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Week 07: 資料容器(上) - 清單的魔法世界！

張傑帆

National Taiwan University

目錄

• 清單的基本概念與建立方法
• 清單的新增、刪除、修改操作
• 清單切片與索引使用
• 清單的常用方法應用
• 建立寶物收集系統
• 實作寶物管理功能

學習目標

透過今天的課程，你將會：

• 理解清單(List)的概念，學會建立和管理資料集合
• 熟練掌握清單的基本操作：新增、刪除、修改
• 學會使用清單索引和切片技巧
• 應用清單的常用方法解決實際問題
• 建立一個完整的寶物收集管理系統
• 培養資料結構的抽象思維能力

Let's code!

成為寶物收集家！

想像你是一位冒險家，在探索世界的過程中收集了各種寶物！

• 金幣、寶石、古董...
• 魔法書籍、卷軸...
• 武器、盔甲...
• 神秘藥水...

問題來了：你要如何管理這些寶物？
Python的解答：使用清單(List)來建立你的寶物收藏庫！

什麼是清單(List)？

清單就像是一個魔法背包，可以裝下很多東西！

清單的特色：

• 有順序的容器：每個物品都有固定位置
• 可以重複：同樣的寶物可以有很多個
• 可以修改：隨時新增、刪除或更換物品
• 有索引編號：從0開始編號，方便找到物品

建立你的第一個寶物清單

方法一：直接建立

# 建立空的寶物清單
treasure_list = []

# 建立有初始寶物的清單
my_treasures = ["金幣", "紅寶石", "魔法書", "銀劍"]
print(my_treasures)
# 輸出: ['金幣', '紅寶石', '魔法書', '銀劍']

方法二：使用list()函數

# 建立空清單
empty_bag = list()

# 從字串建立清單
spell_letters = list("MAGIC")
print(spell_letters)
# 輸出: ['M', 'A', 'G', 'I', 'C']

清單索引：找到你的寶物位置

清單中每個物品都有一個地址（索引）！

treasures = ["金幣", "紅寶石", "魔法書", "銀劍", "鑽石"]

# 正向索引（從左邊開始數，從0開始）
print(treasures[0])    # 金幣
print(treasures[2])    # 魔法書
print(treasures[4])    # 鑽石

# 負向索引（從右邊開始數，從-1開始）
print(treasures[-1])   # 鑽石（最後一個）
print(treasures[-2])   # 銀劍（倒數第二個）

小練習：寶物定位器

試著完成以下程式：

# 你的寶物清單
my_collection = ["古老地圖", "神秘水晶", "黃金匕首", "魔法戒指", "龍鱗盾牌"]

# 請找出：
# 1. 第一個寶物是什麼？
first_treasure = my_collection[?]

# 2. 最後一個寶物是什麼？
last_treasure = my_collection[?]

# 3. 第三個寶物是什麼？
third_treasure = my_collection[?]

print(f"第一個寶物：{first_treasure}")
print(f"最後一個寶物：{last_treasure}")
print(f"第三個寶物：{third_treasure}")

List操作：增刪查改

增刪查改

清單的新增操作

append()：在清單末尾添加新寶物

treasures = ["金幣", "紅寶石"]
treasures.append("魔法書")
print(treasures)  # ['金幣', '紅寶石', '魔法書']

treasures.append("銀劍")
print(treasures)  # ['金幣', '紅寶石', '魔法書', '銀劍']

insert()：在指定位置插入寶物

treasures = ["金幣", "紅寶石", "魔法書"]
treasures.insert(1, "鑽石")  # 在索引1的位置插入
print(treasures)  # ['金幣', '鑽石', '紅寶石', '魔法書']

treasures.insert(0, "皇冠")  # 在開頭插入
print(treasures)  # ['皇冠', '金幣', '鑽石', '紅寶石', '魔法書']

清單的刪除操作

remove()：移除指定的寶物

treasures = ["金幣", "紅寶石", "魔法書", "銀劍"]
treasures.remove("魔法書")  # 移除特定物品
print(treasures)  # ['金幣', '紅寶石', '銀劍']

pop()：取出指定位置的寶物

treasures = ["金幣", "紅寶石", "魔法書", "銀劍"]
removed_item = treasures.pop()      # 取出最後一個
print(f"取出了: {removed_item}")    # 取出了: 銀劍
print(treasures)                    # ['金幣', '紅寶石', '魔法書']

removed_item = treasures.pop(0)     # 取出索引0的物品
print(f"取出了: {removed_item}")    # 取出了: 金幣
print(treasures)                    # ['紅寶石', '魔法書']

