Ausgabe (= output), Eingabe (= input) und Variablen

(a) Schau dir den folgenden Screencast an und probiere parallel dazu an deinem eigenen Computer alles aus, was ich erkläre: (Wer Linux statt Windows verwendet: Statt der “command prompt” verwende das sogenannte Terminal (Hotkey Ctrl+Alt+t). Statt dir ist dort ls einzugeben zum Auflisten des Inhalts des aktuellen Folders. Statt python muss man eventuell python3 eingeben.)
Video "Hello World und Arithmetik"
Zusatzinfo: Wenn in VS-Code in deinem Python-Programm etwas rot angezeigt wird, verbirgt sich dort vermutlich ein Syntax-Fehler.

(b) Finde nun selbständig heraus, was die Rechenzeichen **, // und % in Python bedeuten. Was berechnet beispielsweise der Ausdruck 2 ** 100?

Hinweis:

Ergänze dein beim Video-Anschauen geschriebenes Programm um Befehle wie print(2**10), führe es aus und variiere die Zahlen so lange, bis du das Rechenzeichen ** verstehst.

Hinweis für die beiden letzten Rechenzeichen

Division mit Rest! Beispielsweise gilt “73 geteilt durch 10 ist 7 Rest 3”. Ergänze dein Programm um die folgenden Zeilen:

print(73 // 7)
print(73 % 7)

Lösung:

Das Zeichen ** ist Potenzieren (also etwa “2 hoch 10”), // ist ganzzahlige Division und % ist der Rest der ganzzahligen Division (ganzzahlige Division von 47 durch 10 liefert 4 Rest 7).

Dies wird auch im Video im folgenden Abschnitt zur Python-Shell erklärt.

Wenn man nur mal kurz einen Befehl in Python ausprobieren möchte, ist die sogenannte Python-Shell nützlich. Sie wird auch Read-eval-print-loop oder kurz REPL genannt, denn der Computer liest (read) vom Benutzer eine Eingabe ein, wertet sie aus (eval für evaluate) und gibt das Ergebnis aus (print), und dieser ganze Vorgang wird wiederholt (loop).

Schau dir das folgende Video zur Python-Shell an und probiere es parallel selbst aus. (Wer Linux statt Windows benutzt: Die Python-Shell öffnet man wie folgt: Öffne ein Terminal (Hotkey Ctrl+Alt+t) und gib dort python+Enter ein.)

Die Kommunikation mit dem Computer funktioniert in Shells meist nach dem folgenden Muster (rein tastaturbasiert): Der Benutzer gibt einen Befehl ein und schickt ihn mit Enter an den Computer. Der Computer führt den Befehl aus bzw. meldet, dass er den Befehl nicht versteht. Dann ist der Benutzer erneut an der Reihe.

Video "Python-Shell bzw. REPL"

Nachträge zum Video:

Die Python-Shell verlässt man per Tastatur durch Eingabe von exit() + Enter (oder per Hotkey Ctrl-z bzw. Ctrl-d in Linux).
Auch die App "command prompt" ist eine Shell: Hier verwendet man die Sprache DOS, um mit dem Betriebssystem zu kommunizieren.
Mit den den Pfeiltaste ↑ und ↓ kann man schnell zuvor eingegebene Befehle wiederfinden.
Mit der Tabulator-Taste Tab kann man sich oft viel Tipparbeit sparen (etwa von Datei- und Verzeichnisnamen), vgl. command-line-completion.
Wenn du in der Python-Shell (oder der “command prompt”) arbeitest, vergiss die Maus und mach alles per Tastatur (was eh oft schneller ist). Du gibst etwas ein (eine Anfrage), sendest sie per Enter an den Computer, und dieser Antwortet. Dann wiederholt sich das Spiel.

Zeichenketten (= strings) werden in Python in Anführungszeichen notiert; beispielsweise ist “Hello World” ein String. Statt “doppelter Anführungszeichen” darf man auch einfache Anführungszeichen verwenden, also 'Hello World'.

