27 KiB
Отчет по теме 7
Коломейцев Дмитрий, А-02-23
Создание пользовательских функций
1. Установка рабочего каталога. Создание рабочего протокола.
В оболочке IDLE установил актуальный рабочий каталог, а затем в нём создал рабочий протокол.
2. Создание пользовательской функции.
Создание функции предполагает выполнение трех операций: формирование функции, ее сохранение и использование.
В общем виде функция в языке Python представляется так:
def <Имя функции>([<Список аргументов >]):
<отступы> """<Комментарий по назначению функции>"""
<отступы> <Блок инструкций – тело функции>
<отступы> return <Значение или вычисляемое выражение>
Именование пользовательских функций производится в соответствии с теми же правилами, что используются при именовании переменных. Также важно заметить, что наличие инструкции return не обязательно для работы функции.
2.1. Функция без аргументов.
Функции могут быть без аргументов, как в примере ниже.
>>> def uspeh(): # Аргументы отсутствуют
... """Подтверждение успеха операции"""
... print("Выполнено успешно!")
...
>>> uspeh()
Выполнено успешно!
Важно заметить, что многострочный комментарий в начале функции выступает в качестве описания её работы, выводимого при запросе help для этой функции. Поэтому данная справочная информация о функции должна быть хорошо и точно структурирована и расписана, чтобы пользователь мог понять как работать с функцией.
>>> type(uspeh) # Определение класса пользовательской функции
<class 'function'>
>>> dir() # Проверка появления имени функции в пространстве имен
['__annotations__', '__builtins__', '__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__', 'os', 'uspeh']
>>> help(uspeh) # Получение справки о пользовательской функции
Help on function uspeh in module __main__:
uspeh()
Подтверждение успеха операции
2.2. Функция с аргументами.
Также функции могут быть с аргументами:
>>> def sravnenie(a, b):
... """Сравнение a и b"""
... if a > b:
... print(a, "больше", b)
... elif a < b:
... print(a, "меньше", b)
... else:
... print(a, "равно", b)
...
>>> n, m = 16, 5; sravnenie(n, m)
16 больше 5
Данную функцию можно применять и для аргументов, являющихся символьными строками. В таком случае будут поэлементно сравниваться символы строк, до первого различия, в соответствии с кодами символов в таблице Unicode/ASCII.
>>> sravnenie("Text", "Text but bigger")
Text меньше Text but bigger
>>> sravnenie("abc", "ABC")
abc больше ABC
2.3. Функция, возвращающая значение.
Функции могут возвращать определенные значения с помощью инструкции return.
>>> def logistfun(b, a):
... """Вычисление логистической функции"""
... import math
... return a / (1 + math.exp(-b))
...
>>> v, w = 1, 0.7
>>> z = logistfun(w, v)
>>> z
0.6681877721681662
2.4. Функция, работающая с разными типами аргументов.
Некоторые функции можно реализовать так, чтобы они могли работать с аргументами разных типов:
>>> def slozh(a1, a2, a3, a4):
... """ Сложение значений четырех аргументов"""
... return a1 + a2 + a3 + a4
...
>>> slozh(1, 2, 3, 4)
10
>>> slozh("1", "2", "3", "4")
'1234'
>>> b1 = [1, 2]; b2 = [-1, -2]; b3 = [0, 2]; b4 = [-1, -1]
>>> q = slozh(b1, b2, b3, b4)
>>> q
[1, 2, -1, -2, 0, 2, -1, -1]
Данная функция может работать и с кортежами, но вот при работе со словарями и множествами уже получается ошибка:
>>> slozh((1, 2), (3, 4), (5, 6), (7, 8)) # Сложение кортежей
(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)
>>> slozh({"A" : 1, "B" : 2}, {"C" : 3, "D" : 4}, {"E" : 5, "F" : 6}, {"G" : 7, "H" : 8}) # Сложение словарей
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#44>", line 1, in <module>
slozh({"A" : 1, "B" : 2}, {"C" : 3, "D" : 4}, {"E" : 5, "F" : 6}, {"G" : 7, "H" : 8})
File "<pyshell#37>", line 3, in slozh
return a1 + a2 + a3 + a4
TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'dict' and 'dict'
>>> slozh({1, 2}, {3, 4}, {5, 6}, {7, 8}) # Сложение множеств
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#45>", line 1, in <module>
slozh({1, 2}, {3, 4}, {5, 6}, {7, 8})
File "<pyshell#37>", line 3, in slozh
return a1 + a2 + a3 + a4
TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'set' and 'set'
2.5. Функция, реализующая некоторую модель.
