Think Julia：如何像電腦科學家一樣思考

Ben Lauwens [email protected] Allen Downey [email protected]

後記

版權所有©2018 Allen Downey，Ben Lauwens。版權所有。

前言

1.計劃的方式

本書的目標是教你像電腦科學家一樣思考。這種思維方式結合了數學，工程和自然科學的一些最佳特徵。與數學家一樣，電腦科學家使用形式語言來表達想法（特別是計算）。與工程師一樣，他們設計事物，將元件組裝到系統中並評估替代方案之間的權衡。與科學家一樣，他們觀察複雜系統的行為，形成假設和測試預測。

電腦科學家最重要的技能就是解決問題。解決問題意味著能夠制定問題，創造性地思考解決方案，並清晰準確地表達解決方案。事實證明，學習程式設計的過程是練習解決問題技巧的絕佳機會。這就是為什麼這一章被稱為“程式的方式”。

在一個層面上，您將學習程式設計，這本身就是一項有用的技能。在另一個層面上，您將使用程式設計作為達到目的的手段。隨著我們的進展，這一目標將變得更加清晰。

什麼是程式？

一個程式是一系列指令，指定如何執行計算。計算可能是數學上的，例如求解方程組或找到多項式的根，但它也可以是符號計算，例如搜尋和替換文件中的文字或圖形化的東西，如處理影象或播放一段錄影。

不同語言的細節看起來不同，但幾乎每種語言都會出現一些基本說明：

輸入
從鍵盤，檔案，網路或其他裝置獲取資料。

產量
在螢幕上顯示資料，將其儲存在檔案中，通過網路傳送等。

數學
執行基本的數學運算，如加法和乘法。

條件執行
檢查某些條件並執行相應的程式碼。

重複
反覆執行某些操作，通常會有一些變化。

信不信由你，這幾乎就是它的全部。你曾經使用過的每一個程式，無論多麼複雜，都是由看起來非常類似的指令組成的。因此，您可以將程式設計視為將大型複雜任務分解為越來越小的子任務的過程，直到子任務足夠簡單，可以使用這些基本指令之一執行。

Julia執行

開始使用Julia的挑戰之一是您可能需要在計算機上安裝Julia及相關軟體。如果您熟悉您的作業系統，特別是如果您熟悉命令列介面，那麼安裝Julia會毫不費力。但對於初學者來說，同時學習系統管理和程式設計可能會很痛苦。

為避免這個問題，我建議您開始在瀏覽器中執行Julia。之後，當您對Julia感到滿意時，我會建議您在計算機上安裝Julia。

在瀏覽器中，您可以在JuliaBox上執行Julia：https：//www.juliabox.com 。無需安裝 - 只需將瀏覽器指向該位置，登入並開始計算即可。

Julia REPL（讀取 - 評估 - 列印迴圈）是一個讀取和執行Julia程式碼的程式。您可以通過在JuliaBox julia上開啟終端並在命令列上鍵入來啟動REPL 。當它啟動時，您應該看到如下輸出：

   _ _ _（_）_ | 文件：https：//docs.julialang.org 
  （_）| （_）（_）| 
   _ _ _ | | _ __ _ | 輸入“？” 求助， ”]？” 為Pkg提供幫助。
  | | | | | | | / _` | | 
  | | | _ | | | | （_ | | | Version 1.0.0（2018-08-08）
 _ / | \ __'_ | _ | _ | \ __'_ | |官方https://julialang.org/ release 
| __ / | 

julia>

第一行包含有關REPL的資訊，因此可能與您有所不同。但是你應該檢查版本號是否至少0.7.0。

最後一行是一個提示，指示REPL已準備好輸入程式碼。如果鍵入一行程式碼並點選ENTER，REPL將顯示結果：

julia> 1 + 1
2

現在你已經準備好開始了。從這裡開始，我假設您知道如何啟動Julia REPL並執行程式碼。

第一個程式

傳統上，您用新語言編寫的第一個程式稱為“Hello，World！”，因為它所做的只是顯示“Hello，World！”。在朱莉婭，它看起來像這樣：

julia> println("Hello, World!")
Hello, World!

