4 - Implementação ICE-B. Ludwig Krippahl 3/13/2019 ICE-B-04

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1 ICE-B 4 - Implementação Ludwig Krippahl file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 1/37

2 Implementação Resumo Exemplo: cálculo de ph, agora estruturado Testes unitários Ciclo de vida de um programa Erros e precisão numérica 1 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 2/37

3 Implementação Exemplo:Calcular ph 2 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 3/37

4 Calcular ph Solução de ácido benzóico C H COOH Constante de dissociação, H + C H COO Ignorando auto-dissociação da água: [ H + ][ C 6 H 5 CO O ] K a [ C 6 H 5 COOH] Resolvemos equação quadrática, (só precisamos da solução positiva) Depois calculamos o ph: K a = x 10 5 = = + x = 0 x 2 K a C i K a C i x x = b± b 2 4ac 2a ph = lo ([ ]) = lo (x) g 10 H + g 10 3 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 4/37

5 Calcular ph Compreender, generalizar e decompor Generalização: Calcular o ph de um ácido fraco monoprótico Decomposição: Obter a raíz positiva e calcular o ph Criamos ficheiro phcalc.py com o "esqueleto" do programa # -*- coding: utf-8 -*- Computes ph of an acid from concentration def positive_root(a, b, c): "return positive root of quadratic equation" def compute_ph(ka, Ci): return ph value for weak acid from dissociation constant and initial concentration 4 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 5/37

6 Calcular ph "Esqueleto" do programa É uma boa ideia fazer primeiro um esboço do programa Permite ver se encaixa tudo e se é preciso decompor mais Estas funções ainda não fazem nada mas este código já cria os objectos. def positive_root(a, b, c): "return positive root of quadratic equation" A string logo a seguir à assinatura é a documentação Podem usar ''' ou se o texto ocupar várias linhas In : help(positive_root) Help on function positive_root in module main : positive_root(a, b, c) return positive root of quadratic equation 5 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 6/37

7 Calcular ph Documentação do módulo A string no início do módulo é útil como documentação # -*- coding: utf-8 -*- Computes ph of an acid from concentration Depois de executar com F5, podemos importá-lo e pedir ajuda (F5 para gravar e mudar de pasta) In : import phcalc In : help(phcalc) Help on module phcalc: NAME phcalc - Computes ph of an acid from concentration FUNCTIONS compute_ph(ka, Ci) return ph value for weak acid from dissociation constant and initial concentration file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 7/37 6

8 Calcular ph Implementar as funções Depois de perceber os objectivos e o algoritmo e de decompor em tarefas podemos implementar cada função Devemos começar pelas "pontas", aquelas que não dependem de nenhuma outra que tenhamos de implementar def positive_root(a, b, c): "return positive root of quadratic equation" root = (-b + (b**2-4*a*c)**0.5)/(2*a) return root Depois devemos testar: In : positive_root(1,0,-1) #x**2 + 0x - 1 Out: 1.0 In : positive_root(1,-2,0) #x**2-2x + 0 Out: file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 8/37

9 Calcular ph Implementar as funções Depois de implementar e testar uma função podemos passar a outra que dependa desta Como o cálculo do ph precisa do logaritmo, temos de importar log10 É melhor fazer todos os import no início do módulo # -*- coding: utf-8 -*- Computes ph of an acid from concentration from numpy import log10 def positive_root(a, b, c):... def compute_ph(ka, Ci):... 8 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 9/37

10 Calcular ph Implementar as funções Agora implementamos e testamos esta também def compute_ph(ka, Ci): return ph value for weak acid from dissociation constant and initial concentration H = positive_root(1, Ka, -Ka*Ci) return -log10(h) Testar com valores que permitam confirmar o resultado: In : compute_ph(6.5e-5,0.01) Out: file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 10/37

11 Testes Unitários Testar sempre cada função Decompomos um problema complexo em problemas mais simples. Mas depois vai ser preciso juntar tudo. Um erro descoberto só no final é mais difícil de encontrar e corrigir. É preciso testar: Sempre que implementamos algo de novo. Sempre que corrigimos um erro, para confirmar. Sempre que alteramos alguma função. 10 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 11/37

12 Testes Unitários Sugestão: automatizar os testes todos Opção 1: uma função no final do nosso módulo Numa função para não correr os testes sempre que usamos o módulo... def tests(): run unit tests on all functions print("positive_root, 1.0:", positive_root(1,0,-1)) print("positive_root, 2.0:",positive_root(1,-2,0)) print("compute_ph, 3.111:",compute_pH(6.5e-5,0.01)) É importante que se possa verificar o resultado também In : tests() positive_root, 1.0: 1.0 positive_root, 2.0: 2.0 compute_ph, 3.111: file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 12/37

