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
到目前為止，我們已經使用了許多Python內置的函數（如 print(), len(), sum(), range()）以及各種庫（如NumPy, Pandas）提供的函數。這些函數就像是別人為我們準備好的工具。今天，我們將學習如何創建自己的工具——自定義函數。
函數的定義
函數的基本寫法如下所示：
def function_name(parameter1, parameter2, ...):"""Docstring: 描述函數的功能、參數和返回值 (可選但強烈推薦)"""# 函數體: 實現功能的代碼# ...return value # 可選，用于返回結果- def: 關鍵字，表示開始定義一個函數。
- function_name: 函數的名稱，應遵循Python的命名約定（通常是小寫字母和下劃線，例如 calculate_area,用英文單詞含義和下劃線來作為函數名）。
- parameter1, parameter2, ...: 函數的參數（也叫形參），是函數在被調用時接收的輸入值。參數是可選的。
- (): 參數列表必須放在圓括號中，即使沒有參數，括號也不能省略。
- : 冒號表示函數定義的頭部結束，接下來是縮進的函數體。
- Docstring (文檔字符串): 位于函數定義第一行的多行字符串（通常用三引號 """Docstring goes here"""）。用于解釋函數的作用、參數、返回值等。可以通過 help(function_name) 或 function_name.__doc__ 查看。這個寫法可選，為了后續維護和查看，建議加上這一段更加規范
- 函數體 (Function Body): 縮進的代碼塊，包含實現函數功能的語句。
- return value: return 語句用于從函數中返回一個值。如果函數沒有 return 語句，或者 return 后面沒有值，它會自動返回 None。一個函數可以有多個 return 語句（例如在不同的條件分支中）。
不帶參數的函數?
# 定義一個簡單的問候函數
def greet():"""打印一句問候語。"""message = "大家好！歡迎學習Python函數定義！"print(message)greet()# 查看文檔字符串,方便查看函數的使用，這個方法可以不掌握
print(greet.__doc__)
# 實際上，當你在py文件中，鼠標懸停在函數上按住ctrl即可點擊函數跳轉到其內部查看函數的定義帶參數的函數
函數的參數我們有如下稱呼：
- Parameters (形參): 在函數定義中列出的變量名 (如 name, feature1, feature2)。
- Arguments (實參): 在函數調用時傳遞給函數的實際值 (如 "張三", 10, 25)，也就是實際的數值（實參）傳給了 形參（定義時候的變量）
注意點： 定義的時候把函數的參數稱之為形參，調用的時候把函數的參數稱之為實參。
# 定義一個帶一個參數的問候函數
def greet_person(name):"""根據給定的名字打印問候語。Args:name (str): 要問候的人的名字。"""message = f"你好, {name}! 很高興認識你。"print(message)greet_person("張三") # 輸出: 你好, 張三! 很高興認識你。# 定義一個帶多個參數的函數 (例如，在機器學習中計算兩個特征的和)
def add_features(feature1, feature2):"""計算兩個數值特征的和。Args:feature1 (float or int): 第一個特征值。feature2 (float or int): 第二個特征值。"""total = feature1 + feature2print(f"{feature1} + {feature2} = {total}")add_features(10, 25) # 輸出: 10 + 25 = 35
帶返回值的函數
# 定義一個計算和并返回結果的函數
def calculate_sum(a, b):"""計算兩個數的和并返回結果。Args:a (float or int): 第一個數。b (float or int): 第二個數。Returns:float or int: 兩個數的和。"""result = a + breturn resultprint("hhh")calculate_sum(2, 3)此時，注意到，print("hhh")這個代碼并沒有被執行，因為函數在遇到return語句時，就會立即返回，而不會繼續執行函數后面的代碼。
其次，如果沒有return語句，或者return后面不帶任何參數，那么函數也會返回None（不要把執行的操作理解為返回值）。