In der folgenden Aufgabe lernst du, wie man in Python mit Zeichenketten “rechnen” kann.

(a) Zum Aufwärmen: Berechne in der Python-Shell die folgenden Ausdrücke:
- “dunkel” + “blau”
- “red ” + “yellow ” + “green” (beachte die Leerzeichen innerhalb der Strings)
- 11 + “Freunde”
- 4 * “Ich liebe Informatik!”
- “eat, sleep, bike, repeat! ” * 100
- “hell” * “dunkel”

Lösung:

Das Addieren von zwei (oder mehreren) Strings ist das “Hintereinanderhängen”.
Die Multiplikation einer positiven Zahl mit einem String hängt diesen so oft hintereinander, wie die Zahl angibt. Hierbei kann die Zahl links oder rechts des Strings stehen.
Die anderen Operationen (“Zahl plus String” und “String mal String”) sind nicht definiert (und mir fällt auch keine sinnvolle Definition ein).

(b) Lies das folgende Python-Programm und überlege, was es ausgibt. Führe es dann auf deinem Computer aus und teste so dein Verständnis.

rechnen-mit-zeichenketten.py

print(3 * "Sieben")
print(3 * 7)
print("3 * 7")
print("3" * 7)
print(3 * '7')
print()    # Ausgabe von nichts erzeugt eine Leerzeile. (Alles hinter dem Zeichen # ist ein Kommentar.)
 
print("Drei" + "Sieben")
print("3 + 7")
print(3 + 7)
print(3 * (3 + 2 * 2))
print("")  # Auch die Ausgabe der "leeren Zeichenkette" erzeugt eine Leerzeile.
 
# Zeilen, die mit dem Zeichen "#" beginnen, sind Kommentarzeilen.
# Sie werden bei der Ausführung des Programmes ignoriert.
# ... und zum Abschluss noch ein paar schwierigere Ausdrücke:
print(5 * "Drei-" + "Sieben!")
print(5 * ("Drei-" + "Sieben! "))
print(3 * (2 * "A" + 3 * "X" + "! "))
 
print(2 * ("(2+" + 2 * "2*" + "2)+2="))

Schreibe ein Python-Programm, dessen Ausgabe wie folgt aussieht - dabei sollst du natürlich möglichst viel mit Zeichenketten rechnen:

Blaukraut bleibt Blaukraut und Brautkleid bleibt Brautkleid. Blaukraut bleibt Blaukraut und Brautkleid bleibt Brautkleid. Blaukraut bleibt Blaukraut und Brautkleid bleibt Brautkleid. Blaukraut bleibt Blaukraut und Brautkleid bleibt Brautkleid. Blaukraut bleibt Blaukraut und Brautkleid bleibt Brautkleid. 
 
Es folgt 10 mal das Wort Algorithmus: Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus Algorithmus.
 
Die Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte der Hälfte ist ein 1024-stel.

Lösungsvorschlag.

blaukraut.py

print(5 * "Blaukraut bleibt Blaukraut und Brautkleid bleibt Brautkleid. ")
print()
print("Es folgt 10 mal das Wort Algorithmus:" + 10 * " Algorithmus" + ".")
print()
print("Die " + 9 * "Hälfte der " + "Hälfte ist ein 1024-stel.")

Die Zeichenkombination \n bedeutet “Zeilenumbruch” oder englisch “new line”, vgl. https://en.wikipedia.org/wiki/NewlineSonderzeichen. In der folgenden Aufgabe wirst du lernen, wie man sie nutzen kann.

(a) Speichere das folgende Python-Programm und führe es aus.¹⁾

new-line-exercise.py

print("Wie, o dies π\nmacht ernstlich so vielen viele Müh,\nLernt immerhin, Jünglinge, leichte Verselein,\nwie so zum Beispiel dies dürfte zu merken sein!\n")

(b) Ergänze dein Programm um einen print-Befehl, der die folgende zusätzliche Ausgabe erzeugt: (Nur EIN print-Befehl ist erlaubt.)
```
Nach diesem Wort
kommt ein Zeilenumbruch.
```

Lösungsvorschlag:

Ergänze die folgende Code-Zeile. Dabei ist das “Newline-Zeichen” \n am Ende des Strings optional.

print("Nach diesem Wort\nkommt ein Zeilenumbruch.\n")

(c) Ergänze dein Programm um eine weitere, möglichst kurze Code-Zeile, die die folgende Ausgabe erzeugt: Hinweis: Rechnen mit Strings!

Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!
Ich liebe Informatik!

Lösungsvorschlag:

print(10 * "Ich liebe Informatik!\n")

(d) Ergänze dein Programm um eine weitere, möglichst kurze Code-Zeile, die das folgende “30×6-Rechteck aus Pluszeichen” als Ausgabe erzeugt:

++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++

Lösungsvorschlag:

print(6*((30*"+")+"\n"))

Bonus: Ergänze dein Programm um eine weitere, möglichst kurze Code-Zeile, die das folgende Muster (4 Zeilen, 13 Pluszeichen pro Zeile) als Ausgabe erzeugt:
```
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
```

Lösungsvorschlag:

print(4 * (12 * "+--" + "+\n"))

Das Benutzen von Apps (= Computer-Programmen) an Computer oder Handy beruht fast immer darauf, dass der Benutzer etwas eingibt, der Computer die Eingabe verarbeitet und eine Antwort ausgibt:

Bei einer Wetter-App auf dem Handy beispielsweise gibt der Benutzer einen Ort ein, das Handy beschafft sich die Wetterprognose zu diesem Ort (in der Regel von einem oder mehreren Wetterdiensten) und zeigt sie an.
Die übliche alltägliche Interaktion mit dem Computer in Apps beruht auf Tastatur- und Maus-Eingaben (als “Anfragen”) und Ausgaben per Bildschirm (“als Antwort”), etwa beim Starten einer App, beim Scrollen durch diese Webseite, allgemeiner beim Surfen im Internet, und natürlich auch beim Programmieren in VS Code.

Man spricht auch von dem EVA-Prinzip der Datenverarbeitung: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe.

Ausgabe (Textausgabe per print oder komplizierter Graphik-Ausgabe im Chaos-Spiel) und Verarbeitung (etwa 10 * “Ich liebe Informatik!\n”) haben wir in Python schon kennengelernt. Höchste Zeit für Eingabe!

Schau dir das folgende Video an und programmiere parallel dazu alles an deinem Rechner mit. Im Video wirst du mehrmals dazu aufgefordert, das Abspielen kurz anzuhalten und eine kleine Aufgabe selbst zu lösen.

Video "Eingabe, Variablen und Datentypen"

Endzustand des Python-Programms, das im Video geschrieben wurde.

begruessung.py

vorname = input("Gib bitte deinen Vornamen ein: ")
nachname = input("Dein Nachname? ")
print("Hallo " + vorname + nachname + "!")
 
alter = input("Wie alt bist du? ")
x = int(alter)
print("Du bist " + alter + " Jahre alt.")
print("Du bist etwa " + str(365 * x) + " Tage alt.")

Wenn du mutig bist oder nicht so viel Theorie lesen willst, kannst du sofort versuchen, die Aufgaben im Abschnitt Aufgaben zum sinnvollen Einsatz von Variablen zu lösen. Sonst oder wenn du dabei Probleme hast: Lies hier weiter!

Man unterscheidet Daten nach ihrem Typ. Dieser Typ, genannt Datentyp legt die möglichen Werte fest, die die Daten annehmen dürfen.

Bei einer Person sind z. B. ihr Name und ihre Grösse wichtige Daten. Der Name einer Person ist eine Zeichenkette (etwa “Pinocchio”), die Grösse einer Person ist eine Zahl (etwa 189 (in Zentimetern gemessen)).

In Python gibt es die folgenden Datentypen:

str für string = Zeichenkette = Text; Strings²⁾ sind Zeichenketten und werden in Anführungszeichen notiert; Bsp.: “Hello World!” oder “6”;
int für integer = ganze Zahl; Bsp.: 6;
float für floating point number = Kommazahl; Bsp.: -3.14159.
einige andere Datentypen (etwa Listen), die wir teilweise später kennenlernen werden.

