11. Unterrichtsblock
11. Unterrichtsblock Python Arrays Hinweis: Heute lernen wir, wie wir LISTEN als ARRAYS verwenden. Um mit Arrays in Python arbeiten zu können, muss man eine Bibliothek importieren, z. B. die NumPy-Bibliothek . Arrays werden verwendet, um mehrere Werte in einer einzigen Variablen zu speichern: Erstellen eines Arrays mit Autonamen: Was ist ein Array? Ein Array […]
Python Arrays
Hinweis: Heute lernen wir, wie wir LISTEN als ARRAYS verwenden. Um mit Arrays in Python arbeiten zu können, muss man eine Bibliothek importieren, z. B. die NumPy-Bibliothek .
Arrays werden verwendet, um mehrere Werte in einer einzigen Variablen zu speichern:
Erstellen eines Arrays mit Autonamen:
Was ist ein Array?
Ein Array ist eine spezielle Variable, die mehr als einen Wert gleichzeitig enthalten kann.
Wenn Sie über eine Liste mit Elementen verfügen (z. B. eine Liste mit Autonamen), könnte das Speichern der Autos in einzelnen Variablen wie folgt aussehen:
Was aber, wenn man die Autos durchgehen und ein bestimmtes finden möchte? Und was wäre, wenn man nicht 3 Autos, sondern 300 hätte?
Die Lösung ist ein Array!
Ein Array kann viele Werte unter einem einzigen Namen enthalten, und man kann auf die Werte zugreifen, indem man auf eine Indexnummer verweist.
Zugriff auf die Elemente eines Arrays
Ändern des Werts des ersten Array-Elements:
Die Länge eines Arrays
Man kann die len()Methode verwenden, um die Länge eines Arrays (die Anzahl der Elemente in einem Array) auszugeben. Gibt die Anzahl der Elemente im cars Array zurück:
Hinweis: Die Länge eines Arrays ist immer um eins größer als der höchste Array-Index.
Iterieren von Array-Elementen
Mit einer for in-Schleife können alle Elemente eines Arrays durchlaufen werden.
Ausgabe jedes Elements im autos-Array:
Array-Elemente hinzufügen
Mit der Methode append()kann einem Array ein Element hinzugefügt werden.
Array-Elemente entfernen
Mit der Methode pop() kann ein Element aus dem Array entfernt werden.
Man kann auch die Methode remove() verwenden, um ein Element aus dem Array zu entfernen.
Hinweis: Die Methode remove()entfernt nur das erste Vorkommen des angegebenen Werts.
Array-Methoden
Python verfügt über eine Reihe integrierter Methoden, die für Listen/Arrays verwendet werden können.
| Methode | Beschreibung |
| append() | Fügt am Ende der Liste ein Element hinzu |
| clear() | Entfernt alle Elemente aus der Liste |
| copy() | Gibt eine Kopie der Liste zurück |
| count() | Gibt die Anzahl der Elemente mit dem angegebenen Wert zurück |
| extend() | Fügen Sie die Elemente einer Liste (oder einer Iterable) zum Ende der aktuellen Liste hinzu |
| index() | Gibt den Index des ersten Elements mit dem angegebenen Wert zurück |
| insert() | Fügt ein Element an der angegebenen Position hinzu |
| pop() | Entfernt das Element an der angegebenen Position |
| remove() | Entfernt den ersten Element mit dem angegebenen Wert |
| reverse() | Kehrt die Reihenfolge der Liste um |
| sort() | Sortiert die Liste |
Hinweis: Python bietet keine integrierte Unterstützung für Arrays, aber stattdessen können Python-Listen verwendet werden.
Aufgabe
Aufgabe 1: Listen und Append
Aufgabe: Erstelle ein Programm, das den Benutzer auffordert, drei Namen einzugeben. Speichere diese Namen in einer Liste und füge dann einen weiteren Namen hininzufügen, den du selbst wählst. Gib am Ende die gesamte Liste aus.
