Willkommen zu Python!

Dieses Kapitel hilft Ihnen bei den ersten Schritten im Umgang mit einer der erfolgreichsten und faszinierendsten Programmiersprachen unserer Zeit. ­Python ist erfolgreich, weil es in praktisch allen Wissensbereichen eingesetzt wird: Naturwissenschaft, Technik, Mathematik, Musik und Kunst. Viele Menschen finden Python faszinierend, weil das Programmieren mit Python das Denken beflügelt. Mit Python können Sie digitale Modelle entwickeln und Problemlösungen elegant und verständlich formulieren.

Nach einer kurzen Einführung in einige wichtige Grundbegriffe der Informatik erfahren Sie, wie man Python installiert. Sie arbeiten praktisch an der Tastatur, probieren Anweisungen aus und lernen dabei, was Ausdrücke, Zuweisungen und Variablen sind.

1.1  Die Programmiersprache Python

Im Unterschied zu »natürlichen« Sprachen wie Deutsch oder Englisch, die sich über Jahrhunderte entwickelt haben, sind Programmiersprachen »künstliche« Sprachen. Sie wurden von Fachleuten designt und sind speziell auf die Formulierung von Algorithmen zugeschnitten.

Die ersten höheren Programmiersprachen (z.B. Fortran, Cobol und Lisp) wur-
den in den 1950er Jahren entwickelt. Heute (im Jahre 2021) listet Wikipedia 358 Programmiersprachen auf.

Die erste Python-Version wurde 1990 von dem niederländischen Informatiker Guido van Rossum veröffentlicht. Der Name der Sprache soll an die englische Comedy-Gruppe Monty Python erinnern. Seit 2001 wird Python von der Python Software Foundation (PSF) gepflegt, kontrolliert und verbreitet (www.python.org).

Viele digitale Produkte, die Sie aus dem Alltag kennen, basieren auf Python, z.B. Google Maps, YouTube und Instagram. Im PYPL-Index (Popularity of Programming Language Index) wird die Beliebtheit einer Programmiersprache danach gemessen, wie oft bei Google nach einem Sprach-Tutorial gesucht wird. Demnach ist Python (im Jahre 2021) mit Abstand die populärste Programmiersprache.

Warum ist Python unter Programmierern so beliebt?

1.2  Was ist ein Algorithmus?

In der Informatik versteht man unter einem Algorithmus eine präzise Anleitung zur Lösung einer Aufgabe. Ein Algorithmus besteht aus einer Folge von einzelnen Anweisungen, die so genau und eindeutig formuliert sind, dass sie auch von einem völlig Unkundigen rein mechanisch ausgeführt werden können. Algorithmen, die man aus dem Alltag kennt, sind z.B.

  • ein Kochrezept,
  • eine Anleitung zum Zusammenbau eines Regals,
  • eine Gebrauchsanweisung.

Ein Computerprogramm ist ein Algorithmus, der in einer Programmiersprache geschrieben worden ist und von einem Computer »verstanden« und ausgeführt werden kann.

1.3  Syntax und Semantik

Eine Programmiersprache ist – wie jede Sprache – durch Syntax und Semantik definiert. Die Syntax legt fest, welche Folgen von Zeichen ein gültiger Programmtext in der jeweiligen Sprache sind.

Zum Beispiel ist 

print['Hallo']

kein gültiger Python-Programmtext, weil die Python-Syntax vorschreibt, dass nach dem Wort print eine runde Klammer folgen muss.

Dagegen ist die Zeichenfolge

print('Hallo')

ein syntaktisch korrektes Python-Programm. Die Syntax sagt aber nichts darüber aus, welche Wirkung dieses Mini-Programm hat. Die Bedeutung eines Programmtextes wird in der Semantik definiert. Bei diesem Beispiel besagt die Semantik, dass auf dem Bildschirm das Wort Hallo ausgegeben wird.

Bei einem Programmtext ist die Semantik eindeutig. Dagegen kann ein Text in einer natürlichen Sprache mehrdeutig sein.

Frage: Semantik im Alltag

Inwiefern ist der Satz »Schau nach vorne!« semantisch nicht eindeutig?