С помощью функций можно легко реализовывать модели некоторых устройств. Так, например, следующая функция реализует модель устройства, преобразующего вид входного сигнала.
>>> def inerz(x, T, ypred):
... """Модель устройства с памятью:
... x - текущее значение вх. сигнала,
... T - постоянная времени,
... ypred - предыдущее значение выхода устройства"""
... y = (x + T * ypred) / (T + 1)
... return y
...
>>> sps = [0] + [1] * 100
>>> spsy = [] # Подготовлен список для значений выходного сигнала
>>> TT = 20 # Постоянная времени
>>> yy = 0 # Нулевое начальное условие
>>> for xx in sps:
... yy = inerz(xx, TT, yy)
... spsy.append(yy)
...
>>> import pylab
>>> pylab.plot(spsy)
[<matplotlib.lines.Line2D object at 0x0000000027B42350>]
>>> pylab.xlabel("Время, сек.")
Text(0.5, 0, 'Время, сек.')
>>> pylab.ylabel("Выходной сигнал")
... Text(0, 0.5, 'Выходной сигнал')
>>> pylab.grid(True)
>>> pylab.show()
Полученный график выходного сигнала:
3. Функции как объекты.
3.1. Атрибуты объекта-функции.
Так как функции являются объектами, то у них есть некоторые атрибуты. Получить их список можно с помощью инструкции dir().
>>> dir(inerz) # Получение списка атрибутов объекта-функции
['__annotations__', '__builtins__', '__call__', '__class__', '__closure__', '__code__', '__defaults__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__get__', '__getattribute__', '__getstate__', '__globals__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__init_subclass__', '__kwdefaults__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__name__', '__ne__', '__new__', '__qualname__', '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__']
>>> inerz.__doc__ # Использование атрибута объекта-функции
'Модель устройства с памятью:\n x - текущее значение вх. сигнала,\n T - постоянная времени,\n ypred - предыдущее значение выхода устройства'
>>> help(inerz) # Получение помощи по объекту-функции
Help on function inerz in module __main__:
inerz(x, T, ypred)
Модель устройства с памятью:
x - текущее значение вх. сигнала,
T - постоянная времени,
ypred - предыдущее значение выхода устройства
3.2. Ссылка на объект-функцию.
Ссылку на объект-функцию можно присваивать переменным, а затем обращаться к ним как к самой функции:
>>> fnkt = sravnenie
>>> v = 16
>>> fnkt(v, 23)
>>> 16 меньше 23
3.3. Альтернативное определение функций.
Функции могут быть определены разным образом в зависимости от особенностей реализации кода:
>>> typ_fun = 8
>>> if typ_fun == 1:
... def func():
... print("Функция 1")
... else:
... def func():
... print("Функция 2")
...
>>> func()
Функция 2
4. Аргументы функции.
4.1. Использование фунции в качестве аргумента.
В качестве аргумента функции может выступать и другая функция:
>>> def fun_arg(fff, a, b, c):
... """fff - имя функции, используемой в качестве аргумента"""
... return(a + fff(c, b))
...
>>> zz = fun_arg(logistfun, -3, 1, 0.7)
>>> zz
-2.3318122278318336
4.2. Обязательные и необязательные аргументы.
Аргументы функции могут быть необязательными, т.е. иметь некоторое значение, заданное по умолчанию:
>>> def logistfun(a, b = 1):
... """Вычисление логистической функции"""
... import math
... return b / (1 + math.exp(-a))
...
>>> logistfun(0.7)
0.6681877721681662
>>> logistfun(0.7, 2)
1.3363755443363323
4.3. Расположение аргументов функции.
К функции можно обращаться с произвольным (непозиционным) расположением аргументов, при этом необходимо указывать их имена:
>>> logistfun(b = 0.5, a = 0.8)
0.34498724056380625
>>> logistfun(0.8, 0.5)
0.34498724056380625
4.4. Аргументы функции, содержащиеся в списке или кортеже.