Aufgabe 2: Länge einer Liste
Aufgabe: Schreibe ein Programm, das eine Liste von fünf verschiedenen Früchten enthält. Das Programm soll die Gesamtanzahl der Früchte in der Liste ausgeben, indem es die len()-Funktion verwendet. Fordere den Benutzer anschließend auf, eine Frucht hinzuzufügen, und gib die neue Länge der Liste aus.
Aufgabe 3: Durchlaufen einer Liste mit einer Schleife
Aufgabe: Erstelle ein Programm, das eine Liste von fünf Zahlen enthält. Verwende eine Schleife, um jede Zahl in der Liste zu durchlaufen und jede Zahl mit 2 zu multiplizieren. Speichere das Ergebnis in einer neuen Liste und gib diese am Ende aus.
Aufgabe 4: Arbeiten mit Dictionaries
Aufgabe: Schreibe ein Programm, das ein Dictionary enthält, das verschiedene Artikel (als Schlüssel) und deren Preise (als Werte) speichert. Das Programm soll den Benutzer auffordern, den Namen eines Artikels einzugeben. Wenn der Artikel im Dictionary vorhanden ist, gib den Preis aus. Andernfalls soll eine Nachricht ausgegeben werden, dass der Artikel nicht gefunden wurde. Füge am Ende einen neuen Artikel und dessen Preis zum Dictionary hinzu und gib das aktualisierte Dictionary aus.
Aufgabe 5: Tupel und Nutzereingaben
Aufgabe: Erstelle ein Programm, das ein Tupel von drei verschiedenen Städtenamen enthält. Das Programm soll den Benutzer auffordern, einen Index (0, 1 oder 2) einzugeben und den Namen der Stadt an diesem Index auszugeben. Fange mögliche Fehler ab, die durch ungültige Indizes verursacht werden können, und gib eine entsprechende Fehlermeldung aus.
Python Klassen & Objekte
Python ist eine objektorientierte Programmiersprache. Fast alles in Python ist ein Objekt mit seinen Eigenschaften und Methoden.
Klassen und Objekte sind die beiden Hauptaspekte der objektorientierten Programmierung. Folgedes Beispiel zeigt den Unterschied zwischen einer Klasse und den Objekten:
Klasse
Tier
Objekte innerhalb der Klasse
- Katze
- Hund
- Pferd
Klasse
Schulfach
Objekte innerhalb der Klasse
- Mathematik
- Informatik
- Deutsch
Eine Klasse ist wie ein Objektkonstruktor oder eine „Blaupause“ zum Erstellen von Objekten.
Erstellen einer Klasse
Um eine Klasse zu erstellen, verwendet man das Schlüsselwort class:
Erstellen Sie eine Klasse namens MeineKlasse mit einer Eigenschaft namens x:
Objekt erstellen
Jetzt können wir die Klasse MeineKlasse verwenden, um Objekte zu erstellen:
Erstellen eines Objekts mit dem Namen p1 und Ausgabe des Wert von x:
Die Funktion __init__()
Die obigen Beispiele sind Klassen und Objekte in ihrer einfachsten Form und sind in realen Anwendungen nicht wirklich nützlich. Um die Bedeutung von Klassen zu verstehen, müssen wir die integrierte Funktion __init__() verstehen.
Alle Klassen verfügen über eine Funktion namens __init__(), die immer ausgeführt wird, wenn die Klasse initiiert wird. Um Funktionen zu erstellen, benötigen wir wieder das def Keyword.
Verwendung der Funktion __init__(), um Objekteigenschaften Werte zuzuweisen oder andere Vorgänge auszuführen, die beim Erstellen des Objekts erforderlich sind:
Beispiel
Erstellen einer Klasse mit dem Namen Person und Verwendung der Funktion __init__(), um Werte für Name und Alter zuzuweisen:
Hinweis: Die __init__()Funktion wird jedes Mal automatisch aufgerufen, wenn die Klasse zum Erstellen eines neuen Objekts verwendet wird.