這是一個print語句的例子，雖然它實際上並沒有在紙上列印任何東西。它在螢幕上顯示結果。

程式中的引號標記要顯示的文字的開頭和結尾; 它們沒有出現在結果中。

括號表示這println是一個函式。我們將使用函式中的函式。

算術運算子

在“Hello，World！”之後，下一步是算術。Julia提供運算子，這些運算子是表示加法和乘法等計算的特殊符號。

運算子+，-並*執行加法，減法和乘法，如以下示例所示：

julia> 40 + 2
42
julia> 43 - 1
42
julia> 6 * 7
42

使用執行除法：

julia> 84 / 2
42.0

您可能想知道為什麼結果42.0不是42。我將在下一節解釋。

最後，運算子^執行取冪; 也就是說，它會增加一個數字：

julia> 6^2 + 642

值和型別

值是程式使用的基本內容之一，如字母或數字。 到目前為止我們看到的一些值是2,42.0和“Hello，World！”。

這些值屬於不同的型別：2是一個整數，42.0是一個浮點數，”Hello, World!”是一個字串，所謂的字串，因為它包含的字母串在一起。

如果您不確定值的型別，REPL可以告訴您：

julia> typeof(2)
Int64
julia> typeof(42.0)
Float64
julia> typeof("Hello, World!")
String

毫不奇怪，整數屬於型別Int64，屬於字串String，浮點數屬於Float64。

那麼像“2”和“42.0”這樣的值呢?它們看起來像數字，但它們像字串一樣用引號括起來。

julia> typeof("2")
String
julia> typeof("42.0")
String

他們是字串。

當您鍵入一個大整數時，您可能會想要在數字組之間使用逗號，如1,000,000。這不是Julia的合法整數，但它是合法的：

julia> 1,000,000
(1, 0, 0)

那根本不是我們所期望的!Julia將1,000,000解析為逗號分隔的整數序列。稍後我們將進一步瞭解這種序列。

形式和自然語言

自然語言是人們所說的語言，例如英語，西班牙語和法語。它們不是由人設計的（儘管人們試圖對它們施加一些命令）; 他們自然而然地進化

形式語言是由人們為特定應用程式設計的語言。例如，數學家使用的符號是一種形式語言，特別擅長表示數字和符號之間的關係。化學家使用形式語言來表示分子的化學結構。最重要的是：

程式語言是用於表達計算的形式語言。

形式語言往往具有嚴格的語法規則來控制語句的結構。例如，在數學中語句3 + 3 = 63 + = 3 6H2Ø2žž語法規則有兩種類型，與標記和結構有關。標記是語言的基本元素，例如單詞，數字和化學元素。其中一個問題是3+=3$6H2Ø2žž語法規則有兩種類型，與標記和結構有關。標記是語言的基本元素，例如單詞，數字和化學元素。其中一個問題是3+=3$ 62žžžž第二種語法規則與令牌組合的方式有關。等式3+=3+=這是@結構良好的Engli$2žžžž第二種語法規則與令牌組合的方式有關。等式3+=3+=這是@結構良好的Engli$ h句子，裡面有無效的t * kens。這句話所有有效的令牌都有，但結構無效。

當你用英語讀句子或用正式語言書寫時，你必須弄清楚結構（雖然用自然語言你下意識地這樣做）。此過程稱為解析。

雖然正式語言和自然語言在共同標記，結構和語法方面具有許多功能，但存在一些差異：

歧義
自然語言充滿了模糊性，人們通過使用上下文線索和其他資訊來處理這些語言。形式語言幾乎或完全是明確的，這意味著任何語句都具有一個含義，無論上下文如何。

冗餘
為了彌補歧義並減少誤解，自然語言採用了大量冗餘。結果，它們通常很冗長。形式語言不那麼冗餘，更簡潔。

文字的
自然語言充滿了成語和隱喻。如果我說，“便士掉線”，可能沒有便士而且沒有任何下降（這個成語意味著有人在經過一段時間的混亂後理解了某些東西）。正式語言正是他們所說的。