# 函數可以返回多種類型的數據，包括列表、字典等
# 例如，在數據預處理中，一個函數可能返回處理后的特征列表
def preprocess_data(raw_data_points):"""模擬數據預處理，例如將所有數據點乘以2。Args:raw_data_points (list): 原始數據點列表。Returns:list: 處理后的數據點列表。"""processed = []for point in raw_data_points:processed.append(point * 2) # 假設預處理是乘以2return processeddata = [1, 2, 3, 4, 5]
processed_data = preprocess_data(data)print(f"原始數據: {data}")
print(f"預處理后數據: {processed_data}") # 輸出: [2, 4, 6, 8, 10]變量作用域
理解變量在何處可見和可訪問非常重要。
- 局部變量 (Local Variables): 在函數內部定義的變量，只在該函數內部有效。當函數執行完畢后，局部變量通常會被銷毀。
- 全局變量 (Global Variables): 在所有函數外部定義的變量，可以在程序的任何地方被訪問（但在函數內部修改全局變量需要特殊聲明，如 global 關鍵字，初學階段可以先避免）。
print("\n--- 變量作用域示例 ---")
global_var = "我是一個全局變量"def scope_test():local_var = "我是一個局部變量"print(f"在函數內部，可以看到局部變量: '{local_var}'")print(f"在函數內部，也可以看到全局變量: '{global_var}'")# global_var = "嘗試在函數內修改全局變量" # 如果沒有 global 聲明，這會創建一個新的局部變量 global_var# print(f"在函數內部，修改后的 '全局' 變量: '{global_var}'")scope_test()print(f"\n在函數外部，可以看到全局變量: '{global_var}'")?函數的參數類型
在我們ctrl跳轉到一些函數內部的時候，會發現寫法相對我們日常定義的簡單函數更加復雜，主要是參數形式比較豐富
參數有以下類型：
- 位置參數 (Positional Arguments): 調用時按順序匹配。
- 默認參數值 (Default Parameter Values): 定義函數時給參數指定默認值，調用時如果未提供該參數，則使用默認值。
- 可變數量參數 (*args 和 **kwargs)：
? ? - *args: 將多余的位置參數收集為一個元組。
? ? - **kwargs: 將多余的關鍵字參數收集為一個字典。
可能你還聽過關鍵字參數 (Keyword Arguments)這個說法，但是他并非是一種參數，而是一種傳遞參數的手段: 調用時通過 參數名=值 的形式指定，可以不按順序。他可以傳位置參數的值，也可以傳默認參數的值，也可以傳可變參數的值，也可以傳關鍵字參數的值。為了可讀性，更推薦對所有參數均采取關鍵字參數傳遞。
位置參數
def describe_pet(animal_type, pet_name):"""顯示寵物的信息。"""print(f"\n我有一只 {animal_type}.")print(f"我的 {animal_type} 的名字叫 {pet_name.title()}.")describe_pet("貓", "咪咪") # 使用關鍵字參數，順序不重要為了可讀性，更推薦對所有參數采取關鍵詞參數的寫法
#假設一個復雜的繪圖函數
plot_data(data, x_col, y_col, "blue", "-", True, False, "My Plot", "X-axis", "Y-axis") # 不清晰使用關鍵字參數
plot_data(data=my_data, x_column='time', y_column='value',color='blue', linestyle='-', show_grid=True, use_log_scale=False,title="My Awesome Plot", xlabel="Time (s)", ylabel="Value") # 非常清晰當一個函數有很多參數時，如果只用位置參數，調用者可能需要反復查看函數定義才能確定每個參數的含義。使用關鍵字參數，每個值的含義都通過其前面的參數名清晰地標示出來。
默認參數
注意點：帶默認值的參數必須放在沒有默認值的參數之后
def describe_pet_default(pet_name, animal_type="狗"): # animal_type 有默認值"""顯示寵物的信息，動物類型默認為狗。"""print(f"我有一只 {animal_type}.")print(f"我的 {animal_type} 的名字叫 {pet_name.title()}.")describe_pet_default(pet_name="小黑") # animal_type 使用默認值 "狗"