1.4  Interpreter und Compiler

Python ist eine sogenannte höhere Programmiersprache. Das bedeutet, dass Besonderheiten des Computers, auf dem das Programm laufen soll, nicht beachtet werden müssen. Ein Python-Programm läuft praktisch auf jedem Computer und unter jedem gängigen Betriebssystem. Eine höhere Programmiersprache ist für Menschen gemacht und ermöglicht es, gut verständliche Programmtexte zu schreiben.

Einen Programmtext, der in einer höheren Programmiersprache geschrieben ist, nennt man Quelltext (auf Englisch source code). Damit der Quelltext vom Computer abgearbeitet werden kann, muss er in eine »maschinennahe Sprache« übersetzt werden. Dazu gibt es zwei unterschiedliche Methoden:

Python ist eine interpretative Programmiersprache. Das hat den Vorteil, dass ein Python-Programm auf jeder Plattform funktioniert. Voraussetzung ist allerdings, dass auf dem Computer ein Python-Interpreter installiert ist. Das Betriebssystem allein ist nicht in der Lage, das Python-Programm auszu­führen.

1.5  Python installieren

Python ist völlig kostenlos und wird für Microsoft Windows, Linux/Unix und macOS angeboten.

Sämtliche Software, die Sie für die Arbeit mit Python benötigen, ist frei und kann von der Python-Homepage http://www.python.org/download heruntergeladen werden. Dieses Buch bezieht sich auf Version 3.9, die im Oktober 2020 herauskam. Falls Sie eine neuere Version installieren, werden aber dennoch alle Programme, die in diesem Buch beschrieben werden, funktionieren.

Windows

Auf der Download-Seite http://www.python.org/download werden Installa­tionsdateien angeboten, die zu Ihrem System passen.

Abb. 1.1: Download-Seite von Python

Klicken Sie auf die Schaltfläche oben links mit der aktuellen Version von ­Python 3.

Laden Sie das Installationsprogramm herunter und starten Sie es. Achten Sie darauf, dass im Rahmen der Installation das Verzeichnis mit dem Python-Interpreter dem Systempfad (PATH) hinzugefügt wird (siehe Abbildung 1.2). Damit ist sichergestellt, dass das Betriebssystem den Python-Interpreter findet, wenn Sie im Konsolenfenster (Eingabeaufforderung) den Befehl python eingeben. Schließlich klicken Sie auf Install Now.

Abb. 1.2: Installation von Python unter Windows

Linux

Auf Linux-Systemen ist Python in der Regel bereits installiert. Prüfen Sie, welche Version vorliegt, indem Sie in einem Konsolenfenster auf der Kommandozeile den Befehl python –V eingeben. 

$ python –V
Python 3.9.0

Wenn Sie keine Version von Python 3 vorfinden, müssen Sie sie nachinstallieren. Verwenden Sie am besten das Advanced Packaging Tool (APT):

$ sudo apt-get install python3.9

macOS

Wie auf Linux-Systemen ist auch auf Apple-Computern Python in der Regel bereits installiert. Um das nachzuprüfen, öffnen Sie auf Ihrem Mac ein Terminal-Fenster (Programme|Dienstprogramme|Terminal) und geben folgenden Befehl ein:

python -V

Wenn Sie keine Version von Python 3 vorfinden, besuchen Sie die Python-Website, laden eine zu Ihrem System passende Installer-Datei herunter und führen sie aus.

1.6  Python im interaktiven Modus

Wenn Sie Python heruntergeladen und installiert haben, befinden sich auf ­Ihrem Computer folgende Komponenten:

  • Der Python Interpreter,
  • die Entwicklungsumgebung IDLE (Integrated Development and Learning Environment),
  • eine ausführliche Dokumentation,
  • Hilfsprogramme.

Sie können den Python-Interpreter in einer Konsole (Shell) direkt aufrufen, um dann einzelne Python-Befehle auszuprobieren. Auf einem Windows-Rechner öffnen Sie eine Konsole z.B. auf folgende Weise: Geben Sie im Suchfeld unten links den Befehl cmd ein und drücken Sie die Taste Enter. Es erscheint ein Anwendungsfenster mit dem Titel Eingabeaufforderung ungefähr wie in Abbildung 1.3.

