第八天：函式與程式碼重用

內容概述：

在程式設計中，「函式」是程式碼的基石之一，透過函式可以讓你的程式更簡潔、模組化和可重用。今天我們將學習如何使用函式，這樣你可以把重複的程式碼封裝成獨立的區塊，並在需要時輕鬆地呼叫它們。

一、什麼是函式？

1. 函式的定義

   • 函式是一組可以被重複呼叫的程式碼塊，它可以接收輸入，進行計算，並返回結果。
   • 定義函式的語法：

     def 函式名稱(參數1, 參數2, ...):
         # 函式內部的程式碼
         return 返回值
     

2. 為什麼要使用函式？

   • 使用函式可以避免重複編寫相同的程式碼，並且可以讓程式更具可讀性和可維護性。這有助於處理更大規模的專案或邏輯較為複雜的問題。

二、如何定義並呼叫函式

1. 基本範例

   • 下面是一個簡單的函式，它接收兩個參數並返回它們的和：

     def add_numbers(a, b):
         return a + b
     

2. 呼叫函式

   • 定義函式後，你可以通過名稱呼叫它並傳遞參數：

     result = add_numbers(3, 5)
     print(result)  # 輸出: 8
     

3. 函式中的參數

   • 參數是函式接收的輸入數據。在函式定義中，你可以根據需要設定任意數量的參數。
   • 例如，下面的函式接收一個參數並輸出該數的平方：

     def square(number):
         return number * number
     

三、return 與函式的輸出

1. return 的作用

   • return 用來將函式計算的結果返回給呼叫者。
   • 當 return 被執行時，函式會立即終止，並將結果傳遞回去。

2. 範例：計算長方形的面積

   • 我們可以撰寫一個函式來計算長方形的面積，並使用 return 返回結果：

     def rectangle_area(width, height):
         return width * height
     

3. 範例：無返回值的函式

   • 如果你不需要函式返回值，也可以省略 return。例如，這個函式只負責列印一個訊息：

     def say_hello():
         print("Hello, Python!")
     

四、預設參數與可選參數

1. 預設參數

   • 在定義函式時，你可以給參數設定一個預設值，這樣呼叫函式時可以選擇性地省略該參數：

     def greet(name="學生"):
         print(f"你好, {name}!")
     

2. 使用範例

   • 呼叫時如果省略了 name 參數，預設會使用「學生」：

     greet()          # 輸出: 你好, 學生!
     greet("阿動")  # 輸出: 你好, 阿動!
     

五、函式的應用場景

1. 將重複程式碼封裝成函式

   • 假設你有一個計算圓面積的程式，這裡使用了數學公式：

     pi = 3.14159
     radius = 5
     area = pi * radius ** 2
     print(area)
     

   • 若這樣的程式要重複使用多次，可以將其封裝成函式：

     def circle_area(radius):
         pi = 3.14159
         return pi * radius ** 2
     

2. 解決實際問題：計算 BMI

   • 讓我們來看一個實際的應用範例：計算身體質量指數（BMI）。這個函式接收體重和身高作為參數，並返回 BMI 值：

     def calculate_bmi(weight, height):
         return weight / (height ** 2)
     

3. 呼叫範例

   • 呼叫這個函式來計算某人的 BMI：

     bmi = calculate_bmi(70, 1.75)
     print(f"BMI: {bmi}")
     

六、函式中的本地變數與全域變數

1. 本地變數

   • 函式中的變數默認為本地變數，僅在該函式內部有效。當你在函式中定義變數後，該變數只在函式內部使用。
   • 範例：

     def test_function():
         x = 10
         print(x)
     test_function()  # 輸出: 10
     print(x)  # 這會產生錯誤，因為 x 是本地變數
     

2. 全域變數

   • 如果需要在函式外部訪問或修改變數，你可以將變數定義為全域變數（不推薦過多使用）。
   • 使用範例：

     x = 10
     def test_function():
         global x
         x = 20
     test_function()
     print(x)  # 輸出: 20
     

