為 5 喔！

也就是說，range 預設的起始數值是 0 ，而預設的步階 (step) 是 1，除非你有額外指定，否則數值如上所示。所以，如果你要輸出 1...9 的話，使用 for 迴圈來搭配 range 的使用即可。那麼 for 是什麼呢？基本上， for 就是指定一個變數，該變數可以進行好多次，次數由 range 來指定的意思！

# 4.3.1 開始使用 for 迴圈
for i in range(1,10):
  print(i)

執行的結果會有點像這樣：

1
2
...
9

巢狀迴圈進行九九乘法表

計算九九乘法表列表，不用格式排列漂亮，很簡單的處理！

# 4.3.2
for i in range(1,10):
  for j in range(1,10):
    print( str(i) + ' x ' + str(j) + " = " + str(i*j) )

執行的結果會有點像這樣：

1 x 1 = 1
1 x 2 = 2
1 x 3 = 3
1 x 4 = 4
....
9 x 7 = 63
9 x 8 = 72
9 x 9 = 81

在 print 的輸出中，所有資料的格式需要相同，才可以使用 + 來累加！所以，我們得要將 i 與 j 純數值轉成字串，使用 str(i) 的方式來轉！這樣就 OK 了！可以格式化輸出一堆資料哩！

字串使用陣列的迴圈方式

數值可以透過 range 來提供，那文字呢？基本上，文字或數值，都可以透過陣列來處理。要注意的是， python 的陣列格式非常多樣！我們使用單純的 list 格式處理！假設星期一到星期五學校午餐湯品要依序列出，那可以這樣處理：

# 4.3.3 了解陣列
soup = [ "牛蒡雞湯", "玉米蛋花湯", "芹菜餛飩湯", "薑絲海苗湯", "綠豆薏仁湯" ]
i = 0

for ss in soup:
    i=i+1
    print("星期 " + str(i) + " 喝的湯：" + ss)

執行的結果會有點像這樣：

星期 1 喝的湯：牛蒡雞湯
星期 2 喝的湯：玉米蛋花湯
星期 3 喝的湯：芹菜餛飩湯
星期 4 喝的湯：薑絲海苗湯
星期 5 喝的湯：綠豆薏仁湯

陣列 (list) 使用中括號包含數個字串，字串間以逗號 (,) 隔開即可！另外，如果要快速的找出第 3 號 (從 0 開始編號喔！所以會是第四個 "薑絲海苗湯" 的顯示) 湯品，也能使用 soup[3] 來表示！

請結合前面的 timedate 日期函數功能，直接根據今天是星期幾，然後就列出該日要喝的湯品，執行結果應該有點像這樣：

今天是:2024-03-09 (Saturday)
本日湯品：隨便喝湯

4.4：使用 while 迴圈搭配 break 與 continue 功能

相對於 for 迴圈算是固定次數的迴圈，while 迴圈則通常需要搭配判斷式來處理，亦即，只有在條件規範的環境內，才會進行迴圈，否則就不會進行迴圈這樣的意思！我們先來做個簡單的處理，例如要算出 10! 這個 1x2x3...x10 的數值，如果用 while 時，可以這樣計算：

# 4.4.1
i=1
j=1

while i <= 10:
  j = i*j
  i=i+1

print(j)

執行的結果會有點像這樣：

使用內部 continue 與 break 進行 while 控制

除了指定限制之外，我們也可以在 while 迴圈使用兩個控制參數來處理！

continue：直接跑去下次迴圈，本次迴圈中止
break：結束 while 的迴圈運作

舉例來說，我們要輸出星期一到星期七(就是星期天)，但是星期三不輸出，那可以這樣進行：

# 4.4.2
i = 0

while True:
    i=i+1
    # 星期三不要輸出
    if i == 3:
        continue
    print ("星期 " + str(i))
    # 已經 7 天了，結束輸出
    if i >= 7:
        break

print("結束輸出")

執行的結果會有點像這樣：

星期 1
星期 2
星期 4
星期 5
星期 6
星期 7
結束輸出

因為 while 後面接了 True，這代表 while 迴圈如果沒有控制的話，那就會一直跑下去.... 因此後續加上 continue 與 break 來限制，才有辦法將 while 迴圈中斷呢！

請先查看一下底下這個網站的介紹，重點在理解 input 這個程式碼的功能：

https://steam.oxxostudio.tw/category/python/basic/builtin-input-ouput.html

寫一個 while 迴圈，提示使用者輸入 yes 或 no。當輸入 yes 時，顯示『程式繼續其他工作』，然後結束。當輸入 no 時，顯示『程式中斷』然後結束，如果不是 yes 或 no，就繼續要求使用者輸入 (continue)。執行結果會像這樣：

