普通高中教科书·信息技术必修1数据与计算(1)_高中全套电子教材及答案。_01高中电子教材全套_信息技术_华东师大版_高中年级_必修1数据与计算

华 东 师 范 大 学 出 版 社总 主 编: 李晓明 副总主编: 赵 健 本册主编: 冯 忻 华 编写人员 按姓氏笔画排序 ( ): 毛黎莉 冯 忻 张逸中 欧阳元新 周永麒 责任编辑: 程 东滨 美术设计: 储 平 师 普通高中教科书 信息技术 必修1 数据与计算 范 上海市中小学(幼儿园)课程改革委员会组织编写 出版发行 华东师范大学出版社 上海市中山北路3663号 ( 大) 印 刷 上海昌鑫龙印务有限公司 版 次 2020年6月第1版 印 次 2020年6月第1次 学 开 本 890毫米×1240毫米 116 / 印 张 9.25 字 数 166千字 出 书 号 978 7 5760 0547 9 ISBN 定 价 11.60元 版 版权所有 未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分 违者必究 · · 如发现内容质量问题 请拨打电话021 60821714 , 如发现印 装质量问题 影响阅读 请与华东师范大学出版社联系 电话 021 60821711 、 , , 。 : 社 全国物价举报电话 12315 : 声明 按照 中华人民共和国著作权法 第二十五条有关规定 我们已尽量寻找著作权人 《 》 , 支付报酬 著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系 。 。 本册教材图片提供信息 : 本册教材中的部分图片由全景网 视觉中国等图片网站提供 、 。致同学们 华 东 师 亲爱的同学们 : 当今 信息技术的发展日新月异 物联网 大数据 人工智能等新 范, , 、 、 技术 新工具扑面而来 显著地改变着人们的生活 学习和工作模式 、 , 、 。 生存于信息社会中 我们每一个人都不可避免地会接触信息技术 应 , 、 用信息技术 甚至去创造新的信息技术 在具备了基本信息技术应用 大, 。 能力的基础上 高中阶段我们要进一步学习信息技术的知识与技能 , , 能够利用信息技术负责任地解决生活与学习中的问题 全面提升信息 , 素养 迎接信息社会的挑战 , 。 学 数据与计算 作为高中信息技术学科的必修模块 是学习高中信 “ ” , 息技术学科其他模块的基础 本教科书采用 项目活动 方式组织学 。 “ ” 习内容 通过 信息技术伴我学 编程应用助健康 交通数据利抉择 , “ ”“ ”“ ” 出 智能工具好帮手 项目 将数据与大数据 算法与编程实现 数据处理 “ ” , 、 、 与应用 人工智能等基础知识与技能融入到学习活动中 教科书的每 、 。 章围绕 信息意识 计算思维 数字化学习与创新 信息社会责任 “ ”“ ”“ ”“ ” 四个学科核心素养提出本章的学习版目标 利用 本章知识结构 图示呈 , “ ” 现本章知识脉络 帮助同学们从总体上了解本章学习内容 , 。 在学习过程中 同学们可以通过 体验思考 栏目 将现实问题 个 , “ ” , 、 人经验与知识技能相关联 带着问题开始学社习 通过 探究活动 和 项 , ; “ ” “ 目实践 栏目 将 做中学 与 学中做 的学习方法相互融合 把知识技 ” , “ ” “ ” , 能应用于解决实际问题中 通过 技术支持 栏目 将新技术与新工具 ; “ ” , 适时应用于作品制作中 提高合理选用技术工具创造性完成作品制作 , 的能力 按照个人的学习需求 学习 知识延伸 栏目中的内容 拓展个 ; , “ ” , 人学习视野 。 提升信息素养 要求我们在掌握基本信息技术知识和常用信息技 , 术工具的同时 能够用计算思维来分析问题 要求我们在体验信息技 , ; 致同学们 1华 东 师 术给我们带来的更高效率的同时 积极运用技术来创造性地解决问题 , 和创作作品 要求我们在享受信息技术提供的便利的同时 关注信息 范; , 安全 参与和促进信息社会的伦理与道德建设 同学们可以通过本教 , 。 科书与配套资源学习信息技术 负责任地应用信息技术 逐步成长为 , , 新时代合格的社会主义建设者 大。 编 者 学 出 版 社 2 数据与计算目 录 华 东 师 第一章 数据与大数据 ... 1 范 项目主题 信息技术伴我学 ... 3 第一节 大数据、信息与知识 ... 4 第二节 数字化与编码 ... 16 学 第三节 大数据及其作用与价值 ... 26 出 第二章 算法与程序实现 ... 35 版 项目主题 编程应用助健康 ... 37 第一节 算法与算法描述 ... 38 社 第二节 程序设计语言基本知识 ... 50 第三节 常用算法及其程序实现 ... 71 目 录 1华 东 师 第三章 数据处理与应用 ... 79 范 项目主题 交通数据利抉择 ... 81 第一节 数据采大集、整理与安全 ... 82 第二节 数据分析与可视化 ... 97 学 第三节 数据分析报告与应用 ... 114 出 第四章 走近人工智能 ... 117 版 项目主题 智能工具好帮手 ... 119 第一节 体验计算机视觉应用 ... 120 社 第二节 人工智能的发展历程 ... 124 第三节 人工智能的作用及影响 ... 135 后记 ... 141 2 数据与计算华 东 师 范 第 一 章 大 学 数据与大数据 出 本章学习目标 版 在实际生活与学习中感知数据与信息 知道数据与信息的特征 理解数 ◉ , , 社 据 信息与知识的区别和联系 认识数据与信息对社会发展和个人成长 、 , 的影响 。 掌握二进制数与十进制数 二进制数与十六进制数相互转换的方法 了 ◉ 、 , 解数字化的过程与意义 知道字符 声音 图像编码的基本方式 , 、 、 。 针对学习任务 选择数字化学习工具和资源 感受利用它们进行自主学 ◉ , , 习和知识分享的优势 。信息技术的发展与普及改变着我们的生活与学习 我们的晨起 可能始于查看手腕上带 。 , 有睡眠监测功能的智能手环 我们的休闲 可能始于点击手机中具有歌曲智能推荐功能的音乐 ; , 软件 我们的出行 可能始于扫描小区外停放的共享单车的二维码 我们的学习 也可能不再是 ;华, ; , 从步入教室的一刻开始 而是始于打开一款能够时时 处处伴随着我们的在线学习软件 , 、 。 目前 越来越多的高中生使用慕课学习平台 数字图书馆 数字实验系统开展学习 登录 , 、 、 。 慕课学习平台后东可以实现跨校学习 共享优质学习资源 访问数字图书馆 能够快速查阅信 , , ; , 息 自助完成电子图书的借阅和归还 应用数字实验系统 能够体验实验数据的生成过程 以可 , ; , , 视化方式感知实验规律 信息技术在改变着我们的学习环境 也改变着我们的学习方式 掌 。 , 。 师 握信息技术知识 运用信息技术促进学习 是新时代每位中学生都应具备的能力 , , 。 范 大 本章知识结构  学 -@ 4- * 出    E  T         @   +           + +     版   * 4  + -   )  - 4 '   @   D .  + D * /     2 社 E    E  E @         + 0 M  @      4 4 4     - - -   E  D  D  / 2 数据与计算项目主题 信息技术伴我学 华 项·目·情·境 随着技术的发展 人们阅读的书籍已经从纸质图书拓展为既能看也能听的电 , 东 子图书 人们传统的阅读方式也随之发生变化 , 。 一年一度的学校诗词大会即将举行 学校图书馆收到了一些读者需求 有的同 , : 学希望图书馆能够增购一些电子图书 供同学们借阅 有的同学希望图书馆能够将 , ; 馆藏的纸质校刊制作成电子校刊 方便查阅往年学校诗词大会的征文 有的同学希 师 , ; 望在面对浩瀚书海时 学校图书馆能够根据同学们的阅读习惯 提供个性化的图书 , , 推荐 。 小申是学校图书馆的志愿者 他能为学校图书馆提供一些建议吗 , ? 范 大 项·目·任·务 任务1 任务2 任务3 学 搜索电子图书网 将学校馆藏的纸 分析电子图书网 站,记录电子图书选择 质校刊制作成电子校 站向读者推送电子图 过程中的参考数据,了 刊,感受数字化的过 书的方法与策略,举例 出 解这些数据所反映的 程,小组合作完成电子 说明大数据在其中的 信息,描述数据在选择 校刊的制作。 作用,为学校图书馆设 电子图书过程中所起 计一份电子图书推荐 到的作用。 版方案。 社 第一章 数据与大数据 3第一节 数据、信息与知识 人类对于数据的应用由来已久 早在春秋战国时期 齐国国相管 , , 华 仲就通过对农业生产数据的统计分析来制定相关的农业生产政策 在 , 汉书 地理志 史记 平准书 等众多史籍中都留下了有关农业生 《 · 》《 · 》 产 天文历法 地理山川的大量数据 这些数据的应用一定程度上提高 、 、 , 东 了人类的生产效率 如今 信息技术的发展赋予了人们采集和分析数 。 , 据的新工具与新方法 通过这些工具和方法 人们可以更高效地处理 , , 数据 解决问题 , 。 师 体 验 思 考 范 随着学校诗词大会举办日期的临近 图书馆老师希望小申能够根据同学们的需求 列出与诗词相关的 , , 电子图书购买清单 小申访问了一些电子图书网站 通过查找和比较 列出了电子图书的购买清单 。 , , 。 思考： 1. 如图11所示,网站上提供了哪些 大 数据来帮助人们选择要购买的图书? . 2. 这些数据对人们选择图书有什么帮助? 学 出 版 社 图1.1 在电子图书网站上搜索电子图书 4 数据与计算一、 感知数据 数据无处不在 数字图书馆中 人们输入的账号 密码 读者对于 。 , 、 , 华 图书的评论等都是数据 公交站台电子屏幕上显示的行车线路号 预 ; 、 计到达时间等也是数据 天气预报播报的气温 湿度 风级等同样是数 ; 、 、 据 数据已广泛应用于我们的生活与学习 。 。 东 1. 数据的概念 师数据是对事物描述的记录 例如 描述一个学生的基本特征 可 。 , , 以通过姓名 性别 年龄等方面的数据来记录 确定某一地理位置 可 、 、 ; , 以通过经度和纬度的数据来记录 表示城市空气质量检测中细颗粒物 ; 范随时间变化的情况 可以用一个时间序列数据来记录 数据 (PM 2 . 5) , 。 可以帮助人们有效地描述事物 。 数据的表现形式多种多样 可以有数字 文字 图形 图像 声音等 , 、 、 、 、 形式 对同一事物的描述记录也可以有不同的数据表现形式 例如 大 。 , , 导航仪行车线路中表示车辆左转时 可以用文字 左转 来表示 也可 , “ ” , 以用图形 来表示 还可以通过语音来播报 , 。 同一数据也可能描述不同的事物 例如 数字 60 可以表示一个 学 。 , “ ” 人的年龄 一次考试的成绩 一件物品的长度 或者是某个路段的机动 、 、 , 车的最高限速值等 因此 脱离具体的情境和形式 无法确定数据的 。 , , 意义 。 出 数据是可加工 可处理的 从已知数据出发 参照相关数据进行 、 。 , 加工计算 生成一些新的数据 从中可以得到新的结论 从而作为人们 , , , 决策的依据 例如 在线学习网站会记录学习者的访问数据 通过学 。 , , 版 习者浏览某一页面的起始时间和结束时间 计算得到这一页面的学习 , 时长 并将该学习时长和系统设定的有效学习时长进行比较 从而判 , , 断学习者的该次学习是否有效 。 社 在人类文明的历史长河中 人们发明了很多处理数据的工具 从 , , 古人发明的算盘到故宫馆藏的计算尺 从十六世纪帕斯卡发明的加法 , 器到今天功能强大的计算机 人们处理数据的能力越来越强大 数据 , , 的含义也越来越丰富 在计算机科学中 数据是计算机识别 存储和 。 , 、 加工的对象 例如 我们常用的演示文稿文件 电子表格文件 图像 。 , 、 、 文件 音频文件和视频文件等都是计算机处理的数据 如图12 、 , . 所示 。 第一章 数据与大数据 5华 东 图1.2 用计算机处理的数据 师 2. 数据的价值 范 在信息社会 随着数据处理技术的迅速发展 数据被广泛地应用 , , 于社会的方方面面 给人们的学习 生活与工作带来了巨大的变化 , 、 。 在数字图书馆中 图书管理人员利用采集到的 大 , 借阅数据 调整管理方式 提供个性化服务 读者借 , , ; 助网络平台中的图书数据 足不出户就可以有针对 , 性地选择和借阅图书 享受读书的乐趣 图书作者 , ; 学 还可以根据读者对图书的阅读和评价数据 进一步 , 完善图书内容 。 在学校餐饮管理中 通过食堂管理系统 可以 , , 出 快速获取和分析学生的用餐数据 根据不同菜品的 , 销售数据 食堂管理员可以适时地调整菜品种类 , , 合理安排每种菜品的数量 提高服务质量 图1.3 数字化实验系统 , 。 在教学实验中 版通过数字化实验系统 可以采 , , 集需要测量的物理量 如温度 电压 压强等 将其 , 、 、 , 转换成计算机可以处理的数据 计算机处理后 能 。 , 够直观地呈现实验结果 提高社学生的探究能力 如 , , 图13所示 . 。 在道路检修过程中 道路检测车可以自动采集 , 路面的损坏状况 道路平稳度等各项数据 如图14 、 , . 所示 通过数据分析 车载计算机可以判断道路的 。 , 安全情况 甚至还可以估算出维修费用 避免了由 , , 于人工目测而导致的误差 为道路养护提供准确 图1.4 道路检测车 , 、 有效的数据支撑 。 6 数据与计算随着信息技术与人们生产生活的交汇融合以及互联网的快速普 及 全球数据呈现出爆发式增长 海量集聚的特点 数据对改善人民 , 、 。 生活 促进经济发展 推动社会进步等 起着越来越重要的作用 它已 、 、 , , 华 成为像水 电 煤气一样重要的资源 数据作为一种资源 同样需要通 、 、 。 , 过各种各样的 管道 输送到社会的各个领域中去 将数据转化为用户 “ ” , 决策或行动的依据 促进社会的发展 , 。 东 二、 认识信息 师自古以来 人类的生存和发展就与信息有着不解之缘 我国古代 , 。 利用烽火台传递示警信息 通过活字印刷术促进知识和文化的广泛传 , 播 今天 移动通信设备和网络成为我们获取信息的重要途径 信息 。 , 。 的范获取与应用影响着我们分析问题与解决问题的方式 。 项 目 实 践 大 请尝试读取图1.5中的数据 填写表1.1并回答问题 , , 。 学 出 版 社 图1.5 电子图书 搜索页面 第一章 数据与大数据 7表1.1 电子图书信息分析表 《唐诗百话》 《北山楼词话》 华 作者 出版时间 东 字数 在读人数 师 评分 对于上述两本电子图书 如果希望购买其中一本出版日期较新的 应该选择 选择的 , 范 , , 依据是 如果希望购买其中一本较为热门的 应该选择 选择的依据是 ; , , 。 大 1. 信息的概念 学 生活中 人们总是自觉或不自觉地获取和应用信息 在教室听到 , 。 上课铃声 学生保持安静 开始上课 在交通路口 行人根据交通信 , , 。 , 号灯的变化决定 行 还是 停 在数字图书馆 读者通过比较电子 “ ” “ ”出。 , 图书数据 了解图书信息 确定需要选择的图书 人们时时刻刻接 , , 。 触信息 应用信息 对于什么是信息 人们从不同的角度给出了不 、 。 , 同的定义 。 版 唐代诗人岑参写道 马上相逢无纸笔 凭君传语报平安 南宋诗 :“ , 。” 人杨万里则写下了 花落六回疏信息 月明千里两相思 这些都表达 “ , ”。 出古人对传送和得知信息的渴望 在通信并不发达的古代 信息的意 。 , 思更多地还是指消息 社 。 信息学奠基人克劳德 艾尔伍德 香农 · · (ClaudeElwood 认为 信息是能够用来消除不确定性的东西 对某一不确 Shannon) “ ”。 定的情况 当获得信息之后 这种 不确定性 就可以减少或消除 香 , , “ ” 。 农从信息的产生 传播 接收等通信系统角度来考虑信息的涵义 这也 、 、 , 推动了信息学的发展 而这一定义也常被人们看作经典定义而加以 , 引用 。 信息管理专家 霍顿 将信息定义为 信息是 F.W. (F.W.Horton) :“ 8 数据与计算为了满足用户决策的需要而经过加工处理的数据 简单地说 信息是 。” , 经过加工的数据 或者说 信息是数据处理的结果 , , 。 综合上述信息的定义可以看出 信息表示的是事物之间的相互关 , 华 系 它可以通过数字 字符 图像 声音和视频等载体进行传播 人们 , 、 、 、 。 借助信息可以了解情况 形成判断 做出决策 指导行动 在信息社会 、 、 、 。 里 有效获取和合理应用信息已成为人们需要具备的一项重要的信息 , 东 素养 。 2. 信息的特征 师 信息在人际交流 生产管理 知识传播和科学研究等方面都发挥 、 、 着巨大的作用 了解信息的特征有助于我们加深对信息的认识和 。 理范解 。 （1） 信息可以传播和存储 信息的传播和存储需要依附于一定的载体 承载信息的数字 字 。 、 符 图像 声音和视频等可称为信息的载体 在信息处理中 如果存储 大 、 、 。 , 信息的载体遭到破坏 其承载的信息就会丢失 例如 古书中文字的 , 。 , 缺失导致了它所传达信息的丢失 通信信号受到强烈干扰 也会破坏 。 , 其所传递的信息 。学 （2） 信息的价值是相对的 同一条信息对于不同的持有者具有不同的价值 例如 有一条信 , , 息 我国发现了兵马俑 新闻记者需要将这条信息传播给更多的人 “ ”,出 , 历史学家需要这条信息帮助其更好地进行历史研究等 同样 信息的 。 , 价值也取决于信息接收者对信息的理解 认知和应用能力 人们在信 、 。 息的应用过程中 经过对原有信息的加工后可能会产生新的信息 进 , , 版 而产生新的价值 从而使原来的信息增值 , 。 （3） 信息可以被共享 人们可以将一条信息传播出去 让其他人也能接收 , 社 并反复利用 如图16所示 英国著名戏剧家萧伯纳曾 , . 。 经说过 如果你有一个苹果 我有一个苹果 彼此交换 :“ , , , 我们每个人仍然只有一个苹果 如果你有一种思想 我有 ; , 一种思想 彼此交换 我们每个人就有了两种思想 甚至 , , , 多于两种思想 这在一定程度上体现了信息是可以被共 。” 图1.6 信息可以被共享 享的 。 第一章 数据与大数据 9（4） 信息具有时效性 信息往往反映了事物在某个特定时间的状态 信息的时效会随着 , 时间的推移而变化 例如 用户可以通过使用手机扫描二维码登录一 。 , 华 些网站或邮箱 提供给用户扫描的二维码每隔一定时间便会刷新 重 , , 新生成 它所传递的信息只在一定时间内有效 在信息社会中 信息 , 。 , 的变化越来越快 信息价值的实现取决于对其及时的把握和运用 如 , 。 东 果不能及时利用最新信息 信息的价值就可能会贬值甚至会变得毫无 , 价值 这就是信息的时效性 , 。 师3. 合理应用信息 社会信息总量的快速增长为人们应用信息解决问题带来了 便范利条件 但是 过于庞杂的信息量 各种各样的干扰信息 持 。 , , , 续更新的技术工具 都对人们感知与获取信息 甄别信息的真伪 , 、 和合理应用信息带来了挑战 。 （1） 敏锐感知周围世界，正确获取信息 大 在信息社会中 信息的变化日益频繁 生存于其中的社会成 , , 员要能敏锐地感知到变化的信息 依据信息的变化做出相应决 , 策 例如 旅行社利用移动应用软件 发布的实时航班数 。 , 学 (App) 据 了解航班运营时间等信息 调整接送旅客的出车计划 提高 , , , 工作效率 如图17所示 事实上 缺少对信息变化的敏锐感 , . 。 , 知 有可能造成不必要的损失 例如 当城市地铁出现故障时 , 出。 , , 交通管理部门通过电台 微信公众号等途径发布故障信息 如果 图1.7 航班实时数据示例 、 , 用户不能及时获取这些信息 依然采用坐地铁的方式出行 就会 , , 影响出行计划 。 版 信息技术为我们感知和获取信息提供了便利的条件 官方微信 。 公众号 官方微博实时推送和发布的信息可以帮助我们做出判断 借 、 ; 助移动应用软件中的数据 可以了解事物变化的情况 做出相应的行 , , 社 动调整 合理利用信息技术获取数据 应用其中的信息指导所要采取 。 , 的行动 可以让我们自信 从容地生活在信息社会中 , 、 。 （2） 具备信息辨别能力，有效甄别信息 日常生活与学习中 大家可能收到过一些虚假信息 例如中奖短 , , 信 诈骗电话 虚假照片合成 微信朋友圈和公众号中骇人听闻的假新 、 、 、 闻等等 这些信息会影响我们的正常生活 甚至会给我们带来不必要 。 , 的损失 在纷繁复杂的信息环境下 人们需要具备有效甄别信息 判 。 , 、 断信息真伪的能力 。 10 数据与计算生活中 人们可以通过多种方式和渠道来辨别信息的 , 真伪 例如通过主流媒体对所获得的信息进行核对 与所获 , , 信息的相关人员进行实时沟通确认 或者借助技术工具对 , 华 所获信息进行分析辨别 人们在手机中安装移动应用安全 。 软件来识别和标记诈骗电话等 如图18所示 就是一种常 ( . ), 见的辨别信息真伪的防护方式 。 东 （3） 遵守信息安全法规，负责任地使用信息 信息技术拓展了人们的生存时空 创造出人们新的生 , 存环境 在新的环境中 人们也要遵守其中的新秩序 为 。 , 。 师维护信息社会的秩序 我国先后出台了一系列旨在推动信 , 息化建设的法律法规 这就要求每位社会成员都要担负起 , 相应的责任 2017年6月 我国正式施行 中华人民共和 。 , 《 范国网络安全法 其中 第十二条要求 任何个人和组织不 》。 , “ 得利用网络从事编造 传播虚假信息扰乱经济秩序和社会 、 秩序 以及侵害他人名誉 隐私 知识产权和其他合法权益 , 、 、 等活动 大 ”。 网络是继陆地 海洋 天空 太空之外 又一个人类活动 、 、 、 , 空间 人们在网络空间中的各项活动要遵守信息社会的法 。 律法规 如有违反法律法规的行为 必将会受到法律法规的 学, , 惩罚 例如 不法分子通过网络散布病毒程序 用以盗取他 。 , , 人手机通信录 短信 银行卡账号等信息 危害社会信息安 、 、 , 全 经公安部门查实 认定其违法行为后 根据相应法律法 。 出、 , 规 对其进行了相应处罚 , 。 三、 学习知识 版 知识就是力量 这句名言一直流传至今 知识可以推 “ ” , 动社会的进步 在人类文明的历史长河中 人们可以从种 。 , 社 类繁多的资料记录中获取知识 也可以在生活实践中通过 , 分析数据和信息来发现知识 如今 信息技术的发展为我 。 , 们学习知识创造了新的条件 结合具体问题情境 应用这 。 , 图1.8 移动应用安全软件 些知识可以帮助我们解决问题 。 第一章 数据与大数据 11探 究 活 动 在电子图书网站上 小申发现许多位于热门榜单上的电子图书 华, 都拥有大量的读者评论 小申想通过这些评论 了解某一电子图书 。 , 的读者最突出的阅读感受 老师推荐他借助语义分析工具 对电子 。 , 图书的相关读者评论进行研究 使用语义分析工具分析 唐诗百 。 《 话 的读者评论东结果如图1.9所示 》 , 。 1. 根据图 1.9分析读者对于 唐诗百话 最突出的阅读感受是 , 《 》 什么 。 2. 尝试利用语义分析工具 分析某一电子图书的读者评论 并 师, , 思考在此过程中 信息技术工具起到了怎样的作用 , 。 图1.9 唐诗百话 读者评论词频统计图 《 》 范 在前面的活动中 我们尝试使用语义分析工具来辅助分析读者对 , 电子图书的评论 在实际应用中 数字图书馆可以对读者的图书评论 。 , 加以分析 并以大此为依据向读者提供阅读推荐 信息技术为人们处理 , 。 数据提供了强有力的工具 人们可以利用信息技术对数据进行分析 , , 找出其中的相互关系 形成规律 获得知识并加以运用 , , 。 学 1. 数据、信息与知识的关系 数据是描述事物的记录 它出能够承载信息 因此人们可以在处理 , , 数据的过程中获得信息 随着人类的进步以及处理数据和信息的能 。 力不断提升 人类从数据中获取有用信息的能力越来越强 , 。 信息表示的是事物间的相互关系 通版过分析数据可以发现其中包 , 含的关系 例如 分析某电子图书借阅人数和读者评价 可以发现该 。 , , 图书基本内容和写作特点 为从同类图书中选择合适的图书提供依据 , 。 知识分为一般知识和科学知识 在日常生活和工作中 人们所获 社 。 , 得的认识和经验的总和 通常称为一般知识 科学知识是人们对信息 , 。 的科学组织 它是经过严谨的验证 获得学界一致认可的内容 如物理 , , , 学科中的牛顿三大定律 化学学科中的元素周期律和生物学科中的遗 、 传基本定律等 随着认知工具和方法的发展 人们对世界的认识也会 。 , 不断深入 人类的知识也在不断地发展 , 。 今天 人们运用各种信息技术工具来认识事物 表达思想 分享知 , 、 、 识 让学习和工作更加高效 例如 通过数字实验设备 可以便捷地采 , 。 , , 12 数据与计算集数据 获取信息 从而发现新知识 借助网络平台加快信息的传播速 、 , ; 度 可以快速分享知识 合理地应用信息技术 人们就能更好地认识 , 。 , 世界 发现知识 推动人类文明的进步 、 , 。 华 2. 体验数字化学习 东 今天 学习者处于全新的数字化学习环境中 需要不断提升个人 , , 信息素养 选择合适的学习资源和学习方式开展学习 网络的发展拓 , 。 展了学习时空 学习者足不出户就可以获得优质的 , 师 学习资源 例如 不同地域的学校可以通过网络进 。 , 行跨校研讨与交流 推动远程合作学习 实现优质教 , , 育资源的效益最大化 如图110所示 , . 。 范 虚拟现实技术的应用可以模拟真实情境 帮助 , 学习者开展探究学习 例如 在学习海洋生物的相 。 , 关知识时 学习者很难到深海中去体验深海生物的 , 生存环境 但是 在虚拟现实技术的支持下 学习者 大 。 , , 可以身临其境地感受深海生物的生存环境 更好地 图1.10 互联网环境下的远程学习 , 学习 理解相关知识 如图111所示 、 , . 。 大数据与人工智能技术在教育中的应用可以记 学 录学习者的学习行为数据 针对学习者的学习需求 , , 依据数据分析结果提供精准学习支持 目前 一些 。 , 在线学习平台应用大数据和人工智能技术分析学生 出 的学习过程 实时采集学生的学习数据 依据数据发 , , 现学生学习的不足 针对学习中存在的问题提供相 , 应的学习资源与指导 让学生感觉到 教师 时时刻 , “ ” 版 图1.11 虚拟现实技术支持深海生物知识的学习 刻都在自己身边 。 技 术 支 持 语义分析工具 社 借助语义分析工具 我们可以用量化的方式分析文本内容 获取文本所表达的深层次信息 例如 通 , , 。 , 过语义分析工具 可以快速分析读者对图书的评价 了解读者对图书的关注要点等 , , 。 如图1.12所示 在应用语义分析工具时 将要分析的文本复制到分析工具中 通过计算 系统可以完 , , 。 , 成文本内容的实体抽取 识别文本中出现的人名 地名等关键词 实现词频统计 对不同词性的词语进行分 , 、 ; , 类呈现 分析每类词语出现的频度 绘制文本的词云 突出文本中出现频率较高的关键词 判断相关词语 分 , ; , ; , 析语义关联情况 对文本内容进行精简提炼 从长篇文章中提取关键句和关键段落 编辑文本的摘要 等等 , , , , 。 第一章 数据与大数据 13华 东 师 图1.12 应用语义 分析工具分析文本 范 作业练习 小申与学习同伴在 大 数字化信息系统 DIS 实 ( ) 验室做 测定位移和速度 “ ” 实验 实验过程中 他们 。 , 学 通过 DIS中的位移传感 器采集实验小车的位移数 据 然后将采集的数据传 , 出 入计算机中 利用实验软 , 件系统描绘出s t图像 。 通过s t图像 可以确定 , 实验小车从起始时刻到任 版 意时刻的位移和任意一段 时间内的平均速度 实验 。 环境与实验数据 如 图 社 1.13所示 。 图1.13 测定位移和速度 的DIS环境与实验数据 “ ” 14 数据与计算1. 分析 测定位移和速度 的实验环境与实验数据 填写表1.2 “ ” , 。 华表1.2 测定位移和速度 的实验环境与实验数据分析 “ ” 分析内容 描 述 运用DIS采集了哪些实验数据 从东实验数据中可以发现哪些信息 通过实验可总结出哪些物理知识 列举实验中所使用的数字化工具 师 2. 列举你在日常学习中所使用的数字化学习工具 描述它们的功能 分析它们在学习中的优势和局 , , 限性 。 范 知 识 延 伸 香农与信息论 大 1948年 香农在定义信息时 借用了物理学中的 熵 一词 解决了对 信息 一词的量化和度量问题 , , “ ” , “ ” 。 从此 信息 一词就有了一次数学化的提炼 信息就有了定量计算的单位 这是一个划时代的进步 推动了 ,“ ” , , , 通信技术的发展 也推动了整个信息技术的发展学信息论在信息与不确定性 信息与信息熵之间架起了 , 。 、 桥梁 。 香农认为 信息是能够用来消除不确定性的东西 他用概率分布来衡量信息的 不确定性 同时引入 “ ”, “ ”, 了 比特 作为计量单位 信息熵 一词是从 热力熵 而来 即求整个系统事件中平均信息量的大小 香农 “ ” 。“ ” “ ” 出, , 给出了信息熵的数学公式 : n HHH(x)>.Σ p(x )log p(x )) ((i=1, 2,
, n) i 2 i iii=1 版       这些概念奠定了信息论的基础 并且为信息技术领域的进步开辟了新的社道路 , 。 第一章 数据与大数据 15第二节 数字化与编码 信息技术的发展创造出一个全新的数字化环境 生活在其中的每 , 华 个人都能感受到数字化带来的变化 人们利用数字化设备可实时获 。 取自己的心率 血压等身体健康数据 通过分析这些数据 可以主动管 、 , , 理自己的健康 乘客可以通过移动智能终端查询车辆到站的实时信 ; 东 息 避免了以往久等公交车而不知车何时到达的尴尬 移动通信 移 , 。 、 动智能终端等新技术的广泛使用 使全球正在成为一个互联互通的数 , 字化世界 。 师 体 验 思 考 范 同学们希望查阅学校图书馆馆藏校刊上刊载的往年诗词大会征文 由于馆藏的校刊数量较少 因此 。 , 图书馆只能满足少数同学的借阅需求 同时 同学们在借阅校刊的过程中 也令校刊产生了不同程度的 。 , , 污损 影响了校刊的收藏 因此 学校图书馆希望能够将历年的纸质校刊制作成电子校刊 供同学们 , 。 , , 借阅 大 。 思考： 1. 纸质校刊的内容承载于墨迹和纸张之中,那么电子校刊的内容是以怎样的形式存储在计 算机中的? 学 2. 分析纸质校刊和电子校刊在借阅过程中各自的优势和不足。 出 一、 进位计数制及其转换 目前 计算机的硬件组成通常可以版呈现两种状态 如电路的导通 , , 和断开 这样就决定了计算机内部采用二进制 即以 0 和 1 的组合 。 , “” “” 来表示信息 用 1 来表示一种状态 如电路的导通 用 0 来表示相 , “” ( ), “” 反的另一种状态 如电路的断开 由于计算机社采用二进制数进行运 ( )。 算和存储 因此要使用计算机进行信息处理 首先要把待处理的信息 , , 用二进制数来表示 。 1. 进位计数制 进位计数制 是按进位方式实现计数的一种规则 进位计数制包 , 。 含数码 基数和位权三个要素 我们将用来表示某种进位计数制的一 、 。 16 数据与计算组符号称为数码 所使用的数码个数称为基数 数码在不同数位上的 , , 倍率值称为位权 。 十进制是人们生活中常用的进位计数制 它的基数为10 由0 1 , , , , 华 2 9共10个数码组成 整数位的位权从右向左依次为100 101 ,…, , , , 102 例如 十进制数463各个数位上的数字所代表的数值分别为 ,…。 , 4×102 6×101 3×100 、 、 。 东 二进制是一种常用于计算机中的进位计数制 它的基数为2 只有 , , 0 1两个数码 整数位的位权从右向左依次为20 21 22 例如 、 , , , ,…。 : 二进制数 110 中 各个数位上的数字所代表的数值分别为1×22 ( )2 , 、 师1×21 0×20 、 。 在计算机科学中 除了二进制之外 为了便于使用 常用的进位计 , , , 数制还有十六进制 由于采用二进制数描述信息的位数较多 不便于 。 , 记范忆 交流和阅读 因此为了方便书写和表达 人们常常将二进制数转 、 , , 换为十六进制数 十六进制的基数是16 包含0 1 2 3 9 。 , , , , ,…, ,A, 共16个数码 B,C,D,E,F, 。 不同 大 的进位计数制用 S 表示 其中S是具体的数码 下标R ( )R , , 是该进位计数制的基数 例如 102 和 1011 有时 也用特定的 , ( A)16 ( )2。 , 字母标在末尾来标识进位计数制 例如1011 这里的 是二进制的 , B, “B” 特定字母 十进制和十六进制则分别用 和 来表示 一般情况 , 学 “D” “H” 。 下 十进制是默认进位计数制 因此字母 通常被省略 , , “D” 。 2. 不同进位计数制的相互转换 出 图1.14 十进制数转 换为二进制数 将十进制整数转换为二进制数的方法是除以2反向取余 例如 。 , 将十进制数37转换为二进制数 即 37 = 100101 如图114 ,版:( )10 ( )2, . 所示 。 二进制数转换为十进制数 一般可以将每位二进制数和该位的位 , 权相乘再求和 这种方法称为按权展开 例如 , 。 : 社 图1.15 二进制数转换为十 1011 =1×23 +0×22 +1×21 +1×20 =8+0+2+1= 11 六进制数 ( )2 ( )10 二进制数转换为十六进制数时 把二进制数从低位到高位按4位 , 一组划分 每组用一位十六进制数表示 不足4位二进制数 高位用 , , , 0 补齐 例如 1011011 = 5 如图115所示 “” 。 ,( )2 (B)16, . 。 十六进制数转换为二进制数时 将每一位十六进制数转换为4位 , 二进制数 不足4位二进制数 高位用 0 补齐 例如 3 = 图1.16 十六进制 , , “” 。 ,(A )16 数转换为 二进制数 10100011 如图116所示 ( )2, . 。 第一章 数据与大数据 173. 数据的存储单位 比特 是计算机中最小的数据存储单位 即一个二进制位 一 华 (bit) , , 位的取值只能是0或1 。 