DAY 26 函數專題1：函數定義與參數-2025.9.13

DAY 26 函數專題1：函數定義與參數

知識點回顧：

函數的定義
變量作用域：局部變量和全局變量
函數的參數類型：位置參數、默認參數、不定參數
傳遞參數的手段：關鍵詞參數
傳遞參數的順序：同時出現三種參數類型時

作業：

題目1：計算圓的面積

任務：編寫一個名為 calculate_circle_area 的函數，該函數接收圓的半徑 radius 作為參數，并返回圓的面積。圓的面積 = π * radius2 (可以使用 math.pi 作為 π 的值)
要求：函數接收一個位置參數 radius。計算半徑為5、0、-1時候的面積
注意點：可以采取try-except 使函數變得更加穩健，如果傳入的半徑為負數，函數應該返回 0 (或者可以考慮引發一個ValueError，但為了簡單起見，先返回0)。

題目2：計算矩形的面積

任務：編寫一個名為 calculate_rectangle_area 的函數，該函數接收矩形的長度 length 和寬度 width 作為參數，并返回矩形的面積。
公式：矩形面積 = length * width
要求：函數接收兩個位置參數 length 和 width。
- 函數返回計算得到的面積。
- 如果長度或寬度為負數，函數應該返回 0。

題目3：計算任意數量數字的平均值

任務：編寫一個名為 calculate_average 的函數，該函數可以接收任意數量的數字作為參數（引入可變位置參數 (*args)），并返回它們的平均值。
要求：使用 *args 來接收所有傳入的數字。
- 如果沒有任何數字傳入，函數應該返回 0。
- 函數返回計算得到的平均值。

題目4：打印用戶信息

任務：編寫一個名為 print_user_info 的函數，該函數接收一個必需的參數 user_id，以及任意數量的額外用戶信息（作為關鍵字參數）。
要求：
- user_id 是一個必需的位置參數。
- 使用 **kwargs 來接收額外的用戶信息。
- 函數打印出用戶ID，然后逐行打印所有提供的額外信息（鍵和值）。
- 函數不需要返回值

題目5：格式化幾何圖形描述

任務：編寫一個名為 describe_shape 的函數，該函數接收圖形的名稱 shape_name (必需)，一個可選的 color (默認 “black”)，以及任意數量的描述該圖形尺寸的關鍵字參數 (例如 radius=5 對于圓，length=10, width=4 對于矩形)。
要求：shape_name 是必需的位置參數。
- color 是一個可選參數，默認值為 “black”。
- 使用 **kwargs 收集描述尺寸的參數。
- 函數返回一個描述字符串，格式如下：
- “A [color] [shape_name] with dimensions: [dim1_name]=[dim1_value], [dim2_name]=[dim2_value], …”如果 **kwargs 為空，則尺寸部分為 “with no specific dimensions.”

筆記：

1. 函數的定義：代碼的 “工具模塊”

函數是一段可重復使用的代碼塊，用來完成特定任務。定義函數就像制作一個 “工具”，需要時直接調用即可，避免重復寫相同代碼。

基本語法：

def 函數名(參數列表):"""函數說明文檔（可選）"""# 函數體（具體邏輯）return 返回值（可選）

例子：定義一個計算模型準確率的函數

def calculate_accuracy(y_true, y_pred):"""計算分類模型的準確率"""correct = sum(t == p for t, p in zip(y_true, y_pred))total = len(y_true)return correct / total if total != 0 else 0.0  # 避免除零錯誤

機器學習場景：在模型評估時，可重復調用這個函數計算訓練集、驗證集、測試集的準確率，無需重復寫計算邏輯。

2. 變量作用域：變量的 “活動范圍”

變量的作用域指變量能被訪問的代碼范圍，分為兩種：

類型	定義位置	訪問范圍	舉例
局部變量	函數內部	僅在定義它的函數內部可訪問	函數`calculate_accuracy`中的`correct`、`total`
全局變量	函數外部（整個程序頂層）	整個程序（包括所有函數）都可訪問	在函數外定義的`dataset_path = "data/train.csv"`

注意點：

函數內部可以讀取全局變量，但修改全局變量時需要用global聲明，否則會被當作局部變量處理。

# 全局變量
learning_rate = 0.01def set_learning_rate(new_lr):# 聲明要修改全局變量global learning_ratelearning_rate = new_lr  # 此時修改的是全局變量set_learning_rate(0.001)
print(learning_rate)  # 輸出 0.001（全局變量已被修改）

機器學習場景：全局變量可用于存儲整個程序都需要的配置（如數據路徑、全局種子），局部變量用于函數內部的臨時計算（如中間結果）。

3. 函數的參數類型：函數的 “輸入接口”