Abb. 1.3: Aufruf des Python-Interpreters in einem Konsole-Fenster (Eingabeaufforderung) unter Windows

Auf einem Mac heißt die Konsole Terminal. Drücken Sie gleichzeitig die Befehlstaste und die Leertaste, um Spotlight zu starten, und geben Sie Terminal ein.

Eine Konsole enthält die sogenannte Kommandozeile, die mit dem Prompt des Betriebssystems endet. Bei Windows ist der Prompt das Zeichen >, bei Linux und macOS $.

Hinter dem Prompt des Betriebssystems geben Sie den Befehl

python

ein und drücken die Taste Enter. (Achten Sie auf das kleine p zu Beginn.) Damit wird der Python-Interpreter im »interaktiven Modus« gestartet. Unter einem Begrüßungstext sehen Sie diesen Prompt:

>>>

Im interaktiven Modus führen Sie eine Art »Gespräch« mit dem Python-Interpreter. Hinter dem Prompt geben Sie eine einzelne Python-Anweisung ein. Sobald Sie Enter drücken, führt der Interpreter die Anweisung aus und liefert in der nächsten Zeile ein Ergebnis – sofern die Anweisung ein Ergebnis berechnet. Im Englischen nennt man dieses Prinzip Read-Eval-Print-Loop oder kurz REPL.

Auch arithmetische Ausdrücke sind gültige Python-Anweisungen. Probieren Sie es aus:

>>> 2 + 2
4
>>> (2 + 2) * 4
16
>>>

Sie beenden den Python-Interpreter mit der Tastenkombination Strg+C.

1.7  Die Entwicklungsumgebung IDLE

IDLE (Integrated Development and Learning Environment) ist die Standard-Entwicklungsumgebung für Python. Eine Entwicklungsumgebung ist eine Software, die Programmierer benutzen, wenn sie Programme entwickeln. IDLE besteht aus der Python-Shell und einem Editor:

Wenn Sie IDLE starten, öffnet sich zunächst die Python-Shell. Sie sehen ein Anwendungsfenster wie in Abbildung 1.4.

Nach einem Begrüßungstext erscheint der Prompt >>> des Python-Interpreters. Wenn Sie eine Python-Anweisung eingeben und Enter drücken, erscheint in der nächsten Zeile das Ergebnis.

Abb. 1.4: Die Python-Shell

1.8  Hotkeys für die Python-Shell

Es gibt zwei Tastenkombinationen (Hotkeys), die die Arbeit mit der Python-Shell erleichtern.

Mit Alt+P und Alt+N können Sie in der Folge der zuletzt eingegebenen Kommandos (History) vor- und zurückgehen. Geben Sie zunächst zwei beliebige Befehle ein:

>>> 1 + 1
2
>>> 2 * 2
4
>>>

Wenn Sie einmal die Tastenkombination Alt+P betätigen, erscheint hinter dem letzten Prompt das vorige Kommando (previous):

>>> 2 * 2

Bei nochmaliger Eingabe dieses Hotkeys erscheint die vorvorige Zeile:

>>> 1 + 1

1.9  Anweisungen

Anweisungen sind die Grundbausteine von Computer-Programmen. Man kann sie grob in einfache und zusammengesetzte Anweisungen einteilen. Eine zusammengesetzte Anweisung enthält als Bestandteile weitere Anweisungen und kann sehr kompliziert aufgebaut sein. An dieser Stelle lernen Sie zunächst nur einige grundlegende einfache Anweisungen kennen. Alle anderen werden später in verschiedenen Kapiteln eingeführt.