字节 是计算机中信息组织和存储的基本数据存储单位1字 (Byte) , 节就是8比特 字节常用 表示 描述存储容量的常用单位还有 。 B , KB、 东 等 其换算规则如表13所示 MB、GB、TB、PB、EB , . 。 表1.3 常用存储单位换算表 师 存储单位 换算规则 存储单位 换算规则 KB千字节 1KB=1024B=210B TB太字节 1TB=1024GB=240B , , MB兆字节 1MB=1024KB=220B PB拍字节 1PB=1024TB=250B , , 范 GB吉字节 1GB=1024MB=230B EB艾字节 1EB=1024PB=260B , , 二、 数字大化 今天 数字技术向人类生活各个领域全面推进 迅速改变着我 , , 们的学习和生活 网学上购物可以让消费者足不出户购买商品 电子 : , 地图能及时规划出最优的出行路线 在线政务让市民办事更高效 , , 数字博物馆让人们跨时空浏览馆藏珍品 在丰富多彩的信息社会 。 里 数字化是计算机处理信息出的基础 将现实世界中各种各样的信 , , 息用二进制数来表示的过程就是信息的数字化 。 1. 模拟信号和数字信号 版 现实世界中 我们将连续变化的物理量称为 模拟量 如温 , “ ”, 度 速度等 数字化可将模拟量转换成数字社量 数字量的变化在时 、 。 , 间或数值上都是离散的 模拟量和数字量都是对某一个物理量的反 。 映或表达 两者的主要区别是 模拟量是连续的 数字量是离散的 。 : , 。 例如 水银温度计中的水银汞柱伸缩是连续变化的 反映的是模拟 , , 量 数字温度计显示的数字是离散的 反映的是数字量 ; , 。 在电子设备中 模拟量通常以模拟信号的形式进行传递 数字 , , 量则以数字信号的形式进行传递 在一定条件下 模拟信号和数 。 , 图1.17 模拟信号与数字信号 字信号可以相互转换 如图117所示 以声音的数字化为例 麦 , . 。 , 18 数据与计算克风能够将声波的振动转化为电信号 这是一种模拟信号 再经过模 , , 数转换设备 如声卡等 的处理后 可以转换成计算机内部能够处理的 ( ) , 数字信号 。 华 2. 模拟信号的数字化过程 东 在计算机领域 数字化是指将复杂多样的信息表示为计算机可以 , 处理的二进制代码的过程 通常 使用电子设备 。 , 如话筒等 采集的信号是模拟信号 为了能让数 ( ) , 师 字设备进行存储和处理 就需要将模拟信号转换 , 为数字信号 这种转换过程主要包括采样 量化和 , 、 编码 。 范 采样是在连续的模拟信号中 每隔一定时间 , 或空间 取一个值的过程 如图118所示 对于 ( ) , . 。 同一模拟信号 采样的时间间隔设置越小 单位时 , , 间内采集的样本数量越多 每秒的采样次数称作 图1.18 采样 大 。 采样频率 单位用赫兹 表示 , (Hz) 。 量化是把采样的值用二进制数值表示出来 其 。 过程是按模拟信号变化的幅度将其划分为几个区 学 段 把落在某个区段的采样样本值归成一类 并赋予 , , 相应的二进制数值来表示量化值 如图119所示 , . 。 对这些二进制数值进行编码 就可以形成一 出 , 系列二进制代码 这样 计算机就可以对其进行 。 , 识别 存储和加工了 、 。 数字化的应用很广泛 例如 图像的数字化就 图1.19 量化 , , 版 是用离散的量来表示连续的空间 视频的数字化 , 就是用离散的量来表示连续的时间和空间 。 社 项 目 实 践 电子校刊方便借阅和存放 而且还可以提供多媒体形式的内容 丰富了阅读资源 , , 。 1. 选用数字化工具 将纸质校刊中的文字制作成电子文本或音频文件 , 。 2. 选用数字化工具 将纸质校刊中的插图制作成图像文件 , 。 3. 与同学合作 尝试利用数字化工具制作电子校刊 体验电子校刊的制作过程 , , 。 第一章 数据与大数据 19三、 编码 为了有效处理信息 人们常常通过编码的方式来表示信息 例 , 。 华 如 公交车线路号就是一种编码 人们通过线路号来选择和区分公交 , , 线路 学校里 教学楼的楼号和教室号也是编码 老师和同学们根据 。 , , 楼号和教室号就能确定上课和活动的地点 生活中 身份证号 银行 。 , 、 东 卡号 学籍号 车牌号等都是编码 、 、 。 编码是为了方便信息的存储 检索和使用而规定的符号系统 编 、 。 码的过程是将信息按照一定的规则进行变换 图书馆中 管理员根据 。 , 师图书类目 种次等信息对图书进行编码 形成索书号 然后按索书号将 、 , , 图书放在书架相应的位置上 便于读者顺利地找到图书 , 。 要使用计算机处理各种各样的信息 需要通过编码的方式将信息 , 转换成范用 0 和 1 表示的二进制代码 “” “” 。 1. 字符编码 大 （1） ASCII码 目前 国际上广泛使用的英文字符编码是 码 , ASCII (American 美国信息交换标准码 standardcodeforinfor 学 mationinterchange, )。 码诞生于1963年 用于计算机内部字符的存储和计算机与外 ASCII , 部设备的通信 标准的 码为7位二进制编码 即 6 0位 。 ASCII ( D ~D ), 存储时占用一个字节 最高位为0 例如 字符 的 码编码为 , 出。 , “A” ASCII 1000001 存储时如图120所示 标准的 字符集定义了128个 , . 。 ASCII 字符 其中包括10个阿拉伯数字 0 9 26个大写英文字母 , (“”~“”)、 26个小写英文字母 和33个符号共95个可 (“A”~“Z”)、 (“a”~版 “z”) 打印字符 以及33个控制字符 , 。 0 1 0 0 0 0 0 1 社 7 6 5 4 3 2 1 0 D D D D D D D D 图1.20 字符 A的ASCII码的存储 “” （2） 汉字编码 汉字也是字符 用计算机处理汉字时也要采用二进制表示的编 。 码 目前 我国主要使用的汉字编码标准是 18030 2005 它支持 。 , GB — , 多种字节的汉字编码 如单字节 双字节和四字节编码等 在 , 、 。 GB 20 数据与计算18030 2005中 大部分常用汉字采用双字节编码 — , 。 利用键盘输入汉字时 还需要通过另外设计的汉字输入码来实 , 现 汉字输入码可以使用字母 数字或符号来对汉字进行编码 汉字 。 、 。 华 输入码有多种形式 例如以汉字的字音为主的音码和汉字的字形为主 , 的五笔字型码等 。 此外 输出汉字时 还会使用汉字字形码 汉字字形码是字库中 , , 。 东 存储的汉字字形的数字化信息 用于汉字的显示和打印输出 目前 , 。 , 汉字字形既可以用点阵方式表示 也可以用矢量方式表示 , 。 （3） Unicode字符集和编码方案 师由于不同语言的编码各不相同 为了统一所有文字的编码 , ,Unicode 应运而生 是计算机科学领域里的一项业界标准 它对世界 。Unicode 。 上大部分的文字系统进行了整理 编码 避免由于编码冲突而产生的乱 、 , 码范问题 使得计算机可以用更为简单的方式来处理和呈现文字 , 。 字符集分为17组 平面 每组含有65536个码位 共 Unicode ( ), , 1114112个 它就像一本 大字典 每一个码位都唯一对应一个字 。 “ ”, 符 其中 汉字位于0号平面和2号平面 大 。 , 。 要将这本 大字典 里的 字符转换成可用于传输 存储 “ ” Unicode 、 的二进制代码 则需要使用字符编码方案 目前 主要使用的是 , 。 , 8 16 32三种编码方案 UTF 、UTF学、UTF 。 2. 声音编码 出 声音是振动产生的波 由不同频率的正弦波合成 声波的振幅 , 。 反映了声音的强弱 声波的频率反映了音调的高低 它是一种连续 , 。 变化的模拟信号 需要通过采样 量化和编码后实现数字化 , 、 。 版 声音的采样是指每隔一段时间在声音的模拟信号上采集一个样 本数值 采样间隔时间越短 采样频率就越高 那么单位时间内得到 。 , , 的样本数据就越多 对声音的模拟信号的表示就越精确 声音的保真 , , 度就越高 社 。 声音的量化是用二进制数值表示采样所得到的幅度值的过 程 首先将幅度值范围划分为2n个等级 每个等级对应一个幅度 。 , 值 然后将采样得到的各个幅度值按一定的规则近似到某个等 , 级 并用n位二进制数表示这些值 这里的n是量化位数 划分 , 。 。 的等级越多 量化的位数就越多 量化精度也就越高 采样结果 , , , 近似到某个等级时产生的误差就越小 音质就越有保证 如图 , , 图1.21 声音量化的级别 121所示 . 。 第一章 数据与大数据 21通过采样和量化 对获得的二进制数进行编码后 就可以将声音 , , 的模拟信号转换成二进制代码表示的数据 。 一般情况下 未经压缩的音频文件的数据存储量可以按如下方法 , 华 进行计算 : 数据存储量=采样频率×量化位数×声道数÷8×持续秒数 字节 ( ) 例如 一组1小时的数字音乐 未经压缩 的采样频率为441 东, ( ) .kHz, 量化位数为16位 声道数为双声道 则其数据存储量可按以下方法 , 。 进行计算 : 数据存储量=44100×16×2÷8×3600 字节 师 ( ) 通常 未经压缩的数字音乐会被保存为 文件格式 , WAV 。 3. 图像编码 范 图像的采样是按一定的空间间隔从左到右 自上而 、 下提取画面信息 将图像在空间上转换成若干个像素 大, 点 每个像素点呈现不同的颜色 , 。 水平方向上的像素数量乘以垂直方向上的像素数 量称为图像分辨率 例如 一幅图像的分辨率为640× 学。 , 480像素 表示该图像由水平方向上640个像素点 垂直 图1.22 同一图像的不同分辨率对比 , 、 方向上480个像素点 共640×480=307200个像素点组 , 成 如果不考虑其他因素的影响 图像分辨率越高 采 。 , , 出 样的精度就越高 数字化后的图像越清晰 同时图像所 , , 占的存储空间也越大 如图122所示 , . 。 图像的量化是用若干位二进制数表示采样得到的每个像素点的 版 颜色 首先确定颜色的取值范围 然后将近似的颜色划分成同一种颜 。 , 色 每种颜色用一个二进制数来表示 , 。 记录每个像素点的颜色所需的二进制数的位数 称为颜色深度 , 位深度 对于一幅图像来说 颜色深度决定社了该图像中的像素可 ( )。 , 以使用的最多颜色数量 例如 颜色深度为8比特时 可以表示256 。 , , 种颜色 颜色深度为16比特时 则可以表示65536种颜色 颜色深 ; , 。 度越大 显示的图像色彩越丰富 画面越自然 逼真 如图123所 , , 、 , . 示 在图像分辨率相同的情况下 颜色深度越大 图像所占的存储 。 , , 空间也越大 。 通常 计算机中可以采用 颜色模型来描述颜色 颜色 图1.23 同一图像的 , RGB 。RGB 不同颜色 深度对比 模型 又称为三原色光模式 将红 绿 (RGBcolormodel) , (red)、 (green)、 22 数据与计算蓝 三原色以不同的比例相加 可以产生不同的颜色 每一个像 (blue) , 。 素可以用24比特表示 所以三种原色各分8比特 即每一种原色的强 , , 度可以用0 255之间的整数来表示 用这种方法可以组合成 华 ~ , 16777216种颜色 例如 纯红色用 颜色模型表示为 255 0 。 , RGB ( , , 0 纯绿色用 颜色模型表示为 0 255 0 ), RGB (, , )。 这种由纵横排列的像素点组成的图像称为位图 位图的质量主 。 东 要由图像分辨率和颜色深度决定 未经压缩的位图图像的数据存储 。 量可以按如下方法进行计算 : 未经压缩的位图图像的数据存储量= 图像分辨率×颜色深度÷8字节 ( ) 师 例如 一幅分辨率为1920×1080像素的图像 保存格式为 24位 , , “ 位图 则其数据存储量可按以下方法进行计算 ”, : 范 数据存储量= × × ÷ 字节 1920 1080 24 8( ) 通常 未经压缩的位图图像会被保存为 文件格式 , BMP 。 四、 数大据压缩 很多信息 包括视频 音频等多媒体信息 经数字化转换后生成 , 、 , 的二进制数据是学以文件形式保存的 它们占用的存储空间相对较 , 大 为了更少地占用存储空间 就需要采用合适的方式对数据进行 。 , 压缩 。 出 探 究 活 动 小申和同学们在将纸质校刊制作成电子校刊的过程中 需要将校刊中的插图制作成计算机中的图像 版 , 文件 。 1. 尝试将图像文件保存为不同的图像文件格式 。 2. 从文件大小 图像质量等方面比较不同图像文件格式的差异 、 。 社 实际上 数据压缩就是采用特殊的编码方式处理数据 使数据占 , , 用的存储空间相对减少 以便存储和传输 , 。 数据之所以能够被压缩并保证压缩后可用 主要是因为数据存在 , 如下几种现象 : 数据中存在冗余 例如 在一个计算机文件中 某些符号会重复 。 , , 出现 某些符号会比其他符号出现得更频繁 某些字符总是在各数据 , , 第一章 数据与大数据 23块中可预见的位置上出现等 这些冗余数据便可在数据编码的过程 。 中去除或减少 。 相邻数据之间经常存在相关性 例如 图片中常常有色彩均匀的 。 , 华 背景 电视信号的相邻两帧之间可能只有少量的变化 声音信号有时 , , 具有一定的规律性和周期性等 因此 利用某些变换来尽可能地去除 。 , 这些相关性数据 也可以实现压缩的目的 , 。 东 由于人的耳 目对信号的时间变化和幅度变化的感受能力都有一 、 定的极限 如人眼对视频有视觉暂留效应 因而将信号中这部分感觉 , , 不出的地方 掩蔽掉 也可以实现压缩的目的 “ ”, 。 师数据压缩的方法比较多 常用的压缩方法分为无损压缩和有损 。 压缩两种 。 无损压缩是指对压缩后的数据进行还原后 得到的数据与压缩前 , 完全相范同 例如 一幅分辨率为24×24像素的图像 其中一行像素色 。 , , 彩值的排列为 红红红红红红红红红红红红红红红红绿绿绿绿绿绿绿 “ 绿 经过某种压缩后 可以表示为 红16绿8 这种压缩就称为无损 ”, , “ ”, 压缩 我们可使用常见的无损压缩软件对文件进行压缩 压缩后生成 大 。 , 的压缩文件存储容量可能只有原来的几分之一甚至更小 。 压缩文件中的数据需要用压缩软件解压缩后才能还原使 用 对于一些程序数据和文档数据而言 只能采用无损压 。 学 , 缩 以确保数据的准确性 否则一旦还原的数据有误 就无 , , , 法使用了 。 相对于无损压缩 有损压缩通常应用于图像 声音等 出, 、 数字化后存在大量冗余信息的文件 有损压缩过程中会 。 损失一定的信息 压缩后的数据无法还原到与压缩前一 , 致 但不会导致人们对原始数据表达的信息产生误解 以 , 。 版 图像的有损压缩为例 图像的有损压缩是在较小地损失图 , 像质量的情况下 对图像文件中相同或相似的数据进行大 , 量压缩 使得生成的文件更小 如图124所示 这种技术 , , . 。 社 在一定程度上损害了图像的原始质量 也就是丢掉了一些 , 数据的信息 同一张图像 保存为不同的格式时 其数据 。 , , 量的差别可能会非常大 例如 分别使用 和 格 。 , TIF JPEG 式生成的文件 大小有时会相差几十倍 常见的图像 音 , 。 、 频 视频有损压缩格式分别是 图像数据压缩格式 、 JPEG( )、 3 音频数据压缩格式 视频数据压缩格 图1.24 图像文件的有损压缩示例 MP ( )、MPEG( 式 等 ) 。 24 数据与计算作业练习 1. 一个7位二进制数 如果其最高位和最低位都为 1则用十进制 华 , , 表示该二进制数 其最大值可能是 最小值可能是 , , 。 2. 小申同学录制了一个时长1分钟的音频文件 他准备将这个文件 , 传输至个东人在线学习空间 该文件采用的是 WAV格式 文件采样频率 。 , 是44.1kHz量化位数为16位 双声道 请计算该文件在个人在线学习 , , 。 空间中占用的存储容量 。 3. 小申和同学们在小组活动中设计了本小组的 LOGO 如图 1.25 图1.25 小组的LOGO 师 , 所示 他们用2位二进制数来表示图中的颜色 并对图中的颜色进行了 。 , 编码 从而将本小组的LOGO表示为一串二进制数 其中第 4行的编码 , , 为0101010110000010 。 1 用2位二进制数表示颜色 最多可以表示 种颜色 根 范 () , 。 据上述编码 图中蓝色色块的二进制编码应表示为 红色色块 , ; 的二进制编码应表示为 第6行的编码为 H ; 。 2 请在图1.26中设计自己的LOGO 并涂上相应的颜色 然后对 () , 。 大 使用的颜色进行二进制编码 并说明编码规则 图1.26 我的LOGO , 。 知 识 延 伸 学图像隐写术 图像作为信息的一种表现方式 其版权问题一直备受关注 通常 很多图像都会被加上水印来标明版 , 。 , 权 防止盗版 这种方式的确能够在一定程度上减少图像被盗版滥用的情况 但会对图像的美观造成一定的 , 。 出, 影响 也不利于对图像进行再处理 目前除了显式的添加水印的方式 还可以采用数字图像隐写的方式 将 , 。 , , 版权信息隐藏在图像中 使其能够被检测 隐写术是一门关于信息隐藏的技巧与科学 所谓信息隐藏是指不 , 。 , 让除预期的接收者之外的任何人知晓信息的传递事件或信息的内容 数字图像隐写术的应用十分广泛 。 。 例如 一个24位位图图像中的每个像素的三原色 红 绿和蓝版各使用8比特来表示 仅考虑红色的 : ( 、 ) 。 情况下 就可以用 28个不同的数值 , 来 表 示 深 浅 不 同 的 红 色 以 。 11111111和11111110这两个数值 社 所表示的红色为例 它们对人眼来说 , 几乎是无法进行区分的 因此 所有 。 , 的最低有效位 通常指右起最低位 ( ) 就可以被用来存储颜色以外的某些 信息 如图 1.27所示 如果对绿色 , 。 和蓝色进行同样处理的话 则可以在 , 图1.27 图像隐写术 三个像素中存储一个字节的信息 。 第一章 数据与大数据 25第三节 大数据及其作用与价值 信息技术的快速发展与广泛应用加速了数据总量的增长 公共 。 华 场所的安保监测系统在实时监测过程中会产生数据 人们在使用城市 ; 公共交通的刷卡付费系统时也会产生数据 人们在利用各种网络社交 ; 工具进行互动交流时同样会产生数据 这些数据的规模呈现指数级数 。 东 增长 人类进入了大数据时代 大数据已成为社会的一项重要资源 , 。 。 体 验 思 考 师 小申在电子图书网站上查看电子图书的信息时 发现网站上会立即显示 搜索此图书的人还在搜索的 , “ 图书 或 给您推荐的图书 等信息 这些信息还会根据小申搜索图书情况的变化而持续更新 如图 1.28 ” “ ” , , 所示 范 。 大 学 出 版 社 图1.28 推荐的图书信息 思考： 1. 电子图书网站向小申推荐图书的依据是什么? 2. 举例说明,日常生活中还有哪些场景具有类似的智能推荐功能。 26 数据与计算一、 理解大数据 华 信息技术的快速发展改变着人们对数据的采集 分析与使用方 、 式 依托移动互联网 人们可以更便捷地访问网络 从 。 , , 而大量地产生和传输数据 通过传感技术 人们可以不 ; , 东 间断地采集数据 这些数据规模巨大 格式多样 已经 。 、 , 很难用传统的方式进行处理 于是 大数据技术应运而 。 , 生 人们通过对这些数据进行分析 挖掘 从而发现和应 , 、 , 师 用其蕴藏的价值 。 大数据也是数据 通常 大数据具有海量的数据规 。 , 模 多样的数据类型 快速的数据流转和价值密度低四 图1.29 大数据的特征 、 、 范大特征 如图129所示 , . 。 1. 数据规模大 大 借助可穿戴设备 物联网和云计算等技术 人们的行为和物体的 、 , 运行轨迹可以被采集和保存 形成大规模数据 以出租车定位系统中 , 。 的数据为例 某市出租车公司的出租车通常每隔10秒钟会自动向总 , 学 部的服务器发送一条数据 记录自己所在的经纬度 车速 车上是否有 , 、 、 乘客 行驶方向等信息 那么 按照该市大约有5万余辆在运营出租 、 。 , 车计算 一天产生的定位数据就大概有4亿余条 今天的数据已经从 , 出 。 级别跃升为 级别 TB PB 。 2. 数据类型多 版 网络时代 数据的种类越来越多样 从二维表格表示的关系数据 , , , 扩展为文本数据 网络日志 音频 视频 图片 地理位置信息等等 大 、 、 、 、 、 。 数据技术的发展不仅为快速处理海量数据社提供了支持 也为处理不同 , 来源 不同格式的多元化 多维度数据提供了可能 、 、 。 3. 处理速度快 大数据的 快 表现在多个层面上 它既包括数据产生得快 也要 “ ” , , 求数据处理得快 海量 多样的数据快速处理对数据处理的速度提出 。 、 了更高的要求 过去 需要几天或更多时间处理的数据 现在可能要 。 , , 第一章 数据与大数据 27在几分钟之内完成处理 以衡量大数据领域计算实力的100 数据 。 TB 的排序速度为例 目前人们已经能够在百秒内完成对100 数据的 , TB 排序 。 华 4. 价值密度低 东 大数据是有价值的 价值密度的高低与数据总量的大小几乎 , 成反比 大量的不相关数据 不经过处理则价值较低 属于价值密 。 , , 度低的数据 以安全监控视频为例 一部连续1小时不间断的监 。 , 师控视频中 有用的视频数据可能仅有一两秒 如何对大数据进行 , 。 分析 获得有价值的信息 已成为目前大数据背景下亟待解决的 , , 问题 。 与范传统数据相比 大数据在数据规模 采集方式 分析方法 价值 , 、 、 、 利用等方面都有了很大的发展 影响着我们每个人的生活与学习 例 , 。 如 人们对网络用户的搜索请求及交互数据进行分析 建立用户行为 , , 模型 为用户提供个性化智能搜索和内容推荐 大 , 。 二、 大数据处理过程 学 网络时代 每天来自商业 社会 科学 工程 医学以及日常生活等 , 、 、 、 、 方方面面的数据 不断存储到我们的计算机和各种存储设备中 面对 , 。 海量数据 人们利用技术方法 经过整合 归纳与评估 提取出有价值 , ,出、 , 的信息 为用户的决策提供依据 , 。 计算机与网络技术的快速发展使得数据处理方式发生了巨大 的变化 数据的处理效率得到了极大的提高 借助信息技术 可以 , 。 , 版 对人的在线行为进行记录 也可以对社会中的各种事物进行记录 , , 通过大数据分析 更好地做出预测和决策 一般而言 大数据处理 , 。 , 可分为四个步骤 数据采集 数据预处理 数据分析和数据挖掘 : 、 、 社 应用 。 项 目 实 践 如图1.30所示 使用不同的电子图书阅读平台 网站或移动应用程序 观察这些电子图书阅读平台是 , ( ), 否具有智能推荐功能 尝试查询图书 阅读图书 收藏图书 观察平台推荐的图书是否随之发生变化 判断 。 、 、 , , 平台是依据读者的哪些行为推荐图书的 并填写表1.4 , 。 28 数据与计算华 东 图1.30 某电子图书阅读平台的图书推荐 师 表1.4 电子图书阅读平台智能推荐功能分析表 电子图书平台 图书推荐 读者行为及其影响 图书推荐依据 读者收藏电子图书后 平台推荐图书 ××阅读平台 读过还读 , 读者收藏的图书 范发生变化 大 1. 数据采集 学 大数据的采集是大数据处理过程中的最初环节 它可以通过射频 , 识别技术 传感器技术 社交网络媒体等方式 获得各种类型 (RFID)、 、 , 的海量数据 例如 随处可见的共享单车就是通过 。 , 出 智能锁中的通信模块和用户身份识别卡 将 (SIM), 单车的通信连接状态 车锁状态 使用记录等数据 、 、 , 通过网络上传到共享单车的服务平台上 而有 掌 。 “ 版 上实验室 之称的手持实验技术 如图131所示 ” ( . ) 应用中 通过采集与传感设备把外界环境中的某 , 个物理量的变化以模拟信号输出 再经过模拟数 , 字转换装置进行转换 社得到实验数据后 可上传至 , , 图1.31 部分手持实验技术仪器 云端存储起来 以备实验分析和处理用 , 。 2. 数据预处理 大数据采集过程中通常有一个或多个数据源 所采集的数据易受 , 到噪声数据 数据缺失 数据冲突等影响 因此 需要对采集的数据进 、 、 。 , 行预处理 以保证大数据分析与预测结果的准确性与价值 例如 出 , 。 , 第一章 数据与大数据 29租车在运营过程中 可能会由于高层建筑物遮挡 驶入地下隧道以及 , 、 出租车本身的定位系统装置故障等原因 导致出租车定位数据缺失 , 。 此外 由于数据采集设备的不稳定或者司机的误操作 会导致两条或 , , 华 多条记录重复 对于这样的重复数据 就需要进行合并或删除操作 。 , 。 预处理后的出租车轨迹数据如图132所示 . 。 东 师 范 大 图1.32 预处理后的出租车轨迹数据示例 学 3. 数据分析 出 数据分析是大数据处理中的关键环节 根据大数据应用情境与 。 决策需求 选择合适的数据分析技术 提高大数据分析结果的可用性 , , 、 准确性和价值 这个过程的主要特点就是目的清晰 按照一定的规则 。 , 进行处理 才能得到有效分析 例如 在版获得出租车的运行数据后 可 , 。 , , 以进一步得到出租车每一次载客运营的起点和终点以及相应的时间 , 进而得到人们在工作日各个时间段的出租车用车情况 如图133所 。 . 图1.33 乘客出行时段与 示 在000 600 出租车用车数量较少 在120社0 1800 红色区域表 地区热力 图 , ~ , ; ~ , 示出租车用车数量较多 。 4. 数据挖掘应用 经过数据分析 可以描述出事物的变化状况 找出其中的规律 将 , , , 分析结果运用到实践中 例如 根据时段与地区的出行热力图 实时 。 , , 分析旅游景点 居民区 学校 商业区等地区的人流量变化 调整社会 、 、 、 , 30 数据与计算安保人员 保持良好的社会秩序 , 。 大数据处理一般需要经历上述四个步骤 在具体实施时 其 。 , 中的细节 工具的使用 数据的完整性等还需要结合具体需求 行 、 、 、 华 业特点和整个时代的变化而不断变化更新 才能符合大数据时代 , 的特点 。 东 三、 大数据的作用及社会影响 互联网产生的海量数据汇同强大的计算技术 使大数据发挥着越 , 师 来越重要的作用 人们利用算法对收集到的庞大数据进行分析处理 。 , 找到数据之间的关联性 并匹配出某些结果或现象 从而找寻到某种 , , 相关性 用于调整和制订后续的各种策略 大数据与人工智能技术的 , 。 紧范密结合 帮助人们从数据中获取更准确 更深层次的信息 挖掘出数 , 、 , 据背后的价值 催生出新业态和新模式 , 。 大 探 究 活 动 小申在学校图书馆的志愿服务活动中 常常会遇到同学提出这样的要求 能否推荐一本适合自己阅 , :“ 读的书籍 学 ?” 1. 如果你是小申 在推荐书籍的时候 会考虑哪些因素 需要哪些数据 , , , ? 2. 学校准备在不久的将来 建设数字图书馆 请参考志愿者向读者推荐图书的过程 帮助设计数字图 , 。 , 书馆的电子图书推荐方案 。 出 1. 大数据的作用 版 大数据可以反映社会现象 借助大数据 能够反映出人们的意 。 , 图 情感 观点和需求 这些情感因素会决定人们在决策或行动时所采 社 、 、 , 取的方式和所选择的方法 例如 通过搜索引擎中的检索数据 可以 。 , , 分析和了解人们的浏览习惯 通过购物网站中的数据 可以了解人们 ; , 的购物喜好 通过微博等平台中的数据 可以了解人们对某一问题的 ; , 评判 通过信息技术实时分析数据 可以反映出社会现象 ; , 。 大数据可以预测发展趋势 在大数据分析过程中 通过分析不同 。 , 类型数据的相互关联 描述数据的动态变化 就可以比较清晰地展示 , , 事件的脉络关系 预测其发展趋势 例如 基于用户和车辆的 基 , 。 , LBS( 第一章 数据与大数据 31于位置的服务 定位数据 分析人车出行的个体和群体 ) , 特征 进行交通行为的预测 如图134所示 交通部 , , . 。 门可以预测不同时间不同道路的车流量 进行车辆智 , 华 能调度 用户则可以根据预测结果选择拥堵概率更低 , 的道路 。 大数据可以指导决策的制订 通过大数据技术 。 , 东 人们可以获得所希望的数据 并能得到与之相关联的 , 分析结果 从而能更全面地认识事物的特征及发展趋 , 势 为行动决策奠定基础 例如 在社会治安方面 警 , 。 , , 师方通过 案件数据分析和趋势预测系统 中的各类数 “ ” 图1.34 大数据与交通 据 预测未来某时段 某区域可能发生治安问题的概率 , 、 及类型 作为警力布置和安全防范的决策 从过去 被 , , “ 动围着范案件转 发展为 前瞻性地巡逻防控 ” “ ”。 2. 大数据对社会发展的影响 大 随着互联网的发展 大数据已经渗透到很多行业 成为重要的生 , , 产要素 并通过各行各业的不断创新 逐步为人类创造更多的价值和 , , 财富 。 学 大数据技术优化社会管理模式 政府部门 。 通过分析社会中各领域的大数据 可以改善城 , 市生活 提升城市管理水平 促进智慧城市的建 ,出, 设 例如 由于出租车和公交车都服务于中长 。 , 距离的居民出行 在人们的出行选择中互相替 , 代的可能性较高 因此 科学家利用出租车运营 , , 版 系统来获取城市居民出行的起点和终点 经过 、 的路线等数据 分析城市居民出行的交通需求 , , 对城市公交线路网进行优化 提升城市公交运 , 社 行效率 如图135所示 , . 。 大数据技术创新提升服务质量 通过分析 。 用户的消费数据 商家可以有指向性地向用户 , 推送商品 例如 商业网站记录用户在网站中 。 , 图1.35 大数据技术提升城市公交运行效率 的搜索 浏览 购买 点评等在线行为数据 通过 、 、 、 , 分析这些数据 了解用户的购物习惯 判断用户 , , 的购物喜好 以此为依据进行个性化商品推送 实现个性化服务 , , 。 32 数据与计算大数据技术成为科学研究的新途径 借助 。 对大数据的分析研究 能够发现医学 物理 经 , 、 、 济和社会等领域的新现象 揭示自然与社会中 , 华 的新规律 并预测未来趋势 如图136所示 , , . 。 正在兴起的环境应用科学 基于全球数据共享 、 的天文观测 下一代传感器网络与地球科学等 、 , 东 都是正在快速成长和发展的交叉学科方向 也 , 是大数据在科学研究和发现中的新应用 。 随着大数据技术的广泛应用 大数据技术 , 图1.36 大数据技术助力科学研究 师 已经渗透社会的很多领域 许多国家先后将大 。 数据研究提升到国家战略层面 我国也充分认 。 识到大数据时代带来的重大机遇 部署了一系列与大数据研究紧密相 , 关范的科研计划 大数据已经成为关系国家经济发展 社会安全和科技 。 、 进步的重要战略资源 。 通过对大数据的挖掘以及对分析结果的应 用 在给生活带来便利的同时 也可能会引发一 大 , , 些新的社会问题 随着指纹识别 人脸识别等 。 、 技术的应用 人们开始关注指纹 虹膜 面容等 , 、 、 个人生物信息的所有权问题 如图137所示 学 , . 。 如何避免因生物信息被搜集可能带来的个人隐 私泄露 数据窃取 网络欺诈等问题 甚至还曾 、 、 ? 有网络不法分子通过收集电子邮件 微博 电子 出 、 、 商务等数据 利用大数据技术向所搜索的目标 , 发起精准攻击 因此 我们在学习利用大数据 图1.37 指纹识别技术 。 , 预测并做出决策的方法时 也要掌握特定的防 , 版 护措施 加强数据安全意识 , 。 作业练习 社 1. 在日常出行中 越来越多的人开始使用电子地图进行导航 电子地 , 。 图在GPS导航系统的支持下 能够较为准确地显示行进的路线和路况 并能 , , 实时地进行调整 请分析为什么GPS导航系统能根据路况实时调整行进的 。 路线 它又是如何知道路况变化情况的呢 ? ? 2. 结合个人网络学习体验 如慕课学习 在线课程等 从学习诊断 资 ( 、 ), 、 源推送 过程管理等方面 思考大数据是如何支持个性化学习的 、 , 。 第一章 数据与大数据 33知 识 延 伸 用户画像 网络技术的发展使得越来越多的电商网站开始通过用户画像的方式改进服务质量 提高服务效率 华 , 。 用户画像通常是根据用户社会属性 生活习惯和消费行为等信息而抽象出的一个具有特征标识的用 、 户模型 构建用户画像的核心工作是通过分析用户信息得到高度精炼的特征标识 例如 一个用户最近 。 。 , 经常购买一些玩具 电商网站即可根据玩具购买的情况将用户特征标识为 有孩子 甚至还可以判断出孩 , “ ”, 子的大概年龄 东贴上 有5~10岁的孩子 这样更为具体的标识 将所有用户特征标识整合起来 就成为了用 , “ ” , , 户画像 。 构建用户画像时 一般可以从以下几个维度加以分析 用户静态属性 用户动态属性和用户消费属性 , : 、 等 用户静态属性是用户画像建立的基础 主要从用户的基本信息进行划分 如性别 年龄 学历 地域 婚 。 师, , 、 、 、 、 姻等 依据不同的产品 有针对性地提取相关信息 并将这些信息进行不同程度的权重划分 用户动态属 , , , 。 性指用户在互联网环境下的上网行为 如娱乐偏好 社交习惯 出行方式 学习手段等 反映出一个用户可 , 、 、 、 , 能会对某类产品感兴趣 消费水平 消费嗜好等是用户消费属性 这些在一定程度上能够反映用户的消费 。 、 , 观念 范 。 数据量的爆发式增长和大数据分析技术的成熟使用户可被捕捉的数据越来越多 用户画像在各行业 , 应用的价值也在不断提升 例如 在零售业 精准服务是用户画像最直接和有价值的应用 如图1.38所示 。 , , , 。 大 学 出 版 图1.38 用户画像与 精准服务 社 34 数据与计算华 东 师 范 第 二 章 大 学 算法与程序实现 出 版 本章学习目标 社 理解算法的概念和特征 运用恰当的描述方法和控制结构表示简单算 ◉ , 法 认识算法在问题解决中所起的作用 , 。 掌握一种程序设计语言的基本知识 并使用程序设计语言编写程序解决 ◉ , 简单问题 掌握运行和调试程序的方法 , 。 体验编程解决问题的一般过程 认识问题解决过程中不同算法的效率 ◉ , , 学会选择恰当的算法进行求解 。算法非常古老 它的诞生早于计算机数千年 但它的神奇之处就在于它存在于我们生活中 , , 的各个角落 并使得我们的生活更加轻松 美好 比如 最大公约数算法可用于铺地砖时的砖 , 、 。 , 块规格选择 最短路径算法可用于公共交通网络规划 人脸识别算法广泛用于数码相机拍照时 华; ; 的人脸捕捉 启发式算法可用于机场决定飞机的起飞顺序 匹配算法可用于器官移植配对 ; ; …… 算法无处不在 ! 随着信息技东术的发展 人们使用程序设计语言对各种算法进行了程序实现 并将程序安装 , , 在不同的数字化设备上 当我们使用这些设备来解决生活中的各类问题时 就更加便捷了 面 , , 。 对同一问题 往往可以使用多种不同的算法 算法的效率则又会影响到程序的效率和问题的解 , , 师 决 因此 如何选择合适的算法来解决实际问题 也是解决问题过程中至关重要的一步 。 , , 。 范 本章知识结构 大 学 出 版 社 36 数据与计算项目主题 编程应用助健康 华 项·目·情·境 要保持健康的身体 就离不开科学 规律的运动 进入智能时代后 以物联网 , 、 。 , 、 东 云计算 大数据为特征的智能运动环境正改变着人们的运动方式 、 。 小申是一名运动爱好者 这学期学校健身中心更新了一批跑步机 他和同学就 , , 经常在体育活动课上去锻炼 他们发现在跑步机上可以选择不同的跑步预设模 。 式 在不同的模式下 跑步机会动态调节运行速度和坡度 跑步机上还有很多传感 师 , , ; 设备 可以在运动过程中实时监测运动者的各种身体数据 他们都很疑惑 跑步机 , 。 : 是如何实现这些功能的呢 ? 范 项·目·任·务 大 任务1 任务2 任务3 学习智能跑步 学 机 学习使用 Python 使用常用算法,设 中预设跑步模式的算 程序实现身体质量指 计跑步训练课程报表, 法,理解算法的特征, 数的计算、显示和简单 并描述完成这些信息 设计并完成跑步机其 统计,查阅资料并完成 统计所选择的算法和 出 他预设模式的算法 卡路里的计算、显示和 理由。 描述。 统计等各项任务。 版 社 第二章 算法与程序实现 37第一节 算法与算法描述 在实际生活中 人们一直都在寻求有效的问题解决方法 例如 , 。 , 华 做饭时 如何在做完一桌饭菜后 还能保证饭 菜 汤都有一个合适的 , , 、 、 温度 旅游时 如何规划旅行路线 以确保在有限的时间和预算内使行 ; , , 程的性价比最高 如何设置有效的电梯调度方案 以确保乘客等待的 ; , 东 总时间最短 对问题解决的思考在生活中比比皆是 当这些解决问 …… , 题的步骤被人们描述并记录下来之后 就成为了可以重复执行的 用 , 、 来解决一类问题的算法 。 师 体 验 思 考 范 由于城市中的人口 密集度高 在有限的空间 , 内进行锻炼成为了大部 分人的不二选择 所以智 , 大 能跑步机逐渐成为了人 们家庭中常备的运动器 材 为了满足不同人群 。 学 的锻炼需求 提高锻炼效 , 果 常见的家用智能跑步 , 机可以提供多种预设模 式选择的功能 例如 心 出 , “ 率跑 坡度跑 等 如图 ”“ ” , 图2.1 某智能跑步机 2.1所示 。 思考： 版 1. 智能跑步机是如何根据用户选择的跑步模式,控制用户的具体跑步过程的? 2. 当设定为某种跑步模式时,跑步机又是如何根据不同的人和实时运动的情况进行调节,从 而使人获得最佳运动效果的? 社 一、 认识算法 信息时代 日益先进的采集设备和存储技术记录着人们每天产生 , 的大量数据 人们对于各种应用需求的类型和难度也逐渐增加 无论 , , 是三维图形生成 海量数据处理 机器学习 还是图像识别等 都需要 、 、 , , 38 数据与计算靠算法来解决 。 探 究 活 动 智能跑步机能够为用户提供多种预设的跑步模式 会根据用户的选择和用户输入的跑步参数(包括年 , 龄 体重 跑步时长等)控制跑步机的机电设备运转 以某款智能跑步机为例 当用户开机并选择 心率跑 、 、 , 。 , “ ” (即用心率来指导跑步训练 在特定的心率下进行训练来提高心肺能力)模式后 跑步机运转过程描述如下 , , : 第二章 算法与程序实现 华 东 直接选择预设值 或是等待用户输入个人体重、跑步时长、年龄、跑步时速等 ① 计算并显示目标心率 ② 师 倒计时3秒 然后提示用户开始跑步 ③ 给电机发送信号 启动跑带 运转至设定的跑步时速 ④ 在跑步过程中监测当前心率 如果当前心率不在目标心率的浮动范围内 则调节跑带坡度 直至 ⑤ 当前心率稳定在目标心率的浮动范围内 范 判定是否达到设定的跑步时长 如未达到 则继续监测当前心率 否则给电机发送信号 逐渐降低 ⑥ 跑带运转速度至停止 结束本次跑步。 ⑦ 大 请仔细阅读以上关于 心率跑 模式的说明 思考以下问题 “ ” , : 1. 上述描述是否存在不够明确的地方 请罗列出来 ? 。 2. 描述中有一项为 选择预设值 请解释一下此处 预设值 的含义和作用 “ ”, “ ” 。 学 1. 算法的概念 出 算法在生活中是普遍存在的 广义地讲 算法是在有限步骤内求 , , 解某一问题所使用的步骤和方法版例如 在炒菜时 先放什么 后放什 。 , , , 么 这也有一定的顺序和方法 这种顺序和方法我们称之为炒菜的算 , , 法 在做数学题时 每一道题都有对应的具体计算方法和步骤 可以称 ; , , 之为这道题的解题算法 使用跑步机跑步社时 跑步机会根据用户的选 ; , 择执行不同的跑步模式 每种跑步模式对应一种算法 , 。 在计算机科学领域中 算法是一系列的计算步骤 用来将输入的 , , 数据转换成输出的结果 借助于计算机处理的高效 自动化计算能 。 、 力 人们的很多算法思想已经变成现实 例如 将设计人员设计好的 , 。 , 三维模型交给计算机来渲染 可以实现三维虚拟场景生成 将下棋的 , ; 规则和方法借助计算机来实现 可以实现人与计算机对弈 将人对图 , ; 片的识别和认识过程通过模型设计让计算机进行模拟 可以实现图像 , 39的自动识别等等 。 2. 算法的特征 华 算法是解决问题过程中 做什么 和 怎么做 的步骤的描述 一个 “ ” “ ” , 算法必须满足有穷性 确定性 可行性 有零个或多个输入 有一个或 、 、 、 、 东 多个输出这五个特征 。 （1） 有穷性 算法必须是由有限个步骤组成 即算法一定要能够结束 例如 , 。 , 师智能跑步机中预设的各种跑步模式的算法都可以完成并结束一次跑 步训练 。 （2） 确定性 算范法中的每一个步骤都应该是确定的 没有歧义的 模糊不清 、 。 、 模棱两可或带有二义性的描述都会影响算法的确定性 例如 智能跑 。 , 步机检测用户当前心率是否在目标心率浮动范围内时 这个范围就必 , 须是明确的值 或者是可以通过输入值计算后得到的明确的值 大 , 。 （3） 可行性 算法的可行性就是指每一个步骤都可以被计算机执行 可以方便 , 地用来解决某一类问题 学。 （4） 有零个或多个输入 输入就是算法在执行时要从外部获取的数据 输入可以是多个 。 也可以是零个 零个输入并不代表这个算法没有输入数据 所需数据 , 出 , 一般已包含在算法中 只是这个输入的数据没有直观地显现出来 例 , 。 如 智能跑步机在提醒用户开始跑步前会有3秒的倒计时 这个3秒 , , 就是在算法中预设的值 。 版 （5） 有一个或多个输出 输出就是算法实现所得到的结果 是算法对输入的数据加工处理 , 后得到的 输出可以有一个或多个 没有输出的算法是没有意义的 。 , 。 社 例如 用户在智能跑步机上的实时心率显示就是一种输出 对跑带坡 , ; 度的调节也是一种输出 。 探 究 活 动 之前的 探究活动 中描述的智能跑步机 心率跑 模式的操作还不能够直接被跑步机执行 它并没有 “ ” “ ” , 满足算法的特征 如 计算并显示目标心率 中并没有说明如何计算目标心率 , “ ” 。 40 数据与计算请结合算法的特征 针对已经找出的描述不够明确的方面 提出修改建议 并记录在表2.1中 , , , 。 表2.1 智能跑步机 心率跑 模式说明分析表 “ ” 序号 不符合算法特征的方面 修改建议 1 2 二、 算法的描述 算法的描述就是把解决问题的方法和步骤用规范的方式描述出 来 这种描述既可以作为程序设计人员编写代码的依据 又可以供算 。 , 法研究 学习和交流之用 并不依赖于任何一种语言 、 , 。 探 究 活 动 之前的 探究活动 中描述的 心率跑 模式存在着一些不符合算法特征的地方 经过调整后的算法 “ ” “ ” , 如下 : 第二章 算法与程序实现 华 东 师 范 大 学 出 初始化 个人体重 千克 weight=60 跑步时长 分time=60 年龄 岁age=30 跑步速度 千 ① 米 时speed=6计时 分count=0 版 显示weight、t ime、 age、speed的预设值 并等待用户修改和确认 ② 根据公式TargetHR=07 220-age 计算并显示目标心率TargetHR ③ * 倒计时3秒 显示 开始跑步 ④ 􀆵 给电机发送 启动跑带运转 信号 启动跑带 运转速度达到speed 社 ⑤ 􀆵 监测当前心率CurrentHR 如果CurrentHR TargetHR-5 则增大跑带坡度Angle 如果 ⑥ < CurrentHR TargetHR+5则减小跑带坡度Angle > 计时count加1分钟 ⑦ 如果counttime则执行步骤 否则执行步骤 ⑧ ≥ ⑨ ⑥ 给电机发送 逐渐降低跑带运转速度 信号 直至跑带运转速度降至停止0千米 时 ⑨ 􀆵 结束本次跑步。 ⑩ 41经过以上算法的学习后 请思考一下 以上算法描述有什么优缺点 除了这种描述方法之外 通常还 , , ? , 有哪些其他的描述方法 ? 华 算法的描述方法很多 其中主要有自然语言 流程图和伪代码 , 、 三种 东。 1. 自然语言 师 自然语言就是人们日常生活中使用的语言 用自然语言描述的 。 算法通俗易懂 但也有明显的不足 , : 用自然语言描述比较复杂的算法时 会显得很冗长 表述不够直 , , 范 观 清晰 自然语言在描述上容易出现歧义 容易引起算法步骤的 、 。 , 不确定性 尤其是在算法中存在较复杂的逻辑时 不易清晰地表示 , , 出来 。 大 2. 流程图 流程图是由一些简学单的图形符号组成 用来表示问题解决的步骤 , 及顺序的方法 根据我国颁布的信息文件编制符号及约定标准 。 1526 89 常用的流程图符号如下 (GB ), : 出 起止框 表示算法的开始或结束 处理框 表示要处理的内容 版 输入 输出框 表示数据的输入或结果的输出 / 表示条件判断的情况 满足条件 社: , 判断框 执行一条路径 不满足条件 则执 ; , 行另外一条路径 用于连接因页面不够而断开的流 连接符 程线 流程线 指出流程控制方向 即执行的次序 , 42 数据与计算用流程图表示算法 整个流程直观 清晰 但流程图表示算法时 , 、 。 占用的篇幅比较大 也不易于修改 例如 心率跑 模式算法的流程 , 。 ,“ ” 图如图22所示 . 。 图 2.2 心 “ 率跑 模式算 ” 法的流程图 3. 伪代码 伪代码是一种介于自然语言和计算机程序设计语言之间的算法描 述语言 伪代码能够较容易地被转换成程序设计语言 虽然流程图描 。 。 述算法要比自然语言描述算法清晰直观 但如果需要能够快速转换成 , 计算机可以执行的语言 一般会采用伪代码的方式进行描述 例如 , 。 : 第二章 算法与程序实现 华 东 师 范 大 学 出 版 社 =60 =60 =30 =6 =0 weight time age speed count =60 =60 =30 =6 Output"weight time age speed " Inputweight time age speed 43数据与计算 =07 220- TargetHR * age OutputTargetHR 倒计时3秒 华 开始跑步 Output" " 给电机发送 启动跑带运转 信号 直至跑带运转速度达到 􀆵 speed Repeat 东 读取当前心率值 CurrentHR -5 IfCurrentHRTargetHR 减小跑带坡度 Angle EndIf 加1分钟 范 count = Untilcount> time 给电机发送 逐渐降低跑带运转速度 信号 直至跑带运转速度降到停止 0千米 时 􀆵 大 三、 算法的基本控制结构 学 顺序结构 分支结构和循环结构是用来描述算法的三种基本控制 、 结构 由这三种基本结构组成的算法结构清晰 易于正确性验证和 。 , 纠错 。 出 图2.3 顺序结构示意图 1. 顺序结构 版 顺序结构是一种自上而下 按先后顺序依次执行算法中各个步骤 , 的结构 如图23所示 例如 某人的刷牙过程就可以用顺序结构表 , . 。 , 示 如图24所示 , . 。 社 2. 分支结构 分支结构也称为选择结构 是根据给定的条件进行判断 再依据判 , , 断结果的不同而执行不同操作的一种结构 分支结构流程图中一定会 。 有判断框 当满足条件时执行一个分支 不满足条件时执行另一个分 , , 支 分支结构的流程图表示方法如图25所示 例如 挤牙膏时会判 。 . 。 , 断是否有足够的牙膏 就可以使用分支结构来表示 如图26所示 图2.4 刷牙过程的顺序结 , , . 。 构示意图 44华 东 图2.5 分支结构示意图 图2.6 挤牙膏过程的两种分支结构示意图 师 3. 循环结构 循环结构也称为重复结构 是一种根据条件重复执行某一部分操 范 , 作的结构 其中重复执行的这部分操作也称为循环体 有两种典型的 , 。 循环结构 当循环 如图27甲所示 和直到循环 如图27乙所示 : ( . ) ( . )。 当循环先判断循环条件 后执行循环体 当判断框中的条件为 大, 。 是 时 执行循环结构中的循环体 再根据条件判断是否需要继续执行 “ ” , , 循环体 直到条件为 否 结束循环 直到循环先执行循环体 再判断循 , “ ”, 。 , 环条件是否成立 先执行一次循环体 然后判断条件 当条件为 否 时 。 , , “ ” , 学 返回重新执行循环体 再判断条件 直到条件为 是 时结束循环 , , “ ” 。 例如 在刷牙时需要判断是否刷了100下 来决定是否要继续在 , , 口腔中移动牙刷 这就需要使用循环结构来表示 如图28所示 , , . 。 出 版 社 图2.7 循环结构示意图 图2.8 刷牙过程的循环结构示意图 第二章 算法与程序实现 45项 目 实 践 很多智能跑步机都提供了 坡度跑 模式供选择 坡度跑 也就是指跑步机会自动调节跑带的坡度 为 华 “ ” ,“ ” , 用户模拟爬坡的情况 为了能够让用户得到科学 安全的跑步体验 在 坡度跑 模式中也需要考虑合理的 。 、 , “ ” 热身过程 锻炼过程和调整过程 、 。 1. 通过查询了解 坡度跑 模式 分析智能跑步机 坡度跑 模式的实现过程 “ ” , “ ” 。 2. 如果请东你来实现智能跑步机的 坡度跑 模式 该算法应如何设计 “ ” , ? 3. 请采用流程图的方式来描述 坡度跑 模式 想一想该算法需要包含哪些基本控制结构 “ ” , ? 师 四、 编程解决问题的过程 范 在生活中 我们经常会遇到各式各样的问题需要解决 而随着计 , , 算机技术的发展 计算机在问题解决中已经成为越来越重要的角色 , 。 人们从一开始依赖计算机的高速运算能力 到目前无处不在的计算机 , 大 应用 计算机也在各类问题解决的过程中 从单一的计算发展成了全 , , 过程的参与 。 当面对特定的问题时 往往需要根据设计的算法编写特定的程序 , 学 来解决问题 编程解决问题的一般过程包括 抽象与建模 设计算法 。 : 、 、 编写程序 调试运行这四个步骤 如图29所示 根据问题的需要 可 图2.9 编程解决问题 、 , . 。 , 的一般过程 以反复修正和执行这四个步骤 直到问题得到有效解决 , 。 出 1. 抽象与建模 解决问题前 需要对问题进行深入版分析 明确问题的需求 然后 , , 。 分析问题的求解目标 约束条件等 将问题抽象化 模型化 抽象与建 、 , 、 。 模是指从现实问题出发 忽略非本质的细节 提炼出核心要素 将具体 , , , 的问题抽象化 并将其描述成为一个明确已知条社件 约束条件和求解 , 、 目标的问题 再用数学符号来描述计算模型 人们每天都在不自觉地 , 。 使用抽象和建模 例如地铁线路图就是一种抽象 在图中并没有显示 , , 所有的细节 而仅仅是提炼了路线 站点和换乘的信息 当人们在计 , 、 。 算地铁乘车费用时 则是通过已建立的计算模型 针对不同起点和终 , , 点进行计算 获得对应的票价信息 , 。 以计算中国农历年份为例 在中国古代的历法中 甲 乙 丙 丁 , , 、 、 、 、 戊 己 庚 辛 壬 癸被称为 十天干 子 丑 寅 卯 辰 巳 午 未 申 、 、 、 、 、 “ ”, 、 、 、 、 、 、 、 、 、 46 数据与计算酉 戌 亥叫作 十二地支 十天干和十二地支依次相配 组成六十个 、 、 “ ”。 , 基本单位 两者按固定的顺序互相配合 组成了干支纪年法 基于天 , , 。 干地支序列 如果已知2000年是庚辰年 则对于输入的公历年份2019 , , 年 可以通过以下方法来推算其农历年份 天干地支列表为循环推算 , ( , 即 癸 的后一个天干为 甲 亥 的后一个地支为 子 “ ” “ ”,“ ” “ ”): 天干 用2019减去2000 得到的差除以10取余后得到9 然后天 : , , 干从 庚 向后推9位为 己 “ ” “ ”; 地支 用2019减去2000 得到的差除以12取余后得到7 然后地 : , , 支从 辰 向后推7位为 亥 “ ” “ ”。 