7.Python编程之计算生态

note:本文所有代码在python3环境下执行，可用jupyter notebook

计算思维的概念

 2006年，美国CMU计算机系主任周以真提出
 计算思维（Computational Thinking）
 运用计算机科学基础概念求解问题、设计系统和理解人
类行为

• 1.生活中计算思维的应用

   我们拥有：四个灶，锅碗瓢盆，食物原料。
   我们完成：肉菜、素菜、甜点。
   考虑因素：好吃、不能凉、搭配素菜
   计算思维的人：有限资源、设定并行流程、得出最好效果

  计算思维的应用IPO

   输入I: 四个灶，一定数量的锅碗瓢盆，食物原料。
   处理P: 做饭过程统筹设计
   输出O： 肉菜，素菜，甜点。

• 计算思维的本质

   抽象(Abstraction),自动化(Automation)
   实证思维，逻辑思维，计算思维
   随计算机科学发展而提出
   理解计算机特征
   将计算特征抽象为计算问题
   程序设计实现问题的自动求解

• 计算机模拟解决问题

   模拟现实世界计算过程提供一般情况下无法获得的信息
   简单的模拟可以揭示某些困难问题的本质规律。
   天气预报
   飞行器设计
   电影特效
   核试验模拟

• 示例：体育竞技分析

 基本规则
     两个球员，交替用球拍击球
     发球权，回合
     未能进行一次击打回合结束
     首先达到15分赢的比赛

 该问题的IPO模式
     输入I: 两个球员(A和B)的能力值，模拟比赛的 场次
     处理P: 模拟比赛过程
     输出O: 球员A和B分别赢得球赛的概率
     一个期望的输出结果
         模拟比赛数量：500
         球员A获胜场次：268（53.6%）
         球员B获胜场次：232（46.4%）

自顶向下设计

• 基本思想

• 顶层设计（第一阶段）举例

   步骤1：答应程序的介绍性信息

  printIntro()
  

   步骤2： 获得程序运行所需的参数：ProA, ProB, n,

  probA,probB, n = getInputs()
  

   步骤3： 模拟n次比赛

  winsA, winsB = simNGames(n, probA, prpbB)
  

   步骤4： 输出球员A和B获胜比赛的次数和概率

  printSummary(winsA,sinsB)
  

  代码：

  def main():
      printIntro()
      probA,probB,n = getInputs()
      winsA, winsB = simNGames(n,probA,probB)
      printSummary(winsA,winsB)
  

• 第二阶段：

# printIntro()函数；
def printIntro():
    print('This programe simulates a game between two')
    print('There ara two player, A and B')
    print('Probability(a number between 0 and 1)is used')

# getInputs()函数；
def getInputs():
    a = eval(input('What is the prob.player A wins?'))
    b = eval(input('What is the prob.player B wins?'))
    n = eval(input("How many games to simulate?"))
    return a, b, n 

# simNGames()函数（核心）
def simNGames(n,probA,probB):
    winsA = 0
    winsB = 0
    for i in range(n):
        scoreA,scoreB = simOneGame(probA,probB)
        if scoreA > scoreB:
            winsA = winsA + 1
        else:
            winsB = winsB + 1
    return winsA, winsB

• 第三阶段

# simOneGame()函数；
def simOneGame(probA,probB):
    scoreA = 0
    scoreB = 0
    serving = 'A'
    while <condition>:
        <todo>
# simOneGame()函数完整代码：
def simOneGame(probA,probB):
    scoreA = 0
    scoreB = 0
    serving = 'A'
    while not gameOver(scoreA,scoreB):
        if serving == 'A':
            if random() < probA:
                scoreA = scoreA + 1
            else:
                serving = 'B'
        else:
            if random() < probB:
                scoreB = scoreB + 1
            else:
                serving = 'A'
    return scoreA,scoreB

# gameOver()函数：
def gameOver(a,b):
    return a==15 or b==15

# printSummary()函数
def printSummary():
    n = winsA + winsB
    print('\nGames simulated:%d'%n)
    print('WinsforA:{0}({1:0.1%})'.format(winsA,winsA/n))
    print('Wins for B:{0}({1:0.1%})'.format(winsB,winsB/n))       

• 设计过程总结

   自顶向下设计：
   步骤1：将算法表达为一系列小问题；
   步骤2：为每个小问题设计接口；
   步骤3：通过将算法表达为接口关联的多个小问题来细化算法；
   步骤4：为每个小问题重复上述过程。

自底向上的执行

 自顶向下的设计
     从顶层开始分解问题为更小的问题进行求解
 自底想上的执行
     从底层模块开始一个一个进行测试
 程序写好后，需要通过运行程序进行测试

• 单元测试

  小规模程序
   直接运行
   中等规模
   从就结构图底层开始，逐步上升
   先运行每个基本函数，在测试整体函数
   较大规模
   高级软件测试方法

• 体育竞技分析框架

  #matchSim.py
  from randon import random
  def main():
  def printIntro():
  def getInput():
  def simNGames():
  def simOneGame():
  def gameOver():
  if __name__ == '__main__':
      main()
  

• 体育竞技分析的例子

  gameOver单元测试
  (1)：>>>importmatchSim
          >>>matchSim.gameOver(0,0)
      False
  (2): >>>matchSim.gameOver(5,10)
      False
  (3): >>>matchSim.gameOver(15,3)
      True
  (4): >>>matchSim.gameOver(3,15)
      True
  
  
      simOneGame单元测试
      (1) >>>importmatchSim
      >>>matchSim.simOneGame(.5,.5)
      (13,15)
      (2) >>>matchSim.simOneGame(.5,.5)
      (15,11)
      (3) >>>matchSim.simOneGame(.3,.3)
      (15,11)
      (4) >>>matchSim.simOneGame(.3,.3)
      (11,15)
  

• 模拟结果：

  >>>matchSim.py
  What is the prob.player A wins? .65
  What is the prob.player B wins? .6
  How many games to simulate? 5000
  Games simulated:5000
  wins for A:3360(67.2%)
  wins for B:1640(32.8%)
  

软件开发

 软件
     能够完成预定功能和性能的可执行的计算机程序，支持程序正常运行的数据，以及描述程序的操作和使用的文档
 软件工程
     将系统的，严格约束的，可量化的方法应用于软件的开发，运行和维护。
 将工程化应用于软件
 软件开发生命周期
     确定问题