高中信息技术必修一知识整理
2022/10/14 19:52:00 学习

本文内容参考了课堂笔记整理，若有错误，欢迎指正！

第 1 章 认识数据与大数据

信息与数据

知识

进制

大数据

数据编码

字符是人与计算机交互过程中不可或缺的重要内容，它是多种文字和符号的总称。由于计算机只识别 0 和 1，因此在处理各种字符时，就需要将字符转换为计算机可以识别的二进制数据。

字符编码的发展：

  1. ASCII（美国信息交换标准码，后被接受为国际标准 ISO 646）
  2. 各国各自的字符编码（GB2312、BIG5 等）
  3. Unicode（1991 年，国际标准化组织和 Unicode 组织联合制定统一码）

计算机中存储一个“0”或“1”占用 1 个二进制位（bit）

字符类型 所占空间 编码方式
任一英文字符 1 字节（1B） ASCII
任一汉字 2 字节（2B） GB2312

例：使用 GBK 编码储存 30000 个汉字所占的储存空间是？

（UTF-8 编码储存一个汉字需要占用 3 B，也就是其存储 30000 个汉字所占用的存储空间是使用 GBK 存储的 1.5 倍）

图像的编码

常见图像格式：GIF（无损）、PNG（无损）、JPEG（有损）等

一张 128px * 128px 大小的 BMP 图片，颜色深度为 24 位，那么这张图片的大小是多少？答案是 48 kB。

BMP 图像通常不经压缩，因此 BMP 图像的大小与图像的像素数和颜色深度有关。在 BMP 图像中，每个像素其颜色所占用的二进制位数为颜色深度。颜色深度越高，图像的颜色越丰富。

$$ \begin{align*} 图像所占用的存储空间大小（单位：比特） \\ = 图像水平像素数 * 图像垂直像素数 * 颜色深度 / 8 \end{align*} $$

颜色深度为 8 时，其占用 8 位，可以表示 $2^8 = 256$ 种颜色，也就是颜色深度为 8 时，图像的颜色为 256 种。

回到上面的例子，我们可以通过下面的公式计算出这张图片的大小：

$$ \begin{align*} fileSize &= pixelNumsX * pixelNumsY * colorDepth / 8 \\ &= 128 * 128 * 24 / 8 \\ &= 49152 B \\ &= 48 KB \end{align*} $$

数字化与音频的编码

非数字化数据（CD、胶卷）数字化后可以变成存储在数字化设备中的数字化数据（易于存储、处理、共享、传输）。

$$ 模拟信号 \xRightarrow{ 采样、量化、编码} 数字信号 $$

音频的常见格式有：APE（无损）、WAV（无损）、MP3（有损）、AMR（有损）等。

其中 WAV 文件格式的音频文件不经过压缩，其所占存储容量：

$$ \begin{align*} 所占存储容量(B) &= 采样率(Hz) * 采样位数 * 声道数 * 时间 / 8 \end{align*} $$

常见的 CD 音频文件的采样频率为 44100 Hz（44.1kHz）。

例：700 MB 的 WAV 文件，采样率为 44100 Hz，采样位数为 16 位，双声道，求该音频文件时长？

  1. 求出 1 分钟的、这样的 WAV 文件的大小？

    $$ \begin{align*} FileSize_{pm} = (44100 * 16 * 2 * 60 / 8 ) B ≈ 10 MB \end{align*} $$

  2. 求得该音频文件时长？ $$ \begin{align*} t = FileSize / FileSize_{pm} = 700 / 10 = 70 min \end{align*} $$

$$ \therefore 时长 ≈ 70 min $$

（当然这种方法可能并不精确，如果希望得到更精确的结果，可以使用原始公式推得：$时间(s) = \frac{8 * 所占存储容量}{采样率 * 采样位数 * 声道数}$）

数据的压缩

在不损失有用信息的前提下，可按一定的编码规则对数据重新组合，以去除数据沉余部分。

视频格式

视频画面是由以一定的速度联系播放的一组静态图像形成的，这些静态图像被称为帧（Frame）。当视频帧率（FPS，Frame Per Second）大于等于 24 时，依据视觉暂留原理，便会形成较流畅的视频画面。

国际标准为 MPEG，无损压缩的格式有 AVI、WMV 等。

流媒体（英语：Streaming media），指将一连串的多媒体资料压缩后，经过互联网分段发送资料，在互联网上实时传输影音以供观赏的一种技术与过程，此技术使得资料数据包得以像流水一样发送，如果不使用此技术，就必须在使用前下载整个媒体文件。
（维基百科 - 流媒体）

第 2 章 算法与程序实现

本文的目标是学习信息技术科目时的可以用于辅助参考的材料，这不是一个专业的 Python 入门教程，请以 Python 文档为准。

算法与程序设计

算法是解决问题的步骤序列，具有有穷性、可行性、确定性，算法的描述有：自然语言、流程图、伪代码。
程序设计语言的发展：机器语言 → 汇编语言 → 高级语言。

Python 可在 Python 官网 下载，官方的简体中文文档：点此前往。
安装 Python 后可以通过其自带的 IDLE 编辑代码，也可以使用第三方的编辑器，此处不做赘述。

程序设计实践

Hello, World!

print("Hello, World!") # 使用 print 函数来打印一个输出：Hello, World!

