Think Julia：如何像计算机科学家一样思考
Ben Lauwens [email protected] Allen Downey [email protected]
后记
版权所有©2018 Allen Downey，Ben Lauwens。版权所有。
Think Julia是根据知识共享署名 - 非商业3.0 Unported许可证提供的。作者在https://benlauwens.github.io/ThinkJulia.jl/latest/book.html上保留了在线版本。
前言
1.计划的方式
本书的目标是教你像计算机科学家一样思考。这种思维方式结合了数学，工程和自然科学的一些最佳特征。与数学家一样，计算机科学家使用形式语言来表达想法（特别是计算）。与工程师一样，他们设计事物，将组件组装到系统中并评估替代方案之间的权衡。与科学家一样，他们观察复杂系统的行为，形成假设和测试预测。
计算机科学家最重要的技能就是解决问题。解决问题意味着能够制定问题，创造性地思考解决方案，并清晰准确地表达解决方案。事实证明，学习编程的过程是练习解决问题技巧的绝佳机会。这就是为什么这一章被称为“程序的方式”。
在一个层面上，您将学习编程，这本身就是一项有用的技能。在另一个层面上，您将使用编程作为达到目的的手段。随着我们的进展，这一目标将变得更加清晰。
什么是程序？
一个程序是一系列指令，指定如何执行计算。计算可能是数学上的，例如求解方程组或找到多项式的根，但它也可以是符号计算，例如搜索和替换文档中的文本或图形化的东西，如处理图像或播放一段录像。
不同语言的细节看起来不同，但几乎每种语言都会出现一些基本说明：
输入
从键盘，文件，网络或其他设备获取数据。
产量
在屏幕上显示数据，将其保存在文件中，通过网络发送等。
数学
执行基本的数学运算，如加法和乘法。
条件执行
检查某些条件并运行相应的代码。
重复
反复执行某些操作，通常会有一些变化。
信不信由你，这几乎就是它的全部。你曾经使用过的每一个程序，无论多么复杂，都是由看起来非常类似的指令组成的。因此，您可以将编程视为将大型复杂任务分解为越来越小的子任务的过程，直到子任务足够简单，可以使用这些基本指令之一执行。
Julia运行
开始使用Julia的挑战之一是您可能需要在计算机上安装Julia及相关软件。如果您熟悉您的操作系统，特别是如果您熟悉命令行界面，那么安装Julia会毫不费力。但对于初学者来说，同时学习系统管理和编程可能会很痛苦。
为避免这个问题，我建议您开始在浏览器中运行Julia。之后，当您对Julia感到满意时，我会建议您在计算机上安装Julia。
在浏览器中，您可以在JuliaBox上运行Julia：https：//www.juliabox.com 。无需安装 - 只需将浏览器指向该位置，登录并开始计算即可。
Julia REPL（读取 - 评估 - 打印循环）是一个读取和执行Julia代码的程序。您可以通过在JuliaBox julia上打开终端并在命令行上键入来启动REPL 。当它启动时，您应该看到如下输出：
_ _ _（_）_ | 文档：https：//docs.julialang.org
（_）| （_）（_）|
_ _ _ | | _ __ _ | 输入“？” 求助， ”]？” 为Pkg提供帮助。
| | | | | | | / _` | |
| | | _ | | | | （_ | | | Version 1.0.0（2018-08-08）
_ / | \ __'_ | _ | _ | \ __'_ | |官方https://julialang.org/ release
| __ / |
julia>第一行包含有关REPL的信息，因此可能与您有所不同。但是你应该检查版本号是否至少0.7.0。
最后一行是一个提示，指示REPL已准备好输入代码。如果键入一行代码并点击ENTER，REPL将显示结果：
julia> 1 + 1
2现在你已经准备好开始了。从这里开始，我假设您知道如何启动Julia REPL并运行代码。
第一个程序
传统上，您用新语言编写的第一个程序称为“Hello，World！”，因为它所做的只是显示“Hello，World！”。在朱莉娅，它看起来像这样：
julia> println("Hello, World!")
