[Python教學] 初級：資料結構與集合型別

Python 是一門功能強大且簡潔的程式語言，內建了多種資料結構來幫助開發者處理各種不同的需求。今天，我們將介紹五種常見的資料結構：字串、清單、元組、集合和字典，並學習它們的使用方式。

1. 字串 (String)

字串是用來表示文字的資料型別。在 Python 中，字串可以用單引號或雙引號來表示：

message = "Hello, World!"

字串操作

Python 提供了豐富的字串操作方法：

• 索引 (Indexing)：使用索引來訪問字串中的特定字元。

message = "Hello"
print(message[0])  # H
print(message[-1]) # o

• 切片 (Slicing)：獲取字串的子字串。

print(message[1:4])  # ell
print(message[:3])   # Hel
print(message[3:])   # lo

• 字串方法：

print(message.upper())   # HELLO
print(message.lower())   # hello
print(message.replace("l", "x"))  # Hexxo
print(message.split(","))  # ['Hello', ' World!']

2. 清單 (List)

清單是 Python 中最常用的資料結構之一，允許存儲多個值。清單使用方括號 [] 表示。

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]

清單操作

• 添加元素：使用 append() 方法在清單末尾添加元素。

fruits.append("orange")
print(fruits)  # ['apple', 'banana', 'cherry', 'orange']

• 移除元素：使用 remove() 方法刪除指定元素。

fruits.remove("banana")
print(fruits)  # ['apple', 'cherry', 'orange']

• 索引與切片：與字串類似，清單也可以透過索引訪問元素，並使用切片操作。

print(fruits[0])  # apple
print(fruits[1:3])  # ['banana', 'cherry']

• 排序：使用 sort() 方法對清單進行排序。

fruits.sort()
print(fruits)  # ['apple', 'banana', 'cherry']

3. 元組 (Tuple)

元組與清單類似，也可以儲存多個元素，但元組是不可變的，意味著一旦創建就不能修改。元組使用小括號 () 表示。

coordinates = (10, 20)

元組操作

• 索引與切片：與清單相同，元組也可以通過索引和切片訪問。

print(coordinates[0])  # 10
print(coordinates[1:2])  # (20,)

• 不可變性：嘗試更改元組中的值會導致錯誤。

# coordinates[0] = 15  # 會引發錯誤

雖然元組不可變，但它們可以用來作為鍵值（key）來存入字典，這是它們的一個優勢。

4. 集合 (Set)

集合是無序且不允許重複元素的資料結構，使用大括號 {} 表示。集合主要用於消除重複項或進行集合運算。

my_set = {1, 2, 3, 4, 4, 5}
print(my_set)  # {1, 2, 3, 4, 5}

集合操作

• 添加與刪除元素：使用 add() 方法添加元素，remove() 刪除元素。

my_set.add(6)
print(my_set)  # {1, 2, 3, 4, 5, 6}

my_set.remove(3)
print(my_set)  # {1, 2, 4, 5, 6}

• 集合運算：Python 支援多種集合運算，如聯集（union）、交集（intersection）、差集（difference）等。

set_a = {1, 2, 3}
set_b = {3, 4, 5}

print(set_a.union(set_b))        # {1, 2, 3, 4, 5}
print(set_a.intersection(set_b)) # {3}
print(set_a.difference(set_b))   # {1, 2}

5. 字典 (Dictionary)

字典是一種鍵值對（Key-Value）的資料結構，使用大括號 {} 表示，允許你根據鍵值（Key）來查找對應的值（Value）。字典中的鍵是唯一的，而值可以是任何資料型別。

student = 
{
    "name": "Alice",
    "age": 25,
    "grades": [85, 90, 88]
}

字典操作

• 訪問值：使用鍵來獲取對應的值。

print(student["name"])   # Alice
print(student["grades"]) # [85, 90, 88]

• 修改值：可以通過指定鍵來修改對應的值。

student["age"] = 26
print(student["age"])  # 26

• 添加鍵值對：可以新增新的鍵值對。

student["major"] = "Computer Science"
print(student)  # {'name': 'Alice', 'age': 26, 'grades': [85, 90, 88], 'major': 'Computer Science'}

• 刪除鍵值對：使用 del 刪除特定的鍵值對。

del student["major"]
print(student)  # {'name': 'Alice', 'age': 26, 'grades': [85, 90, 88]}

進階練習-將元組（Tuple）作為鍵值（Key）來存入字典

在Python中，元組（Tuple）可以作為字典的鍵值（Key）。不過，元組中的所有元素必須是數字、字串、布林值等。元組通常用於鍵是多個值的情況，例如將多個座標、日期或其他屬性作為字典的鍵值。

以下是幾個範例，展示了不同情境下如何將元組作為字典的鍵值來使用：

範例 1：多維座標作為鍵

在一些情況下，我們可能需要使用多維座標來標識某個物體或位置，例如在棋盤上標註棋子的座標。

# 多維座標作為鍵
chess_board = {}

# 使用元組表示座標
chess_board[(0, 0)] = "Rook"
chess_board[(0, 1)] = "Knight"
chess_board[(0, 2)] = "Bishop"

# 查找座標上的棋子
print(chess_board[(0, 1)])  # Output: Knight

範例 2：日期作為鍵

元組可以表示複合日期，例如年、月、日，可以用於日程管理或記錄特定日期的事件。

# 使用元組表示日期
events = {}

# 將日期元組作為鍵
events[(2024, 10, 24)] = "Python Learning Day"
events[(2024, 12, 25)] = "Christmas"

# 查詢某個日期的事件
print(events[(2024, 12, 25)])  # Output: Christmas

範例 3：學生考試成績（名字+科目）

在這個範例中，我們使用（學生名，科目）這樣的元組作為鍵來儲存每個學生的成績。

# 學生成績系統
grades = {}

# 使用（名字，科目）元組作為鍵
grades[("Alice", "Math")] = 95
grades[("Alice", "Science")] = 90
grades[("Bob", "Math")] = 85

# 查詢成績
print(grades[("Alice", "Math")])  # Output: 95
print(grades[("Bob", "Math")])    # Output: 85

結論

這篇文章介紹了 Python 中五個重要的資料結構：字串、清單、元組、集合和字典。每種資料結構都有各自的特點和應用場景，根據不同的需求選擇合適的資料結構，可以讓你的程式更加高效且易於維護。掌握這些基礎後，你將能夠更靈活地處理各種資料和實際專案。