Den Typ kann man in Python mit dem Befehl type abfragen:

Im Video habe ich in der Shell Befehle wie type(“Hallo”) oder type(23) oder type(5.6) eingegeben (jeweils gefolgt von Enter).

Wie im Video erklärt, ist es oft nützlich, Daten eines Typs in einen anderen Typ umzuwandeln:

Verwandlung von Zeichenketten in Zahlen:
- strings (kurz für “Daten vom Typ string”), die nur aus Ziffern bestehen, kann man mit dem Befehl int in ganze Zahlen umwandeln: Beispielsweise liefert der Python-Befehl int(“123”) die ganze Zahl 123.
- Analog kann man strings, die Kommazahlen darstellen, mit dem Befehl float in Kommazahlen umwandeln: float(“-123.4”) liefert die Kommazahl -123.4.
Verwandlung von Zahlen in Strings:
- Dies geschieht mit dem Befehl str. Zum Beispiel liefert str(-3.1) den String “-3.1”.

Variablen sind “Speicherorte für Daten”. Jede Variable hat einen Namen und einen Wert.

Beispiel: Im Video kam die Variable (mit Namen) vorname vor. Während des Programmablaufs hatte sie nach der entsprechenden Eingabe den Wert “Pinocchio”. Da “Pinocchio” vom Datentyp string ist, nennt man vorname eine Variable vom Typ string oder kurz eine String-Variable.

Ähnlich:

Integer-Variablen speichern ganze Zahlen wie 5 oder -6;
Float-Variablen speichern Kommazahlen wie -1.2345;

Namen von Variablen beginnen in der Regel mit einem Kleinbuchstaben, danach können weitere Kleinbuchstaben folgen, auch Grossbuchstaben, Ziffern und Unterstriche (= Bodenstriche) sind erlaubt - von der Verwendung von Umlauten und Sonderzeichen wird dringend abgeraten, Leerzeichen sind nicht erlaubt. Variablennamen sollten kurz, aber aussagekräftig sein. Da die Sprache Python englische Begriffe verwendet (etwa print, if, else, for, while, …), ist es sinnvoll, deutsche Begriffe als Variablennamen zu verwenden. Sinnvolle Variablennamen sind etwa

vorname
alterInJahren
x
nicht erlaubt ist Alter in Jahren wegen der Leerzeichen.

Je aussagekräftiger der Variablenname ist, desto leichter tut man sich beim Programmieren und desto leichter sind die Programme für andere Leute verständlich.

Mein Aufschrieb zu Variablen aus dem Video, den ich nun noch etwas ergänzt habe: In der Tabelle werden die Variablen samt ihrer Werte und Typen am Ende eines geeigneten Programmablaufs dargestellt:

Wenn du vom Benutzer eine Zeichenkette einlesen willst und die Eingabe in der Variablen s abspeichern willst, geht das mit dem folgenden Python-Befehl:

s = input("Gib eine Zeichenkette ein: ")

Wenn du vom Benutzer eine ganze Zahl einlesen willst und die Eingabe in der Variablen x abspeichern willst, geht das mit dem folgenden Python-Befehl:³⁾

x = int(input("Gib eine ganze Zahl ein: "))

Beachte: Der Befehl input gibt die Eingabe des Benutzers als Zeichenkette zurück. Diesen wandeln wir mit dem Befehl int in eine ganze Zahl um.⁴⁾

Wenn du vom Benutzer eine Kommazahl einlesen willst und die Eingabe in der Variablen x abspeichern willst, geht das analog mit dem folgenden Python-Befehl:

x = float(input("Gib eine Zahl ein: "))

Im folgenden Video erkläre ich unter anderem,

wie man Variablen kreiert (sie müssen initialisiert werden);
dass man mit Variablen “ganz normal” rechnen kann;
dass das Zeichen = in der Programmierung ein Zuweisungszeichen ist und kein Gleichheitszeichen wie in der Mathematik.

