程序

程序 是研究计算机科学的重要工具，通过把「先做什么、再做什么、何时停止」写下来，使另一次运行、另一组数据、另一台机器，仍然得到同一套逻辑相同的结果。

编写程序，通常简写为编程。一段程序的形态可以是自然语言、流程图、数学公式等等。但在计算机中，我们通常通过写代码来编程，因为计算机更擅长理解代码。

本课用 Python 作为编程语言，运行环境是本平台的 在线 IDE。你还可以随时在页面的右上角找到它。

本次课你将编写出你的第一行程序，让它向世界问好！

hello, world!

1840 年代，查尔斯·巴贝奇设计出了具有里程碑意义的分析机，但当时多数人仍把它想成一台更快的计算器。因为在那个年代，大部分的机器和工具都只能处理一件特定的任务。比如计算加法要用加法器，计算对数要用对数尺等等。

巴贝奇的好友，艾达·洛夫莱斯却指出：若机器能按规则操作符号，它理论上也可以处理音乐、几何图形等等，音乐和图形本质上都是特定计算过程产生的结果。

遗憾的是分析机的设计领先于时代太多，当时的生产工艺并不能将其制作出来。

一个世纪之后，ENIAC 用电缆和开关实现巴贝奇和艾达的理想，只需要改变线缆的连接方式，就能改变它的计算过程，从而实现不同的功能。计算机科学的故事从此正式拉开了帷幕。

那到底什么是计算过程呢？

举例来说，计算 $3\times 4 + 5$ 时，我们将计算过程分为以下两个步骤：

1. 先计算3与4的乘法，得到结果12
2. 将12与5相加，得到结果17

不论这里具体的数字改成什么，比如 $6\times 5 + 4$ ，亦或者 $52\times 10 + 1$，步骤都是确定的两步：

1. 先计算前两项的乘积
2. 把中间结果与后一项求和

于是在数学里，通过代数的方法，将具体的数字可以写为字母符号，意思为任意数字 $a\times b + c$ 。类似的，使用函数符号 $f(x) = a\times b + c$ 表示这个计算的过程。

在编程时，只需要将这些符号改写为机器能懂的语言，比如“线缆的连接方式”或“二进制代码”，即可让机器的功能转化为对应的计算过程。

单凭机器，没有程序，只是一堆会通电的器件。单凭一份写在纸上的步骤，没有机器去执行，也只是一份说明书。二者合在一起，才出现现代意义上的计算：人负责提出问题和验收结果，机器负责把同一套步骤在巨大的规模上重复、精确地做完。

以天气预报为例。大气运动可以用流体力学方程来描述，卫星和地面站不断送来观测数据。没有人能在一张草稿纸上，对地球大气的每一个格子、每一个时刻手算出明天的雨带。程序把方程离散成一步步可执行的更新：读入当前状态，按规则推进一步，再推进一步。超级计算机负责把这些步骤跑完。气象员并不查看每一次内部乘法的中间值，而是在关键时刻读取：未来二十四小时的降水概率、台风路径的集合预报。

如上所述，计算机真正执行的，是极其简单的电路开关游戏，人无法直接用那种粒度思考复杂的问题。于是编程语言出现了，它就像是人机之间的翻译：把接近人类问题的写法，变成机器可以运行的指令。

但是不同的编程语言，是对「要多近才算接近」、「接近什么才算接近」有着不同的理解。

在二十世纪中叶前后，诞生了一大批至今还在应用的编程语言：Fortran 面向数值与工程计算；Lisp 面向符号与表结构；C 贴近机器，用来把内存和时钟管清楚；后来的语言又分别面向网页、证明、统计与数据。

选择语言，就是选择一套抽象：哪些细节可以被隐藏起来，哪些必须写明白。没有一种语言在所有问题上都最优——正如没有一种实验仪器能同时做完所有测量。

本课选择 Python，不是因为它是「最好的语言」，而是因为它适合用来理解计算思想，又足够接近真实的科学工作。

Python 原意为蟒蛇，其logo的样貌也是取自于此。由吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum）在 1980 年代末开始设计，1991 年公开发布。据说这个名字来自英国喜剧《蒙提·派森的飞行马戏团》，与蟒蛇并没有关系。

