Kapitel 1               

Willkommen zu Python!

Dieses Kapitel hilft Ihnen bei den ersten Schritten im Umgang mit einer der erfolgreichsten und faszinierendsten Programmiersprachen unserer Zeit. Python ist erfolgreich, weil es in praktisch allen Wissensbereichen eingesetzt wird: Naturwissenschaft, Technik, Mathematik, Musik und Kunst. Viele Menschen finden Python faszinierend, weil das Programmieren mit Python das Denken beflügelt. Mit Python können Sie digitale Modelle entwickeln und Problemlösungen elegant und verständlich formulieren.

Nach einer kurzen Einführung in einige wichtige Grundbegriffe der Informatik erfahren Sie, wie man Python installiert. Sie arbeiten praktisch an der Tastatur, probieren Anweisungen aus und lernen dabei, was Ausdrücke, Zuweisungen und Variablen sind.

1.1  Die Programmiersprache Python

Im Unterschied zu »natürlichen« Sprachen wie Deutsch oder Englisch, die sich über Jahrhunderte entwickelt haben, sind Programmiersprachen »künstliche« Sprachen. Sie wurden von Fachleuten designt und sind speziell auf die Formulierung von Algorithmen zugeschnitten.

Die ersten höheren Programmiersprachen (z.B. Fortran und Lisp) wurden in den 1950er Jahren entwickelt. Heute (27. Januar 2022) listet Wikipedia 374 Programmiersprachen auf.

Die erste Python-Version wurde 1991 von dem niederländischen Informatiker Guido van Rossum veröffentlicht. Der Name der Sprache soll an die englische Comedy-Gruppe ­Monty Python erinnern. Seit 2001 wird Python von der Python Software Foundation (PSF) gepflegt, kontrolliert und verbreitet (www.python.org).

Viele digitale Produkte, die Sie aus dem Alltag kennen, basieren auf Python, z.B. Google Maps, YouTube und Instagram. Im PYPL-Index (Popularity of Programming Lan­guage Index) wird die Beliebtheit einer Programmiersprache danach gemessen, wie oft bei Google nach einem Sprach-Tutorial gesucht wird. Demnach ist Python (im Jahre 2022) mit Abstand die populärste Programmiersprache.

Warum ist Python unter Programmierern so beliebt?

• Mit Python kann man sehr kurze Programmtexte schreiben. Das verbessert die Verständlichkeit eines Programms, erleichtert die Fehlersuche und verkürzt die Entwicklungszeit.
• Python ist leicht zu lernen, da vertraute Schreibweisen verwendet werden, die man z.B. schon aus der Mathematik kennt.
• Python unterstützt unterschiedliche Programmierstile (»Paradigmen«).
• Zu Python gibt es viele frei verfügbare Erweiterungen (sogenannte Module) für spezielle Anwendungsbereiche wie etwa Grafik, Astronomie, Mathematik, Spracherkennung, Quantencomputer und künstliche Intelligenz.

1.2  Was ist ein Algorithmus?

In der Informatik versteht man unter einem Algorithmus eine präzise Anleitung zur Lösung einer Aufgabe. Ein Algorithmus besteht aus einer Folge von einzelnen Anweisungen, die so genau und eindeutig formuliert sind, dass sie auch von einem völlig Unkundigen rein mechanisch ausgeführt werden können. Algorithmen, die man aus dem Alltag kennt, sind z.B.

• ein Kochrezept,
• eine Anleitung zum Zusammenbau eines Regals,
• eine Gebrauchsanweisung.

Ein Computerprogramm ist ein Algorithmus, der in einer Programmiersprache geschrieben worden ist und von einem Computer »verstanden« und ausgeführt werden kann.

1.3  Syntax und Semantik

Eine Programmiersprache ist – wie jede Sprache – durch Syntax und Semantik definiert. Die Syntax legt fest, welche Folgen von Zeichen ein gültiger Programmtext in der jeweiligen Sprache sind.

Zum Beispiel ist

kein gültiger Python-Programmtext, weil die Python-Syntax vorschreibt, dass nach dem Wort print eine runde Klammer folgen muss.

Dagegen ist die Zeichenfolge

ein syntaktisch korrektes Python-Programm. Die Syntax sagt aber nichts darüber aus, welche Wirkung dieses Mini-Programm hat. Die Bedeutung eines Programmtextes wird in der Semantik definiert. Bei diesem Beispiel besagt die Semantik, dass auf dem Bildschirm das Wort Hallo ausgegeben wird.

Bei einem Programmtext ist die Semantik eindeutig. Dagegen kann ein Text in einer natürlichen Sprache mehrdeutig sein.

Frage: Semantik im Alltag

Inwiefern ist der Satz »Schau nach vorne!« semantisch nicht eindeutig?