Der self-Parameter
Der self-Parameter ist ein Verweis auf die aktuelle Instanz der Klasse und wird für den Zugriff auf Variablen verwendet, die zur Klasse gehören.
Er muss nicht mit self benannt werden, man kann ihn beliebig benennen, aber er muss der erste Parameter einer beliebigen Funktion in der Klasse sein:
Verwendung der Wörter meintollesobjekt und abc anstelle von self :
Hinweis: Der self-Parameter ist ein Verweis auf die aktuelle Instanz der Klasse und wird für den Zugriff auf Variablen verwendet, die zur Klasse gehören.
Aufgabe
Einfache Klassendefinition und Objektinitialisierung
Ziel: Erstelle eine Python-Klasse namens Buch, die Bücher mit ihren Titeln und Autoren repräsentiert. Jedes Buch-Objekt soll bei seiner Initialisierung den Titel und den Autor als Argumente erhalten. Schreibe anschließend Code, um zwei Buchobjekte mit spezifischen Titeln und Autoren zu erstellen und die Details jedes Buches auszugeben.
Schritte:
- Klassendefinition: Definiere eine Klasse Buch. Die __init__-Methode der Klasse soll zwei Parameter annehmen (abgesehen von self): titel und autor. Speichere diese Parameter in Instanzvariablen innerhalb der Klasse.
- Objektinitialisierung: Erstelle zwei Instanzen der Buch-Klasse mit folgenden Details:
- Buch 1: Titel: „Die unendliche Geschichte“, Autor: „Michael Ende“
- Buch 2: Titel: „Momo“, Autor: „Michael Ende“
- Daten Ausgabe: Füge eine Methode in die Buch-Klasse ein, die zeige_details heißt und die Details des Buches ausgibt, also Titel und Autor.
- Teste deinen Code: Initialisiere die beiden Buchobjekte und rufe ihre zeige_details-Methode auf, um sicherzustellen, dass die Details korrekt ausgegeben werden.
Beispiel für erwartete Ausgabe:
Die Funktion __str__()
Die Funktion __str__() steuert, was zurückgegeben werden soll, wenn das Klassenobjekt als String dargestellt wird. Wenn die Funktion __str__() nicht gesetzt ist, wird die String-Darstellung des Objekts zurückgegeben. Mit dem def Keyword wird die Funktion erstellt.
Die String-Darstellung eines Objekts OHNE die Funktion __str__():
Die String-Darstellung eines Objekts MIT der Funktion __str__():
f-Strings
Das f vor den Anführungszeichen in einem String (wie f"...") in Python kennzeichnet einen sogenannten f-String. F-Strings, eingeführt in Python 3.6, bieten eine sehr bequeme Art, Variablen und Ausdrücke innerhalb von Zeichenketten (Strings) einzubetten und zu formatieren. Der Buchstabe f steht hierbei für „formatiert“.
Innerhalb der geschweiften Klammern {} eines f-Strings kann man Variablen, Ausdrücke, Funktionen und sogar Methodenaufrufe platzieren, die zur Laufzeit ausgewertet und durch ihre jeweiligen Werte ersetzt werden. Das macht den Code nicht nur kürzer und leichter lesbar, sondern auch flexibler, weil man direkt mit den Variablen innerhalb des Strings arbeiten kann, ohne sie vorher in den String konvertieren zu müssen.
Vorteil: Man spart sich z.B. das Casting von Integers und Floats
Beide Beispiele produzieren die Ausgabe Hallo, Welt!, aber das zweite Beispiel nutzt den f-String, um die Variable name direkt in den String einzubetten.
In der __str__-Methode unseres Buch-Objekts aus den Übungsaufgaben ermöglicht der f-String, dass die Attribute titel und autor des Objekts direkt in die zurückgegebene Zeichenkette eingefügt werden, was den Code sehr klar und prägnant macht:
So wird aus dem f-String eine formatierte Zeichenkette, die die Titel- und Autorwerte des Buchobjekts enthält, wenn die Methode aufgerufen wird.