13 Testes Unitários Sugestão: automatizar os testes todos Opção 2: um módulo só para testes (phtests.py) # -*- coding: utf-8 -*- run unit tests on all functions in phcalc from phcalc import positive_root, compute_ph print("positive_root, 1.0:", positive_root(1,0,-1)) print("positive_root, 2.0:",positive_root(1,-2,0)) print("compute_ph, 3.111:",compute_pH(6.5e-5,0.01)) Basta correr com F5 Neste caso não é preciso função porque o módulo é só para testes In : runfile('/pasta/phtests.py', wdir='/pasta') positive_root, 1.0: 1.0 positive_root, 2.0: 2.0 compute_ph, 3.111: file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 13/37

14 Testes Unitários Atenção: funções são criadas na execução do def... def tests(): run unit tests on all functions print("positive_root, 1.0:", positive_root(1,0,-1)) print("positive_root, 2.0:",positive_root(1,-2,0)) print("compute_ph, 3.111:",compute_pH(6.5e-5,0.01)) Sempre que alterarem alguma coisa no vosso programa precisam de criar novamente os objectos das funções alteradas Para isso o interpretador tem de reler a assinatura da função e toda a "receita" no corpo da função A forma mais prática de fazer isso no Spyder é F5 (Grava e corre todo o ficheiro) O Spyder automaticamente recarrega outros módulos 13 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 14/37

15 Testes Unitários Atenção: funções são executadas só em nome(... ) In : tests() positive_root, 1.0: 1.0 positive_root, 2.0: 2.0 compute_ph, 3.111: Quando se corre módulo as funções são criadas mas não usadas A menos que o módulo inclua também chamadas às funções # -*- coding: utf-8 -*-... def tests(): print("positive_root, 1.0:", positive_root(1,0,-1)) print("positive_root, 2.0:",positive_root(1,-2,0)) print("compute_ph, 3.111:",compute_pH(6.5e-5,0.01)) tests() 14 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 15/37

16 Testes Unitários Atenção: função só devolve valor em return # -*- coding: utf-8 -*-... def tests(): print("positive_root, 1.0:", positive_root(1,0,-1)) print("positive_root, 2.0:",positive_root(1,-2,0)) print("compute_ph, 3.111:",compute_pH(6.5e-5,0.01)) In : tests() positive_root, 1.0: 1.0 positive_root, 2.0: 2.0 compute_ph, 3.111: O print escreve na consola mas a função tests() não devolveu valor (devolveu None). 15 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 16/37

17 Programação Estruturada Erros 16 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 17/37

18 Erros Erro de sintaxe Erro na escrita do código que impede o interpretador de o executar Este é o mais fácil de corrigir, porque sabemos logo que o cometemos In : 6 * * 2 6 * * 2 ^ SyntaxError: invalid syntax In : ^ SyntaxError: invalid syntax Spyder analisa o código conforme o escrevemos e assinala a linha com o erro 17 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 18/37

19 Erros Erro de execução (Exception) O interpretador sabe o que deve fazer mas não consegue fazê-lo Estes erros só ocorrem durante a execução e podem ser mais difíceis de diagnosticar porque o erro pode estar noutra parte do código In : y = z*2 y = z*2 NameError: name 'z' is not defined In : y = 0 In : z = 1 / y z = 1 / y ZeroDivisionError: division by zero 18 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 19/37

20 Erros Erro lógico O programa corre sem problemas mas não dá o resultado certo Estes erros tendem a ser os mais difíceis de corrigir Exemplo: ph negativo? def positive_root(a, b, c): root = (-b + (b**2-4*a*c)**0.5)/(2*a) return root def compute_ph(ka, Ci): H = positive_root(1, Ka, -Ka*Ci) return log10(h) In : compute_ph(6.5e-5,0.01) Out: (Falta o sinal negativo no cálculo do logaritmo) 19 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 20/37

21 Erros Erro numérico Devido à representação finita de números fraccionários, em 64 bits (Inteiros em Python 3.x usam o número de bits que for necessário) Obriga a arredondamentos e pode ser importante se o cálculo for iterado In : (2**0.5)**2 Out: Representação de números fraccionários em 64 bits: 1 bit para sinal, 11 para expoente (base 2) e 52 para fracção Equivale a cerca de 17 algarismos significativos em decimal 20 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 21/37

22 Erros Erro numérico Informação sobre a representação em 64 bits In : import numpy In : info = numpy.finfo(float) In : info.bits Out: 64 In : info.eps Out: e-16 In : info.tiny Out: e-308 In : info.min Out: e+308 In : info.max Out: e+308 Informação: Número de bits na representação Menor valor que somado a 1 dá >1 In : 1+info.eps-1 Out: e-16 In : 1+0.5*info.eps-1 Out: 0.0 Mais pequeno com plena precisão Menor valor representável Maior valor representável 21 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 22/37