1.9.1  Ausdruck

Die einfachste Form einer Anweisung besteht aus einem Ausdruck. Bereits eine einzelne Zahl oder eine Zeichenkette ist ein Ausdruck und ergibt eine Anweisung, die freilich nichts bewirkt. Der eingegebene Wert wird vom Python-Interpreter so, wie er ist, wieder ausgegeben:

>>> 12
12
>>> 'Hallo'
'Hallo'

Mithilfe von Operatoren (z.B. +, -, *, / für die vier Grundrechenarten) und runden Klammern können Sie wie in der Mathematik komplexe arithmetische Ausdrücke aufbauen. Sie werden vom Python-Interpreter ausgewertet und das Ergebnis in der nächsten Zeile ausgegeben:

>>> 1000 * 1000
1000000
>>> (1 + 2) * (3 - 4)
-3

Vergleiche gehören ebenfalls zu den Ausdrücken. Ist ein Vergleich wahr, liefert der Interpreter den Wert True, ansonsten False.

>>> 'Tag' == 'Nacht'
False
>>> 2 > 1
True

1.9.2  Funktionsaufruf

Funktionen sind aufrufbare Objekte (callable objects), die eine bestimmte Aufgabe lösen können. Wenn eine Funktion aufgerufen wird, übernimmt sie gewisse Daten als Eingabe, verarbeitet diese und liefert neue Daten als Ausgabe zurück. Man kann sich die Funktion als einen Spezialisten vorstellen, der bestimmte Tätigkeiten beherrscht. Beim Aufruf übergibt man ihm Material, das bearbeitet er und gibt schließlich dem Auftraggeber ein Produkt zurück.

Die Daten, die man einer Funktion übergibt, nennt man Argumente oder aktuelle Parameter. Im interaktiven Modus kann man eine Funktion aufrufen und erhält dann in der nächsten Zeile das zurückgegebene Ergebnis. Hier ­einige Beispiele:

>>> round(1.7)
2

Hier ist round der Name der Funktion und die Zahl 1.7 das Argument. Zurückgegeben wird die gerundete Zahl.

Die Funktion min() akzeptiert eine beliebige Anzahl von Argumenten und gibt den kleinsten Wert (das Minimum) als Ergebnis zurück:

>>> min(1, 2)
1
>>> min(10, 2, 45, 5)
2

1.9.3  Zuweisung

Zuweisungen sind wahrscheinlich die häufigsten Anweisungen in Programmtexten.

Einen Wert zuweisen

Die einfachste Form der Zuweisung besteht aus einem Namen, gefolgt von einem Gleichheitszeichen und einem Wert, sie hat also die Form: 

name = wert

Beispiel:

 >>> x = 1

In diesem Beispiel ist x ein Name und 1 ein Wert. Man bezeichnet x auch als Variable, der man einen Wert zugewiesen hat.

Der Zuweisungsoperator ist das Gleichheitszeichen. Beachten Sie, dass die Zuweisung etwas anderes ist als ein Vergleich! Wenn man in einem Ausdruck zwei Objekte auf Gleichheit testen will, verwendet man ein doppeltes Gleichheitszeichen.

Beispiel:

 >>> 2 == 1
False

Anschaulich kann man sich Variablen als Namen für Daten vorstellen. Der Variablenname ist eine Art »Etikett«, das an einer Zahl oder einem anderen Wert »klebt«.

Abb. 1.5: Variable als Name für eine Zahl

Manchmal sagt man auch, dass eine Variable einen Wert speichert. Dann stellt man sich die Variable als Behälter vor. Der Variablenname ist die Aufschrift des Behälters und der Wert ist der Inhalt.

Abb. 1.6: Variable als Behälter

Über den Namen der Variablen kann man auf ihren Inhalt zugreifen. Gibt man im interaktiven Modus den Namen ein, so liefert der Interpreter den Inhalt zurück:

>>> x
1

Bei einer weiteren Zuweisung wird der alte Wert der Variablen durch einen neuen Wert überschrieben:

>>> x = 100
>>> x
100

Variablennamen können auch in Ausdrücken verwendet werden. Wenn der Interpreter den Ausdruck auswertet (also ein Ergebnis ermittelt), verwendet er den Wert, der dem Namen zugeordnet ist.

