Встроенные модули

Говорят, что Python поставляется уже с батарейками — даже стандартной библиотеки, входящей в комплект, уже достаточно для многих вещей.

Стандартной библиотеке посвящен целый раздел документации. Советуем вам хотя бы раз просмотреть его, чтобы примерно знать, какие вообще библиотеки бывают.

Модули в Python устроены по иерархическому принципу, как каталоги в файловой системе. Один модуль может быть вложен в другой, причем вложенность не ограничена (хотя на практике редко бывает больше 4). Чтобы пользоваться функциями, объектами и классами из модуля, весь этот модуль или его часть нужно подключить к программе — импортировать.

Возникает вопрос: а почему бы не подключить все библиотеки сразу? Можно, но это привело бы к нерациональному использованию оперативной памяти и очень долгой загрузке вашей программы.

Поэтому есть правило: не импортируйте то, чем не пользуетесь.

За импорт в Python отвечает директива import.

Давайте посмотрим на примерах, как это происходит.

1

from math import pi # Возьмем число пи из библиотеки math

Теперь вам доступна переменная pi. (В Python это значение приближенно равно 3,141592653589793).

Модуль, переменную, класс или функцию можно при импорте назвать своим именем — для этого служит ключевое слово as, например:

1
2
3

from math import pi as число_пи

print(число_пи)

3.141592653589793

Более того, поскольку в программе на языке Python в именах допустимы буквенные символы любых алфавитов, можно использовать даже греческие буквы (впрочем, это неудобно, если у вас кириллическо-латинская клавиатура).

1
2
3

from math import pi as π

print(π)

3.141592653589793

Если нужно импортировать что-то с большей степенью вложенности, вам поможет символ ".", он выполняет ту же функцию, что и разные виды слешей в путях до файлов.

1
2
3

# мне нужна функция urlopen из request,
# который находится внутри urllib
from urllib.request import urlopen

Мы можем импортировать всю библиотеку, но тогда для доступа к ее содержимому нужно снова использовать точку:

1
2

import math
print(math.pi)

3.141592653589793

Или несколько точек. В любом случае аналогия с файловой структурой почти полная (объекты, функции и классы лежат в файлах, которые группируются в папки, которые тоже могут лежать в папках и т. д.).

1
2
3

import urllib

urllib.request.urlopen(...)

Значения после директивы import можно писать через запятую:

1

from math import sin, cos, tan

Значок * означает, что из библиотеки нужно импортировать все, что доступно.

1

from math import *

Впрочем, так делать не рекомендуется, поскольку при таком подходе засоряется пространство имен.

Вспомните о двух полезных функций: dir (возвращает список со всем содержимым объекта, модуля и т. д.) и help (показывает справку об использовании данного объекта).

1
2
3

import math

dir(math)

['__doc__', '__loader__', '__name__', '__package__', '__spec__',
 'acos', 'acosh','asin', 'asinh', 'atan', 'atan2', 'atanh', 'ceil',
 'copysign', 'cos', 'cosh','degrees', 'e', 'erf', 'erfc', 'exp',
 'expm1', 'fabs', 'factorial', 'floor','fmod', 'frexp', 'fsum',
 'gamma', 'hypot', 'isfinite', 'isinf', 'isnan', 'ldexp','lgamma',
 'log', 'log10', 'log1p', 'log2', 'modf', 'pi', 'pow', 'radians',
 'sin','sinh', 'sqrt', 'tan', 'tanh', 'trunc']

 ```

 ```python linenums="1"
import math

help(math.sin)

Help on built-in function sin in module math:

sin(...)
    sin(x)

    Return the sine of x (measured in radians).

1
2
3

import math

help(math.radians)

Help on built-in function radians in module math:

radians(...)
    radians(x)

    Convert angle x from degrees to radians.

1
2
3

import math

print(sin(radians(30)))

0.49999999999999994

Обратите внимание: часть имен начинается с символа _. Это служебные имена, мы их пока рассматривать не будем, да и программисты ими пользуются редко.

«Пасхальные яйца» в Python

1

import this

The Zen of Python, by Tim Peters

Beautiful is better than ugly.
Explicit is better than implicit.
Simple is better than complex.
Complex is better than complicated.
Flat is better than nested.
Sparse is better than dense.
...

А импорт модуля с антигравитацией откроет в браузере комикс о том, что в Python действительно есть модули на все случаи жизни.