Аргументы функции могут содержаться в списке или кортеже, в таком случае при их передаче в функцию необходима распаковка с помощью оператора " * ".
>>> b1234 = [b1, b2, b3, b4]
>>> slozh(*b1234)
[1, 2, -1, -2, 0, 2, -1, -1]
>>> slozh(b1, b2, b3, b4)
[1, 2, -1, -2, 0, 2, -1, -1]
4.5. Аргументы функции, содержащиеся в словаре.
Аналогичная ситуация происходит и с аргументами, представленными в виде словаря. Однако распаковка в таком случае проводится с помощью оператора " ** ". Важно также заметить, что имена ключей словаря с аргументами не должны совпадать с именами остальных переданных аргументов, иначе произойдет ошибка.
>>> dic4 = {"a1" : 1, "a2" : 2, "a3" : 3, "a4" : 4}
>>> slozh(**dic4)
10
4.6. Смешанные ссылки.
Данные способы передачи аргументов в функцию можно комбинировать:
>>> e1 = (-1, 6)
>>> dd2 = {"a3" : 3, "a4" : 4}
>>> slozh(*e1, **dd2)
12
4.7. Переменное число аргументов у функции.
Число аргументов у функции может быть произвольным, что осуществляется с помощью того же оператора " * ".
>>> def func4(*kort7):
... """Произвольное число элементов в составе кортежа"""
... smm = 0
... for el in kort7:
... smm += el
... return smm
...
>>> func4(-1, 2)
1
>>> func4(-1, 2, 0, 3, 6)
10
4.8. Комбинация аргументов.
Данные способы передачи аргументов также можно комбинировать:
>>> def func4(a, b = 7, *kort7):
... """Кортеж - сборка аргументов - должен быть последним!"""
... smm = 0
... for el in kort7:
... smm += el
... return a * smm + b
...
>>> func4(-1, 2, 0, 3, 6)
-7
Пример реализации аналогичной функции для произвольного количества аргументов, переданного в виде словаря:
>>> def func4(a, b = 7, **dict7):
... """Словарь - сборка аргументов - должен быть последним!"""
... smm = 0
... for el in dict7.values():
... smm += el
... return a * smm + b
...
>>> func4(-1, 2, **{"a1" : 0, "a2" : 3, "a3" : 6})
-7
4.9. Изменение значений объектов с помощью функций.
С помощью функций можно изменять значения переменных - объектов изменяемого типа:
>>> a = 90
>>> def func3(b):
... b = 5 * b + 67
...
>>> func3(a)
>>> a # Числовой объект является неизменяемым
90
>>> sps1 = [1, 2, 3, 4]
>>> def func2(sps):
... sps[1] = 99
...
>>> func2(sps1)
>>> sps1 # Список - изменяемый объект
[1, 99, 3, 4]
>>> kort = (1, 2, 3, 4)
>>> func2(kort) # Кортеж также является неизменяемым
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#55>", line 1, in <module>
func2(kort)
File "<pyshell#51>", line 2, in func2
sps[1] = 99
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment
5. Специальные типы пользовательских функций.
5.1. Анонимные функции.
Анонимные функции - лямбда-функциями - это функции без имени , определяемые по следующей схеме:
lambda [<Список аргументов >]: <Возвращаемое значение или выражение>
Анонимная функция возвращает ссылку на объект-функцию, которую можно присвоить другому объекту.
>>> anfun1 = lambda: 1.5 + math.log10(12.23)
>>> anfun1()
2.5874264570362855
>>> anfun2 = lambda a, b: a + math.log10(b)
>>> anfun2(17, 234)
19.369215857410143
>>> anfun3 = lambda a, b = 234: a + math.log10(b)
>>> anfun3(100)
102.36921585741014
5.2. Функции-генераторы.
Функции-генераторы - функции, использующиеся в итерационных процессах, позволяющие на каждой из итераций получать значение с помощью инструкции yield, приостанавливающей выполнение функции.