describe_pet_default(pet_name="雪球", animal_type="倉鼠") # 提供 animal_type，覆蓋默認值
# 注意：帶默認值的參數必須放在沒有默認值的參數之后*args (收集位置參數)
*args: 將多余的位置參數收集為一個元組。
????????當函數被調用時，Python 會先嘗試用調用時提供的位置參數去填充函數定義中所有明確定義的、非關鍵字的形參 (也就是那些普通的，沒有 * 或 ** 前綴的參數，包括有默認值的和沒有默認值的)。
????????如果在填充完所有這些明確定義的形參后，調用時還有剩余的位置參數，那么這些“多余的”位置參數就會被收集起來，形成一個元組 (tuple)，并賦值給 *args 指定的那個變量（通常就是 args）。
????????如果調用時提供的位置參數數量正好等于或少于明確定義的形參數量（且滿足了所有必需參數），那么 *args 就會是一個空元組 ()。
def make_pizza(size, *toppings):"""概述要制作的比薩。*toppings 會將所有額外的位臵參數收集到一個元組中。"""print(f"\n制作一個 {size} 寸的比薩，配料如下:")if toppings: # 只要toppings不為空元組，就會執行for topping in toppings:print(f"- {topping}")else:print("- 原味 (無額外配料)")make_pizza(12, "蘑菇")
make_pizza(16, "香腸", "青椒", "洋蔥")
make_pizza(9) # toppings 會是空元組?**kwargs (收集關鍵字參數)
**kwargs: 將多余的關鍵字參數收集為一個字典。
????????當函數被調用時，Python 會先處理完所有的位置參數（包括填充明確定義的形參和收集到 *args 中）。
????????然后，Python 會看調用時提供的關鍵字參數 (形如 name=value)。它會嘗試用這些關鍵字參數去填充函數定義中所有與關鍵字同名的、明確定義的形參（這些形參可能之前沒有被位置參數填充）。
????????如果在填充完所有能通過名字匹配上的明確定義的形參后，調用時還有剩余的關鍵字參數（即這些關鍵字參數的名字在函數定義中沒有對應的明確形參名），那么這些“多余的”關鍵字參數就會被收集起來，形成一個字典 (dictionary)，并賦值給 **kwargs 指定的那個變量（通常就是 kwargs）。
????????如果調用時提供的所有關鍵字參數都能在函數定義中找到對應的明確形參名，那么 **kwargs 就會是一個空字典 {}。
def build_profile(first_name, last_name, **user_info):"""創建一個字典，其中包含我們知道的有關用戶的一切。**user_info 會將所有額外的關鍵字參數收集到一個字典中。"""profile = {}profile['first_name'] = first_nameprofile['last_name'] = last_namefor key, value in user_info.items():profile[key] = valuereturn profileuser_profile = build_profile('愛因斯坦', '阿爾伯特',location='普林斯頓',field='物理學',hobby='小提琴')
print(f"\n用戶信息: {user_profile}")
# 輸出: {'first_name': '愛因斯坦', 'last_name': '阿爾伯特', 'location': '普林斯頓', 'field': '物理學', 'hobby': '小提琴'}*args 和 **kwargs 的核心目的是讓函數能夠接收不定數量的參數，并以元組和字典的形式在函數內部進行處理。
也就是說 當位置參數用完了 就自動變成*args，當關鍵詞參數用完了 就自動變成**kwarges
# 同時出現 *args 和 **kwargs，注意參數的傳入順序
def process_data(id_num, name, *tags, status="pending", **details): # 注意，這里的status 是僅關鍵字參數，必須通過關鍵詞傳值print(f"ID: {id_num}")print(f"Name: {name}")print(f"Tags (*args): {tags}")print(f"Status: {status}") # status 是一個有默認值的普通關鍵字參數print(f"Details (**kwargs): {details}")print("-" * 20)# 調用1:
process_data(101, "Alice", "vip", "new_user", location="USA", age=30)
