B1: 木星加密通訊：進階字串與字元操作

歡迎來到木星軌道站！由於距離地球超過 6 億公里，通訊延遲長達 40 分鐘。為了確保通訊安全，所有訊息都必須經過加密處理。作為通訊官，你需要掌握字串處理和字元編碼技術。

• 字串的不可變性及其影響
• 字元與數字的轉換（ASCII/Unicode）
• 高效的字串操作方法
• 字串格式化技巧

字串的不可變性（Immutability）

⚠️ 核心概念：Python 中的字串是不可變的！

message = "HELLO"
# message[0] = "J"  # ❌ 錯誤！無法修改字串
# ✅ 正確：創建新字串
message = "J" + message[1:]  # "JELLO"

這意味著每次「修改」字串，實際上都是創建一個新的字串物件。

字元編碼：ord() 和 chr()

每個字元都有一個對應的數字編碼：

# 字元 → 數字
print(ord('A'))  # 65
print(ord('Z'))  # 90
print(ord('a'))  # 97
# 數字 → 字元
print(chr(65))   # 'A'
print(chr(90))   # 'Z'

常用字串方法

| 方法 | 功能 | 範例 | |------|------|------| | split() | 分割字串 | "a b c".split() → ['a', 'b', 'c'] | | join() | 連接字串 | "-".join(['a','b']) → "a-b" | | strip() | 移除空白 | " hi ".strip() → "hi" | | replace() | 替換子串 | "cat".replace('c','b') → "bat" | | upper() | 轉大寫 | "hello".upper() → "HELLO" | | lower() | 轉小寫 | "HELLO".lower() → "hello" |

字串切片（Slicing）

text = "JUPITER"
#       0123456
print(text[0:3])    # "JUP" (索引 0,1,2)
print(text[2:])     # "PITER" (從索引 2 到結尾)
print(text[:4])     # "JUPI" (從開頭到索引 3)
print(text[::2])    # "JPTE" (每隔一個字元)
print(text[::-1])   # "RETIPUJ" (反轉字串)

範例 1：凱薩密碼加密系統

import sys
# 任務：使用凱薩密碼加密訊息（字母位移）
message = sys.stdin.readline().strip()
shift = int(sys.stdin.readline())
encrypted = ""
for char in message:
    if char.isupper():  # 大寫字母
        # 將字母轉為 0-25，位移後再轉回字母
        new_pos = (ord(char) - ord('A') + shift) % 26
        encrypted += chr(ord('A') + new_pos)
    elif char.islower():  # 小寫字母
        new_pos = (ord(char) - ord('a') + shift) % 26
        encrypted += chr(ord('a') + new_pos)
    else:
        encrypted += char  # 非字母字元保持不變
print(f"原始訊息：{message}")
print(f"加密訊息：{encrypted}")

範例 2：訊息解析器

import sys
# 任務：解析太空船狀態報告
# 格式："SHIP-001:FUEL-75:OXYGEN-90:SPEED-25000"
report = sys.stdin.readline().strip()
# 分割報告
parts = report.split(':')
# 解析每個部分
ship_id = parts[0].split('-')[1]
fuel = int(parts[1].split('-')[1])
oxygen = int(parts[2].split('-')[1])
speed = int(parts[3].split('-')[1])
print(f"太空船編號：{ship_id}")
print(f"燃料：{fuel}%")
print(f"氧氣：{oxygen}%")
print(f"速度：{speed} km/h")
# 狀態判斷
if fuel < 30 or oxygen < 30:
    print("⚠️ 警告：資源不足！")
else:
    print("✅ 系統正常")

範例 3：高效字串拼接

import sys
# 任務：生成太空站日誌報告
n = int(sys.stdin.readline())
# ❌ 低效方法（每次都創建新字串）
report_slow = ""
for i in range(n):
    report_slow += f"Day {i+1}: Mission ongoing\n"
# ✅ 高效方法（使用列表收集，最後一次性連接）
report_fast = []
for i in range(n):
    report_fast.append(f"Day {i+1}: Mission ongoing")
final_report = '\n'.join(report_fast)
print(final_report)

範例 4：字串反轉與回文檢測

import sys
# 任務：檢查密碼是否為回文（正反讀都一樣）
password = sys.stdin.readline().strip()
# 方法 1：使用切片反轉
reversed_password = password[::-1]
if password == reversed_password:
    print(f"✅ '{password}' 是回文密碼")
else:
    print(f"❌ '{password}' 不是回文密碼")
# 方法 2：雙指標法（更節省空間）
left = 0
right = len(password) - 1
is_palindrome = True
while left < right:
    if password[left] != password[right]:
        is_palindrome = False
        break
    left += 1
    right -= 1
print(f"雙指標檢測結果：{is_palindrome}")

範例 5：DNA 序列分析

import sys
# 任務：分析 DNA 序列中各鹼基的數量
dna_sequence = sys.stdin.readline().strip().upper()
# 統計每種鹼基
count_A = dna_sequence.count('A')
count_T = dna_sequence.count('T')
count_G = dna_sequence.count('G')
count_C = dna_sequence.count('C')
total = len(dna_sequence)
print(f"DNA 序列長度：{total}")
print(f"A (腺嘌呤)：{count_A} ({count_A/total*100:.1f}%)")
print(f"T (胸腺嘧啶)：{count_T} ({count_T/total*100:.1f}%)")
print(f"G (鳥嘌呤)：{count_G} ({count_G/total*100:.1f}%)")
print(f"C (胞嘧啶)：{count_C} ({count_C/total*100:.1f}%)")
# 檢查 GC 含量（重要的生物指標）
gc_content = (count_G + count_C) / total * 100
print(f"\nGC 含量：{gc_content:.1f}%")

關鍵技術點

1. 字元運算的數學原理

   # 將 'A' 位移 3 變成 'D'
   char = 'A'
   shift = 3
   
   # 步驟 1：轉為相對位置 (0-25)
   pos = ord(char) - ord('A')  # 0
   
   # 步驟 2：位移並取模（處理超出範圍）
   new_pos = (pos + shift) % 26  # 3
   
   # 步驟 3：轉回字元
   new_char = chr(ord('A') + new_pos)  # 'D'
   

1. 為什麼要用 % 26？
2. 確保結果在 0-25 範圍內
3. 例如：'Z' + 1 = 'A'（循環）

   # 'Z' 的位置是 25
   (25 + 1) % 26 = 0  # 回到 'A'
   

1. 字串拼接的效能陷阱

   # ❌ 慢速：O(N²) 時間複雜度
   result = ""
   for i in range(10000):
       result += str(i)  # 每次都創建新字串！
   
   # ✅ 快速：O(N) 時間複雜度
   parts = []
   for i in range(10000):
       parts.append(str(i))
   result = ''.join(parts)  # 只創建一次
   

1. f-string 的強大功能

   name = "Jupiter"
   distance = 778500000
   
   # 基本格式化
   print(f"距離：{distance} km")
   
   # 數字格式化
   print(f"距離：{distance:,} km")  # 778,500,000 km
   print(f"距離：{distance:.2e} km")  # 7.79e+08 km
   
   # 對齊
   print(f"{name:>10}")  # 右對齊，寬度 10