这里我们调用了函数 print 来打印输出 Hello, World!，每个函数单独占一行，函数的参数放在括号中，参数之间用逗号隔开，比如你可以通过 print("Hello,", "Beijing") 来打印一段这样的内容：Hello, Beijing。

函数是可以有返回值的，比如 input 函数，input 函数接受一个参数，即提示信息，然后等待用户输入，用户输入后按下回车，input 函数就会返回用户输入的内容，比如：

print('经过智能计算，你的身高是: ', input('请输入你的身高: '))

执行上面的函数，会先打印 请输入你的身高: ，然后等待用户输入并回车后，会打印出 经过智能计算，你的身高是: 【用户输入的身高】。

请输入你的身高: 175 <- 用户在控制台输入的
经过智能计算，你的身高是: 175

运算

我们现在接触过三种运算符：算术运算符、关系运算符和逻辑运算符。

算术运算符有：+、-、*、/、//、%、** 等，分别表示加、减、乘、除、整除、取余、幂运算。
这些运算符间有优先级，优先级从高到低依次是：**、*、/、//、%、+、-。

比如：1 + 1 / 2 会返回 1.5。
再比如，下面这个式子 1 + 2 * 3 ** 2，它会先计算 3 ** 2，也就是 $3^2$，得到 9，然后再计算 2*9，得到 18，最后再计算 1 + 18，得到 19。

关系运算符可以用来比较两个值，有：>、<、>=、<=、==、!= 等，分别表示大于、小于、大于等于、小于等于、等于、不等于，这些运算符返回一个布尔值，即 True 或 False。

逻辑运算符有：and、or、not 等，分别表示与、或、非，用来对一个布尔值进行运算。
对于 and 运算符，只有两个值都为 True 时，它才会返回 True，否则返回 False。
对于 or 运算符，如果两个值中有一个为 True，它就会返回 True，否则返回 False。
对于 not 运算符，它会对一个布尔值进行取反，如果 A 为 True，那么 not A 就会返回 False。

希望这个例子可以帮你理解这些运算符的运用：

print(1 + 2 ** 2 == 1 and True)

这段代码将会输出：False。因为 1 + 2 ** 2 的值是 5，不等于 1，因此 1 + 2 ** 2 == 1 返回 False，那现在这个就变成了： True and False 了，返回 False。

变量和类型

使用变量可以存储一个值，变量名可以由字母、数字和下划线组成，但不能以数字开头，变量名区分大小写（比如 Hi 和 hi 就不是一个变量）。

a = 1 # 初始化变量 a，将 1 赋值给 a

我们使用 形如 [name] = [value] 的语句来给变量复制，需要注意的是，这里的等号是用来赋值的，并非数学中的等于号。第一次使用变量前，需要先给他赋值来初始化，否则会报错。

a = '60' # 这里我本意是想表达一个数，但为什么像其他文本一样也用双引号括了起来？请见下文变量的类型部分
print('在满分 100 分的考试中得到', a, '分就及格了。')

上方代码输出: 在满分 100 分的考试中得到 60 分就及格了。

既然是赋值，那么形如这样的语句也是完全可以的：i = i + 1，这个语句的意思是将变量 i 的值设为原来 i 的值加上 1。

a = 1
b = 2
c = a + b
print(c) # 输出 3
c = c + 1
print(c) # 输出 4

Python 的每个变量都有一个类型，比如整型、浮点型、字符串、布尔型等，这里我们先行介绍上面的四种，其他的类型请自行百度。

a = 1 # 整型 - 一个整数
b = 1.0 # 浮点型 - 一个数，这个数可以有小数部分
c = '1' # 字符串 - 一串文字，需要用单引号或双引号括起来
d = True # 布尔型 - 只能是 True 或 False，代表真或假

我们可以使用函数 str() 来将一个值转换为字符串，使用函数 int() 来将一个值转换为整型，使用函数 float() 来将一个值转换为浮点型。

print('他考了', str(59), '分')