Pyhton的优点非常明显，写法相对接近自然语言，标准库和科学社区提供了大量已经检验过的工具，它对运行环境要求不高，即使在浏览器中也能工作。三十多年来，已经成为了科学计算、数据处理、人工智能实验里最常见的书写工具之一。

但缺点也同样明显，Python 通常比贴近硬件的语言慢，在计算机的世界里，也许慢就是「原罪」吧。

学会Python以后，你可以在实验室用它整理观测表、拟合曲线、检查公式在边界上是否成立；开发网站，并把请求交给后台服务；进行气象、基因组、经济数据、机器学习实验等等等。

编程中的最核心的理念是抽象，即通过发明新的符号来代指一个复杂的过程。比如我们发明了 $\times$ 乘法符号，来表示多个相同数字的相加。 未来你也会自己发明一些符号，但在此之前请先学习别人发明的符号，并尊重他们的使用规则。

接下来，就让我们学习和运行本课程的第一行代码。点击代码框右上角的运行按钮，便可以在我们的在线 IDE 中运行这段代码，如果一切顺利可以在结果框看到 hello, world! 这句话。

print('hello, world!')

这段代码中的符号是什么意思？让我们来一一看一下。

首先，第一个符号print，刚好是一个英文单词——打印。

我们刚刚说到计算机中的程序可以用于描述复杂的计算过程，对于人类来说，通常不关心里面每一个具体步骤的计算结果，我们希望机器只告诉我们其中关键步骤的结果。于是我们需要在程序中告知计算机，在什么时间把什么内容展示给人类。在计算机刚被发明的时候，现代显示器还没有被发明，只有打印机可以用于显示结果，于是命名为 print 打印。

在print后面紧跟着的是一对小括号()，请注意是英文括号！这对括号用于限定需要被print的内容。

在后续的课程中，你会经常遇到类似print()这样的结构，用于描述指令和执行指令时必要的信息，我们会在第二单元正式解释这个结构，现在你只需要了解即可。

在小括号中的'hello, world!'，与实际显示在输出面板中的内容hello, world!，有一个显著的区别，你注意到了吗？

对！是引号！

这里的引号用于表示这里出现的任何符号仅具有字面意义，并没有代码含义。计算机看到引号后，将不会解析为需执行的命令，而是将其中的内容看作一句普通的文本。

我们将在下节课了解更多关于引号中内容的情况。

请根据你刚刚所学的内容，猜测下面两行代码将输出什么内容？

print(2 + 3)
print('2 + 3')

如果我们没有遵守符号的约定，写出了「错误」的代码，计算机会怎么做呢？

请尝试运行下面的三组代码，看看输出面板上会显示什么内容？

# 缺少引号
print(hello, world!)

# 错用中文括号
print（'hello, world!'）

# 拼错单词
printer('hello, world!')

这样因为不符合符号约定的错误写法，被称作语法错误。通常在输出面板上可以看到SyntaxError的提醒，表示我们写错啦！

在写代码时，出现错误非常非常正常。计算机中的每个符号都是被重新赋予了特定的含义，长得相似的代码，其实际作用可能却天差地别。请在日后与代码相处的时光里，耐下性子来仔细编写吧！

在 在线 IDE 里写一份最短的实验标签。第一行用 print 输出带引号的字面文字 1.2 + 0.8；第二行输出同一算式去掉引号后的结果，应为 2.0。两行应当不同：一行是给人读的字，一行是机器做完的加法。

• 程序把「先做什么、再做什么、何时停止」写成可执行步骤。单有机器或单有纸上的说明都不够；二者合在一起，才出现现代意义上的计算。
• 编程语言是人与机器之间的翻译层。不同语言隐藏不同细节。本课用 Python，是因为它适合理解计算思想，又接近真实的科学工作；它不是唯一正确的语言。
• print(...) 把选定的内容交给人看。括号限定要输出的内容，须用英文括号。
• 引号把其中的符号声明为字面内容，机器不再当作待执行的运算。因此 print(2 + 3) 与 print('2 + 3') 结果不同。
• 不符合符号约定的写法会引发语法错误（如 SyntaxError）。报错是定位问题的证据，写错代码很常见。