歡迎來到 Python 編程世界！

你有沒有想過，電子遊戲是怎樣知道何時給你加分，或者手機應用程式（App）是如何做出決定的？電腦的運算速度快得驚人，但它們本身並不聰明。它們需要我們用一種它們能聽懂的語言，給出清晰、按部就班的指令。在這一章中，我們將會學習如何使用一種名為 Python 的文字式程式語言來編寫程式。

世界上每一個電腦程式——由簡單的計算機到龐大的電子遊戲——都是由三大核心結構建立而成的，我們稱之為「三大基本編程結構」：

1. 順序結構（Sequence）（按順序執行任務）
2. 選擇結構（Selection）（進行判斷與抉擇）
3. 迭代結構（Iteration）（重複執行動作）

如果現在覺得概念有點多，不用擔心！我們會將每個概念拆解成淺顯易懂的小部分，並配合大量生活化的例子來學習。

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基礎知識：數據類型與變量

在建立複雜的程式之前，電腦需要一種方法來儲存和記憶資訊。我們會使用變量（Variable）作為有名稱的容器或貼上標籤的盒子，用來儲存數據。

1. 基本數據類型

在 Python 中，不同類型的資訊會被歸類為不同的數據類型（Data Types）：

• 整數（int，Integer）： 沒有小數點的完整數字，例如 \(5\)、\(0\) 或 \(-2\)。
• 浮點數 / 實數（float，Float / Real）： 帶有小數點的數字，例如 \(3.14\) 或 \(0.5\)。
• 字符串（str，String）： 被引號包圍的文字或字詞，例如 "Hello World" 或 "Gamer123"。
• 布爾值（bool，Boolean）： 一種簡單的邏輯狀態，只可以是 True（真）或 False（假）。

2. 輸入與輸出

要與使用者溝通，程式必須能夠顯示訊息和提出問題：

• 輸出（print，Output）： 在螢幕上顯示資訊。
例子： print("Welcome to the quiz!")

• 輸入（input，Input）： 提示使用者在鍵盤上輸入內容。
例子： name = input("What is your name? ")

⚠️ 必須注意的常見陷阱（類型轉換 Type Casting）：
input() 函數永遠會將使用者的回答儲存為文字（即字符串 String）。如果你要求使用者輸入一個數字並嘗試進行數學運算，Python 就會出現混亂！為了解決這個問題，我們可以使用 int() 或 float() 將它轉換（Cast）為數字：

• 正確的數值輸入方法： age = int(input("Enter your age: "))

3. 使用算術運算符進行數學運算

電腦非常擅長計算。以下是可以在 Python 中使用的算術符號：

• 加法： +（例如 \(5 + 3\)）
• 減法： -（例如 \(10 - 4\)）
• 乘法： *（例如 \(4 \times 2\) 會寫成 4 * 2）
• 除法： /（例如 \(8 / 2\)）
• 整數除法（向下取整）： //（相除後捨去所有小數部分，例如 \(7 // 2 = 3\)）
• 求餘數（取模）： %（找出除法後的餘數，例如 \(7 \% 2 = 1\)）

學習重點： 變量用來儲存數據，print() 對使用者「說話」，input() 聆聽使用者的「回答」，而使用 int() 進行類型轉換則讓我們可以對使用者輸入的數字進行數學運算。

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結構一：順序結構（Sequence，按部就班）

順序結構是指電腦由上至下、嚴格按照行與行的順序來執行指令。

日常生活比喻：焗蛋糕

想像一下跟隨食譜做蛋糕。如果你在將材料混合之前就把麵糰放進焗爐，蛋糕就會失敗！先後次序非常重要。

Python 範例：

score = 0
score = score + 10
print(score)

在這個順序中，Python 先建立變量 score，然後為它加上 \(10\)，最後印出 10。如果我們把第 3 行搬到最頂部，電腦就會報錯，因為當時 score 根本還未存在！

學習重點： 順序結構是程式運作的自然流程。改變程式碼行的先後次序，就會改變程式的執行結果。

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結構二：選擇結構（Selection，做出決定）

選擇結構讓程式能夠根據條件是 True（真）還是 False（假），來決定走哪一條程式碼路徑。

日常生活比喻：看天氣出門

想像一下早上望出窗外：「如果（IF）下雨，就帶雨傘；否則（ELSE），就戴太陽眼鏡。」 你的大腦正在進行選擇結構的邏輯判斷！

1. 比較運算符

為了檢查條件，Python 會使用以下符號來比較數值：

• ==（等於）： 檢查兩個值是否相等。
• !=（不等於）： 檢查兩個值是否不相同。
• >（大於） 和 <（小於）
• >=（大於或等於） 和 <=（小於或等於）

⚠️ 常見錯誤：= 與 == 的分別
• 單一個 = 用於賦值（Assignment）（將數據存入變量中：score = 10）。
• 雙等號 == 用於比較（Comparison）（提出疑問進行比較：if score == 10:）。

2. 邏輯運算符

你可以使用以下運算符來組合多個條件：

• and（而且）： 兩個條件都必須成立（True）。
• or（或者）： 只要其中一個條件成立（True）即可。
• not（相反 / 非）： 反轉結果（True 變成 False，False 變成 True）。

3. 三種選擇結構類型

單分支選擇（if）

if score >= 50:
    print("You pass!")