23 Programação Estruturada Código Fonte 22 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 23/37

24 Ciclo de vida Ciclo de vida de um programa Edição do código fonte Escrito, guardado em ficheiros.py Interpretação do código fonte O interpretador traduz as instruções em instruções para o CPU Execução O CPU executa o programa Testar e avaliar o resultado e voltar à edição as vezes que for preciso file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 24/37

25 Ciclo de vida Ciclo de vida de um programa, exemplo Concebemos, implementámos e testámos o cálculo do ph A partir da concentração inicial e da constante de dissociação Agora temos um novo problema 3 Qual o ph de 0.01g de ácido benzóico em dm? Calcular ph a partir da massa, volume e massa molecular Basta calcular a concentração e usar o que já temos Solução: acrescentamos uma nova função Pensamos no algoritmo: calcular concentração Decompomos se necessário (não é; é simples) Implementamos e testamos 24 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 25/37

26 Ciclo de vida Novo problema: Qual o ph de 0.01g de ácido benzóico em dm 3? Solução: Já temos praticamente tudo feito Basta uma função que calcule a concentração Precisa da massa, massa molar e volume E depois chamar a anterior com concentração e K a def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): return ph value of a weak acid solution from mass of solute and volume of solution Ci = mass / mol_mass / volume return compute_ph(ka,ci) 25 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 26/37

27 Ciclo de vida Uma maneira prática é acrescentar ao módulo phcalc # -*- coding: utf-8 -*- Computes ph of an acid from concentration from numpy import log10 def positive_root(a, b, c):... def compute_ph(ka, Ci):... def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): return ph value of a weak acid solution from mass of solute and volume of solution Ci = mass / mol_mass / volume return compute_ph(ka,ci) def tests(): file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 27/37

28 Ciclo de vida Ciclo de vida de um programa, exemplo Calcular o ph a partir da massa, volume e massa molecular: def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): return ph value of a weak acid solution from mass of solute and volume of solution Ci = mass / mol_mass / volume return compute_ph(ka,ci) Testes: def tests():... print("compute_ph, 3.111:",compute_pH(6.5e-5,0.01)) print("compute_ph_mass, ",compute_pH_mass(1.221, 122.1, 1, 6.5e-5)) print("compute_ph_mass, 3.000",compute_pH_mass(0.5, 122.1, 0.25, 6.5e-5)) 27 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 28/37

29 Implementação Estilo de Código 28 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 29/37

30 Estilo de Código É importante escrever código legivel Porque o código fonte serve: Para o interpretador executar Para humanos lerem Código difícil de compreender É mais propenso a erros É mais difícil de corrigir, adaptar e melhorar (prejudica a avaliação em ICE) 29 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 30/37

31 Estilo de Código Nomes de variáveis As variáveis devem ter nomes descritivos E.g. mass, mol_mass, volume def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): Ci = mass / mol_mass / volume return compute_ph(ka,ci) Excepto quando têm nomes convencionais E.g. a, b, c, Ci, ph, Ka def positive_root(a, b, c): root = (-b + (b**2-4*a*c)**0.5)/(2*a) return root Importante: que seja fácil perceber o que representa 30 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 31/37

32 Estilo de Código Nomes de funções Devem descrever o que a função faz Nomes compostos por várias palavras Convenção 1: usar letras maiúsculas e minúsculas phmassvol Convenção 2: (mais usado em Python) usar underscore compute_ph_mass def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): Ci = mass / mol_mass / volume return compute_ph(ka,ci) 31 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 32/37

33 Estilo de Código Inteligibilidade Cada linha de código deve corresponder a um passo simples Evitar linhas demasiado longas ou complexas Decompor em vários passos para ser mais inteligivel Exemplo: menos claro def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): return compute_ph(ka, mass / mol_mass / volume) Exemplo: mais claro def compute_ph_mass(mass, mol_mass, volume, Ka): Ci = mass / mol_mass / volume return compute_ph(ka, Ci) 32 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 33/37

34 Estilo de Código Documentação e comentários Devemos documentar funções (e módulos) Podemos também acrescentar comentários se for preciso Notas para o programador def positive_root(a, b, c): "return positive root of quadratic equation" root = (-b + (b**2-4*a*c)**0.5)/(2*a) #This assumes a is greater than zero return root Mais informação: "PEP 8 -- Style Guide for Python Code" 33 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 34/37

35 Programação Estruturada Resumo 34 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 35/37

36 Implementação Resumo Programação estruturada: funções Testes unitários Tipos de erro: sintaxe, exception, lógicos e numéricos Ciclo de vida e reutilização de código Estilo de código Leitura adicional: Recomendada: Capítulo 4 dos apontamentos Opcional: Capítulo 3 do livro "Thinking Python" 35 file:///media/ludi/gaveta/my%20documents/aulas/ice-b /lectures/04-implementa.html?print-pdf#/ 36/37

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