Intuitiv ist dir dies alles vielleicht bereits klar, trotzdem empfehle ich das Video.

Video "Variablen initialisieren und verändern"

Schreibe ein Programm, das den Benutzer zur Eingabe einer (positiven ganzen) Zahle auffordert (etwa die Liebe zur Informatik auf einer Skala von 1 bis 10) und daraufhin entsprechend oft den Satz Ich liebe Informatik! ausgibt. Jeder Satz soll in einer neuen Zeile beginnen.

Hinweis:

Rechnen mit Zeichenketten!

Schreibe ein Programm, das den Benutzer zur Eingabe zweier ganzer Zahlen auffordert. Das Programm soll ausgeben:

die beiden eingegebenen Zahlen,
die Summe der beiden Zahlen,
das Produkt der beiden Zahlen,
Bonus: das Ergebnis der Division mit Rest,

und zwar jeweils mit sinnvoller Erklärung der Ausgabe.

Bei der Eingabe der beiden Zahlen $33$ und $7$ könnte der Dialog mit dem Computer beispielsweise so aussehen:

Gib eine Zahl x ein: 33
Gib eine weitere Zahl y ein: 7
Du hast die beiden Zahlen x = 33 und y = 7 eingegeben.
Die Summe dieser beiden Zahlen ist x+y = 40.
Das Produkt dieser beiden Zahlen ist x*y = 231.
Ganzzahlige Division: 33 dividiert durch 7 ist 4 Rest 5.

Schreibe ein Programm, das den Benutzer zur Eingabe zweier (positiver ganzer) Zahlen auffordert. Das Programm soll daraufhin ein “Rechteck aus Pluszeichen” ausgeben, dessen Länge und Breite die eingegebenen Zahlen sind.

Beispiel: Bei Eingabe der Zahlen 30 als Breite und 6 als Länge soll die Ausgabe wie folgt aussehen:

++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++

Ergänze den (unvollständigen) Python-Code

n = # eine beliebige natürliche Zahl

zu einem kurzen, aber “möglichst lesbaren” Python-Programm, dessen Ausgabe im Fall n = 4 das folgende $4 \times 4$-Raster ist. Für andere Werte von $n$ sollen entsprechende quadratische $n \times n$-Raster ausgegeben werden.

+--+--+--+--+
|  |  |  |  |
+--+--+--+--+
|  |  |  |  |
+--+--+--+--+
|  |  |  |  |
+--+--+--+--+
|  |  |  |  |
+--+--+--+--+

Hinweis:

Definiere zwei String-Variablen zeile1 und zeile2, so dass der Wert von zeile1 die erste auszugebende Zeile ist und der Wert von zeile2 die zweite auszugebende Zeile. Verwende diese Variablen, um das gesamte Quadrat auszugeben.

Auf W3Schools finden sich viele, meist sehr gute Materialien zu allen möglichen Programmiersprachen, etwa das Python-Tutorial von W3Schools.

Mit dem obigen Wissen kannst du bereits einige der

Python-Exercises von W3Schools

lösen.

Es gibt dort auch ein

Python-Quiz von W3Schools,

jedoch muss man alle Fragen beantworten, bevor man die Auswertung erhält.

Zur Kursseite

¹⁾

Die Wortlängen kodieren die ersten Nachkommastellen der Kreiszahl $\pi$, vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Pi-Sport#Merkregeln.

²⁾

Ganz genau sollte man vermutlich sagen: “Daten vom Typ str sind Zeichenketten.” In der Praxis macht das aber niemand.

³⁾

In der Eingabe darf auch kein Punkt vorkommen; beispielsweise wird 9.0 nicht akzeptiert (auch wenn dies eigentlich eine ganze Zahl ist).

⁴⁾

Im Programm aus dem ersten Video zur Eingabe haben wir dies etwas komplizierter in zwei Schritten gemacht. Zuerst haben wir eine Zeichenkette eingelesen und diese dann in eine ganze Zahl umgewandelt.