Beispiel:

>>> x = 2
>>> 2 * x + 1
5

Werte übertragen

Werte können von einer Variablen auf eine andere übertragen werden. Das allgemeine Format einer solchen Art der Zuweisung ist

name1 = name2

Beispiel: Nach den folgenden Zuweisungen haben die Variablen x und y den gleichen Wert:

>>> x = 1
>>> y = x
>>> x
1
>>> y
1

Abb. 1.7: Veranschaulichung einer Werteübertragung

Zuweisungen für mehrere Variablen

In einer einzigen Zuweisung kann man bei Python mehreren Variablen gleichzeitig einen (gemeinsamen) Wert zuordnen:

>>> x = y = 1
>>> x
1
>>> y
1

Man kann auch in einer einzigen Zuweisung gleich mehreren Variablen Werte zuordnen. Links vom Gleichheitszeichen stehen dann mehrere Namen (jeweils durch Kommas getrennt) und rechts gleich viele Werte (ebenfalls durch Kommas getrennt):

>>> x, y = 1, 2
>>> x
1
>>> y
2

Es ist möglich, in einer einzigen Zuweisung (fett gedruckt) die Werte zweier Variablen zu vertauschen:

>>> x, y = 1, 2
>>> x, y = y, x   
>>> x
2
>>> y
1

Welche Variablennamen sind erlaubt?

Den Namen einer Variablen können Sie bestimmen. Sie müssen sich aber an folgende drei Regeln halten:

  • Ein Name kann Buchstaben, Ziffern und Unterstriche enthalten. Andere Zechen sind nicht erlaubt.
  • Ein Name muss mit einem Buchstaben oder einem Unterstrich beginnen.
  • Ein Schlüsselwort (keyword) darf nicht als Name verwendet werden.

Schlüsselwörter (keywords) sind reservierte Wörter, die eine programmtechnische Bedeutung haben. So steht z.B. das Wort True für den Wahrheitswert wahr. Hier ist eine Liste der Schlüsselwörter:

and      as        assert    break     class
continue def       del       elif      else
except   False     finally   for       from
global   import    if        in        is
lambda   None      nonlocal  not       or
pass     raise     return    True      try
while    with      yield

Gültige Namen sind z.B. a, zahl, zahl_1, geldbetrag, _körpergröße.

Ungültig sind dagegen die folgenden Wörter:

  • 1_zahl (beginnt mit Ziffer),
  • Atem-Frequenz (enthält nicht erlaubtes Sonderzeichen -).

Üblicherweise schreibt man Variablennamen mit kleinem Anfangsbuchstaben.

1.9.4  Erweiterte Zuweisungen

Eine erweiterte Zuweisung ist eine Kombination aus einer Zuweisung und ­einer Rechenoperation.

Beispiel:

 >>> x = 10
>>> x += 1
>>> x
11

Die Anweisung x += 1 hat die gleiche Wirkung wie:

 >>> x = x + 1

Der Wert der Variablen x wurde um 1 erhöht. Auch für die anderen Grundrechenarten gibt es erweiterte Zuweisungen.

Beispiel Multiplikation:

 >>> y = 100
>>> y *= 2
>>> y
200

1.10  Zahlen verarbeiten – die Python-Shell als Taschenrechner

Sie können die Python-Shell als komfortablen Taschenrechner verwenden. Im einfachsten Fall geben Sie einen mathematischen Ausdruck ein und drücken die Taste Enter. In der nächsten Zeile erscheint das Ergebnis.

Ein mathematischer Term (Ausdruck) kann aus Zahlen, Operatoren und runden Klammern aufgebaut werden. Die Schreibweise ist im Prinzip wie in der Mathematik. Allerdings gibt es ein paar Besonderheiten.

1.10.1  Operatoren

Für Multiplikationen verwendet man in Python den Stern *.

Beispiel:

 >>> 100 * 21
2100

Es gibt keine langen Bruchstriche. Für Zähler oder Nenner müssen Sie eventuell Klammern verwenden. Den Bruch

stellen Sie durch den Ausdruck (3 + 2) / 2 dar:

>>> (3 + 2) / 2
2.5

Achten Sie darauf, dass das Ergebnis 2.5 und nicht 2,5 ist. Dezimalbrüche enthalten kein Komma, sondern stattdessen einen Punkt.