Hello, World!这是一个print语句的例子，虽然它实际上并没有在纸上打印任何东西。它在屏幕上显示结果。
程序中的引号标记要显示的文本的开头和结尾; 它们没有出现在结果中。
括号表示这println是一个函数。我们将使用函数中的函数。
算术运算符
在“Hello，World！”之后，下一步是算术。Julia提供运算符，这些运算符是表示加法和乘法等计算的特殊符号。
运算符+，-并*执行加法，减法和乘法，如以下示例所示：
julia> 40 + 2
42
julia> 43 - 1
42
julia> 6 * 7
42使用执行除法：
julia> 84 / 2
42.0您可能想知道为什么结果42.0不是42。我将在下一节解释。
最后，运算符^执行取幂; 也就是说，它会增加一个数字：
julia> 6^2 + 6
42值和类型
值是程序使用的基本内容之一，如字母或数字。 到目前为止我们看到的一些值是2,42.0和“Hello，World！”。
这些值属于不同的类型：2是一个整数，42.0是一个浮点数，”Hello, World!”是一个字符串，所谓的字符串，因为它包含的字母串在一起。
如果您不确定值的类型，REPL可以告诉您：
julia> typeof(2)
Int64
julia> typeof(42.0)
Float64
julia> typeof("Hello, World!")
String毫不奇怪，整数属于类型Int64，属于字符串String，浮点数属于Float64。
那么像“2”和“42.0”这样的值呢?它们看起来像数字，但它们像字符串一样用引号括起来。
julia> typeof("2")
String
julia> typeof("42.0")
String他们是字符串。
当您键入一个大整数时，您可能会想要在数字组之间使用逗号，如1,000,000。这不是Julia的合法整数，但它是合法的：
julia> 1,000,000
(1, 0, 0)那根本不是我们所期望的!Julia将1,000,000解析为逗号分隔的整数序列。稍后我们将进一步了解这种序列。
形式和自然语言
自然语言是人们所说的语言，例如英语，西班牙语和法语。它们不是由人设计的（尽管人们试图对它们施加一些命令）; 他们自然而然地进化
形式语言是由人们为特定应用程序设计的语言。例如，数学家使用的符号是一种形式语言，特别擅长表示数字和符号之间的关系。化学家使用形式语言来表示分子的化学结构。最重要的是：
编程语言是用于表达计算的形式语言。
形式语言往往具有严格的语法规则来控制语句的结构。例如，在数学中语句3 + 3 = 63 + = 3 6 h句子，里面有无效的t * kens。这句话所有有效的令牌都有，但结构无效。
当你用英语读句子或用正式语言书写时，你必须弄清楚结构（虽然用自然语言你下意识地这样做）。此过程称为解析。
虽然正式语言和自然语言在共同标记，结构和语法方面具有许多功能，但存在一些差异：
歧义
自然语言充满了模糊性，人们通过使用上下文线索和其他信息来处理这些语言。形式语言几乎或完全是明确的，这意味着任何语句都具有一个含义，无论上下文如何。
冗余
为了弥补歧义并减少误解，自然语言采用了大量冗余。结果，它们通常很冗长。形式语言不那么冗余，更简洁。
文字的
自然语言充满了成语和隐喻。如果我说，“便士掉线”，可能没有便士而且没有任何下降（这个成语意味着有人在经过一段时间的混乱后理解了某些东西）。正式语言正是他们所说的。
因为我们都在说自然语言，所以有时很难适应正式语言。正式和自然语言之间的区别就像诗歌和散文之间的区别，但更多的是：
诗歌
词语用于他们的声音以及他们的意义，整首诗共同创造了一种效果或情感反应。歧义不仅常见，而且经常是故意的。
散文