上方代码输出：他考了 59 分，这里使用 str 函数将整型数 59 转换为了字符串

print('你的虚岁是：', int(input('输入你的年龄：')) + 1, '岁')

输入我的年龄 15，输出“你的虚岁是：16岁”，这里使用 int 函数将字符串 15 转换为了整型数 15，再进行 15 + 1运算，如果直接将一个字符串和一个整型数相加会报错的。

If 分支结构

使用分支结构来实现“当条件 X 成立时执行 Y，否则执行 Z”这样的逻辑。形如

if X:
    # 代码块 Y
else:
    # 代码块 Z

比如，我现在想要让用户输入一个数字，然后判断这个数字是奇数还是偶数，我们可以这样写：

num = int(input('输入一个数字：'))
if num % 2 == 0:
    print('这个数字是偶数')
else:
    print('这个数字是奇数')

首先，我们输入数字，并转换为整数类型，把这个数字存储到变量 num 中；接下来，判断这个数字取余 2 的结果是否等于 0，如果等于 0，说明这个数字是偶数，那么就执行 if 下面 else 上面的这段代码，否则就执行 else 下面的这段代码。
比如，我输入 2，程序输出“这个数字是偶数”。

if 1 > 2:
    print('Output 1')
print('Output 2')

上方代码输出：Output 2，因为 1 > 2 不成立，所以不会执行 属于分支结构的代码块：print('Output 1')，而是直接执行 print('Output 2')，这里是靠缩进来判断代码段的开始和结束的，所以属于分支结构的代码段需要前面进行一个缩进。

因此说，如果你尝试运行下面的代码，想要直接输出一个 Hello!，但却在前面多打了一个缩进：

    print('Hello!')

它是无法正常运行的，会报：unexpected indent 错误（也就是控制台一大段红色的文字），因为这里不能有也不需要有一个缩进，却给了一个缩进，这是错误的。

这里再简单介绍一下报错（异常）：

一般情况下，在Python无法正常处理程序时就会发生一个异常。
（菜鸟教程）

当我们运行程序的时候，遇到类似上面的输出一般就是遇到了异常，通过程序给出的异常，我们可以快速地修复程序，来让它正常工作：

  File "C:\Users\water\Downloads\dev.py", line 1
    print('1')
IndentationError: unexpected indent

比如上面这个报错，我们可以通过 line 1 得知，这个错误发生在第 1 行的代码中，错误是 IndentationError，错误信息是 unexpected indent，我们可以根据这个错误发生的位置来针对性的检查并修复，并通过百度关键词：python + 报错来了解这个错误为何发生、如何解决。

While 循环

Python 编程中 while 语句用于循环执行程序，即在某条件下，循环执行某段程序，以处理需要重复处理的相同任务。
（菜鸟教程）

语法形如，即当条件 X 成立的时候，执行代码块 Y，直到条件 X 不成立：

while X：
    # 代码块 Y

让我们来写一段代码，通过 While 循环来计算 1 到 3 的和：

先分析要求，我们需要一个变量来存储和，然后从 1 开始，循环到 3，每次循环都把当前的数字的加到和上，最后输出和。

sum = 0
i = 1
while i <= 3:
    sum = sum + i
    i = i + 1
print(sum)

在这段代码中：

  1. 我们先将变量 sum（用作存储和的计数器）的值设为 0，并将 i（用作记录这个循环是循环到了几，也就是循环变量）设为 1。
  2. 然后遇到了 While 循环结构：
    1. 判断条件 i <= 3 是否成立，若成立才能执行，若不成立就退出循环。
    2. 把变量 sum 设为自身的值加上 i 的值。
    3. 把变量 i 的值加 1。
    4. 回到 1，继续判断条件是否成立，若成立则继续执行，若不成立则退出循环。
  3. 最后输出 sum 的值。

输出为 6。
这样，我们就可以通过循环来出计算 1 到 3 的和了。那我直接 print(1+2+3) 不行吗？其实也行，但是如果遇到更大的数字，比如计算 1 到 100、1 到 10000 的和，那么这样的办法就行不通了...

