Think Python

1. Les programmes reflètent la résolution de problèmes humaine

La compétence la plus importante pour un informaticien est la résolution de problèmes.

La pensée informatique. Programmer, c’est avant tout adopter une démarche structurée de résolution de problèmes, qui reproduit la manière dont l’être humain décompose une tâche complexe en étapes plus petites et gérables. Cela implique de formuler le problème, d’imaginer des solutions créatives, puis d’exprimer ces solutions clairement et précisément dans un langage compréhensible par l’ordinateur.

Instructions de base. Tout programme, quelle que soit sa complexité, repose sur quelques instructions fondamentales :

• Entrée : recueillir des données.
• Sortie : afficher des résultats.
• Calculs : effectuer des opérations mathématiques.
• Exécution conditionnelle : prendre des décisions.
• Répétition : répéter des actions.

Abstraction et décomposition. Programmer consiste à décomposer une tâche complexe en sous-tâches plus simples, jusqu’à ce que chacune puisse être réalisée par une instruction de base. Ce processus d’abstraction et de décomposition est essentiel pour maîtriser la complexité et concevoir des programmes efficaces.

2. Variables : des noms qui contiennent des valeurs

Une variable est un nom qui fait référence à une valeur.

Affectation et état. Les variables sont au cœur de la programmation : ce sont des conteneurs nommés qui stockent des valeurs. Les instructions d’affectation créent des variables et leur attribuent des valeurs spécifiques, permettant ainsi aux programmes de conserver et de manipuler des données. Un diagramme d’état illustre visuellement les variables et leurs valeurs à un instant donné.

Conventions de nommage. Choisir des noms de variables significatifs est crucial pour la lisibilité et la maintenance du code. Les noms doivent être descriptifs, en minuscules, avec des underscores pour séparer les mots (par exemple, nom_utilisateur, compte_total). Il faut éviter d’utiliser des mots-clés du langage (comme class, def, while) comme noms de variables.

Expressions et instructions. Une expression combine valeurs, variables et opérateurs pour produire un résultat. Une instruction, quant à elle, est une unité de code qui réalise une action, comme créer une variable ou afficher une valeur. Comprendre la différence entre expressions et instructions est indispensable pour écrire un code correct et efficace.

3. Fonctions : des blocs de code réutilisables

En programmation, une fonction est une séquence nommée d’instructions qui réalise un calcul.

Définition et appels. Les fonctions sont des blocs de code nommés qui accomplissent des tâches spécifiques. Définir une fonction consiste à préciser son nom, ses paramètres (entrées) et la suite d’instructions qu’elle exécute. Appeler une fonction lance ces instructions, éventuellement avec des arguments différents à chaque appel.

Modularité et réutilisabilité. Les fonctions favorisent la modularité en divisant les programmes en unités plus petites et autonomes. Cela facilite la lecture, le débogage et la maintenance du code. Elles permettent aussi la réutilisation, car une même fonction peut être appelée plusieurs fois depuis différentes parties du programme.

Portée locale et diagrammes de pile. Les variables définies à l’intérieur d’une fonction sont locales, c’est-à-dire qu’elles n’existent que dans le cadre de cette fonction. Les paramètres sont aussi des variables locales. Les diagrammes de pile sont utiles pour visualiser l’exécution des fonctions, en montrant les appels, les variables locales et les paramètres à chaque étape.

4. Conception d’interface : faire collaborer les fonctions

L’interface d’une fonction résume son mode d’emploi : quels sont ses paramètres ? Que fait-elle ? Quelle valeur renvoie-t-elle ?

Encapsulation et généralisation. L’encapsulation consiste à regrouper un morceau de code dans une fonction, en lui donnant un nom et en la rendant réutilisable. La généralisation ajoute des paramètres à une fonction, la rendant plus flexible et adaptable à différentes entrées.

Interfaces claires. L’interface d’une fonction décrit comment l’utiliser, en précisant ses paramètres, son objectif et sa valeur de retour. Une interface claire permet à l’utilisateur d’interagir avec la fonction sans avoir à comprendre son fonctionnement interne.

Refactorisation et plans de développement. La refactorisation améliore la structure et la conception du code existant sans en modifier le comportement. Un plan de développement propose une méthode structurée pour écrire des programmes, comme la démarche « encapsulation et généralisation » : commencer par un petit programme, l’encapsuler dans une fonction, la généraliser avec des paramètres, puis répéter le processus.