1

import antigravity

Модуль math

Давайте вернемся к встроенному модулю math и посмотрим внимательнее на то, какие возможности он нам предоставляет.

Мы писали программу для вычисления факториала числа, оказывается, такая функция уже есть:

1
2
3

import math

print(math.factorial(5))

120

Довольно часто применяется и функция gcd для нахождения наибольшего общего делителя:

1
2
3

import math

print(math.gcd(500, 600))

100

Кроме того, есть функции для возведения в степень pow, которое принимает число, которое надо возвести в степень первым аргументом, а вторым аргументом — показатель степени, в которую надо возвести первый аргумент. А для извлечения квадратного корня числа есть функция math.sqrt.

В Python есть встроенная функция pow или **, которая также возводит в степень, но есть ряд отличий. Например, math.pow всегда возвращает результат типа float.

1
2
3
4

import math  # Возведение в степень

print(math.pow(10, 10))  # Извлечение квадратного корня
print(math.sqrt(16))

10000000000.0
4.0

В модуль math встроены тригонометрические функции вычисления синуса, косинуса, тангенса и т. д.:

1
2
3
4
5

import math

print(math.sin(math.radians(90)))
print(math.cos(math.radians(0)))
print(math.tan(math.radians(45)))

1.0
1.0
0.9999999999999999

1
2
3

import math

print(math.degrees(math.pi))

180.0

Кроме того, math содержит ряд дополнительных интересных функций, например, знает теорему Пифагора. Функция hypot(a, b) возвращает длину гипотенузы по двум катетам прямоугольного треугольника. Полный перечень функций и их описания можно посмотреть в документации.

Модуль random

Этот модуль предназначен для работы с псевдослучайными последовательностями. Такие последовательности важны в математическом моделировании, в криптографии и в различных играх.

Давайте посмотрим структуру модуля.

1
2
3

import random

print(dir(random))

['BPF', 'LOG4', 'NV_MAGICCONST', 'RECIP_BPF', 'Random',
 'SG_MAGICCONST', 'SystemRandom', 'TWOPI', '_BuiltinMethodType',
 '_MethodType', '_Sequence', '_Set','__all__', '__builtins__',
 '__cached__', '__doc__', '__file__', '__loader__','__name__',
 '__package__', '__spec__', '_acos', '_ceil', '_cos', '_e', '_exp',
 '_inst', '_log', '_pi', '_random', '_sha512', '_sin', '_sqrt',
 '_test','_test_generator', '_urandom', '_warn', 'betavariate',
 'choice', 'expovariate','gammavariate', 'gauss', 'getrandbits',
 'getstate', 'lognormvariate','normalvariate', 'paretovariate',
 'randint', 'random', 'randrange', 'sample','seed', 'setstate',
 'shuffle', 'triangular', 'uniform', 'vonmisesvariate',
 'weibullvariate']

Как видим, довольно много функций. Давайте рассмотрим некоторые из них. Для получения одного псевдослучайного целого числа можно воспользоваться одной из двух функций: randrange или randint. Функция randrange возвращает случайное число из диапазона. Как и в обычном range, мы можем указать начало, конец и шаг диапазона. Функция randint работает похожим образом, но у нее границы диапазона — обязательные параметры, нельзя указать шаг, и верхняя граница включена в диапазон генерации.

1
2
3
4
5
6

from random import randrange, randint

# возвращаем случайное целое из диапазона
print(randrange(100))
print(randrange(40, 100, 5))
print(randint(10, 20))

Функция choice

Одна из самых популярных — функция choice. С ее помощью можно выбрать один вариант из нескольких альтернатив, заданных в списке, кортеже, строке или любом другом индексируемом типе. choice нельзя применять для неупорядоченных коллекций — например, множеств и словарей.

C некоторыми оговорками choice можно использовать для словаря, но только в том случае, если ключи в нем такие же, как в списке: начинаются с нуля, целые числа, нет пропусков. Что в целом делает такой словарь несколько бесполезным.

Например, вот так можно моделировать подкидывание монетки:

1
2
3

from random import choice

choice((1, 2))

2

1
2
3

from random import choice

choice(["орел", "решка"])

орел

1
2
3

from random import choice

choice("ab")

a

А так — сымитировать несколько бросков игральных кубиков:

1
2
3
4
5

from random import choice

dashes = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
for i in range(1, 10):
    print(choice(dashes), choice(dashes))

2 5
6 5
6 1
1 2
5 6
6 1
4 2
4 2
2 3

Если задать символы на сторонах кубика с использованием кодировки Unicodе, все будет еще реалистичнее.