外部库

在学习 Python 内置的这些基础上，我们还可以使用库所提供的一些函数，Python 就内置了一些库，如 turtle（用来绘图）等。

这里以 turtle 库为例，我们导入这个库有三种方法：

  1. import turtle，使用 turtle.函数名(参数) 来调用这个库中的函数了，比如 turtle.forward(100)，这样就可以让乌龟向前走 100 步。
  2. import turtle as t，这样我们便可以使用 t.函数名(参数) 来调用，比如 t.forward(100)。
  3. from turtle import *，如此我们就可以直接使用 函数名(参数) 来调用了，比如 forward(100)。

其他库同理。

作为 turtle 库使用的起点，让我们画一个矩形：

# 引入 turtle 库
import turtle
# 循环四次：走 100 步（画一个长度为 100 的边）、右转 90 度
turtle.forward(100)
turtle.right(90)
turtle.forward(100)
turtle.right(90)
turtle.forward(100)
turtle.right(90)

（我们也可以用 While 循环结构来画这个矩形，以简化代码：）

# 引入 turtle 库
import turtle
# 初始化循环变量 i 为 1
i = 1
# 循环四次
while i <= 4:
    # 走 100 步（画一个长度为 100 的边）
    turtle.forward(100)
    # 右转 90 度
    turtle.right(90)
    # 循环变量加 1
    i = i + 1

关于 Turtle 库中我们经常使用的部分函数，可以参考下文的表格。

函数 功能
forward(d) 前进 d 像素
backward(d) 后退 d 像素
right(a) 右转 a 度
left(a) 左转 a 度
goto(x, y) 移动到坐标 (x, y)
speed(s) 设置画笔的移动速度，${s∈N|0≤s≤10}$
down() 落笔
up() 抬笔
setheading(a) 设置画笔的朝向
pensize(w) 设置画笔的宽度
color(p, f) 设置画笔的颜色为 p，填充颜色为 f
circle(r, a) 画一个半径为 r 的圆，a 为圆的弧度
begin_fill() 开始填充
end_fill() 结束填充
clear() 清空画布
hideturtle() 隐藏海龟
delay(n) 设置延迟，延迟大小越大动画速度越慢，$n=0$ 时无动画

结合 time 库中的 sleep 函数，我们可以做出一个简单的红绿灯：

# 引入 turtle、time 两个库
import turtle
import time
# 将画笔延迟设为 0，也就是没有动画，然后隐藏海龟
turtle.delay(0)
turtle.hideturtle()
# 在屏幕上画出一个实心的、半径为 20 的红色圆
# 下面四个代码是先设置颜色为 red，然后开始填充，画一个半径为 20 的空心圆，最后结束填充，让这个圆变成实心的
turtle.color('red', 'red')
turtle.begin_fill()
turtle.circle(20)
turtle.end_fill()
# 停止 2 秒
time.sleep(2)
# 画出一个实心、半径 20 的绿色圆
turtle.color('green', 'green')
turtle.begin_fill()
turtle.circle(20)
turtle.end_fill()
# 画完了，执行这个语句来防止程序直接退出
turtle.done()

于是，现在我们看到最开始在窗口中有一个红色的实心圆（左），等待 2 秒后变为绿色（右）：

现在，来实现一个这样的需求吧：
屏幕上有两个灯，开始运行时上面的灯是红色的，下面的灯是灰色的，等待 2 秒，上面的灯变灰、下面的灯变绿。

这里我们引入“函数”这个概念，函数封装了一段代码，让这段代码能够被重复的调用，增加了程序的可读性、简化了程序。
函数的定义形如：

def 函数名(参数1, 参数2, ...):
    # 代码块（调用该函数的时候执行什么代码？）

在函数代码块里，你可以直接使用传入进来的参数，也可以使用全局变量，比如：

# 函数 add 接收参数 a 和 b，并返回 a+b 的结果。
def add(a, b):
    return a + b
print(add(1, 2)) # 输出 3

# 函数 addM 接受定值 a，并返回 a 加上定值 M 的结果
# 这里在函数内直接使用了全局变量 M
M = 100
def addM(a):
    return a + M
print(addM(1)) # 输出 101

需要注意的是，函数外部不能调用函数内参数，比如下面这段代码就会报错：

def add(a, b):
    return a + b
print(a,'+',b,'=',add(1, 2))
# 上面的代码是会报错的，因为 a 和 b 是函数的参数，在函数外面肯定是访问不到的

我们可以将画圆的代码封装成一个函数，然后在需要的时候调用这个函数，这样就可以大大的简化代码了：

# 引入 turtle、time 两个库
import turtle
import time

# 定义一个画圆的函数 drawLighter，两个参数：颜色 color 和纵坐标 y
def drawLighter(color, y):
    # 设置颜色
    turtle.color(color, color)
    # 开始在 (0, y) 处画一个半径为 20 的实心圆
    turtle.penup()
    turtle.goto(0, y)
    turtle.pendown()
    turtle.begin_fill()
    turtle.circle(20)
    turtle.end_fill()