最后 可以推算出公历2019年是农历己亥年 , 。 因此 本问题可以抽象为已知天干 地支序列和对照的年份2000 , 、 庚辰年basey 对于输入的公历年份year 求出其对应的农历年份 , , 。 该问题的计算模型如下 : 天干 用year减去basey 得到的差除以10取余后得到余数 然 : , , 后根据余数的数值 在已知天干列表中从 庚 向后推算相应位数 , “ ” ; 地支 用year减去basey 得到的差除以12取余后得到余数 然 : , , 后根据余数的数值 在已知地支列表中从 辰 向后推算相应位数 , “ ” 。 2. 设计算法 在中国农历年份的计算中 我们可以选择现有的软件进行查询 , , 也可以自己设计算法 编写程序来完成对用户输入年份的天干地支显 、 示 针对问题分析的结果 设计一个对应求解的算法 其关键步骤 。 , , 如下 : 第二章 算法与程序实现 华 东 师 范 大 学 出 版 设定十天干、十二地支序列 ① 设定对照年份2000年及其所对应的天干和地支 ② 输入公历年份 year ③ 根据计算模型计算该公历年份所对 社 应的天干 ④ 根据计算模型计算该公历年份所对应的地支 ⑤ 输出该公历年份对应的农历年份。 ⑥ 3. 编写程序 确定算法后 就可以使用计算机编程实现了 编写程序就是选择 , 。 47合适的计算机程序设计语言按照算法来实现问题求解 程序是一组 。 计算机能识别和运行的指令 是计算机执行算法的具体步骤的实现 , , 计算机通过运行这些指令来完成预期的任务 根据中国农历年份的 。 求解算法 可以使用多种不同的程序设计语言来编程实现 以下为使 , , 用 语言实现的程序 Python 。 数据与计算 华 = 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 东 tian " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " = 子 丑 寅 卯 辰 巳 午 未 申 酉 戌 亥 di " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " =2000 师 basey =6 basetian =4 basedi = 请输入年份 year int input " 范 " + - 10 10 = = print tian basetian year basey % % sep "" end "" + - 12 12 print di basedi year basey % % 大 4. 调试运行 编写完成的程序需要进行调试运行 以验证所编写的程序是否正 学 , 确 在这个阶段 不仅在发现错误时需进行修改 还要对运行结果进 。 , , 行分析和验证 根据调试结果不同 可能还需要重复前面的几个阶 。 , 图2.10 计算中国农历年 段 进行问题的分析 算法的优化和程序的重新编写 如图210所示 份程序的 运行结果 , 、 出 。 . 是计算中国农历年份程序的运行结果 。 作业练习版 智能服药系统也是家庭健康系统中重要的一部分 可以针对 忘记服药 , “ ” 不按时服药 重复服药 等多种问题进行监测和提醒 现在请你设计一款 “ ”“ ” 社, 智能药盒 “ ”。 1. 请描述你设计的 智能药盒 的功能 “ ” 。 2. 针对某个功能进行算法设计 并用流程图方式进行描述 , 。 3. 智能药盒和大数据 物联网结合 又可以增加哪些功能 为生活提供 、 , , 哪些便利 ? 48知 识 延 伸 算法的效率 解决问题的算法往往不止一个 通常可以从时间和空间两个角度来对算法的效率进行评价 使用的 华 , 。 指标分别为时间复杂度和空间复杂度 。 1. 时间复杂度 用于描述算法运行所需要的时间开销 一般采用算法中基本语句的执行次数进行度 : , 量 例如 要将一张纸等分成16个大小相等的格子 可以有多种算法 一种算法是以每次画一个格子的 。 , , 。 方式 画东16个格子将纸等分 如果画一个格子记为一次操作的话 那就需要16次 另一种算法是将纸折 , 。 , 。 起来 再折 再折 再折 经过4次操作后 打开就可以得到 16个格子了 显然 第二种算法所需要的执行 、 、 、 , , 。 , 时间比第一种算法要少 也称为第二种算法的时间复杂度较小 , 。 2. 空间复杂度 用于描述算法运行所需要的存储空间 一般主要考虑临时占用的空间大小 师: , 。 范 大 学 出 版 社 第二章 算法与程序实现 49第二节 程序设计语言基本知识 当人们完成问题的抽象与建模 并通过各种方法和设备采集了大 , 华 量的数据 设计了解决问题的有效算法后 还需要相应的计算机程序 、 , 来实现这些算法 只有通过编写程序 给计算机下达指令 才能处理 。 , , 数据 得到有价值的信息 因此 就需要选择合适的程序设计语言 根 , 。 , , 东 据其语法规则编写程序 最终在计算机上实现自动运行 , 。 体 验 思 考 师 很多智能跑步机会内置称重传感器 可以快速获取用户的体 , 重数据 体重数据被传送到远程服务器上之后 用户可以使用配 。 , 套的移动应用程序再次读取该数据范移动应用程序除了能够显 。 示体重数据之外 还能够同时显示身体质量指数(body mass , index, BMI)和体型描述 如图2.11所示 , 。 思考： 大 1. 程序是如何实现 指数的计算的? BMI 2. 程序是如何根据 指数显示用户的胖瘦程度的? BMI 学 出 图2.11 移动应用程序上显示的体重等数据 版 一、 Python语言基础 社 人们要想借助计算机快速准确地得到结果 完成某些特定的功 , 能 就要为计算机编写相应的程序 , 。 程序设计语言是人与计算机进行交互的语言 为了使用计算机 。 解决问题 人们用程序设计语言编写程序 让计算机运行后完成预期 , , 的任务 程序是一组操作指令或语句序列 是计算机执行算法的操作 。 , 步骤 。 50 数据与计算1. 程序设计语言 华 程序设计语言经历了从机器语言到高级语言的发展过程 。 （1） 机器语言 机器语言是一种用二进制代码标识的 计算机能够直接识别和执 、 东 行的机器指令的集合 机器语言具有灵活 直接执行和速度快等特 。 、 点 以完成 9+11 的计算为例 用某种类型计算机适用的机器语言 。 “ ” , 编写的程序如表22所示 . 。 师 表2.2 机器语言示例 语 句 说 明 范 10110000 00001001 将9放入累加器A 00101100 00001011 11与累加器A中的值相加 结果仍放在累加器A中 , 11110100 停止操作 大 一般 一条指令就是机器语言的一条语句 指令包括操作码和地 , 。 址码 其中操作码指明了指令的操作性质及功能 地址码则给出了操 , 学 , 作数或操作数的地址 。 （2） 汇编语言 用机器语言编写程序非常困难 因此产生了汇编语言 也称为符 出, , 号语言 在汇编语言中 用类似英语缩略词的语言代替机器指令的操 。 , 作码 用地址符号或标号代替指令或操作数的地址 运行时再转换为 , , 机器语言 以完成 9+11 的计算为例 用汇编语言编写的程序如表 。 “ ” , 版 23所示 . 。 表2.3 汇编语言示例 社 语 句 说 明 MOV AL,9 将9放入累加器A其中AL表示累加器A , ADD AL,11 11与累加器A中的值相加 结果仍放在累加器A中 , HLT 停止操作 （3） 高级语言 由于汇编语言依赖于硬件体系 且助记符量大难记 于是人们又 , , 第二章 算法与程序实现 51发明了更加易用的高级语言 高级语言是以人类的日常语言为基础 。 的一种编程语言 使用一般人易于接受的文字来表示 从而使程序编 , , 写更容易 有较高的可读性 目前 常用的高级语言有 ++ 华 , 。 , C、C 、 等 以完成 9+11 的计算为例 用 语言编写的 Java、Python 。 “ ” , Python 程序如表24所示 . 。 东表2.4 Python语言示例 语 句 说 明 print(9+11) 计算9+11并输出 师 高级语言和汇编语言一样 编写的程序也不能直接被计算机执 , 行 必须经过转换后才能被执行 , 范 。 2. Python常用数据类型 大 为了能够处理日常生活中各式各样的数据 程序设计语言提供了 , 多种数据类型 常见的 数据类型如表25所示 。 Python . 。 学 表2.5 常见Python数据类型 数据类型 类型标识符 类型说明 Python中的整数可以是任意大小 如 整型 int 出 , 51-670等 、 、 由整数部分与小数部分组成 也可以使用科 浮点型 float , 学记数法表示 如3.076-2e3等 , 、 版 用单引号(' ')或双引号(" ")括起来的一串字 字符串型 str 符 如'Hello'或"上海" "\n"等 , 只存在两种值 真(True)或假(False)常用 布尔型 bool : , 于逻辑判断 社 在程序设计过程中 可以通过强制类型转换操作 把数据从一种 , , 类型强制转换成另一种类型 语言中可用于数据类型转换的 。Python 内置函数如表26所示 . 。 52 数据与计算表2.6 Python语言的数据类型转换函数 数据类型转换函数 说 明 float(3) 将整型数据3转换为一个浮点型数据 为3.0 华 , int(3.6) 将浮点型数据3.6转换为一个整型数据 为3 , str(3) 将整型数据3转换为字符串型数据 为'3'或"3" , 东 3. Python中的常量、变量与赋值符 常量是直接给定的 指在程序运行过程中不变的量 如常用的数 师 , , 学常数 就是一个常量 π 。 变量指程序运行过程中可以被改变的量 在程序运行过程中 变 。 , 量被存储在内存中 可以通过变量名进行访问 变量命名时 需要遵 范, 。 , 守命名规则 由大小写英文字母 数字或下划线组成 以英文字母或 : 、 , 下划线为首字符 长度不限 不能与 保留字同名 大小写敏感 , , Python , 。 变量的数据类型由被赋值的数据对象的类型决定 大 。 = 为 中的赋值符 其作用是把赋值号右边表达式的计 “ ” Python , 算结果存储到赋值号左边指定的变量中 例如 =3 就是将3赋值 。 :c , 给变量c 。 学 4. Python中的运算符与表达式 中的表达式是出操作数 参与运算的数据 变量和运算符 Python ( )、 的组合 是用来描述数据的计算过程 或描述对于某种情况下所遇到 , , 的条件判断 单独一个操作数或变量都可以看作是表达式 常用的运 , 。 算符有算术运算符 关系运算符 逻版辑运算符等 、 、 。 （1） 算术运算符 算术运算符主要用于算术运算 运算的结果为整型或浮点型 常 , 。 见的算术运算符如表27所示 运算符有社优先级 最高级别表示为1 . , , , 数字越大 优先级越低 , 。 表2.7 Python语言的常见算术运算符 运算符 描述 优先级 实 例 + 加法 3 23+45运算结果为68 , - 减法 3 78.4-34.2运算结果为44.2 , 第二章 算法与程序实现 53(续 表) 运算符 描述 优先级 实 例 * 乘法 2 5.3*20运算结果为106.0 华 , / 除法 2 2/5运算结果为0.4 , % 取模 2 17%6运算结果为5 , ** 幂 1 3**3运算结果为27 , 东 // 整除 2 25//7运算结果为3 , （2） 关系运算符 师 关系运算符也称为比较运算符 用于比较两个值的大小 其运算 , , 结果为布尔值真或假 常见的关系运算符如表28所示 , . 。 范 表2.8 Python语言的常见关系运算符 运算符 描述 实例(a=10,b=20) == 等于 a==b返回假 , 大 > 大于 a>b返回假 , < 小于 a= 大于等于 a>=b返回假 学 , <= 小于等于 a<=b返回真 , != 不等于 a!=b返回真 , 出 （3） 逻辑运算符 逻辑运算符用于对关系表达式或布尔值进行逻辑运算 运算结果 , 为布尔值真或假 在实际问题中 对一些逻辑复杂的条件 需要用多 。 , 版, 个关系表达式组合起来表示 常见的逻辑运算符如表29所示 。 . 。 表2.9 Python语言的常见逻辑运算符 社 运算符 描述 优先级 实 例 not 非 1 not(a==b)如果a和b相等 则返回假 否则返回真 , , , and 与 2 a and b只有当a和b都为真时 结果才为真 , , or 或 3 a or b只要a和b中有一个为真时 结果就为真 , , 如果多个运算符出现在同一个表达式中 则需要按照优先级确定 , 运算顺序 优先级高的运算符先运算 优先级相同的从左向右依次运 。 , 54 数据与计算算 括号运算的优先级最高 应先计算括号内的表达式 三种运算符 。 , ; 的优先级为 算术运算符 关系运算符 逻辑运算符 : > > 。 5. Python中的内置函数与模块导入 内置函数是已经预定义并且已经实现的 可以供用户直接调用的 、 函数 很多高级语言都有内置函数 函数可以直接通过 函数名 参数 , 。 “ ( 列表 的方式调用 多个参数值之间一般以逗号分隔 例如 )” , 。 ,abs x 为 提供的求取绝对值的内置函数 -1 的返回值为1 Python ,abs ; 为求取指定位数的小数的内置函数 314159262 round a b ,round . 的返回值为314 . 。 语言中的模块是一个程序文件 在使用之前通过 Python , “import 模块名 的方式导入 例如 通过 导入数学模块后 在 ” 。 , “importmath” , 程序中就可以直接调用该模块中定义的函数了 使用 函数 , factorial() 输出阶乘的程序代码如下 : 第二章 算法与程序实现 华 东 师 范 大 importmath 6 print math factorial 学 6. Python中的字符串 出 字符串主要用于存储和表示文本 是 中最常用的数据类 , Python 型之一 计算机中文本的最基本单位是字符 包括可见字符和不可见 。 , 字符 其中可见字符有英文大小写字母 数字字符 标点符号和一些常 , 、 、 版 见符号 不可见字符包括回车 空格等 ; 、 。 语言提供了对字符串类型数据的一些通用操作 包括连 Python , 接 复制等 如表210所示 、 , . 。 社 表2.10 Python语言中字符串类型数据的通用操作 操作 描述 实例(str1="Hello",str2="Python") x+y 连接两个字符串x和y str1+" "+str2返回"Hello Python" , x*n 复制n次字符串x str1*3返回"HelloHelloHello" , len(x) 返回字符串x的长度 len(str1)返回5 , 557. Python中的列表 列表是 中常见的一种数据形式 它可以把大量的数据放 Python , 在一起 对其进行集中处理 列表是以 包围的数据集合 不同成 , 。 “[]” , 员间以 分隔 列表中可以包含任何数据类型 也可以包含另一个 “,” 。 , 列表 我们可以通过序号来访问列表中的成员 例如有列表 = 。 , :tian 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 其中 [" "," "," "," "," "," "," "," "," "," "], tian0 为 甲 tian2 为 丙 [] “ ”, [] “ ”。 语言对列表提供了一些与字符串相似的通用操作 此 Python 。 外 还提供了一些常用的列表方法 如表211所示 , , . 。 表2.11 Python语言中的常用列表方法 方法 描 述 list.append(x) 在列表尾部追加成员x list.insert(i,x) 向列表中指定位置i插入x 删除列表中的指定成员 有多个则只删除第一个 指定成员不 list.remove(x) ( , 存在则报错 ) 在交互环境下对列表进行操作的示例代码如下 : 数据与计算 华 东 师 范 大 学 = 子 丑 寅 卯 辰 巳 午 未 申 酉 戌 >>>di " " " " " " " " " " " " " " 出" " " " " " " " >>>di '子' '丑' '寅' '卯' '辰' '巳' '午' '未' '申' '酉' '戌' 亥 >>>di append " " 版 >>>di '子' '丑' '寅' '卯' '辰' '巳' '午' '未' '申' '酉' '戌' '亥' 0 亥 >>>di insert " " 社 >>>di '亥' '子' '丑' '寅' '卯' '辰' '巳' '午' '未' '申' '酉' '戌' '亥' 亥 >>>di remove " " >>>di '子' '丑' '寅' '卯' '辰' '巳' '午' '未' '申' '酉' '戌' '亥' 56二、 顺序结构的 Python实现 探 究 活 动 华 当手机和智能跑步机通过无线网络连接后 移动应用程序上即可获得跑步过程中的各类数据 例如 , 。 , 移动应用程序上除了能显示体重值 还可以显示 BMI指数 BMI指数是用体重千克数除以身高米数的平 , 。 东 方得出的数值 是目前国际上常用的衡量人体胖瘦程度以及评定身体是否健康的参考标准之一 BMI指 , 。 数可以通过以下数学公式计算得出 : 体重 千克 BMI= ( ) 师 身高2 米2 ( ) 例如 一个人的身高为1.75米 体重为68千克 他的BMI指数计算如下 , , , : 68 BMI= =22.2 1.752 范 根据这个公式 我们可以使用纸笔 计算器等工具进行 BMI指数的计算 但这些都需要根据不同的身 , 、 , 高体重值来重复进行手动计算 而程序只需要根据传感器实时测得的用户数据 就可以进行实时 自动计 , , 、 算并输出结果 。 大 1. 讨论一下 要通过编程解决BMI指数的计算 需要哪些步骤 , , ? 2. 要编写程序 可能需要用到哪些数据类型 运算符和函数等 , 、 ? 学 顺序结构的程序设计简单 只要按照解决问题的顺序写出相应的 , 语句即可 它的执行顺序是自上而下 依次执行 直到结束 常见的顺 , , , 。 序结构语句有输入语句 输出出语句和赋值语句 、 。 例如 要根据不同的身高和体重值计算 指数 就可以使用顺 , BMI , 序结构来编程实现 。 版 1. 抽象与建模 计算 指数 需要用到身高和体重社值 因此程序需要通过用户 BMI , , 输入的方式获取不同的身高 体重值 计算后输出 指数 其中 、 , BMI 。 , 用height表示身高 weight表示体重bmi表示 指数 , , BMI 。 输入 heightweight : 、 ; 输出 b mi : ; weight千克 计算模型 对于不同的输入 可以通过bmi= ( )公式 : , height2 米 2 ( ) 进行计算 。 第二章 算法与程序实现 572. 设计算法 经过分析 需要先输入身高和体重值 然后根据公式计算并输出 , , 指数的算法描述如下 其流程图如图212所示 BMI , . 。 图2.12 计算 BMI指数 算法流程图 数据与计算 输入身高height ① 输入体重weight ② 根据公式计算 指数 ③ BMI 输出 指数 ④ BMI 3. 编写程序 程序设计是能够将算法转换成计算机可以处理的指令的重要步 骤 为了提高程序代码的可读性 方便维护 在程序设计的过程中 需 。 , , , 要加入注释 中的注释从 字符开始 该行代码 字符 。Python “#” , “#” 之后所有的内容都是注释 用来实现根据不同的输入值 计算相应的 。 , 指数的 程序如下 BMI Python : 华 东 师 范 大 = 请输入身高 输入身高 height float input " m " 学 # height = 请输入体重 输入体重 weight float input " kg " # weight = 2 根据公示计算 指数 bmi weight height** # BMI = 输出 指数 print "BMI " bmi #出BMI 该段 程序中使用了输入输出语句 变量定义 运算符 表 Python 、 、 、 达式和类型转换 其中 输入输出是用户与程序进行交互的主要途 。 , 径 通过输入语句 程序能够获取运行版所需要的原始数据 通过输出 。 , ; 语句 程序能够将数据处理结果告知用户 , 。 中使用 函数接收用户的输入 当用户输入程序所 Python input() , 需的数据时 会以字符串形式返回 在输入时也社可给出提示信息 例 , 。 , 如 = 请输入身高 程序将在屏幕上显示 :height float(input(" (m):")), 请输入身高 信息 并等待用户输入 程序接收用户输入的数据 “ (m):” , ; 后 将输入的数据转换为浮点型数据 保存在变量height中 , , 。 中使用 函数显示一项或多项程序处理的结果 中 Python print() , 间用逗号分隔 例如 程序将在屏幕上输出 。 :print("Hello,world!"), 信息 再如 = 程序将在屏幕上 “Hello,world!” 。 :print("BMI ",bmi), 输出 = 2220408163265306 信息 “BMI . ” 。 584. 调试运行 在 运行环境中对程序进行调试运行 程序会根据不同的 Python , 身高 体重值 相应地输出计算后的 指数 、 , BMI 。 第二章 算法与程序实现 华 请输入身高 175 m 请输入体重 68 东 kg = 2220408163265306 BMI 师 项 目 实 践 许多移动应用程序除了可以显示BMI指数外 还能够显示运动过程中消耗的卡路里数 请查询卡路里 , , 消耗的计算方式 完成计算卡范路里消耗的程序编写 并填写表2.12 , , 。 表2.12 计算卡路里消耗 的分析与实现 “ ” 输入 大 抽象与建模 输出 计算模型 学 流程图 Python程序 出 设计 编写 算法 程序 版 社 调试运行 情况记录 三、 分支结构的 Python实现 顺序结构的程序能严格按照语句出现的先后顺序解决计算 输 、 59入 输出等问题 但对于要做判断和选择的问题而言 就需要使用分支 、 , , 结构 依据一定的条件选择执行路径 , 。 华 探 究 活 动 虽然BMI指数可以直接通过身高 体重值计算得出 但这个指数代表的具体含义并不是大多数人所熟 、 , 东 悉的 例如 身高为1.75米 体重为68千克的人 他的BMI指数为22.2到底代表什么 大家并不清楚 世 。 , , , , 。 界卫生组织(WHO)的判断标准如表2.13所示 。 表2.13 BMI指数参考标准师表 描述 WHO标准 描述 WHO标准 偏瘦 <18.5 肥胖 30~34.9 正常 1范8.5~24.9 重度肥胖 35~39.9 偏胖 25~29.9 极重度肥胖 40 ≥ 请参考表2.13设计算法 实现对于计算得出的任意BMI指数显示相应的人体胖瘦程度的描述 , , 大 。 在分支结构的程序设计中 程序要能根据是否满足条件来执行不 , 同的语句 语言学中使用 语句实现分支结构 主要包括三种 。Python if , 基本格式 如表214所示 , . 。 表2.14 Python语言的三种分支结构基出本格式 分支类型 基本格式 if条件表达式 单分支语句 : 版语句块 if条件表达式 : 语句块1 双分支语句 else 社 : 语句块2 if条件表达式1 : 语句块1 elif条件表达式2 : 多分支语句 语句块2 …… else : 语句块n 60 数据与计算单分支语句中 语句首先判断条件表达式 结果为真 则执行语 ,if , , 句块中的语句序列 结果为假 则不执行任何语句 例如 求x绝对值 ; , 。 , 的语句如下 : 第二章 算法与程序实现 0 ifx< =- x x 程序要求代码全部使用缩进来分层 否则将导致程序错 Python , 误 无法运行 编程规范中指出 缩进最好采用空格形式 每 , 。Python : , 一层向右缩进4个空格 在同一段代码中不能混用 键和空格键 , Tab , 如表215所示 . 。 表2.15 缩进对Python程序设计语言的影响 Python语言 if a>b if a>b 程序 print(">") print(">") 说明 正确 可读性好 错误 , 双分支语句中 用 语句实现 如果条件表达式结果为真 , if…else , , 则执行语句块1中的语句序列 如果结果为假 则执行语句块2中的 ; , 语句序列 例如 判断x的奇偶性的语句如下 。 , : 华 东 师 范 大 学 2==0 出 ifx% 为偶数 print "x " else 为奇数 版 print "x " 多分支语句中 用 语句实现 程序首先判断 语句 , if…elif…else 。 if 的条件表达式 如果结果为真 则执行语句块1中的语句序列 如果结 , , 社; 果为假 则继续判断 语句的条件表达式 如果条件表达式结果为 , elif , 真 则执行这个 对应的语句块中的语句序列 如果结果为假 则继 , elif , , 续判断下一个 语句的条件表达式 依此类推 如果所有的条件表 elif 。 , 达式结果均为假 则执行 后的语句块 例如 根据气温判断高温 , else 。 , 预警信号级别的语句如下 其对应的流程图如图213所示 , . 。 61数据与计算 =40 iftemperature> 高温红色预警 print " " =37 华 eliftemperature> 高温橙色预警 print " " =35 eliftemperature> 高温黄色预警 东 print " " else 请注意防暑降温 print " " 师 范 大 学 出 图2.13 多分支流程图 版 例如 在计算和显示 指数时 一般会选择文字 颜色或图形 , BMI , 、 等不同的表现形式给用户更直观的提示 要实现这个功能 需要使用 。 , 分支结构对 指数进行范围判定 并相应地显示 正常 或 需注 BMI , “ ” “ 社 意 的提示 ” 。 1. 抽象与建模 要通过使用文字描述的方式显示 指数代表的含义 首先要 BMI , 计算出 指数 然后与 指数标准范围值进行比较 并根据结果 BMI , BMI , 显示相应的文字描述 如表216所示 , . 。 62表2.16 BMI指数标准对照 描述 WHO标准 需注意 <18.5 正常 18.5~24.9 需注意 >25 2. 设计算法 由于需要将计算得出的 指数与标准范围 BMI 值进行比较 如果比较结果为真 则输出 正常 , , “ ”; 如果比较结果为假 则输出 需注意 因此 该算 , “ ”。 , 法就需要采用分支结构 具体算法描述如下 其流 , , 程图如图214所示 . 。 图2.14 BMI指数判定算法流程图 第二章 算法与程序实现 输入身高height ① 输入体重weight ② 计算 指数 保留一位小数 ③ BMI 判定 指数是否大于等于185且小于等于249 如果为 ④ BMI 真 则输出 正常 如果为假 则输出 需注意 􀆵 􀆵 输出 指数。 ⑤ BMI 3. 编写程序 根据算法 用 程序设计语言编写程序如下 , Python : 华 东 师 范 大 学 出 版 导入 库 importmath # math 社 = 请输入身高 height float input " m " = 请输入体重 weight float input " kg " = 2 1 bmi round weight math pow height 使用内置函数 保留一位小数 # round =185 =249 正常 ifbmi> andbmi< # 正常 print " " 63数据与计算 需注意 else # 需注意 print " " 华 = 输出 指数 print "BMI " bmi # BMI 东 4. 调试运行 将程序在 环境中进行调试运行 程序会更根据不同的身 师Python , 高 体重值 相应地给出不同的文字描述 并输出计算后的 指数 、 , , BMI , 如图215所示 图2.15 程序运行结果 . 。 范 探 究 活 动 上述程序中用两种文字描述来表示BM大I指数的两个范围 请你使用turtle库再设计一个图形显示方案 , 来表示这两种BMI指数范围(例如可使用两种不同颜色的形状等)并填写表2.17 , 。 表2.17 图形化显示BMI指数范围 的分析与实现 “ ” 学 输入 抽象与建模 输出 计算模型 出 流程图 Python程序 版 设计 编写 算法 程序 社 调试运行 情况记录 64技 术 支 持 turtle库介绍 turtle库是Python语言中一个较常用的绘制图像函数库 类似一个小乌龟 从一个横轴为x纵轴为y 华 , , 、 的坐标系原点 该原点位于画布中心位置 (0,0)位置开始 根据一组函数指令的控制 在这个平面坐标系中 ( ) , , 移动 从而在它爬行的路径上绘制图形 常用的turtle绘图基础知识包括画布和画笔两部分 , 。 。 画布用于表示绘图区域 画布大小和颜色可以设置 例如 turtle.screensize(400,300,"black")表示宽 , 。 : , 400像素东长300像素的黑色画布 画笔为画布上一个默认的箭头 常用的属性和命令如表2.18所示 、 。 , 。 表2.18 画笔常用命令表 命 师令 描 述 turtle.goto(x,y) 将画笔移动到坐标为(x,y)的位置 turtle.pendown() 放下笔 移动时绘制图像 , turtle.penup() 范提起笔 移动时不绘制图像 , turtle.circle(radius) 画圆 radius为正 负 表示画圆时圆心在画笔的左边 右边 , ( ), ( ) turtle.color(color1,color2) 同时设置pencolor为color1fillcolor为color2 , turtle.begin_fill() 准备开始填充图形 与turtle.end_fill()命令配合使用 大, turtle.end_fill() 填充完成 与turtle.begin_fill()命令配合使用 , 可以通过help()函数查看详细说明和用途 如help(turtle.circle) ,学。 四、 循环结构的 Python实现 出 在不少实际问题中 有许多具有规律性的重复操作 因此在程序 , , 中就需要重复执行某些语句 如果仅使用顺序结构和分支结构是无法 , 版 完全实现的 此时就需要使用循环结构了 , 。 探 究 活 动 社 智能跑步机每次测量的实时体重数据都会被自动上传到远程服务器上进行存储 当配套的移动应用 。 程序启动并连接到远程服务器上时 就能够自动读取并显示多日的体重数据和BMI指数变化 , 。 1. 分析多日的体重数据分别用变量和列表来储存的不同之处 。 2. 设计算法 完成连续一周的体重数据和BMI指数显示 并用流程图进行描述 , , 。 在循环结构中 通过判定条件 来确定部分语句是否需要被重复 , , 第二章 算法与程序实现 65执行 当条件结果为真时 循环体被重复执行 直到条件结果为假 , , , 为止 语言中 循环结构主要通过 语句和 语句 。Python , while for 实现 。 语句的基本格式为 while : 数据与计算 条件表达式 while 语句块 语句中的条件表达式为循环条件 语句块为循环体 表达式 while , , 后的冒号不能省略 例如 要输出给定列表中数字的平方数 可以用 。 , , 语句实现 程序代码及运行结果如下 while , : = 12345 运行结果 alst = 1 的平方是 1 total len alst =0 2 的平方是 4 i 3 的平方是 9 whilein): #如果m比n大 if(m>n): #如果m比n大 m,n=n,m #则交换两个变量的值 m,n=n,m #则交换两个变量的值 gcd=1 times=0 #设定循环计数变量初值 times=0 #设定循环计数变量初值 while(n!=0):版#辗转相除法求最大公约数 for i in range(2,m+1): #枚举法求最大公约数 t=m%n if(m%i==0 and n%i==0): m=n gcd=i n=t times=times+1 #循环计数增加 times=times+1 #循环计数增加 print(m) 社 print(gcd) print(times) print(times) 输入m:12345 输入m:12345 输入n:54433 输入n:54433 1 1 12344 11 第二章 算法与程序实现 73二、 枚举法的程序实现 华 用程序设计语言实现枚举法时 需要列举出所有可能的情况 逐 , , 个判断有哪些情况符合问题所要求的条件 可以采用循环结构实现列 , 举的过程 而其中判断有哪些情况符合问题所要求的条件则可以采用 , 东 分支结构来实现 。 探 究 活 动 师 一般 智能跑步机配套的移动应用程序会通过统计报表的形式给用户提供明确的跑步训练课程完成 , 度信息 用户也可以选择日报表 周报表或月报表进行查看 假设用户设定的某跑步训练课程需要持续一 , 、 。 周 每天需要完成固定的训练内容和范时长 完成后的数据会上传到远程服务器上 , , 。 1. 请设计算法 显示某用户在训练课程中完成了哪几项训练内容 未完成哪几项训练内容 , , 。 2. 选用适当的方法描述算法 。 大 根据跑步课程的设定 用户每天的跑步数据都会被实时传输到远 , 程服务器上 当用户打开移动应用程序时 会通过网络对服务器上的 。 , 学 数据进行读取 并且显示该用户的课程完成情况 , 。 1. 抽象与建模 出 要显示用户的跑步课程完成情况 就需要对课程每日的训练内容 , 以及完成后自动上传的已消耗卡路里数进行统计 。 