1
2
3
4
5

from random import choice

dashes = ['\u2680', '\u2681', '\u2682', '\u2683', '\u2684', '\u2685']
for i in range(1, 10):
    print(choice(dashes), choice(dashes))

⚄ ⚄
⚀ ⚂
⚄ ⚃
⚄ ⚂
⚃ ⚁
⚀ ⚂
⚀ ⚄
⚃ ⚁
⚄ ⚂

Если попробовать вызвать choice с пустой коллекцией, ваша программа упадет с ошибкой. Поэтому перед использованием этой функции будет нелишним проверять наличие в коллекции хотя бы одного элемента.

1
2
3
4
5

from random import choice

my_str = "Hello, world"
if my_str:
    print(choice(my_str), choice(my_str))

Если нам нужно вернуть не один, а несколько элементов, на помощь придут функции choiсes и sample. choices возвращает заданное именованным параметром k количество элементов с возможными повторами (коллекция должна быть непустой), sample — без повторов, но выборка должна быть меньше или равна длине коллекции, иначе тоже будет ошибка.

Функция sample

1
2
3
4
5
6
7

from random import choices, sample

my_list = ['Yes', 'No', 'May be']
# выбираем k элементов коллекции с повторениями
print(choices(my_list, k=5))
# выбираем k элементов без повторений
print(sample(range(10), 6))

['No', 'Yes', 'Yes', 'Yes', 'No']
[8, 9, 1, 6, 7, 5]

Функция shuffle

Функция shuffle перемешивает список, при этом меняется сам список, который передается как аргумент функции.

1
2
3
4
5

from random import shuffle

a = list(range(100))
shuffle(a) # меняет сам список
print(a[:10])

[12, 97, 67, 13, 68, 58, 87, 92, 32, 40]

Функция random

А функция random возвращает случайное вещественное число от 0 до 1 (не включительно):

1
2
3

from random import random as rnd

print(rnd(), rnd(), rnd()) # вещественное число [0, 1)

0.7807663953103449 0.1503300563891775 0.6068329639725171

Модуль datetime

Модуль datetime предназначен для работы с датами и временем и предоставляет, кроме функций, несколько новых типов данных. Библиотека чаще всего применяется для того, чтобы узнать текущую дату или время:

1
2
3
4
5

import datetime as dt

print(dt.datetime.now())
print(dt.datetime.now().time())
print(dt.datetime.now().date())

2019-09-04 18:34:42.071614
18:34:42.071614
2019-09-04

Но ее можно использовать и для более интересных вещей, она предоставляет несколько интересных типов данных: time, date, datetime — для хранения времени, даты и совместно даты и времени.

date — тип для хранения даты. При создании новой даты нужно указать год, месяц и день. С помощью функции today() можно узнать текущую дату на компьютере, а с помощью функции weekday() — день недели (нумерация с 0).

1
2
3
4
5
6
7

import datetime as dt

# тип данных 'дата' (год + месяц + день)
my_date = dt.date(2019, 11, 5)
print(my_date)
print(dt.date.today())
print(dt.date.today().weekday())

2019-11-05
2019-09-04
2

time — тип для хранения времени. При создании объекта данного типа надо указать час, минуту, секунду.

1
2
3
4
5

import datetime as dt

# тип данных 'время' (час + минута + секунда + милисекунда)
my_time = dt.time(23, 15, 29)
print(my_time)

datetime — тип для объединения даты и времени. Можно объединить date и time в один datetime с помощью функции combine(date, time). Обратиться к отдельным частям объекта datetime можно через точку и название части: например, year (аналогично можно поступить для date или time). С помощью функции now() можно узнать текущее дату и время.

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13

import datetime as dt

# тип данных дата + время
my_datetime = dt.datetime(2020, 12, 15, 13, 25, 9)
print(my_datetime)
# можно объединить дату и время
my_date = dt.date(2019, 11, 5)
my_time = dt.time(23, 15, 29)
my_datetime = dt.datetime.combine(my_date, my_time)
print(my_datetime)
print(my_datetime.year)
# и получить текущую дату и время
print(dt.datetime.now())

2020-12-15 13:25:09
2019-11-05 23:15:29
2019
2019-06-19 16:32:07.208456

Тип timedelta необходим для создания объектов, содержащих некоторый временной интервал. При создании таких объектов можно указать, сколько дней, часов, минут, секунд, недель содержит временной интервал. Как и с другими типами модуля datetime, с частями временного интервала можно обращаться аналогично. С помощью функции total_seconds() можно узнать длину интервала в секундах.