因為我們都在說自然語言，所以有時很難適應正式語言。正式和自然語言之間的區別就像詩歌和散文之間的區別，但更多的是：

詩歌
詞語用於他們的聲音以及他們的意義，整首詩共同創造了一種效果或情感反應。歧義不僅常見，而且經常是故意的。

散文
單詞的字面意義更重要，結構更有意義。散文比詩歌更適合分析，但仍然經常含糊不清。

程式
計算機程式的含義是明確的和字面的，並且可以通過對令牌和結構的分析來完全理解。

形式語言比自然語言更密集，因此閱讀它們需要更長的時間。此外，結構很重要，因此從上到下，從左到右閱讀並不總是最好的。相反，學會解析頭腦中的程式，識別令牌並解釋結構。最後，細節很重要。拼寫和標點符號的小錯誤，你可以用自然語言來解決，可以在正式語言中產生很大的不同。

除錯

程式設計師犯錯誤。出於異想天開的原因，程式設計錯誤稱為錯誤，跟蹤它們的過程稱為除錯。

程式設計，尤其是除錯，有時會帶來強烈的情緒。如果你正在努力解決一個棘手的問題，你可能會感到憤怒，沮喪或尷尬。

有證據表明，人們自然會對計算機作出反應，就好像他們是人一樣。當他們運作良好時，我們認為他們是隊友，當他們頑固或粗魯時，我們會像迴應粗魯，頑固的人一樣迴應他們（裡夫斯和納斯，媒體方程：人們如何看待電腦，電視，和新媒體一樣真實的人和地方）。

準備這些反應可能會幫助您處理它們。一種方法是將計算機視為具有某些優勢的員工，如速度和精度，以及特殊的弱點，如缺乏同理心和無法掌握大局。

你的工作是成為一名優秀的經理：找到利用優勢和減輕弱點的方法。並找到利用自己的情緒來解決問題的方法，而不會讓你的反應干擾你有效工作的能力。

學習除錯可能令人沮喪，但它是一項有價值的技能，對程式設計之外的許多活動都很有用。在每章的最後，有一節，像這一節，我的除錯建議。我希望他們幫忙！

詞彙表

解決問題
制定問題，找到解決方案並表達問題的過程。

REPL
讀取另一個程式並執行它的程式。

提示
REPL顯示的字元表示它已準備好從使用者那裡獲取輸入。

程式
指定計算的指令序列。

列印宣告
導致Julia REPL在螢幕上顯示值的指令。

操作者
一種特殊符號，表示簡單計算，如加法，乘法或字串連線。

值
程式操作的資料的基本單位之一，如數字或字串。

型別
一類價值觀。到目前為止我們看到的型別是整數（Int64），浮點數（Float64）和字串（String）。

整數(integer)
表示整數的型別。

浮點(floating-point)
表示帶小數部分的數字的型別。

字串（string）
表示字元序列的型別。

自然語言
人們所說的任何一種語言都是自然而然地發展起來的。

形式語言
人們為特定目的設計的任何一種語言，例如代表數學思想或計算機程式; 所有程式語言都是正式語言。

代幣
程式語法結構的基本元素之一，類似於自然語言中的單詞。

結構體
令牌的組合方式。

句法
管理程式結構的規則。

解析
檢查程式並分析句法結構。

竊聽器
程式中的錯誤。

除錯
查詢和糾正錯誤的過程。

在電腦前閱讀本書是個好主意，這樣你就可以試試這些例子。

練習1-1
無論何時嘗試新功能，都應該嘗試犯錯誤。例如，在“Hello，World！”程式中，如果省略其中一個引號會發生什麼？如果你遺漏兩者怎麼辦？如果拼寫println錯誤怎麼辦？

這種實驗可以幫助你記住你所讀到的內容; 在程式設計時它也會有所幫助，因為您可以瞭解錯誤訊息的含義。現在和有目的地比以後和意外地犯錯更好。

在一份印刷宣告中，如果省略其中一個括號，或兩者都有，會發生什麼？

如果您正在嘗試列印字串，如果省略其中一個引號或兩者都會發生什麼？

您可以使用減號來表示負數-2。如果你在數字前加上加號會怎樣？怎麼樣2++2？

在數學符號中，前導零是可以的，如02。如果你在朱莉婭這樣做會發生什麼？

如果你有兩個沒有運算子的值，會發生什麼？

練習1-2
啟動Julia REPL並將其用作計算器。

在42分42秒內有多少秒？

10公里處有多少英里？提示：一英里有1.61公里。

如果你在42分42秒內跑10公里比賽，你的平均速度（每分鐘的時間，以分鐘和秒為單位）是多少？你的平均速度是多少英里每小時？