# ID: 101
# Name: Alice
# Tags (*args): ('vip', 'new_user') <-- "vip", "new_user" 是多余的位置參數，被 *tags 收集
# Status: pending <-- status 使用默認值，因為調用中沒有 status=...
# Details (**kwargs): {'location': 'USA', 'age': 30} <-- location 和 age 是多余的關鍵字參數，被 **details 收集
# --------------------# 調用2:
process_data(102, "Bob", status="active", department="Sales")
# ID: 102
# Name: Bob
# Tags (*args): () <-- 沒有多余的位置參數
# Status: active <-- status 被關鍵字參數 'active' 覆蓋
# Details (**kwargs): {'department': 'Sales'} <-- department 是多余的關鍵字參數
# --------------------# 調用3:
process_data(103, "Charlie", "admin") # 'admin' 會被 *tags 捕獲
# ID: 103
# Name: Charlie
# Tags (*args): ('admin',)
# Status: pending
# Details (**kwargs): {}
# --------------------# 調用4: (演示關鍵字參數也可以用于定義中的位置參數)
process_data(name="David", id_num=104, profession="Engineer")
# ID: 104
# Name: David
# Tags (*args): ()
# Status: pending
# Details (**kwargs): {'profession': 'Engineer'}
# --------------------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 mathdef calculate_circle_area(radius):try:if radius < 0:return 0return math.pi * (radius ** 2)except TypeError:return 0 # 處理非數字輸入的情況，也可以根據需要擴展# 測試用例
print("半徑為5的圓面積：", calculate_circle_area(5)) # 應返回 ~78.54
print("半徑為0的圓面積：", calculate_circle_area(0)) # 應返回 0
print("半徑為-1的圓面積：", calculate_circle_area(-1)) # 應返回 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。
def calculate_rectangle_area(length, width):"""計算矩形的面積參數:length (float 或 int): 矩形的長度width (float 或 int): 矩形的寬度返回:float: 矩形的面積，如果 length 或 width 為負數，則返回 0"""if length < 0 or width < 0:return 0return length * widthprint(calculate_rectangle_area(5, 3)) # 輸出: 15
print(calculate_rectangle_area(-2, 4)) # 輸出: 0
print(calculate_rectangle_area(2, -5)) # 輸出: 0
print(calculate_rectangle_area(0, 5)) # 輸出: 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):"""計算任意數量數字的平均值參數:*args (float 或 int): 任意數量的數字返回:float: 所有數字的平均值，如果沒有提供任何數字，則返回 0"""if not args:return 0return sum(args) / len(args)print(calculate_average(1, 2, 3, 4, 5)) # 輸出: 3.0
print(calculate_average(10, 20)) # 輸出: 15.0
print(calculate_average()) # 輸出: 0
print(calculate_average(3.5, 4.5, 2)) # 輸出: 3.3333333333333335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):"""打印用戶信息參數:user_id (int 或 str): 用戶的ID，必需的位置參數。**kwargs: 任意數量的額外用戶信息作為關鍵字參數。返回:無返回值。函數打印出用戶ID和所有提供的額外信息（鍵和值）。"""print(f"用戶ID: {user_id}")if kwargs:for key, value in kwargs.items():print(f"{key}: {value}")else:print("沒有提供額外的用戶信息。")print_user_info(123, name="張三", age=28, gender="男")
# 輸出：
# 用戶ID: 123
# name: 張三
# age: 28
# gender: 男print_user_info(456)
# 輸出：
# 用戶ID: 456
# 沒有提供額外的用戶信息。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.”
desc1 = describe_shape("circle", radius=5, color="red")
print(desc1)
# 輸出: A red circle with dimensions: radius=5desc2 = describe_shape("rectangle", length=10, width=4)
print(desc2)
# 輸出: A black rectangle with dimensions: length=10, width=4desc3 = describe_shape("triangle", base=6, height=8, color="blue")
print(desc3)
# 輸出: A blue triangle with dimensions: base=6, height=8desc4 = describe_shape("point", color="green")
print(desc4)
# 輸出: A green point with no specific dimensions.
def describe_shape(shape_name, color="black", **kwargs):"""返回一個格式化的字符串，描述一個幾何圖形。參數:shape_name (str): 圖形名稱，必需。color (str): 圖形顏色，默認為 "black"。**kwargs: 任意數量的關鍵字參數，用于描述圖形的尺寸。返回:str: 格式化的圖形描述字符串。"""if not kwargs:return f"A {color} {shape_name} with no specific dimensions."dims = ", ".join([f"{key}={value}" for key, value in kwargs.items()])return f"A {color} {shape_name} with dimensions: {dims}"desc1 = describe_shape("circle", radius=5, color="red")
print(desc1)
# 輸出: A red circle with dimensions: radius=5desc2 = describe_shape("rectangle", length=10, width=4)
print(desc2)
# 輸出: A black rectangle with dimensions: length=10, width=4desc3 = describe_shape("triangle", base=6, height=8, color="blue")
print(desc3)
# 輸出: A blue triangle with dimensions: base=6, height=8desc4 = describe_shape("point", color="green")
print(desc4)
# 輸出: A green point with no specific dimensions.@浙大疏錦行