1
2
3
4
5
6
7

import datetime as dt

# тип данных временной интервал
delta_time1 = dt.timedelta(seconds=10, weeks=2)
print(delta_time1)
print(delta_time1.days)
print(delta_time1.total_seconds())

14 days, 0:00:10
14
1209610.0

Интервал, в отличие от предыдущих типов, может быть отрицательным.

1
2
3
4
5

import datetime as dt

# интервал может быть отрицательным
delta_time2 = dt.timedelta(seconds=-10, weeks=-2)
print(delta_time2)

-15 days, 23:59:50

Для интервалов, дат, времени и типа datetime поддерживаются математические и логические операции. Мы можем сложить два интервала времени, вычесть один из другого, увеличить интервал в n раз, уменьшить интервал в n раз, а с помощью деления узнать, сколько раз один интервал помещается в другой.

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11

import datetime as dt

# поддерживаются математические и логические операции
# для интервалов времени
delta_time1 = dt.timedelta(days=4, hours=4)
delta_time2 = dt.timedelta(days=1, hours=1)
print(delta_time1 - delta_time2)
print(delta_time1 + delta_time2)
print(delta_time1 * 10)
print(delta_time1 / 10)
print(delta_time1 / delta_time2)

3 days, 3:00:00
5 days, 5:00:00
41 days, 16:00:00
10:00:00
4.0

К датам мы можем прибавлять временной интервал или удалять интервал для получения новой даты, которая раньше/позже на этот интервал. При вычитании одной даты из другой мы получим интервал времени между датами. С помощью логических функций мы можем узнать, какая дата позже (т. е. больше) или раньше (т. е. меньше).

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10

import datetime as dt

# поддерживаются математические и логические операции для дат
date1 = dt.date(2019, 11, 5)
date2 = dt.date(2018, 10, 1)
delta_time1 = dt.timedelta(days=4, hours=4)
print(date1 + delta_time1)
print(date1 - delta_time1)
print(date1 - date2)
print(date2 > date1)

2019-11-09
2019-11-01
400 days, 0:00:00
False

Аналогичные действия работают и для datetime.

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12

import datetime as dt

# поддерживаются математические и логические операции для типа
# datetime

datetime1 = dt.datetime(2020, 12, 15, 13, 25, 9)
datetime2 = dt.datetime(2019, 12, 15, 13, 25, 9)
delta_time1 = dt.timedelta(days=4, hours=4)
print(datetime1 + delta_time1)
print(datetime1 - delta_time1)
print(datetime1 - datetime2)
print(datetime2 < datetime1)

2020-12-19 17:25:09
2020-12-11 09:25:09
366 days, 0:00:00
True

1
2
3
4
5
6

import datetime as dt

# поддерживается форматированный вывод
my_format = "%B"
print(dt.datetime.now().strftime("%A %d %B %y %H:%M:S"))
print(dt.date.today().strftime(my_format))

Wednesday 04 September 19 18:50:S
September

Более подробно можно посмотреть в документации.

Модуль pprint

Модуль pprint содержит функцию pprint, которую удобно использовать при выводе сложных типов данных. pprint старается вывести в консоль объекты в наиболее читабельном для человека виде. Ее особенно удобно использовать для вывода матриц.

1
2
3
4
5
6
7

from random import sample
from pprint import pprint

a = [sample(range(20), 6) for _ in range(10)]
print(a)
print()
pprint(a)

[[0, 12, 14, 7, 15, 10], [8, 18, 15, 5, 13, 14],
 [15, 4, 14, 18, 17, 7], [11, 16, 19, 17, 14, 2],
 [6, 13, 8, 17, 9, 14], [15, 10, 4, 5, 17, 9],
 [16, 9, 14, 15, 13, 7], [12, 14, 9, 4, 7, 11],
 [13, 18, 12, 3, 17, 15], [5, 18, 16, 17, 9, 6]]

[[0, 12, 14, 7, 15, 10],
 [8, 18, 15, 5, 13, 14],
 [15, 4, 14, 18, 17, 7],
 [11, 16, 19, 17, 14, 2],
 [6, 13, 8, 17, 9, 14],
 [15, 10, 4, 5, 17, 9],
 [16, 9, 14, 15, 13, 7],
 [12, 14, 9, 4, 7, 11],
 [13, 18, 12, 3, 17, 15],
 [5, 18, 16, 17, 9, 6]]

pprint работает и для словарей.