函數的參數是調用時傳入的 “原材料”，常見類型有 3 種：

（1）位置參數：必須按順序傳遞的參數

最基礎的參數類型，調用時必須按定義的順序傳遞，且數量要與定義一致。

# 定義：位置參數x, y
def add(x, y):return x + y# 調用：必須傳遞2個參數，順序對應x, y
print(add(3, 5))  # 輸出8（3傳給x，5傳給y）

（2）默認參數：有默認值的參數

定義時給參數設定默認值，調用時可以不傳遞（使用默認值），也可以傳遞新值覆蓋默認值。

# 定義：默認參數epochs（默認值10）
def train_model(X, y, epochs=10):print(f"用{epochs}輪訓練模型")# 調用1：不傳遞epochs，使用默認值10
train_model(X_train, y_train)  # 輸出"用10輪訓練模型"# 調用2：傳遞epochs=20，覆蓋默認值
train_model(X_train, y_train, 20)  # 輸出"用20輪訓練模型"

注意：默認參數必須放在位置參數后面（否則會報錯）。

（3）不定參數：接收任意數量的參數

當不確定需要傳遞多少個參數時使用，有兩種形式：

*args：接收任意數量的位置參數，返回一個元組；
**kwargs：接收任意數量的關鍵字參數（見下文），返回一個字典。

# *args示例：計算多個特征的平均值
def mean_features(*args):# args是元組，例如傳入1,2,3時，args=(1,2,3)return sum(args) / len(args) if args else 0print(mean_features(1.2, 3.4, 2.1))  # 輸出(1.2+3.4+2.1)/3 = 2.233...# **kwargs示例：處理模型的多個超參數
def set_hyperparameters(** kwargs):# kwargs是字典，例如傳入lr=0.01, batch=32時，kwargs={"lr":0.01, "batch":32}for name, value in kwargs.items():print(f"超參數{name} = {value}")set_hyperparameters(lr=0.01, batch_size=32, epochs=50)
# 輸出：
# 超參數lr = 0.01
# 超參數batch_size = 32
# 超參數epochs = 50

機器學習場景：不定參數非常適合處理可變數量的輸入（如多個特征、多個超參數），例如模型集成時接收多個基礎模型。

4. 傳遞參數的手段：關鍵詞參數

調用函數時，通過參數名 = 值的形式傳遞參數，稱為關鍵詞參數。
優點：不需要嚴格按順序傳遞，代碼更易讀（尤其參數較多時）。

# 定義一個包含多個參數的函數
def build_model(input_dim, hidden_dim, output_dim, activation="relu"):print(f"輸入維度{input_dim}，隱藏層{hidden_dim}，輸出{output_dim}，激活函數{activation}")# 用關鍵詞參數調用（順序可以打亂）
build_model(hidden_dim=128,input_dim=64,activation="tanh",output_dim=10
)
# 輸出：輸入維度64，隱藏層128，輸出10，激活函數tanh

機器學習場景：模型定義時參數往往很多（輸入維度、隱藏層大小、激活函數等），用關鍵詞參數傳遞能避免記混順序，減少錯誤。

5. 傳遞參數的順序：多種參數共存時的規則

當函數同時包含 ** 位置參數、默認參數、*args、kwargs時，定義和調用必須遵循固定順序，否則會報錯。

定義時的順序（從左到右）：

位置參數
默認參數
*args（不定位置參數）
**kwargs（不定關鍵字參數）

示例：符合順序的函數定義

def example_func(pos1, pos2, default1=0, default2=1, *args, **kwargs):print(f"位置參數：{pos1}, {pos2}")print(f"默認參數：{default1}, {default2}")print(f"不定位置參數*args：{args}")print(f"不定關鍵字參數**kwargs：{kwargs}")

調用時的對應規則：

位置參數必須先傳，且數量匹配；
默認參數可傳可不傳，傳時可按位置或關鍵詞；
*args接收剩下的位置參數；
**kwargs接收剩下的關鍵詞參數。

# 調用示例
example_func(10, 20,  # 位置參數pos1=10, pos2=2030,      # 默認參數default1=30（默認2=1不變）40, 50,  # 剩下的位置參數，被*args接收：args=(40,50)a=1, b=2 # 關鍵詞參數，被**kwargs接收：kwargs={"a":1, "b":2}
)

為什么要這樣規定順序？

位置參數是 “必須傳遞且順序敏感” 的，放在最前；
默認參數是 “可選且有默認值” 的，緊隨其后；
*args和**kwargs是 “可變數量” 的，放在最后避免歧義。