七、實作練習

練習 1：定義一個簡單的加法函式

• 撰寫一個函式，接收兩個參數，並返回它們的和。

練習 2：計算圓的面積

• 使用函式來計算圓的面積，並讓使用者輸入半徑。

練習 3：設計一個 BMI 計算器

• 定義一個函式來計算 BMI，並讓使用者輸入體重和身高。使用該函式計算 BMI 並根據結果給出健康建議。

八、每日作業

• 作業：撰寫一個函式來計算費氏數列（Fibonacci sequence）的第 n 項。費氏數列的定義是：
  • 第 0 項為 0
  • 第 1 項為 1
  • 之後的每一項都是前兩項的和。

提示：費氏數列是一個經典的遞迴（recursive）問題，可以利用函式的遞迴特性來解決。

九、解答

這些練習是很好的基礎編程練習，涵蓋了函式定義、使用者輸入與輸出以及遞迴的概念。下面是針對每個練習的詳細解答，幫助你掌握如何一步步完成這些任務。

練習 1：定義一個簡單的加法函式

撰寫一個函式，接收兩個參數，並返回它們的和。

def add_two_numbers(a, b):
    return a + b

# 測試函式
num1 = float(input("請輸入第一個數字: "))
num2 = float(input("請輸入第二個數字: "))
print(f"兩個數字的和是: {add_two_numbers(num1, num2)}")

練習 2：計算圓的面積

使用函式來計算圓的面積，並讓使用者輸入半徑。公式：圓的面積 = π * 半徑^2

import math

def calculate_circle_area(radius):
    return math.pi * radius ** 2

# 測試函式
radius = float(input("請輸入圓的半徑: "))
print(f"圓的面積是: {calculate_circle_area(radius):.2f}")

練習 3：設計一個 BMI 計算器

定義一個函式來計算 BMI，並讓使用者輸入體重和身高。公式：BMI = 體重 (kg) / 身高 (m)^2

def calculate_bmi(weight, height):
    bmi = weight / (height ** 2)
    return bmi

def bmi_advice(bmi):
    if bmi < 18.5:
        return "體重過輕"
    elif 18.5 <= bmi < 24.9:
        return "正常範圍"
    elif 24.9 <= bmi < 29.9:
        return "過重"
    else:
        return "肥胖"

# 測試函式
weight = float(input("請輸入體重 (kg): "))
height = float(input("請輸入身高 (m): "))
bmi = calculate_bmi(weight, height)
print(f"你的 BMI 是: {bmi:.2f}, 健康狀況: {bmi_advice(bmi)}")

作業：撰寫一個函式來計算費氏數列（Fibonacci sequence）的第 n 項

def fibonacci(n):
    if n == 0:
        return 0
    elif n == 1:
        return 1
    else:
        return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)

# 測試函式
n = int(input("請輸入要計算的費氏數列的項數 (n): "))
print(f"費氏數列的第 {n} 項是: {fibonacci(n)}")

解釋：

1. 練習 1：定義了一個簡單的加法函式，讓你能夠傳入兩個數字，並返回它們的和。這展示了如何傳遞參數和返回值。
2. 練習 2：使用 math 模組中的 pi，並定義了一個函式來計算圓的面積。你可以練習使用者輸入的讀取與結果格式化輸出。
3. 練習 3：BMI 計算器展示了如何將多個步驟封裝進函式中，並根據計算結果給出健康建議。
4. 作業：費氏數列的遞迴函式是一個經典的遞迴問題，通過函式不斷調用自身來解決問題。

透過這堂課，你將學會如何定義並呼叫函式，進一步提升程式碼的可讀性與重用性。掌握函式的使用後，你將能夠解決更多複雜的問題，並提升程式的邏輯結構。

明日課程預告：將學習「資料結構基礎—集合（Set）與其應用」。