1.4  Interpreter und Compiler

Python ist eine sogenannte höhere Programmiersprache. Das bedeutet, dass Besonderheiten des Computers, auf dem das Programm laufen soll, nicht beachtet werden müssen. Ein Python-Programm läuft praktisch auf jedem Computer und unter jedem gängigen Betriebssystem. Eine höhere Programmiersprache ist für Menschen gemacht und ermöglicht es, gut verständliche Programmtexte zu schreiben.

Einen Programmtext, der in einer höheren Programmiersprache geschrieben ist, nennt man Quelltext (auf Englisch source code). Damit der Quelltext vom Computer abgearbeitet werden kann, muss er in eine »maschinennahe Sprache« übersetzt werden. Dazu gibt es zwei unterschiedliche Methoden:

• Ein Compiler übersetzt einen kompletten Programmtext und erzeugt eine direkt ausführbare (executable) Programmdatei, die vom Betriebssystem geladen und gestartet werden kann.
• Ein Interpreter liest jede Anweisung eines Programmtextes einzeln und führt sie über das Betriebssystem direkt aus. Wenn ein Programm gestartet werden soll, muss zuerst der Interpreter aufgerufen werden.

Python ist eine interpretative Programmiersprache. Das hat den Vorteil, dass ein Python-Programm auf jeder Plattform funktioniert. Voraussetzung ist allerdings, dass auf dem Computer ein Python-Interpreter installiert ist. Das Betriebssystem allein ist nicht in der Lage, das Python-Programm auszuführen.

1.5  Python installieren

Python ist völlig kostenlos und wird für Microsoft Windows, Linux/Unix und macOS angeboten.

Sämtliche Software, die Sie für die Arbeit mit Python benötigen, ist frei und kann von der Python-Homepage http://www.python.org/download heruntergeladen werden. Dieses Buch bezieht sich auf Version 3.10.1, die im Dezember 2021 herauskam. Falls Sie eine neuere Version installieren, werden aber dennoch alle Programme, die in diesem Buch beschrieben werden, funktionieren.

Windows

Auf der Download-Seite http://www.python.org/download werden Installationsdateien angeboten, die zu Ihrem System passen.

Klicken Sie auf die Schaltfläche oben links mit der aktuellen Version von Python 3.

Abb. 1.1: Download-Seite von Python

Laden Sie das Installationsprogramm herunter und starten Sie es. Achten Sie darauf, dass im Rahmen der Installation das Verzeichnis mit dem Python-Interpreter dem System­pfad (PATH) hinzugefügt wird (siehe Abbildung 1.2). Damit ist sichergestellt, dass das Betriebssystem den Python-Interpreter findet, wenn Sie im Konsolenfenster (Eingabeaufforderung) den Befehl python eingeben. Schließlich klicken Sie auf Install Now.

Abb. 1.2: Installation von Python unter Windows

Linux

Auf Linux-Systemen ist Python in der Regel bereits installiert. Prüfen Sie, welche Version vorliegt, indem Sie in einem Konsolenfenster auf der Kommandozeile den Befehl python –V eingeben.

Wenn Sie keine Version von Python 3 vorfinden, müssen Sie sie nachinstallieren. Verwenden Sie am besten das Advanced Packaging Tool (APT):

macOS

Wie auf Linux-Systemen ist auch auf Apple-Computern Python in der Regel bereits in­stalliert. Um das nachzuprüfen, öffnen Sie auf Ihrem Mac ein Terminal-Fenster (Pro­gramme|Dienstprogramme|Terminal) und geben folgenden Befehl ein:

Wenn Sie keine Version von Python 3 vorfinden, besuchen Sie die Python-Website, laden eine zu Ihrem System passende Installer-Datei herunter und führen sie aus.

1.6  Python im interaktiven Modus

Wenn Sie Python heruntergeladen und installiert haben, befinden sich auf Ihrem Computer folgende Komponenten:

• der Python Interpreter,
• die Entwicklungsumgebung IDLE (Integrated Development and Learning Environment),
• eine ausführliche Dokumentation,
• Hilfsprogramme.

Sie können den Python-Interpreter in einer Konsole (Shell) direkt aufrufen, um dann einzelne Python-Befehle auszuprobieren. Auf einem Windows-Rechner öffnen Sie eine Konsole z.B. auf folgende Weise: Geben Sie im Suchfeld unten links den Befehl cmd ein und drücken Sie die Taste Enter. Es erscheint ein Anwendungsfenster mit dem Titel Eingabeaufforderung ungefähr wie in Abbildung 1.3. Auf einem Mac heißt die Konsole Terminal. Drücken Sie gleichzeitig die Befehlstaste und die Leertaste, um Spotlight zu starten, und geben Sie Terminal ein.

Eine Konsole enthält die sogenannte Kommandozeile, die mit dem Prompt des...