# 没有动画、隐藏海龟
turtle.delay(0)
turtle.hideturtle()

# 先在 (0, 30) 用函数画一个红色的实心圆
drawLighter("red", 30)
# 再在 (0, -30) 用函数画一个灰色的实心圆
drawLighter("grey", -30)
# 等待 2 秒
time.sleep(2)
# 等待 2 秒后，上面的灯变灰、下面的灯变绿
drawLighter("grey", 30)
drawLighter("green" ,-30)

turtle.done()


（程序开始运行时，上面的灯是红色的，下面的灯是灰色的，等待 2 秒，上面的灯变灰、下面的灯变绿）

List 类型（列表）

除上述提到的 4 种类型外，还有一种 List 类型，即列表。

列表是用来存储一组数据的序列。我们可以用形如这样的代码，创建一个列表类型的变量 a：

a = ['Hello!', '你好！', 'Hi!', 'Hey there!', '嗨！']

也就是用方括号包起来，每项间用逗号隔开，列表中每个元素的类型不一定必须要是字符串，也可以是数字、布尔值，甚至可以在一个列表中放入不同类型的项目：

b = [1, 2, 1, 2, 5]
c = ['A', 1, False]

定义列表后，我们可以通过类似于：arr[index] 这样的语法来访问列表中的某一项，其中 arr 是这个列表的名字，index 是这一项的下标（列表中第一项的下标是 0、第二项的下标是 1......）：

a = ['零', '一', '二', '三']
print(a[0]) # 输出：零
print(a[3], a[1]) # 输出：三 一

还可以通过类似 arr[start:end] 的语法来取列表中的一个区间，返回一个新的列表：

a = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']
print(a[0: 2]) # 返回 ['a', 'b']
print(a[2: 5]) # 返回 ['c', 'd', 'e']

也就是通过 arr[start:end] ，我们可以取原来的列表 arr 中下标为 start 到下标为 end - 1 的项目们.

For 循环和 range

函数 range 可以用来生成一个等差整数数列，用集合的方法来表示这个数列里的数字：（但是请注意使用 range 生成的列表是有序的）

（$a,b,n∈Z$）

（range 函数所返回的结果是一个 range 对象。你可以通过 list 函数来将其转换为一个列表，如：list(range(3)) 得到 [0, 1, 2]）

for 循环可以用来遍历一个序列，比如在这里我们就可以使用 for 循环来遍历 range 函数所返回的结果：

# 遍历序列 range(3)（其实就是 [0, 1, 2]）：
# 第一次循环时把 i 的值设为序列的第一个元素（即 0）
# 第二次把 i 设为第二个元素（即 1）
# ...
for i in range(3):
    print(i) # 每次执行循环时，打印 i 的值

输出：

0
1
2

（图自 Runoob）

break 和 continue

使用 break 语句可以用来跳出整个循环（While 或 For）；而 continue 语句可以用来跳出当前循环的剩余语句，然后继续下一次循环。

比如这一段代码：

for i in range(3):
    if i == 1:
        break
    print(i)

输出：

0

这个程序是这样执行的：

而这段代码：

for i in range(3):
    if i == 1:
        continue
    print(i)

输出：

0
2

这段程序会在执行第二次循环时，发现 i == 1，执行 continue，跳出这次循环的剩余语句，然后继续下一次循环：

randint 和猜数游戏

通过 random 模块的 randint 函数，可以生成一个随机整数。比如：

import random
print(random.randint(1, 10))

会输出一个 1 到 10 之间的随机整数。

我们可以利用这个函数加上前面了解过的 for 循环来写一个猜数游戏：

# 引入 random 模块
import random 
# 使用 randint 函数来生成一个 1 到 10 之间的随机整数作为答案，并赋值给变量 answer
answer = random.randint(1, 10)
# 循环 3 次（只有三次猜数机会）
for i in range(3): 
    # 要求用户输入数字，并赋值给变量 guess
    guess = int(input('请输入一个 1 到 10 之间的整数：'))
    # 判断用户输入的数字是否等于答案
    if guess == answer:
        print('猜对了！') # 告诉用户猜对了
        break # 跳出循环    
    # 如果用户输入的数字小于正确答案
    if guess < answer:
        print('您猜的数字小于正确答案') # 提示用户猜小了
    # 如果用户输入的数字大于正确答案
    if guess > answer:
        print('您猜的数字大于正确答案') # 提示用户猜大了
# 循环结束后，告诉用户正确答案
print('正确答案是', answer)

请输入一个 1 到 10 之间的整数：5
您猜的数字大于正确答案
请输入一个 1 到 10 之间的整数：3
您猜的数字小于正确答案
请输入一个 1 到 10 之间的整数：4
猜对了！
正确答案是 4