總結

函數是可重用的代碼塊，用def定義；
變量作用域分局部（函數內）和全局（函數外），修改全局變量需用global；
參數類型：位置參數（必傳）、默認參數（有默認值）、*args（不定位置）、**kwargs（不定關鍵字）；
關鍵詞參數通過參數名=值傳遞，不依賴順序，更清晰；
多參數共存時，定義順序為：位置參數 → 默認參數 → *args → **kwargs。

這些是函數的核心基礎，掌握后能寫出更簡潔、靈活的代碼，尤其在機器學習中處理數據和模型時非常重要。

作業

題目1：計算圓的面積

任務：編寫一個名為 calculate_circle_area 的函數，該函數接收圓的半徑 radius 作為參數，并返回圓的面積。圓的面積 = π * radius2 (可以使用 math.pi 作為 π 的值)
要求：函數接收一個位置參數 radius。計算半徑為5、0、-1時候的面積
注意點：可以采取try-except 使函數變得更加穩健，如果傳入的半徑為負數，函數應該返回 0 (或者可以考慮引發一個ValueError，但為了簡單起見，先返回0)。

import math def calculate_circle_area(radius):'''計算圓的面積參數:radius: 圓的半徑，必須是數字類型返回:圓的面積，若半徑為負數則返回0'''try: # 檢查半徑是否為負數if radius < 0:return 0 # 計算圓的面積：π * radius2area = math.pi * radius ** 2return areaexcept TypeError:# 處理非數字類型的輸入print("錯誤：半徑必須是數字類型")return 0# 測試不同半徑的情況
print(f"半徑為5的圓面積: {calculate_circle_area(5):.4f}")
print(f"半徑為0的圓面積: {calculate_circle_area(0)}")
print(f"半徑為-1的圓面積: {calculate_circle_area(-1)}")# 測試一個異常情況（非數字輸入）
print(f"非數字輸入的情況: {calculate_circle_area('invalid')}")

半徑為5的圓面積: 78.5398
半徑為0的圓面積: 0.0
半徑為-1的圓面積: 0
錯誤：半徑必須是數字類型
非數字輸入的情況: 0

題目2：計算矩形的面積

任務：編寫一個名為 calculate_rectangle_area 的函數，該函數接收矩形的長度 length 和寬度 width 作為參數，并返回矩形的面積。
公式：矩形面積 = length * width
要求：函數接收兩個位置參數 length 和 width。
- 函數返回計算得到的面積。
- 如果長度或寬度為負數，函數應該返回 0。

def calculate_rectangle_area(length,width):'''計算矩形的面積參數:length： 矩形的長度width：矩形的寬度返回:矩形的面積，若長度伙寬度為負數，則返回0'''try:if length < 0 :return 0 if width < 0 :return 0area = length * widthreturn areaexcept TypeError:# 處理非數字類型的輸入print("錯誤：參數必須是數字類型")return 0print(f'長為4，寬為2的矩形的面積為：{calculate_rectangle_area(4,2)}')
print(f'長為0，寬為2的矩形的面積為：{calculate_rectangle_area(0,2)}')
print(f'長為4，寬為0的矩形的面積為：{calculate_rectangle_area(4,0)}')
print(f'長為-1，寬為2的矩形的面積為：{calculate_rectangle_area(-1,2)}')
print(f'長為4，寬為-1的矩形的面積為：{calculate_rectangle_area(4,-1)}')# 測試一個異常情況（非數字輸入）
print(f"非數字輸入的情況: {calculate_rectangle_area('4',2)}")

長為4，寬為2的矩形的面積為：8
長為0，寬為2的矩形的面積為：0
長為4，寬為0的矩形的面積為：0
長為-1，寬為2的矩形的面積為：0
長為4，寬為-1的矩形的面積為：0
錯誤：參數必須是數字類型
非數字輸入的情況: 0

題目3：計算任意數量數字的平均值

任務：編寫一個名為 calculate_average 的函數，該函數可以接收任意數量的數字作為參數（引入可變位置參數 (*args)），并返回它們的平均值。
要求：使用 *args 來接收所有傳入的數字。
- 如果沒有任何數字傳入，函數應該返回 0。
- 函數返回計算得到的平均值。

def calculate_average(*args):try:if len(args) == 0:return 0 total = sum(args)average = total/len(args)return averageexcept TypeError:print('錯誤：參數必須是數字類型')return 0 # 測試不同情況
print(f"沒有參數: {calculate_average()}")  # 應該返回0
print(f"一個參數: {calculate_average(5)}")  # 應該返回5.0
print(f"多個參數: {calculate_average(1, 2, 3, 4, 5)}")  # 應該返回3.0
print(f"包含負數: {calculate_average(10, -5, 3)}")  # 應該返回(10-5+3)/3 = 8/3 ≈ 2.666...
print(f"包含浮點數: {calculate_average(2.5, 3.5, 4.0)}")  # 應該返回(2.5+3.5+4.0)/3 = 10/3 ≈ 3.333...# 測試異常情況（包含非數字）
print(f"包含非數字: {calculate_average(1, 2, 'three')}")  # 應該捕獲錯誤并返回0