Aufgabe
Erweiterung der Buch-Klasse mit einer __str__-Methode
Ziel: Modifiziere die Buch-Klasse aus der vorherigen Aufgabe, indem du eine __str__-Methode hinzufügst, die eine formatierte Zeichenkette (f-String) zurückgibt, wenn ein Buchobjekt in einen String umgewandelt wird oder direkt ausgegeben wird. Anschließend, erstelle erneut zwei Buchobjekte mit vorgegebenen Titeln und Autoren und gib sie aus, um die Funktionalität der __str__-Methode zu testen.
Schritte:
- Modifiziere die Klassendefinition: Füge der Buch-Klasse eine __str__-Methode hinzu. Diese Methode soll keinen Parameter außer self akzeptieren und eine Zeichenkette zurückgeben, die den Titel und den Autor des Buches in einem ansprechenden Format enthält.
- Formatierung der Ausgabe: Die __str__-Methode sollte eine Zeichenkette zurückgeben, die etwa folgendermaßen aussieht: "Buch: [Titel] von [Autor]", wobei [Titel] und [Autor] durch die entsprechenden Werte der Instanzvariablen ersetzt werden.
- Erstellung und Ausgabe von Buchobjekten: Erstelle wie in der vorherigen Aufgabe zwei Buchobjekte mit den gleichen Titeln und Autoren. Verwende dieses Mal jedoch die print-Funktion, um die Objekte direkt auszugeben, anstatt eine spezielle Methode aufzurufen. Überprüfe, ob die Ausgabe der __str__-Methode entspricht.
Erwartete Ausgabe:
Objektmethoden
Objekte können auch Methoden enthalten. Methoden in Objekten sind Funktionen, die zum Objekt gehören.
Erstellung eine Methode in der Person-Klasse:
Einfügen einer Funktion, die eine Begrüßung druckt, und Ausführung auf dem p1-Objekt:
Aufgabe
Speichern von Buchobjekten in einer Liste
Ziel: Ergänze die bestehende Buch-Klasse und den darauf aufbauenden Code, indem du eine Funktion hinzufügst, die es ermöglicht, mehrere Buchobjekte in einer Liste zu speichern. Erstelle eine Funktion, die durch alle gespeicherten Buchobjekte iteriert und deren Details mittels der __str__-Methode ausgibt.
Schritte:
- Liste für Buchobjekte: Definiere eine leere Liste namens bibliothek, in der die Buchobjekte gespeichert werden sollen.
- Funktion zum Hinzufügen von Büchern: Erstelle eine Funktion namens buch_hinzufuegen, die ein Buchobjekt als Parameter nimmt und es der bibliothek-Liste hinzufügt.
- Funktion zum Anzeigen der Bücher: Entwickle eine Funktion zeige_buecher, die durch die bibliothek-Liste iteriert und jedes Buchobjekt mithilfe der print-Funktion ausgibt. Nutze hierbei die __str__-Methode der Buchobjekte, um eine formatierte Ausgabe zu erreichen.
- Testen des Codes: Erstelle einige Buchobjekte und füge sie mit der buch_hinzufuegen-Funktion zur bibliothek-Liste hinzu. Verwende anschließend die zeige_buecher-Funktion, um alle Bücher in der Liste auszugeben.
Erwartete Ausgabe:
Objekteigenschaften ändern
Man kann die Eigenschaften von Objekten wie folgt ändern:
Ändern des Alters von p1 auf 40:
Objekteigenschaften löschen
Man kann Eigenschaften von Objekten löschen, indem man das del-Schlüsselwort verwendet:
Löschen Sie die Alterseigenschaft aus dem p1-Objekt:
Objekte löschen
Man kann Objekte löschen, indem man das del-Schlüsselwort verwendet:
Löschen des p1-Objekts:
Die pass-Anweisung
class-Definitionen dürfen nicht leer sein. Wenn man jedoch aus irgendeinem Grund eine class-Definition ohne Inhalt haben will, gibt man die pass-Anweisung ein, um eine Fehlermeldung zu vermeiden.