Es gibt eine exakte Division / und eine ganzzahlige Division //. Die ganzzahlige Division liefert immer eine ganze Zahl. Sie ist das abgerundete Rechenergebnis einer Division. Probieren Sie es aus:

>>> 3 / 2
1.5
>>> 3 // 2
1

Zum Potenzieren einer Zahl verwenden Sie den Operator **. Die Potenz 28 (»zwei hoch acht«) schreiben Sie 2**8. 

>>> 2**8
256
>>> 5**1
5
>>> 5**2
25
>>> 5**-1
0.2
>>> 5**200
62230152778611417071440640537801242405902521687211671331011166147896988340353834411839448231257136169569665895551224821247160434722900390625
>>>

Spezieller ist die Modulo-Operation. Sie liefert den Rest einer ganzzahligen Division. So ergibt 5 geteilt durch 2 das Ergebnis 2 mit dem Rest 1. 

>>> 5 % 2
1

Die Zahl 6 ist durch 2 teilbar. Bei der Division bleibt kein Rest:

>>> 6 % 2
0

Sie verwenden die Modulo-Operation zum Beispiel, wenn Sie prüfen wollen, ob eine Zahl durch eine andere Zahl teilbar ist.

Bei Termen mit mehreren Operatoren müssen Sie deren Prioritäten beachten. Sie kennen das aus der Schulmathematik. Die Operation mit höherer Priorität wird zuerst ausgeführt. Der Potenzoperator hat die höchste Priorität, dann kommen Multiplikation und Division. Addition und Subtraktion haben die niedrigste Priorität. 

>>> 2*3**2
18

Hier berechnet der Computer zuerst 3 hoch 2 (das macht 9) und multipliziert dann das Ergebnis mit 2.

>>> (2*3)**2
36

Der Term in der Klammer wird immer zuerst ausgewertet. Klammern haben die allerhöchste Priorität.

Tab. 1.1: Arithmetische Operatoren in der Reihenfolge ihrer Priorität (von oben nach unten)

1.10.2  Variablen verwenden

Bei komplizierten Rechnungen können Sie Zwischenergebnisse in Variablen speichern. Auf diese Weise wird die Rechnung übersichtlicher.

Abb. 1.8: Eine Fläche, die aus mehreren einfachen Flächen zusammengesetzt ist

Nehmen wir als Beispiel die Berechnung einer Fläche wie in Abbildung 1.8. Mit Variablen kann man die Berechnung in vier Schritte aufteilen. Zuerst werden drei Teilflächen berechnet und dann die Summe gebildet:

>>> a = 3.14 * 2**2 / 2
>>> b = 6 * 4
>>> c = 2 * 4 / 2
>>> fläche = a + b + c
>>> fläche
     34.28

1.11  Übungen

Übung 1: Ausdruckanweisungen  

Welche Ergebnisse liefern die folgenden Ausdruckanweisungen? Schreiben Sie in die Tabelle Ihre Vermutung und vielleicht ein Stichwort zur Erklärung.

Einige Anweisungstexte sind fehlerhaft.

Übung 2: Zuweisungen

Durch Zuweisungen werden Variablen erzeugt und die Werte von Variablen verändert. Ergänzen Sie in der folgenden Tabelle die Werte der Variablen.

Zu Beginn (in den ersten drei Zeilen) ist die Variable c nicht definiert.

Die Lösungen zu diesen Übungen können Sie durch Experimente in der ­Python-Shell selbst ermitteln. Außerdem finden Sie alle Lösungen in einer Datei, die Sie von der Website des mitp-Verlages herunterladen können:
www.mitp.de/0328

1.12  Lösung der Frage: Semantik im Alltag

Inwiefern ist der Satz »Schau nach vorne!« semantisch nicht eindeutig?

Obwohl der Satz nach einer klaren Anweisung klingt, kann er in unterschiedlichen Situationen unterschiedlich verstanden werden, z.B.:

  • Richte deinen Blick nach vorne und passe auf, was da passiert.
  • Sei optimistisch und denke an die Zukunft.