沒有參數: 0
一個參數: 5.0
多個參數: 3.0
包含負數: 2.6666666666666665
包含浮點數: 3.3333333333333335
錯誤：參數必須是數字類型
包含非數字: 0

題目4：打印用戶信息

任務：編寫一個名為 print_user_info 的函數，該函數接收一個必需的參數 user_id，以及任意數量的額外用戶信息（作為關鍵字參數）。
要求：
- user_id 是一個必需的位置參數。
- 使用 **kwargs 來接收額外的用戶信息。
- 函數打印出用戶ID，然后逐行打印所有提供的額外信息（鍵和值）。
- 函數不需要返回值

def print_user_info(user_id, **kwargs):print(f'User ID :{user_id}')if kwargs:print('Additional Information:')for key, value in kwargs.items():print(f"  {key}: {value}")else:print("No additional information provided.")# 測試函數
print("測試1：只提供user_id")
print_user_info(1001)
print("\n測試2：提供user_id和基本信息")
print_user_info(1002, name="Alice", age=30, email="alice@example.com")
print("\n測試3：提供更多信息")
print_user_info(1003, name="Bob", age=25, email="bob@example.com", occupation="Data Scientist", hobbies=["reading", "hiking", "coding"]
)

測試1：只提供user_id
User ID :1001
No additional information provided.

測試2：提供user_id和基本信息
User ID :1002
Additional Information:
name: Alice
age: 30
email: alice@example.com

測試3：提供更多信息
User ID :1003
Additional Information:
name: Bob
age: 25
email: bob@example.com
occupation: Data Scientist
hobbies: [‘reading’, ‘hiking’, ‘coding’]

題目5：格式化幾何圖形描述

任務：編寫一個名為 describe_shape 的函數，該函數接收圖形的名稱 shape_name (必需)，一個可選的 color (默認 “black”)，以及任意數量的描述該圖形尺寸的關鍵字參數 (例如 radius=5 對于圓，length=10, width=4 對于矩形)。
要求：shape_name 是必需的位置參數。
- color 是一個可選參數，默認值為 “black”。
- 使用 **kwargs 收集描述尺寸的參數。
- 函數返回一個描述字符串，格式如下：
- “A [color] [shape_name] with dimensions: [dim1_name]=[dim1_value], [dim2_name]=[dim2_value], …”如果 **kwargs 為空，則尺寸部分為 “with no specific dimensions.”

def describe_shape(shape_name, color="black", **kwargs):"""生成幾何圖形的描述字符串（修復參數傳遞問題）參數:shape_name: 必需，圖形名稱（位置參數）color: 可選，圖形顏色，默認值為"black"**kwargs: 關鍵字參數，描述圖形的尺寸返回:格式化的圖形描述字符串"""try:# 驗證參數類型if not isinstance(shape_name, str):raise TypeError("shape_name must be a string (圖形名稱必須是字符串)")if not isinstance(color, str):raise TypeError("color must be a string (顏色必須是字符串)")# 構建基礎描述部分description = f"A {color} {shape_name} with "# 處理尺寸描述部分if kwargs:dimensions = []for dim_name, dim_value in kwargs.items():if not isinstance(dim_value, (int, float)):raise TypeError(f"Dimension {dim_name} must be a number (尺寸{dim_name}必須是數字)")dimensions.append(f"{dim_name}={dim_value}")description += f"dimensions: {', '.join(dimensions)}"else:description += "no specific dimensions."return descriptionexcept TypeError as e:return f"參數錯誤: {e}"except Exception as e:return f"意外錯誤: {e}"# 重新測試修復后的函數
print("測試1：基本用法（圓）")
print(describe_shape("circle", "red", radius=5))  # 正常傳遞colorprint("\n測試2：使用默認顏色（矩形）")
# 不傳遞color，使用默認值"black"
print(describe_shape("rectangle", length=10, width=4))  print("\n測試3：沒有尺寸參數（三角形）")
print(describe_shape("triangle", "blue"))  # 傳遞color，無尺寸print("\n測試4：多個尺寸參數（長方體）")
print(describe_shape("cuboid", "green", length=5, width=3, height=2))print("\n測試5：異常情況（shape_name不是字符串）")
print(describe_shape(123, "yellow", radius=3))  # shape_name類型錯誤print("\n測試6：異常情況（尺寸不是數字）")
print(describe_shape("square", side="five"))  # 尺寸值不是數字