Aufgabe
Baue einen simplen Taschenrechner mit +, -, * und /. Die einzelnen Rechenarten sollen eigene Unterfunktionen in einem Objekt „Taschenrechner“ sein.
Machinelle Lernanwendung zur Bilderkennung
Zielanwendung
- Das Programm soll lernen, Bilder von Hunden und anderen Tieren zu unterscheiden.
- Benötigt wird ein binärer Klassikfikator (Klassifikatoren, die in zwei Gruppen sortieren)
- Perzeptron (Übliches Werkzeug, um so einen Klassifikator zu bauen)
Vortrag aus der letzten Stunde
- Wir benötigen gelabelte Daten
- Die Werten sollen nicht doppelt vorkommen
- Die Werte sollen in einer bestimmten Reihenfolge aufrufbar sein
- Man soll die Werte auch einem bestimmten Schlüssel zuordnen können
- Die Werte müssen Ganzzahlen sein
- Man benötigt eine effiziente Methode, um große Arrays zu verarbeiten
- Wir benötigen eine Matrix (Liste von einer Liste)
- Import von numpy
- Separieren der Eingabedaten und der Labels
- Import von matplotlib und pyplot
- Ausgabe erster Daten als Plot
Aktueller Projektfortschritt
Um eine Matritze zu erstellen, generieren wir ein Array von einem Array.
Große Dagensätze
Aufgabe
- Gib den ersten Wert der zweiten Zeile aus
- Gib alle Werte der ersten Spalte aus und verwende max. 15 Zeichen Code (zzgl. print() )
- Erstelle den Mittelwert aller Werte der ersten Spalte mit der neu erlernten Methode
- Gib die vorletzte Zeile der Matrix aus
- Gib den Bereich der Zeilen von 15 – 25 mit einem Befehl aus
- Gib jede dritte Zeile der Matrix aus
Visualisierung von Daten
In Python visualisert man Daten mit der Bibliothek Matplotlib
Installation
Import
Pyplot
Die meisten Matplotlib Anwendungen liegen im pyplot Unterverzeichnis und werden im Normalfall mit dem plt Alias imporitert.
Visualisierung der Features
Anwendungen von MatplotLib:
Linien plotten: plt.plot()
Balkendiagramme erstellen: plt.bar()
Tortendiagramme erstellen: plt.pie()
Plots anzeigen lassen: plt.show()
Tutorials: https://matplotlib.org/tutorials/
Für unsere Anwendung benötigen wir einen sog. „Scatter Plot“. Das sind Plots, die Datenpunkte im Raum visualisieren.
Dies geht mit der Anweisung: plt.scatter()
Nach dem o.g. 2. Versuch werden die Hunde schon klar herausgestellt. Mit den Beschriftungen sieht es auch schon richtig professionell aus.
- Das Perzteptron ist neben dem binären Klassifikator auch ein linearer Klassifikator.
- Binärer Klassifikator meint, dass es in der Ausgabe nur zwei Möglichkeiten geben kann
- Linearer Klassifikator meint, dass dieser anhand einer gezogenen Linie klassifizieren / trennen kann (Lineare Separierbarkeit)
Aufgabe
Probiere verschiedene Werte der Features auf der X und Y-Achse aus.
Ziel ist, die Datenpunkte so zu plotten, dass eine linieare Separierbarkeit erreicht werden kann.
Lösung (Versteckt für abgemeldete Nutzer)
Ein einzelnes Perzeptron kann noch nicht viel, wenn jedoch mehrere Perzeptrons zu einem Neuronalen Nezt zusammengeführt werden, kann daraus eine mächtige KI entstehen.
Aufgabe
- Probiere verschiedene Anwendungen von matplotlib aus
- Versuche die H1-Überschrift dieser Seite durch Webscraping mit Python zu extrahieren