>>> def func5(diap, shag):
... """Итератор, возвращающий значения из диапазона от 1 до diap с шагом shag"""
... for i in range(1, diap + 1, shag):
... yield i
...
>>> for mm in func5(7, 3):
... print(mm)
...
1
4
7
При работе с такими функциями часто используют метод "__ next __", активирующий очередную итерацию выполнения функции:
>>> alp = func5(7, 3)
>>> print(alp.__next__())
1
>>> print(alp.__next__())
4
>>> print(alp.__next__())
7
>>> print(alp.__next__()) # При отсутствии следующих итераций будет ошибка
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#78>", line 1, in <module>
print(alp.__next__())
StopIteration
6. Локализация объектов.
По отношению к функции все объекты подразделяются на локальные и глобальные. Локальными являются объекты, которые создаются в функциях присваиванием им некоторых значений. Они записываются в пространство имен, создаваемое в функции. Глобальные – это те объекты, значения которых заданы вне функции. Они определены в пространствах имен вне функции.
6.1. Примеры на локализацию объектов в функциях.
Локальный и глобальный объекты могут иметь одинаоковое имя:
>>> glb = 10
>>> def func7(arg):
... loc1 = 15
... glb = 8
... return loc1 * arg
...
>>> func7(glb)
150
>>> glb # Значение не измени лось, т.к. операции проводились над локальной переменной
10
При использовании локального объекта до его определения будет ошибка:
>>> def func8(arg):
... loc1 = 15
... print(glb)
... glb = 8
... return loc1 * arg
...
>>> func8(glb)
Traceback (most recent call last):
File "<pyshell#97>", line 1, in <module>
func8(glb)
File "<pyshell#96>", line 3, in func8
print(glb)
UnboundLocalError: cannot access local variable 'glb' where it is not associated with a value
Локализацию объекта можно переопределить с помощью дескриптора global:
>>> glb = 11
>>> def func7(arg):
... loc1 = 15
... global glb
... print(glb)
... glb = 8
... return loc1 * arg
...
>>> func7(glb)
11
165
>>> glb # Значение изменилось, т.к. была переопределена локализация объекта
8
6.2. Функции для выявления локализации объектов.
Чтобы узнать текущую локализацию объекта можно использовать функции globals() и locals(), которые возвращают словари с ключами - именами объектов, являющихся, соответственно, глобальными или локальными на уровне вызова этих функций.
>>> globals().keys()
dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', 'func4', 'a', 'func3', 'sps1', 'func2', 'kort', 'anfun1', 'math', 'anfun2', 'anfun3', 'func5', 'mm', 'alp', 'glb', 'func7', 'func8'])
>>> locals().keys()
dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', 'func4', 'a', 'func3', 'sps1', 'func2', 'kort', 'anfun1', 'math', 'anfun2', 'anfun3', 'func5', 'mm', 'alp', 'glb', 'func7', 'func8'])
Пример просмотра локальных и глобальных объектов изнутри функциии:
>>> def func8(arg):
... loc1 = 15
... glb = 8
... print(globals().keys())
... print(locals().keys())
... return loc1 * arg
...
>>> func8(glb)
dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', 'func4', 'a', 'func3', 'sps1', 'func2', 'kort', 'anfun1', 'math', 'anfun2', 'anfun3', 'func5', 'mm', 'alp', 'glb', 'func7', 'func8'])
dict_keys(['arg', 'loc1', 'glb'])
150
>>> "glb" in globals().keys()
True
6.3. Локализация объектов во вложенных функциях.
Локальные переменные будут различаться на разных уровнях вложенных функций:
>>> def func9(arg2, arg3):
... def func9_1(arg1):
... loc1 = 15
... glb1 = 8
... print("glob_func9_1:", globals().keys())
... print("locl_func9_1:", locals().keys())
... return loc1 * arg1
... loc1 = 5
... glb = func9_1(loc1)
... print("glob_func9:", globals().keys())
... print("locl_func9:", locals().keys())
... return arg2 + arg3 * glb
...