5. Conditionnelles et récursion : prendre des décisions

Une expression booléenne est une expression qui vaut vrai ou faux.

Exécution conditionnelle. Les instructions conditionnelles (if, elif, else) permettent d’exécuter différents blocs de code selon des conditions précises. Les expressions booléennes, qui évaluent à vrai ou faux, contrôlent le flux d’exécution.

Opérateurs logiques. Les opérateurs logiques (and, or, not) combinent des expressions booléennes pour créer des conditions plus complexes. Ils permettent au programme de prendre des décisions fondées sur plusieurs critères.

Récursion. La récursion est une technique puissante où une fonction s’appelle elle-même dans sa définition. Une fonction récursive doit posséder un cas de base qui arrête la récursion et évite les boucles infinies. Les diagrammes de pile aident à visualiser l’exécution des fonctions récursives.

6. Fonctions productives : retourner des résultats

Lorsque vous appelez une fonction productive, vous souhaitez presque toujours utiliser le résultat ; par exemple, l’assigner à une variable ou l’intégrer dans une expression.

Valeurs de retour. Les fonctions productives renvoient une valeur, qui peut ensuite être utilisée ailleurs dans le programme. L’instruction return spécifie la valeur que la fonction doit retourner.

Développement incrémental. Le développement incrémental consiste à écrire de grandes fonctions en ajoutant et testant de petites portions de code à la fois. Cette méthode évite les longues sessions de débogage et facilite la détection et la correction des erreurs.

Composition et fonctions booléennes. Les fonctions peuvent être composées en appelant une fonction depuis une autre. Les fonctions booléennes retournent vrai ou faux, et servent souvent à masquer des tests complexes à l’intérieur de fonctions.

7. Itération : répéter des actions

Les ordinateurs sont souvent utilisés pour automatiser des tâches répétitives.

Réaffectation et mise à jour. Les variables peuvent recevoir de nouvelles valeurs, qui peuvent dépendre de leurs valeurs précédentes. Cela permet aux programmes de suivre des états changeants et d’effectuer des calculs itératifs.

Boucles while. L’instruction while permet de répéter un bloc de code tant qu’une condition est vraie. Le corps de la boucle doit modifier la valeur d’une ou plusieurs variables pour que la condition devienne finalement fausse et que la boucle s’arrête.

Instructions break et algorithmes. L’instruction break permet de sortir prématurément d’une boucle selon une condition spécifique. Un algorithme est une procédure pas à pas pour résoudre une catégorie de problèmes, souvent en utilisant des calculs itératifs.

8. Chaînes de caractères : séquences de caractères

Une chaîne de caractères est une séquence de caractères.

Indexation et longueur. Les chaînes sont des séquences de caractères, accessibles individuellement grâce à l’opérateur crochet et un indice. La fonction len renvoie le nombre de caractères d’une chaîne.

Parcours et tranches. Les chaînes peuvent être parcourues avec des boucles for, permettant de traiter chaque caractère séparément. Les tranches de chaîne permettent d’extraire des portions selon un intervalle d’indices.

Immutabilité et méthodes. Les chaînes sont immuables, ce qui signifie que leurs caractères ne peuvent pas être modifiés directement. Cependant, les méthodes de chaîne permettent de créer de nouvelles chaînes à partir de modifications de l’originale.

9. Jeux de mots : étude de cas

Il est difficile de construire une pensée isolée sans utiliser ce symbole si commun.

Lecture et traitement. Cette étude de cas porte sur la résolution d’énigmes de mots en recherchant des mots aux propriétés spécifiques. Elle implique la lecture de listes de mots depuis des fichiers, la suppression des espaces et de la ponctuation, ainsi que la conversion en minuscules.

Fonctions de recherche. Les exercices consistent à écrire des fonctions qui recherchent des mots répondant à certains critères, comme ne contenant pas la lettre « e », évitant certaines lettres, utilisant uniquement certaines lettres, ou contenant toutes les lettres requises.

Plan de développement. Le plan consiste à réduire les problèmes à des problèmes déjà résolus, par exemple en reconnaissant que uses_all peut être résolu à partir de uses_only.

10. Listes : séquences modifiables

Une liste est une séquence de valeurs.