清單的修改操作

直接修改指定位置的寶物

treasures = ["舊劍", "紅寶石", "破盾", "金幣"]

# 升級裝備！
treasures[0] = "神劍"      # 舊劍 → 神劍
treasures[2] = "龍鱗盾"    # 破盾 → 龍鱗盾

print(treasures)  # ['神劍', '紅寶石', '龍鱗盾', '金幣']

# 批量修改多個物品
treasures[1:3] = ["藍寶石", "鑽石盾"]
print(treasures)  # ['神劍', '藍寶石', '鑽石盾', '金幣']

小練習：寶物管理員

# 初始寶物清單
inventory = ["生鏽匕首", "小金幣", "破布衣"]

# 任務1：在末尾添加 "魔法藥水"
inventory.append("?")

# 任務2：在開頭插入 "傳說武器"
inventory.insert(?, "?")

# 任務3：將 "破布衣" 升級成 "龍鱗甲"
inventory[?] = "?"

# 任務4：移除 "生鏽匕首"
inventory.remove("?")

print("最終寶物清單:", inventory)
# 期望結果: ['傳說武器', '小金幣', '龍鱗甲', '魔法藥水']

休息一下，喝口水！

清單切片：批量操作的魔法

切片語法：列表[start:end:step]

treasures = ["金幣", "銀幣", "紅寶石", "藍寶石", "鑽石", "翡翠", "珍珠"]

# 基本切片
print(treasures[1:4])     # ['銀幣', '紅寶石', '藍寶石']
print(treasures[:3])      # ['金幣', '銀幣', '紅寶石']
print(treasures[4:])      # ['鑽石', '翡翠', '珍珠']

# 帶步長的切片
print(treasures[::2])     # ['金幣', '紅寶石', '鑽石', '珍珠']
print(treasures[1::2])    # ['銀幣', '藍寶石', '翡翠']

# 反向切片
print(treasures[::-1])    # 反轉整個清單

清單的常用方法

len()：計算寶物數量

treasures = ["金幣", "紅寶石", "魔法書", "銀劍"]
print(f"你總共有 {len(treasures)} 個寶物")  # 你總共有 4 個寶物

count()：統計特定寶物數量

bag = ["金幣", "銀幣", "金幣", "寶石", "金幣"]
gold_count = bag.count("金幣")
print(f"金幣數量: {gold_count}")  # 金幣數量: 3

index()：找到寶物的位置

treasures = ["劍", "盾", "藥水", "卷軸"]
position = treasures.index("藥水")
print(f"藥水在第 {position} 號位置")  # 藥水在第 2 號位置

清單排序與整理

sort()：依照順序排列

# 數字排序
numbers = [100, 50, 200, 75]
numbers.sort()  # 小到大
print(numbers)  # [50, 75, 100, 200]

numbers.sort(reverse=True)  # 大到小
print(numbers)  # [200, 100, 75, 50]

# 文字排序
items = ["劍", "盾", "弓", "斧"]
items.sort()
print(items)  # ['弓', '劍', '斧', '盾'] (依照字典順序)

reverse()：反轉清單順序

treasures = ["第一", "第二", "第三", "第四"]
treasures.reverse()
print(treasures)  # ['第四', '第三', '第二', '第一']

清單的實用技巧

檢查物品是否存在

treasures = ["金幣", "銀劍", "魔法書"]

# 方法1: 使用 in 關鍵字
if "金幣" in treasures:
    print("找到金幣！")

# 方法2: 使用 count()
if treasures.count("銀劍") > 0:
    print("找到銀劍！")

清單複製與合併

# 複製清單
original = ["劍", "盾"]
copy1 = original.copy()          # 方法1
copy2 = original[:]             # 方法2
copy3 = list(original)          # 方法3
print(copy1)  # ['劍', '盾']
print(copy2)  # ['劍', '盾']
print(copy3)  # ['劍', '盾']

# 合併清單
weapons = ["劍", "弓"]
armor = ["盾", "甲"]
all_gear = weapons + armor      # ['劍', '弓', '盾', '甲']
print(all_gear)  # ['劍', '弓', '盾', '甲']

清單的進階應用

清單推導式 (List Comprehension)

# 創建平方數清單
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squares = [x**2 for x in numbers] # List comprehension
print(squares)  # [1, 4, 9, 16, 25]