>>> func9(10, 1)
glob_func9_1: dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', 'func4', 'a', 'func3', 'sps1', 'func2', 'kort', 'anfun1', 'math', 'anfun2', 'anfun3', 'func5', 'mm', 'alp', 'glb', 'func7', 'func8', 'func9'])
locl_func9_1: dict_keys(['arg1', 'loc1', 'glb1'])
glob_func9: dict_keys(['__name__', '__doc__', '__package__', '__loader__', '__spec__', '__annotations__', '__builtins__', 'func4', 'a', 'func3', 'sps1', 'func2', 'kort', 'anfun1', 'math', 'anfun2', 'anfun3', 'func5', 'mm', 'alp', 'glb', 'func7', 'func8', 'func9'])
locl_func9: dict_keys(['arg2', 'arg3', 'func9_1', 'loc1', 'glb'])
85
6.4. Моделирование некоторой системы с помощью нескольких функций.
Моделирование системы, состоящей из последовательного соединения реального двигателя, охваченного отрицательной обратной связью с тахогенератором в ней, и нелинейного звена типа "зона нечувствительности", при подаче на нее синусоидального входного сигнала.
Этап 1 - запрос и обработка введенных параметров системы:
>>> znach = input("k1, T, k2, Xm, A, F, N = ").split(",")
>>> k1, T, k2, Xm, A, F, N = 7, 4, 2, 5, 2, 0.01, 100
>>> k1 = float(znach[0])
>>> T = float(znach[1])
>>> k2 = float(znach[2])
>>> Xm = float(znach[3])
>>> A = float(znach[4])
>>> F = float(znach[5])
>>> N = int(znach[6])
Этап 2 - реализация входного сигнала:
>>> import math
>>> vhod = []
>>> for i in range(N):
... vhod.append(A * math.sin((2 * i * math.pi) / F))
...
>>> vhod
[0.0, 7.857546894913888e-15, 1.5715093789827776e-14, -2.038010347584904e-13, 3.143018757965555e-14, -6.428332918551267e-13, -4.076020695169808e-13, -1.081865548951763e-12, ..., -7.666359036382766e-12, -6.521633112271693e-12, -5.376907188160619e-12, -1.8784096492416397e-11, -3.0874553399384703e-12]
Этап 3 - создание функций, реализующих компоненты системы:
>>> def realdvig(xtt, kk1, TT, yti1, ytin1):
... # Модель реального двигателя
... yp = kk1 * xtt # Усилитель
... yti1 = yp + yti1 # Интегратор
... ytin1 = (yti1 + TT * ytin1) / (TT + 1)
... return [yti1, ytin1]
...
>>> def tahogen(xtt, kk2, yti2):
... # Модель тахогенератора
... yp = kk2 * xtt
... yti2 = yp + yti2
... return yti2
...
>>> def nechus(xtt, gran):
... # Зона нечувствительности
... if xtt < gran and xtt > (-gran):
... return 0
... elif xtt >= gran:
... return xtt - gran
... elif xtt <= (-gran):
... return xtt + gran
Этап 4 - соединение компонент в соответствии с заданием и получение выходного сигнала:
>>> yi1 = 0; yin1 = 0; yi2 = 0
>>> vyhod = []
>>> for xt in vhod:
... xt1 = xt - yi2
... [yi1, yin1] = realdvig(xt1, k1, T, yi1, yin1)
... yi2 = tahogen(yin1, k2, yi2)
... yt = nechus(yin1, Xm)
... vyhod.append(yt)
...
>>> print("y =", vyhod)
y = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 2.0750309723388316, 0, -12.800524758874488, 11.328734010636943, 37.9986846091337, -51.695128234754044, -93.73359277523646, 176.80628109766909, 206.3512386278131, -546.6832050741272, -399.06819555417735, 1598.4573240949626, 604.2307443815814, -4487.243599090263, -296.234076116122, 12162.217953139934, -2805.586281370296, -31870.75393905672, 17036.29869407474, 80623.4912164512, -69802.97975583967, -195996.03820751337, 245998.54033834403, 453751.31553486304, -796405.0354457049, -982958.5881199688, 2433666.144586724, 1918572.300755354, -7113910.846421458, -3041359.0662945407, 20031038.041300073, 2216408.8952286365, -54513798.16041583, 10262153.3054456, 143509014.33326405]
7. Завершение работы со средой.
Сохранил файлы отчета в своем рабочем каталоге и закончил сеанс работы с IDLE.