請輸入 yes, no: qq
請輸入 yes, no: hah
請輸入 yes, no: yes
程式繼續其他工作

4.5：使用 Matplotlib 做簡易繪圖

python 可以透過 Matploblib 這個模組進行繪圖功能！繪製的圖示相當多！可以是 XY 散佈圖、折線圖、柱狀圖與圓形圖等等，功能相當龐大！現在，就讓我們來測試一下！

安裝 Matplotlib 與初次匯入模組

Matplotlib 是個非常有趣的模組，它可以讓我們透過 python 配合數據來簡易的畫出需要的圖示！常見的圖示當然是 X, Y 分佈圖。現在，先讓我們將模組安裝起來！請在 colab 網頁上面進行如下的動作：

pip install matplotlib numpy

因為這個模組會用到其他很多額外的模組，所以安裝過程會比較冗長！請稍待一陣子。另外，因為許多圖示都會用到數值陣列，所以最好確認一下安裝了 numpy 這個模組！安裝完畢之後，我們先來繪製一個簡單的圖示。假設有底下 5 個 (x, y) 數值：

(  5,  6 )
( 10,  9 )
( 15, 17 )
( 20, 21 )
( 25, 25 )

想要繪製出正確的圖示，你應該要這樣處理繪圖腳本：

# 4.5.1
# 匯入 matplotlib 的 pyplot ，並且取名為 plt ，方便應用
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

xps = [ 5, 10, 15, 20, 25 ]
yps = [ 6,  9, 17, 21, 25 ]
xps = np.array(xps)
yps = np.array(yps)

plt.plot(xps, yps)
plt.show()
plt.close()

執行成果會有點像底下這樣：

如果想要讓每個點都出現圓點，可以將 plt.plot 那一行改成這樣：

plt.plot(xps, yps, marker='o', markersize=5, color='b')

執行成果會有點像底下這樣：

更多的圖示可以自行找尋 matplotlib 的相關網頁來處理。

4.6：課後練習

作業上傳時的注意事項：

伺服器的詳細資料，以及相關傳輸軟體設定，請參考第一章的 1.5 節的內容。
可以使用 MS office 的 word 或者是 libreoffice 的 writer 等軟體來撰寫你的作業，作業檔名可以使用 .doc, .docx 或者是 .odt 或者是 pdf 等格式，均可接受。
若作業中有圖檔，請將圖檔降低水平解析度到 800 像素以下再貼到文章中，檔案容量以不超過 2Mbytes 為限。
檔名請設定為： os_4XXXCYYY_unit04-2.doc (4XXXCYYY 是你的學號，請填正確，有分大小寫，請確認)
請上傳到你家目錄底下的 os 目錄中 (若不存在，請自行建立該目錄)

開始本章節題目：

參考底下這個網站的 BMI 數值依據：
- https://zh.wikipedia.org/zh-tw/身體質量指數
撰寫程式碼，類似 4.1 之後的小節。計算出 BMI 之後，根據上述網站的說明，以 if 等方式，說明體重情況是否正常。執行結果會有點像這樣：
```
你的身高： 169 公分
你的體重： 73 公斤
你的 BMI： 25.559329155141626
體重過重
```
請將瀏覽器的程式碼與執行結果截圖貼成 os_4xxxcyyy_unit04-1.jpg 檔名後，上傳到伺服器即可。
請參考底下這幾個網站的連結：
- https://steam.oxxostudio.tw/category/python/example/matplotlib-pie.html
- https://zh.wikipedia.org/zh-tw/2024年中華民國立法委員選舉
模擬前一堂課程當中繪製圓餅圖的方式，請使用 2024 年大選的投票結果 (民國 113 年，全國不分區的得票數結果)，使用 python 繪製圓餅圖，因為 google 雲端平台不支援中文，請將 wiki 頁面轉成英文，並且複製每個政黨的英文，然後開始繪製圓餅圖。最終圖示會有點像這樣：
請將程式碼、圓餅圖截圖，轉存成為 os_4xxxcyyy_unit04-2.jpg 檔名後，上傳到伺服器即可。
請參考底下的連結：
- https://steam.oxxostudio.tw/category/python/example/matplotlib-scatter-plot.html
使用前一堂課程的 excel 檔案內容，取出台南市的 EPA 與 M3 數據，繪製成為 XY 散佈圖，最終的圖示內容會有點像這樣：
請將程式碼、圓餅圖截圖，轉存成為 os_4xxxcyyy_unit04-3.jpg 檔名後，上傳到伺服器即可。