Bases des listes. Les listes sont des séquences polyvalentes et modifiables, pouvant contenir des éléments de tout type. Elles se créent avec des crochets et s’accèdent par indices.

Opérations et méthodes sur les listes. Les listes supportent diverses opérations, comme la concaténation (+), la répétition (*), et les tranches. Elles offrent aussi des méthodes pour ajouter des éléments (append, extend), en retirer (pop, remove, del), et trier (sort).

Map, filter et reduce. Les opérations courantes sur les listes peuvent s’exprimer par des combinaisons des motifs map, filter et reduce. Ces motifs consistent à transformer des éléments, sélectionner ceux qui répondent à une condition, et combiner les éléments en une seule valeur.

11. Dictionnaires : associations clé-valeur

Un dictionnaire ressemble à une liste, mais en plus général.

Fondamentaux des dictionnaires. Les dictionnaires sont des structures de données qui associent des clés à des valeurs. Contrairement aux listes, ils ne sont pas ordonnés et s’accèdent par clés plutôt que par indices.

Opérations sur les dictionnaires. Les dictionnaires permettent d’ajouter des paires clé-valeur, d’accéder aux valeurs via les clés, de vérifier l’existence d’une clé, et d’itérer sur les clés. La méthode get offre un accès avec une valeur par défaut si la clé est absente.

Recherche inverse et mémos. La recherche inverse consiste à trouver la clé associée à une valeur donnée, ce qui nécessite de parcourir le dictionnaire. Les mémos sont des valeurs calculées précédemment et stockées dans un dictionnaire pour éviter des calculs redondants, améliorant ainsi l’efficacité.

12. Tuples : séquences immuables

Un tuple est une séquence de valeurs.

Bases des tuples. Les tuples sont des séquences immuables, semblables aux listes, mais dont les éléments ne peuvent pas être modifiés après création. Ils se définissent avec des parenthèses et des virgules.

Affectation par tuple. L’affectation par tuple permet d’assigner simultanément des valeurs d’une séquence à plusieurs variables. C’est une manière concise et élégante d’échanger des valeurs ou de décomposer une liste ou un tuple.

Arguments de longueur variable, listes et tuples. Les fonctions peuvent accepter un nombre variable d’arguments grâce à la syntaxe *args, qui rassemble les arguments dans un tuple. La fonction zip combine plusieurs séquences en une liste de tuples, permettant de les parcourir en parallèle.

13. Choix de structures de données : étude de cas

L’objectif pratique de l’analyse d’algorithmes est de prédire la performance de différents algorithmes afin d’orienter les choix de conception.

Analyse de fréquence des mots. Cette étude de cas analyse la fréquence des mots dans un fichier texte, illustrant l’usage des dictionnaires et des listes pour stocker et traiter les données. Elle introduit aussi le concept de nombres aléatoires et leur utilisation en simulation.

Analyse de Markov. L’analyse de Markov caractérise la probabilité qu’un mot suive un autre dans une séquence. Elle consiste à construire un dictionnaire associant des préfixes à des suffixes possibles, permettant de générer un texte aléatoire imitant le style du texte original.

Choix de la structure de données. La leçon essentielle est l’importance de choisir des structures de données adaptées à chaque tâche. Les critères à considérer incluent la facilité d’implémentation, la performance en temps d’exécution, et l’espace de stockage.

14. Fichiers : stockage persistant

Le but de ce livre est de vous apprendre à penser comme un informaticien.

Lecture et écriture de fichiers. Les fichiers permettent de stocker des données de manière persistante sur un disque dur ou un autre support. Python offre des fonctions pour ouvrir, lire et écrire des fichiers texte.

Opérateur de formatage, noms de fichiers et chemins. L’opérateur de formatage (%) permet de créer des chaînes avec des valeurs formatées. Le module os fournit des fonctions pour manipuler les noms de fichiers et les chemins, comme trouver le répertoire courant, vérifier l’existence d’un fichier, ou lister le contenu d’un dossier.

Gestion des exceptions et bases de données. L’instruction try permet de capturer les exceptions pouvant survenir lors des opérations sur fichiers, évitant ainsi que le programme ne plante. Le module dbm offre une interface pour créer et mettre à jour des fichiers de base de données, qui stockent les données sous forme de paires clé-valeur.