单词的字面意义更重要，结构更有意义。散文比诗歌更适合分析，但仍然经常含糊不清。
程式
计算机程序的含义是明确的和字面的，并且可以通过对令牌和结构的分析来完全理解。
形式语言比自然语言更密集，因此阅读它们需要更长的时间。此外，结构很重要，因此从上到下，从左到右阅读并不总是最好的。相反，学会解析头脑中的程序，识别令牌并解释结构。最后，细节很重要。拼写和标点符号的小错误，你可以用自然语言来解决，可以在正式语言中产生很大的不同。
调试
程序员犯错误。出于异想天开的原因，编程错误称为错误，跟踪它们的过程称为调试。
编程，尤其是调试，有时会带来强烈的情绪。如果你正在努力解决一个棘手的问题，你可能会感到愤怒，沮丧或尴尬。
有证据表明，人们自然会对计算机作出反应，就好像他们是人一样。当他们运作良好时，我们认为他们是队友，当他们顽固或粗鲁时，我们会像回应粗鲁，顽固的人一样回应他们（里夫斯和纳斯，媒体方程：人们如何看待电脑，电视，和新媒体一样真实的人和地方）。
准备这些反应可能会帮助您处理它们。一种方法是将计算机视为具有某些优势的员工，如速度和精度，以及特殊的弱点，如缺乏同理心和无法掌握大局。
你的工作是成为一名优秀的经理：找到利用优势和减轻弱点的方法。并找到利用自己的情绪来解决问题的方法，而不会让你的反应干扰你有效工作的能力。
学习调试可能令人沮丧，但它是一项有价值的技能，对编程之外的许多活动都很有用。在每章的最后，有一节，像这一节，我的调试建议。我希望他们帮忙！
词汇表
解决问题
制定问题，找到解决方案并表达问题的过程。
REPL
读取另一个程序并执行它的程序。
提示
REPL显示的字符表示它已准备好从用户那里获取输入。
程序
指定计算的指令序列。
打印声明
导致Julia REPL在屏幕上显示值的指令。
操作者
一种特殊符号，表示简单计算，如加法，乘法或字符串连接。
值
程序操作的数据的基本单位之一，如数字或字符串。
类型
一类价值观。到目前为止我们看到的类型是整数（Int64），浮点数（Float64）和字符串（String）。
整数(integer)
表示整数的类型。
浮点(floating-point)
表示带小数部分的数字的类型。
字符串（string）
表示字符序列的类型。
自然语言
人们所说的任何一种语言都是自然而然地发展起来的。
形式语言
人们为特定目的设计的任何一种语言，例如代表数学思想或计算机程序; 所有编程语言都是正式语言。
代币
程序语法结构的基本元素之一，类似于自然语言中的单词。
结构体
令牌的组合方式。
句法
管理程序结构的规则。
解析
检查程序并分析句法结构。
窃听器
程序中的错误。
调试
查找和纠正错误的过程。
在电脑前阅读本书是个好主意，这样你就可以试试这些例子。
练习1-1
无论何时尝试新功能，都应该尝试犯错误。例如，在“Hello，World！”程序中，如果省略其中一个引号会发生什么？如果你遗漏两者怎么办？如果拼写println错误怎么办？
这种实验可以帮助你记住你所读到的内容; 在编程时它也会有所帮助，因为您可以了解错误消息的含义。现在和有目的地比以后和意外地犯错更好。
在一份印刷声明中，如果省略其中一个括号，或两者都有，会发生什么？
如果您正在尝试打印字符串，如果省略其中一个引号或两者都会发生什么？
您可以使用减号来表示负数-2。如果你在数字前加上加号会怎样？怎么样2++2？
在数学符号中，前导零是可以的，如02。如果你在朱莉娅这样做会发生什么？
如果你有两个没有运算符的值，会发生什么？
练习1-2
启动Julia REPL并将其用作计算器。
在42分42秒内有多少秒？
10公里处有多少英里？提示：一英里有1.61公里。
如果你在42分42秒内跑10公里比赛，你的平均速度（每分钟的时间，以分钟和秒为单位）是多少？你的平均速度是多少英里每小时？