# 過濾高價值寶物
treasures = [
    {"name": "金劍", "value": 1000},
    {"name": "銀幣", "value": 10},
    {"name": "鑽石", "value": 5000}
]

expensive = [t["name"] for t in treasures if t["value"] > 500]
print(expensive)  # ['金劍', '鑽石']

多維清單：建立寶物倉庫

# 3x3的寶物倉庫
warehouse = [
    ["金劍", "銀盾", "魔法書"],
    ["紅藥水", "藍藥水", "綠藥水"],
    ["金幣", "銀幣", "寶石"]
]

# 存取特定位置的寶物
print(warehouse[0][1])  # 銀盾
print(warehouse[2][0])  # 金幣

隨機寶物生成器

import random

def generate_random_treasure():
    """隨機生成寶物"""
    treasure_names = [
        "神秘寶箱", "古老卷軸", "魔法水晶", "龍鱗盾牌", 
        "傳說之劍", "治療藥水", "隱身斗篷", "火焰戒指"
    ]
    
    rarities = ["普通", "稀有", "史詩", "傳說"]
    rarity_multipliers = {"普通": 1, "稀有": 3, "史詩": 10, "傳說": 50}
    
    name = random.choice(treasure_names)
    rarity = random.choice(rarities)
    base_value = random.randint(10, 100)
    final_value = base_value * rarity_multipliers[rarity]
    
    return {
        "name": f"{rarity}{name}",
        "value": final_value,
        "rarity": rarity
    }

# 生成5個隨機寶物
for _ in range(5):
    treasure = generate_random_treasure()
    print(f"{treasure['name']} - 價值: {treasure['value']}")

清單搜尋演算法

線性搜尋

def linear_search(treasure_list, target):
    """線性搜尋寶物"""
    for i, treasure in enumerate(treasure_list):
        if treasure == target:
            return i  # 回傳索引位置
    return -1  # 找不到

treasures = ["金幣", "銀劍", "魔法書", "紅寶石"]
position = linear_search(treasures, "魔法書")
if position != -1:
    print(f"找到魔法書在位置 {position}")
else:
    print("找不到魔法書")

綜合範例：寶物分類器

# 所有寶物（未分類）
all_items = ["金劍", "銀幣", "魔法書", "金幣", "鐵盾", "紅藥水", "金戒指", "藍藥水"]

# 建立分類清單
weapons = []      # 武器
money = []        # 金錢
books = []        # 書籍
potions = []      # 藥水
jewelry = []      # 飾品

# 請完成分類邏輯
for item in all_items:
    if "劍" in item or "盾" in item:
        weapons.append(item)
    elif "幣" in item:
        money.append(item)
    elif "書" in item:
        books.append(item)
    elif "藥水" in item:
        potions.append(item)
    elif "戒指" in item:
        jewelry.append(item)

print(f"武器: {weapons}")
print(f"金錢: {money}")
print(f"書籍: {books}")
print(f"藥水: {potions}")
print(f"飾品: {jewelry}")

實作專案：寶物收集管理系統

讓我們建立一個完整的寶物管理系統，並將所有功能整合成一支完整的程式！

def main():
  treasures = []
  total_value = 0
  
  while True:
    print("\n === 寶物管理系統 ===")
    print("1. 添加寶物")
    print("2. 移除寶物")
    print("3. 搜尋寶物")
    print("4. 顯示清單")
    print("5. 最有價值寶物")
    print("6. 離開")
    
    choice = input("\n請選擇操作 (1-6): ")

(接上頁)

    if choice == "1":
      name = input("寶物名稱: ")
      value = int(input("寶物價值: "))
      treasure = {"name": name, "value": value}
      treasures.append(treasure)
      total_value += value
      print(f" 成功添加寶物: {name} (價值: {value})")
    
    elif choice == "2":
      name = input("要移除的寶物名稱: ")
      found = False
      for treasure in treasures:
        if treasure["name"] == name:
          treasures.remove(treasure)
          total_value -= treasure["value"]
          print(f" 成功移除寶物: {name}")
          found = True
          break
      if not found:
        print(f" 找不到寶物: {name}")