版 输入 跑步课程中的每日训练内容和对应训练内容消耗的卡路里 : 数 这些信息由程序自动读取数据库中存储的数据 不需要用户输入 , , ; 输出 完成的项目数和未完成的项目名称 : ; 计算模型 已完成项目数= n data 社 : i=1 i, ∑ 0 消耗的卡路里数=0 ( ), data = i 1 消耗的卡路里数 0 ( ≠ ); 未完成项目数= n item ∪ i= 1 i, 空字符串 消耗的卡路里数= ( 0), item = i 项目名称 消耗的卡路里数 ( ≠0)。 74 数据与计算其中n为该跑步课程共有多少项训练内容 消耗的卡路里数为 , , 大于等于零的整数 为求和符号 , 。 ∑ 2. 设计算法 在进行统计时 可以使用枚举法来逐一列举并检测 根据枚举法 , 。 的一般模式 确定范围和验证条件如下 , : 确定范围 用户一周的跑步课程训练内容 : ; 验证条件 检测某训练内容消耗的卡路里数是否为0 如不为0 : , , 则表示已完成训练 并计数 如为0 则表示该训练内容未完成 需要记 , ; , , 录该训练内容 。 算法描述如下 : 第二章 算法与程序实现 读入一周的跑步课程训练内容 ① 读入对应课程训练内容消耗的卡路里数 ② 初始设定已完成项目数 finished为0 未完成项目名称unfinished为空字符串 ③ 逐一列举一周的对应训练内容消耗的卡路里数 ④ 如果当前枚举的卡路里数为0 则将对应的训练内容名称加入unfinished 否则 ⑤ finished的计数加1 输出完成项数目及未完成项目名称。 ⑥ 3.编写程序 移动应用程序读取服务器上的数据后 可将用户在跑步课程中消 , 耗的卡路里数存储在列表中 例如某用户一周训练课程对应消耗的卡 , 路里数的初始列表值为 0000000 训练内容则固定存储在另 [,,,,,,], 一个列表中 并且与消耗的卡路里数存储位置一一对应 以下显示的 , 。 是某用户一周训练内容安排和每天对应消耗的卡路里数在列表中的 存储情况 可以看出 该用户在 变速练习 训练中消耗了600千卡 。 , “ ” , 总共完成了6项训练 但没有完成 快走 训练 , “ ” 。 华 东 师 范 大 学 出 版 社 低速低强度 变速练习 低速低强度 快走 低速低强度 坡度练习 低速低强度 " " " " " " " " " " " " " " 4006003800420620397 75根据设计的算法 用 程序实现如下 , Python : 数据与计算 = 低速低强度 变速练习 低速低强度 快走 低速低强度 坡度练 itemlist " " " " " " " " " " " 习 低速低强度 " " " = 4006003800420620397 datalist =0 记录完成了多少项训练内容 finished # = 记录未完成的训练内容 unfinished "" # 7 foriinrange ==0 ifdatalist i = + + unfinished unfinished itemlist i "" else = +1 finished finished 完成了 项 print " " finished " " 未完成项目 print " " unfinished 4. 调试运行 在 环境中调试运行以上程序 结果显示如下 Python , : 华 东 师 范 大 学 完成了6项 未完成项目 快走 出 项 目 实 践 版 假设每项训练内容都有要求的卡路里消耗最低值 请参考以上程序进行编程 实现统计 该用户哪些 , , “ 训练项目未达标 请将你的分析和程序填入表2.22中 ”, 。 例如 每项训练内容要求的卡路里消耗最低值存储在mindata380,580,380,450,380,650,380中 从 , [ ] , 中可以看出 坡度练习 训练要求的卡路里消耗最低值为650千卡 社 “ ” 。 请同学们分析一下本题使用枚举法实现的Python程序 从程序结构的角度上总结枚举法一般需要包 , 含哪几种基本控制结构 。 76表2.22 算法分析及程序实现表 输入 华抽象与建模 输出 计算模型 流程图 Python程序 东 师 设计 编写 算法 程序 范 大 学 调试运行 情况记录 出 版 知 识 延 伸 排序和查找 排序算法 就是如何使得记录按照要求 升序或降序 排列的方法 与枚举法一样 排序算法早在计算 , ( ) 。 , 机出现之前就已经被人们在实际生活中使用了 人们可以通过 看一眼 扫社一遍 的方式对两个数据快速 。 “ ”“ ” 分辨大小 因此可以在较短的时间内对有限的数据快速地进行排序 而计算机只有通过比较才能够分清 , 。 两个数 在计算机中不仅仅指数值数据 的大小 从而在排序时要进行反复的比较和交换 但由于计算机具 ( ) , , 有高速运算的能力 因此面对大数据量时就比人显得更有优势 , 。 选择排序的基本思想非常直接 每一次从序列的所有元素中先找到最小的 然后放到第一个位置 之 , , 。 后再看剩余元素中最小的 放到第二个位置 依此类推 就可以完成整个排序工作了 选择排序的关键 , …… , 。 是帮助固定位置找到合适的元素 。 例如 待排序数据为 45 67 12 78 39 23 使用选择排序算法的排序过程如表2.23所示 , “ ”, 。 第二章 算法与程序实现 77表2.23 选择排序算法过程记录表 步骤 待排序数据 最小值 备注 华 第1步 45 67 12 78 39 23 12 45和12位置交换 第2步 12 67 45 78 39 23 23 67和23位置交换 第3步 12 23 45 78 39 67 39 45 和39位置交换 东 第4步 12 23 39 78 45 67 45 78和45位置交换 第5步 12 23 39 45 78 67 67 78和67位置交换 第6步 12 23 39 45 67 78 结束排序 师 除了选择排序 还有冒泡排序 插入排序 归并排序 快速排序 堆排序等许多排序算法 每一种排序算 , 、 、 、 、 , 法都能按照一定的基本原理 完成对数据的排序 , 。 查找也是生活中最常用的算法之一 指通过一定的方法找出与给定关键字相同的数据元素的过程 范, 。 常用的查找算法有顺序查找和二分查找 顺序查找是一种最基本 最简单的查找算法 例如 使用顺序查 。 、 。 , 找在手机通信录里查找名字叫 孙老师 的联系人信息 则需要从通信录的第一个联系人开始 逐个往下比 “ ” , , 较 直到找到名字叫 孙老师 的联系人为止 如果所有联系人都查找完了 仍旧找不到这个联系人 则表 , “ ” 。 , , 大 示查找不成功 二分查找也称为折半查找 其基本思想是当待查找数据有序时 首先找到待查找数据中的 。 , , 中间元素 将其值与关键字进行比较 若不等 则根据该值与关键字的比较结果来决定继续查找待查数据 , , , 的前半部分或后半部分 例如 要在手机通信录中查找 孙老师 的联系信息是不会有人愿意从头开始一 。 , “ ” 一比较的 手机中的联系人信息一般都会按拼音首字母进行排序 因此要查找 孙老师 的信息 就可以初 学 。 , “ ” , 步判定 S应该处于通信录的后部 点击通信录的相应位置 如果运气好 一次就能找到 即使没找到 也可 “” , , , ; , 以根据相对位置往前或往后翻阅通信录 这种算法和顺序查找相比 比较次数少 查找效率要高得多 但 。 , , , 实施二分查找的先决条件就是待查范围的数据必须是有序排列的 。 出 查找算法的效率取决于查找的次数 顺序查找的次数由所查找的元素在序列中的位置所决定 而二 , 。 分查找的效率要高得多 但二分查找必须基于有序排列 因此 针对查找规模较小的无序数列 顺序查找 , 。 , , 也是一种常用的有效方法 。 版 社 78 数据与计算华 东 师 范 第 三 章 大 学 数据处理与应用 出 版 本章学习目标 社 通过典型的应用实例 了解数据采集和整理的基本方法 理解数据安全 ◉ , , 的重要性 。 选用合适的软件工具或平台处理数据 掌握数据可视化的基本方法 ◉ , 。 了解数据分析报告的结构形式 完成解决问题的数据分析报告 感悟数 ◉ , , 据分析的价值 。数据处理是对数据的采集 整理 分析和可视化表达的过程 数据处理的基本目的是从大 、 、 。 量的 可能杂乱无章或难以理解的数据中抽取并推导出有价值 有意义的数据 为人们的判断 、 、 , 、 决策 预测提供依据 、华。 如今 数据处理已贯穿社会生产和社会生活的各个领域 数据处理技术的发展及其应用的 , , 广度和深度 极大地影响着人类社会发展的速度 人流如织的地铁站中 无论是刷卡进站 还 , 。 , , 是线路选择 数东据处理都悄然相伴于人们的步履匆匆 繁忙的物流行业中 无论是物流效率的 , ; , 提高 还是物流成本的降低 都离不开数据处理对物流网络的优化 宏伟的城市群布局中 无论 , , ; , 是城市规划 还是环保监测 数据处理都为城市的科学管理提供了强有力的支撑 , , 。 师 在数据处理的学习和应用中 我们可以感受数据的魅力 探索数据的价值 提升驾驭数据 , , , 的能力 让数据成为我们学习 工作和生活的得力助手 , 、 。 范 大 本章知识结构 学 )* FK)   >   * 出                版        F    > K )   + + + . 3  1   社         " " "     * 5          > + 4 A           ) ) )    +    F F 4   K *  F  K    @    K     "    80 数据与计算项目主题 交通数据利抉择 华 项·目·情·境 共享单车的诞生 顺应了 绿色出行 的环保理念 解决了人们出行 最后一公 , “ ” , “ 东 里 的烦恼 但与此同时 又有新的问题浮出水面 ” 。 , 。 小申是一名 优秀志愿者 他的服务岗位是学校附近的共享单车站点 因为 “ ”, 。 学校周边还有地铁站 图书馆等 所以小申服务的站点的共享单车租放量很大 有 、 , 。 时共享单车太多而挤占了人行道 有时人多而共享单车却供不应求 小申看在眼里 师 , , 急在心里 共享单车使用的 潮汐 难题如何破解呢 。 “ ” ? 范 项·目·任·务 大 任务1 任务2 任务3 利用信息技术工 学习数据处理的 应用项目活动中 具收集共享单车使 学 用 常用工具和方法,对数 的数据处理结果,以小 过程中的相关数据,形 据集进行整理,用可视 组为单位撰写数据分 成数据集。 化方式呈现出来。 析报告,交流分享学习 成果。 出 版 社 第三章 数据处理与应用 81第一节 数据采集、整理与安全 当今社会 信息技术开始渗透至人类日常生活的方方面面 随之 , , 华 而产生的数据量也呈现指数级数增长的态势 例如物联网传感器 社 , 、 交网络等每时每刻都产生着大量的数据 面对数据量的快速增长及 。 变化 数据来源的多元化 数据呈现方式的多样化 我们在遵守相关法 、 、 , 东 律法规 尊重知识产权的前提下 有效地采集与整理数据是进行数据 、 , 处理的基础 。 师 体 验 思 考 共享单车在使用时有解锁和闭锁环节 解锁和闭锁方式有多种 图3.1和图3.2所示是用户在使用共 。 , 享单车时采用蓝牙方式借还车的场范景 。 大 学 出 图3.1 蓝牙模式解锁流程 图3.2 蓝牙模式锁车 还车流程 、 思考：在借还车的过程中产生的大量数据有哪些类型? 如何采集这些数据? 我们可以将数 版 据保存在哪里? 把思考的结果填写在表31中。 . 表3.1 共享单车的数据 社 单 车 数 据 用 户 数 据 通信连接状态 车锁状态 使用记录 用户基本信息 消费记录 骑行的路径 数据描述 、 、 、 、 、 、 等 等 、 、 、 、 数据采集方法 数据保存方法 82 数据与计算一、 数据采集 数据采集一般需要经历明确数据要求 确定数据来源 选择采集 、 、 华 方法 实施数据采集的过程 数据来源有多种渠道 如传感设备 互联 、 。 , 、 网 问卷调查 企业内部数据库等途径 采集数据的方法有很多 目前 、 、 。 , 较为广泛使用的是传感数据采集和互联网数据采集 。 东 1. 传感数据采集 师 传感数据是由传感设备收集和测量的数据 传感设备 , 可穿戴在用户身上 也可设置在现实环境中 如图33所 , , . 示 传感数据涉及很多方面 如人体的传感数据 网络信 。 , 、 范号的传感数据和气象的传感数据等 通常情况下 传感设 。 , 备以一定的频率采集数据并发送至相应的数据接收端 这 , 些数据精准地记录着某个具体参数的实时变化情况 基 。 于传感设备所采集的数据为后续的数据分析和数据可视 大 化提供了重要的数据来源 图3.3 可穿戴设备示意图 。 2. 互联网数据采集 学 互联网数据采集是指利用互联网搜索引擎技术实现有针对性 行 、 业性的数据抓取 并按照一定规则和筛选标准进行数据归类 最终形 , 出 , 成数据库文件的一个过程 。 通常 实现互联网数据采集的流程有三个步骤 获取网页 解析 , : 、 网页 提取数据 和保存数据 ( ) 。 版 （1） 获取网页 获取网页的工作主要是获取网页的源代码 源代码里包含了网 。 页的部分有用信息 只要得到源代码 就可以从中提取想要的信息了 , , 。 获取源代码的关键就是构造一个请求并发社送给服务器 然后在接收到 , 服务器的响应后将其解析出来 。 提供了许多库来帮助我们实现这个操作 如 Python , urllib、 等 请求和响应都可以用库提供的数据结构来表示 得到响 Requests 。 , 应之后只需要解析数据结构中的 部分 即可得到网页的源代码 body , , 这样我们就可以用程序来实现获取网页的过程了 。 （2） 解析网页 获得网页的源代码后 接下来就是要分析网页源代码 从中提取 , , 第三章 数据处理与应用 83我们想要的数据 由于网页的结构有一定的规则 所以可以利用一些 。 , 用于提取网页信息的库 如 等 高效 ( BeautifulSoup、PyQuery、lxml ), 快速地提取网页信息 。 解析网页并从中提取信息 可以使杂乱的数据变得条理清晰 以 , , 便我们后续处理和分析数据 。 （3） 保存数据 提取数据后 我们一般会将其保存 以便后续使用 保存的形式 , , 。 多种多样 如文件存储 数据库存储或网络存储等 , 、 。 项 目 实 践 上网搜索共享单车的运营和用户使用信息 尝试使用互联网数据采集的方法 采集我们生活区域内的 , , 共享单车数据 如站点数量 单车数量 开 闭 锁时间 骑行距离等 以TXT文件格式进行保存 , 、 、 ( ) 、 , 。 技 术 支 持 网页爬取与解析 1. 网页请求过程  要让网页展示在我们的面前 首先要经历的第一步 就是向服务器 , ,   发送访问请求 requests 服务器接收到请求后 会验证请求的有效  ( )。 , 性 然后向客户端发送响应的内容(responses)客户端接收服务器响 图3.4 请求示意图 , , 应的内容 将内容展示出来 如图3.4所示 , , 。 2. 网页请求方式 Python有一个强大的Requests库能够让我们很方便地发送HTTP请求 这个库的功能比较完善 而 , , 且操作比较简单 导入Requests库的语法为 。 : 数据与计算 importrequests 网页请求方式有多种 GET是最常见的方式 一般用于获取或者查询资源信息 响应速度较快 相比 , , , 。 GET方式 POST方式多了以表单形式上传参数的功能 因此除了可以查询信息外 还可以修改信息 , , , 。 在写程序前要先确定向谁发送请求 用什么方式发送 , 。 以下是以GET方式获取所需网页源代码的Python程序代码 。 华 东 师 范 大 学 出 版 社 导入 库 importrequests # Requests =' ' 确定请求对象 url http www xxxxxx cn # = 用 方式获取网页数据 html requests get url # GET = -8 用 8文本编码 html encoding "utf " # UTF- 输出网页的源代码 print html text # 84html=requests.get(url)语句中的html是一个URL对象 它代表整个网页 而 html.text才是网页源 “ ” , , 代码 很多情况下 如果直接使用html.text会出现乱码的问题 而使用html.encoding属性来设置文本编 。 , , , 码 如GBK UTF8等 就解决了通过html.text直接返回会显示乱码的问题 ( 、 - ), 。 3. 网页解析 通过Requests库抓取到网页源代码后 我们要从源代码中找到并提取数据 Beautiful Soup库也是 , 。 Python的一个功能很强的库 其主要功能是从网页中抓取数据 Beautiful Soup库目前已经被移植到 , 。 bs4库中 所以导入Beautiful Soup库的语法为 , : 第三章 数据处理与应用 4 frombsimportBeautifulSoup 导入Beautiful Soup库后 先用Requests库中的GET方法取得网页源代码 然后利用 Python内建 , , 的html.parser解析器对源代码进行解析 解析的结果返回到Beautiful Soup类对象sp中 具体语法为 , 。 : = 源代码 ' ' sp BeautifulSoup html parser 以下是获取网页