雙分支選擇（if ... else）

if score >= 50:
    print("You pass!")
else:
    print("Try again!")

多分支選擇（if ... elif ... else）

當你有超過兩個選擇時，可以使用 elif（即 "else if" 的縮寫）：

if score >= 80:
    print("Grade: A")
elif score >= 50:
    print("Grade: B")
else:
    print("Grade: C")

嵌套選擇（Nested Selection）

嵌套選擇是指將一個 if 語句放在另一個 if 語句之內，用來進行更具體、更深層的條件檢查。

Python 規則：冒號與縮進

有沒有注意到選擇結構每行的結尾都有一個冒號（:）？這是用來告訴 Python 一個新的程式碼區塊即將開始。緊接在下面的各行程式碼必須縮進（Indented，通常向內縮進 4 個空格），以表示它們屬於該決策區塊的一部分。

學習重點： 選擇結構讓程式能根據布爾值（True/False）條件，使用 if、elif 和 else 作出相應的決策。

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結構三：迭代結構（Iteration，循環與重複）

迭代結構是指重複執行同一段程式碼多次。我們不需要把同一行程式碼手動輸入 \(100\) 次，只需寫一個循環（Loop）即可！

1. 計數控制迭代（確定性計數循環）

當你預先知道程式碼需要重複執行的具體次數時，請使用計數控制循環（即 for 循環）。

例子：
for i in range(4):
    print("Hello!")

⚠️ range() 的運作規則：
Python 預設由 \(0\) 開始計數。函數 range(start, stop) 運行至 \(stop - 1\) 就會停止。
• range(4) 會產生數值：\(0, 1, 2, 3\)（總共執行 \(4\) 次）。
• range(1, 5) 會產生數值：\(1, 2, 3, 4\)（不包含 \(5\)）。

2. 條件控制迭代（非確定性條件循環）

當你希望程式碼持續重複執行，直至特定條件變成 False 為止時，請使用條件控制循環（即 while 循環）。

例子（猜密碼遊戲）：
secret = "python"
guess = input("Enter password: ")
while guess != secret:
    print("Incorrect!")
    guess = input("Try again: ")
print("Access granted!")

⚠️ 小心無限循環（Infinite Loops）！
如果 while 循環內的條件永遠都不會變成 False（例如循環內的變量從未更新過），循環就會永無止境地運行下去，導致你的程式凍結當機。

學習重點： 當明確知道重複次數時使用 for 循環；當需要重複執行直到條件改變時則使用 while 循環。

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使用追蹤表（Trace Tables）進行除錯

追蹤表是一種在紙上按步驟手動模擬並測試演算法的工具（稱為「乾跑」或手工測試，Dry Run）。它可以記錄每一行程式碼執行時變量值的變化和輸出結果，幫助我們找出邏輯錯誤（Logic Errors）。

追蹤表示範

讓我們一起追蹤以下這段程式碼：

total = 0
for count in range(1, 4):
    total = total + count
print(total)

步驟追蹤表：

步驟 / 行號 count total 條件判斷結果（True/False） 輸出
第 1 行 - \(0\) - -
第 2 行（循環 1） \(1\) \(1\) True (\(1 < 4\)) -
第 2 行（循環 2） \(2\) \(3\) True (\(2 < 4\)) -
第 2 行（循環 3） \(3\) \(6\) True (\(3 < 4\)) -
第 2 行（結束） \(4\) \(6\) False（循環結束） -
第 4 行 - \(6\) - 6
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快速溫習：常見錯誤檢查清單

在執行程式之前，不妨檢查一下有沒有初學者常犯的疏忽：

1. 遺漏冒號： 是否在每個 if、elif、else、for 和 while 語句的結尾都加上了 : 呢？
2. 縮進問題： 循環和選擇結構下方的程式碼行是否有整齊地向內縮進？
3. 賦值 vs 比較： 進行兩者比較時有沒有使用 ==，並只在設定變量值時才使用 =？
4. 文字 vs 數字： 在需要進行數學計算時，有沒有用 int() 包裹著 input() 呢？