(接上頁)

    
    elif choice == "3":
      keyword = input("搜尋關鍵字: ")
      results = [treasure for treasure in treasures if keyword.lower() in treasure["name"].lower()]
      if results:
        print("\n 搜尋結果:")
        for treasure in results:
          print(f"- {treasure['name']} (價值: {treasure['value']})")
      else:
        print(" 找不到相關寶物")
    
    elif choice == "4":
      print("\n === 寶物清單 ===")
      if not treasures:
        print("背包是空的！")
      else:
        for i, treasure in enumerate(treasures, 1):
          print(f"{i}. {treasure['name']} - 價值: {treasure['value']}")
        print(f"\n 總價值: {total_value}")

(接上頁)

    
    elif choice == "5":
      if not treasures:
        print("背包是空的！")
      else:
        most_valuable = max(treasures, key=lambda x: x["value"])
        print(f"\n 最有價值的寶物: {most_valuable['name']} (價值: {most_valuable['value']})")
    
    elif choice == "6":
      print(" 再見！")
      break
    
    else:
      print(" 無效的選擇，請重新輸入！")

# 執行程式
if __name__ == "__main__":
  main()

運算思維總結

抽象化 (Abstraction)

• 清單是現實中「容器」概念的抽象
• 將複雜的資料管理簡化為基本操作
• 隱藏實作細節，專注於功能使用

問題分解 (Decomposition)

• 寶物管理 → 新增、刪除、搜尋、排序
• 複雜功能拆解為簡單的清單操作
• 每個子問題都有對應的方法解決

演算法思維 (Algorithmic Thinking)

• 了解不同操作的效能差異 (如：append vs insert)
• 選擇適當的資料結構和方法
• 設計高效的搜尋和排序策略

模式識別 (Pattern Recognition)

• 發現清單操作的共同模式
• 重複使用解決方案
• 建立可重用的程式碼模板

延伸學習資源

相關主題

• 元組 (Tuple)：不可變的有序容器
• 字典 (Dictionary)：鍵值對資料結構
• 集合 (Set)：不重複元素的容器
• 陣列 (Array)：數值專用的高效容器

實際應用領域

• 遊戲開發：物品系統、技能樹管理
• 資料分析：數據清理、統計分析
• 網站開發：用戶清單、商品目錄
• 科學計算：實驗數據、測量結果

進階技能

• 清單推導式(List Comprehension)：優雅的清單建立方式
• 生成器 (Generator)：記憶體效率的資料產生
• NumPy陣列：科學計算專用清單
• pandas DataFrame：表格資料處理

本週總結

今天你學會了：

• 清單基礎：建立、索引、切片操作
• 清單操作：新增(append, insert)、刪除(remove, pop)、修改
• 常用方法：len, count, index, sort, reverse
• 實際應用：寶物管理系統的完整實作
• 運算思維：抽象化、問題分解、演算法設計

下週預告

Week 08: 資料容器(下) - 字典的奧秘寶庫！

• 生活議題: 打造遊戲背包系統，管理你的物品
• 課程內容:
  • 字典(Dictionary)基礎概念與語法
  • 字典的鍵值配對操作
  • 字典的新增、刪除、修改方法 (keys, values, items)
  • 設計物品屬性結構 (名稱、類型、數量、價值)
  • 建立物品分類與數量管理系統
  • 實作背包容量限制與物品排序功能

作業：建立你的專屬收藏系統

作業要求：

三選一作業

• 任選其一完成即可，選哪個不影響分數
  

選項一：基礎練習 (適合初學者)

建立一個簡單書櫃的書籍管理系統(選單介面)，包含以下功能：

1. 添加書籍到清單中。
2. 搜尋書籍，根據關鍵字篩選結果。
3. 移除特定書籍。
4. 顯示目前的書籍清單。
5. 結束程式。

若用戶輸入的並非這5項需提示錯誤，並要求重新輸入。

選項二：進階應用 (有點挑戰性)

智慧型購物清單系統

設計一個智慧型購物清單系統需具備以下功能：

1. 商品分類（如食物、日用品等）。
2. 價格估算與預算控制。
3. 優先級排序（緊急、普通、可延後）。
4. 購買歷史記錄與統計報告。

選項三：創意發揮 (自由度高)

自由創作：設計你的清單應用
自由設計一個基於清單的應用程式。
建議主題：

• 音樂播放清單管理器
• 待辦事項智慧提醒系統
• 遊戲角色技能樹系統
• 食譜收集與搜尋系統
• 個人財務記帳系統
• 電影/影集觀看清單

特殊要求：

• 使用多個清單管理不同類型資料
• 實作清單的排序和搜尋功能
• 加入資料驗證（例如：價格必須為正數）
• 提供統計報告功能
  發揮創意，設計一個使用清單的實用程式！