Moduler, pakker og biblioteker#

Creative Commons BY-SA : bitjungle (Rune Mathisen) og fuzzbin (Tom Jarle Christiansen)

En av fordelene med å bruke Python i programvareprosjekter, er det store økosystemet av moduler som enkelt kan importeres og tas i bruk. Her skal vi se litt på hvordan du tar i bruk moduler, og du får noen tips til moduler som kan være nyttige for faget Programmering og modellering.

I Python er en modul en samling av funksjoner og klasser som kan gjenbrukes i mange ulike programmer. Et eksempel på en slikt modul er math, som er en samling av matematiske funksjoner. Her finner du for eksempel trigonometriske funksjoner (sin, cos, tan, og så videre) og konstanter (for eksempel \(\pi\)) som du kan bruke i programmene dine. Når du skal lage et program vil det spare deg for mye tid om du finner og bruker moduler som andre har laget allerede.

En pakke i Python er en samling av moduler. Mange pakker kan igjen samles i biblioteker. Det biblioteket du bør gjøre deg kjent med aller først, er det såkalte Python Standard Library. Standardbiblioteket er tilgjengelig for deg uten at du trenger å installere ekstra utover en “vanlig” Python-installasjon.

Om du ikke finner det du trenger i standardbiblioteket til Python, bør du lete gjennom The Python Package Index (PyPI). Sjansene er store for at noen har laget akkurat det du trenger allerede, sånn at du ikke må lage alt helt fra bunn av.

Nå skal vi gjennomgå noen få (men sentrale) funksjoner og moduler fra standardbiblioteket, men det er viktig at du selv sørger for å gjøre deg kjent med hva du finner der. Vi skal også se på noen biblioteker fra PyPI som er nyttige i faget Programmering og modellering.

Funksjoner og moduler i standardbiblioteket#

Python har en del innebygde funksjoner, og du trenger en eller flere av disse i alle programmer. her er noen eksempler. Forsøk gjerne å gjøre endringer i eksemplene, og se hva som skjer.

Vi skal først se på funksjonen format(), som er den foretrukne måten å sette data inn i tekststrenger på. Her er noen eksempler.

heltall = 7
desimaltall = 9.81
navn = "fuzzbin"
print('Hei {}, her er heltallet {} og desimaltallet {}'.format(navn, heltall, desimaltall))

Hei fuzzbin, her er heltallet 7 og desimaltallet 9.81

Vi bruker range() for å generere en sekvens av tall som vi kan loope gjennom.

for num in range(5):
    print('Nå er jeg på tallet {}'.format(num))

Nå er jeg på tallet 0
Nå er jeg på tallet 1
Nå er jeg på tallet 2
Nå er jeg på tallet 3
Nå er jeg på tallet 4

For å runde av et desimaltall kan vi bruke round().

a = 2.3
b = -2.6
print('a ≈ {} og b ≈ {}'.format(round(a), round(b)))

a ≈ 2 og b ≈ -3

I tillegg til de innebygde funksjonene, vil du helt garantert få bruk for modulen math, som er en del av standardbiblioteket i Python. Her er noen få eksempler på funksjonene i math:

import math

x = -4.67

x_abs = math.fabs(x)
print('Absoluttverdien av {} er {}'.format(x, x_abs))

x_exp = math.exp(x)
print('e^{} er {}'.format(x, x_exp))

x_cube = math.pow(x, 3)
print('{}^3 er {}'.format(x, x_cube))

x_abs_sqroot = math.sqrt(x_abs)
print('kvadratrot av |{}| er {}'.format(x, x_abs_sqroot))

Absoluttverdien av -4.67 er 4.67
e^-4.67 er 0.009372269527006058
-4.67^3 er -101.847563
kvadratrot av |-4.67| er 2.1610182784974308

Kommandoen help()#

For å få dokumentasjon på funksjonene som er tilgjengelige i et bibliotek, kan vi bruke funksjonen help().

Prøv for eksempel å skrive kommandoen help(math)

En annen nyttig modul i standardbiblioteket er random. Her er et eksempel hvor vi genererer et tilfeldig tall:

import random

tilfeldig = random.random()
print('Helt tilfeldig valgte jeg tallet {}'.format(tilfeldig))

Helt tilfeldig valgte jeg tallet 0.4563023990468159

Nyttige biblioteker fra PyPI#

Biblioteket numpy inneholder mange funksjoner for behandling av vektorer og [matriser](https://en.wikipedia.org/wiki/Matrix_(mathematics). Du kan også bruke funksjoner i numpy for å generere lister, slik som i dette eksemplet hvor vi genererer 10 tall mellom 0 og 4.:

import numpy as np

minliste = np.linspace(0, 4, num=10)
print(minliste)

---------------------------------------------------------------------------
ModuleNotFoundError                       Traceback (most recent call last)
Input In [6], in <cell line: 1>()
----> 1 import numpy as np
      3 minliste = np.linspace(0, 4, num=10)
      4 print(minliste)

ModuleNotFoundError: No module named 'numpy'

Nå kan vi for eksempel regne ut sinus til alle verdiene i lista vi genrerte

mineverdier = np.sin(minliste)
print(mineverdier)

Vi vil ofte ha behov for å visualisere data. Da er biblioteket Matplotlib kjekt å bruke. Her skal vi bruke modulen pyplot (som er en del av biblioteket Matplotlib) for å tegne en graf av tallene vi genererte ovenfor.

import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(minliste, mineverdier)
plt.show()

Med biblioteket SymPy kan du gjøre symbolske utregninger. Her er noen eksempler:

import sympy

print("Finne eksakt svar: sqr(8) = ", sympy.sqrt(8))

x, y = sympy.symbols('x y')
expr_1 = x**2 + 2*x*y 
print("Faktorisere: x^2 + 2xy = ", sympy.factor(expr_1))

print("Løse likninger: x^2 + 2xy = 0 => ", sympy.solve(sympy.Eq(expr_1, 0), x))

expr_2 = x**2 + 2*x - 3
print("Derivere: d/dx (x^2 + 2*x - 3) = ", sympy.diff(expr_2, x))

# Integrere
expr_3 = 2*x + 2
# - ubestemt 
print("Ubestemt integral: int(2x + 2) = ", sympy.integrate(expr_3, x))
# - bestemt 
print("Bestemt integral: int(2x + 2) x:[0, 2] = ", sympy.integrate(expr_3, (x, 0, 2)))

Oppgaver#

  1. Bruk modulen random, og lag et program som simulerer [Lotto](https://no.wikipedia.org/wiki/Lotto_(Norge)). Du skal trekke 7 tilfeldige heltall mellom 1 og 34, uten tilbakelegging.

  2. Lag et program der brukeren kan taste inn a, b og c i funksjonen: \( f(x)=ax^2+bx+c \). Programmet skal så skrive ut nullpunktene til funksjonen. Hint: Disse kan finnes ved hjelp av formelen: $\(x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\)$

  3. Lag et program der brukeren kan taste inn a, b og c i funksjonen: \( f(x)=ax^2+bx+c \). Programmet skal så plotte funksjonsverdiene for \( x \epsilon [0,10] \) se også: Plotting i python

  4. Ekstrautfordring: Lag et program der brukeren kan taste inn amplitude og frekvens. Programmet skal så tegne den tilsvarende sinusfunksjonen for to hele perioder. Det skal være navn og verdi på aksene og rutenett som bakgrunn på plottet.