1
2
3
4
5
6

from pprint import pprint

b = {x: x ** 2 for x in range(20)}
print(b)
print()
pprint(b)

{0: 0, 1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 16, 5: 25, 6: 36, 7: 49, 8: 64, 9: 81,
10: 100, 11: 121, 12: 144, 13: 169, 14: 196, 15: 225, 16: 256,
17: 289, 18: 324, 19: 361}

{0: 0,
 1: 1,
 2: 4,
 3: 9,
 4: 16,
 5: 25,
 6: 36,
 7: 49,
 ...
 19: 361}

Мы рассмотрели только несколько встроенных библиотек — их намного больше. И у рассмотренных мы разобрали далеко не все функции. Пользуйтесь функциями dir и help и читайте документацию, в ней приведены примеры и объяснены нюансы.

Задачи

Задача 1

Напишите программу, которая считывает целое число n и выводит его факториал, используя модуль math.

Тест 1:

Ввод:

5

120

Тест 2:

Ввод:

0

1

Задача 2

Напишите программу, которая считывает два целых числа a и b и выводит их наибольший общий делитель, используя модуль math.

Тест 1:

Ввод:

500
600

100

Тест 2:

Ввод:

17
13

1

Задача 3

Напишите программу, которая считывает длину гипотенузы c и одного катета a, и вычисляет длину второго катета b. Используйте модуль math. Выводите результат с двумя знаками после запятой.

Тест 1:

Ввод:

5
3

4.00

Тест 2:

Ввод:

10
6

8.00

Задача 4

Напишите программу, которая считывает угол в градусах и выводит значение синуса этого угла с 4 знаками после запятой. Используйте модуль math.

Тест 1:

Ввод:

90

1.0000

Тест 2:

Ввод:

30

0.5000

Задача 5

Напишите программу, которая считывает целое число n и выводит n случайных целых чисел от 1 до 100 включительно — каждое на новой строке. Используйте random.randint.

Тест 1:

Ввод:

3

(3 случайных числа от 1 до 100, каждое на новой строке)

Тест 2:

Ввод:

5

(5 случайных чисел от 1 до 100, каждое на новой строке)

Задача 6

Напишите программу, которая считывает строку — список слов через пробел. Затем выводит одно случайно выбранное слово из этого списка. Используйте random.choice.

Тест 1:

Ввод:

яблоко банан вишня манго

(одно случайное слово из списка, например: вишня)

Тест 2:

Ввод:

кот пёс попугай хомяк

(одно случайное слово из списка, например: хомяк)

Задача 7

Напишите программу, которая считывает дату в формате ГГГГ-ММ-ДД и выводит день недели на русском языке (Понедельник, Вторник, Среда, Четверг, Пятница, Суббота, Воскресенье). Используйте модуль datetime.

Тест 1:

Ввод:

2019-11-05

Вторник

Тест 2:

Ввод:

2024-01-01

Понедельник

Задача 8

Напишите программу, которая считывает две даты в формате ГГГГ-ММ-ДД и выводит количество дней между ними (всегда положительное число). Используйте модуль datetime.

Тест 1:

Ввод:

2019-11-05
2018-10-01

400

Тест 2:

Ввод:

2020-01-01
2021-01-01

366

Задача 9

Напишите программу, которая считывает список слов через пробел и число n, затем выводит n уникальных случайно выбранных слов из списка (без повторений), каждое на новой строке. Используйте random.sample.

Тест 1:

Ввод:

кот пёс попугай хомяк кролик
2

(2 уникальных случайных слова из списка, например: попугай, хомяк)

Тест 2:

Ввод:

один два три четыре пять шесть
3

(3 уникальных случайных слова из списка, например: пять, два, четыре)

Задача 10

Напишите программу, которая считывает дату рождения в формате ГГГГ-ММ-ДД и выводит полное количество лет, прошедших с этой даты по сегодняшний день, а также сколько дней осталось до следующего дня рождения. Используйте модуль datetime. Текущую дату получайте через dt.date.today().

Тест 1:

Ввод:

2000-03-10

Полных лет: 25
Дней до следующего дня рождения: 7

Тест 2:

Ввод:

1990-06-15

Полных лет: 35
Дней до следующего дня рождения: 104