B3: 複雜工程學：函式、模組化與作用域

在木星軌道站，你需要管理多個複雜的子系統：生命維持、能源管理、通訊系統等。如果將所有邏輯寫在一個巨大的程式中，維護將是噩夢！

作為系統工程師，你需要學會將複雜問題分解為多個獨立的模組（函式），每個模組負責一個明確的任務。這不僅讓程式更易於理解和除錯，也能讓程式碼重複使用。

• 如何定義和使用函式
• 理解變數的作用域（Scope）
• 掌握 Python 的參數傳遞機制
• 函式的最佳實踐

為什麼需要函式？

# ❌ 不好的做法：所有邏輯混在一起
data = input()
# ... 100 行程式碼 ...
result = ...
print(result)
# ✅ 好的做法：模組化
def parse_data(raw_data):
    """解析輸入數據"""
    return processed_data
def calculate(data):
    """執行計算"""
    return result
def format_output(result):
    """格式化輸出"""
    return formatted
# 主程式清晰易讀
data = parse_data(input())
result = calculate(data)
print(format_output(result))

函式定義語法

def function_name(parameter1, parameter2):
    """
    函式說明文件（Docstring）
    """
    # 函式主體
    result = parameter1 + parameter2
    return result  # 回傳值

作用域（Scope）

global_var = 100  # 全域變數
def my_function():
    local_var = 50  # 區域變數
    print(global_var)  # 可以讀取全域變數
    print(local_var)   # 可以讀取區域變數
my_function()
# print(local_var)  # ❌ 錯誤！無法在函式外存取區域變數

⚠️ 最佳實踐：盡量避免使用全域變數，通過參數傳遞和回傳值來溝通。

Python 的參數傳遞機制

Python 使用「物件參考傳遞」（Call by Object Reference）：

def modify_list(lst):
    lst.append(999)  # 會修改原始列表
    
my_list = [1, 2, 3]
modify_list(my_list)
print(my_list)  # [1, 2, 3, 999] ✓ 被修改了

def modify_number(n):
    n = n + 100  # 創建新物件，不影響原始變數
    
my_num = 50
modify_number(my_num)
print(my_num)  # 50 ✓ 沒有被修改

範例 1：計算火箭燃料消耗

import sys
def calculate_fuel(distance, efficiency):
    """
    計算所需燃料
    distance: 飛行距離（公里）
    efficiency: 燃料效率（公里/公升）
    """
    fuel_needed = distance / efficiency
    return fuel_needed
def format_report(distance, fuel):
    """格式化報告"""
    return f"飛行 {distance} 公里需要 {fuel:.2f} 公升燃料"
# 主程式
distance = int(sys.stdin.readline())
efficiency = float(sys.stdin.readline())
fuel = calculate_fuel(distance, efficiency)
print(format_report(distance, fuel))

1000
25.5

飛行 1000 公里需要 39.22 公升燃料

範例 2：溫度轉換系統

import sys
def celsius_to_fahrenheit(celsius):
    """攝氏轉華氏"""
    return celsius * 9/5 + 32
def fahrenheit_to_celsius(fahrenheit):
    """華氏轉攝氏"""
    return (fahrenheit - 32) * 5/9
def kelvin_to_celsius(kelvin):
    """克耳文轉攝氏"""
    return kelvin - 273.15
# 讀取溫度和單位
temp = float(sys.stdin.readline())
unit = sys.stdin.readline().strip()
if unit == 'C':
    print(f"{celsius_to_fahrenheit(temp):.2f} °F")
elif unit == 'F':
    print(f"{fahrenheit_to_celsius(temp):.2f} °C")
elif unit == 'K':
    print(f"{kelvin_to_celsius(temp):.2f} °C")

範例 3：質數檢測

import sys
def is_prime(n):
    """
    檢查 n 是否為質數
    回傳 True 或 False
    """
    if n < 2:
        return False
    if n == 2:
        return True
    if n % 2 == 0:
        return False
    
    # 只需檢查到 sqrt(n)
    i = 3
    while i * i <= n:
        if n % i == 0:
            return False
        i += 2
    
    return True
# 主程式
n = int(sys.stdin.readline())
if is_prime(n):
    print(f"{n} 是質數")
else:
    print(f"{n} 不是質數")

範例 4：列表統計函式

import sys
def calculate_stats(numbers):
    """
    計算列表的統計數據
    回傳：(總和, 平均值, 最大值, 最小值)
    """
    total = sum(numbers)
    avg = total / len(numbers)
    maximum = max(numbers)
    minimum = min(numbers)
    
    return total, avg, maximum, minimum
# 讀取數據
n = int(sys.stdin.readline())
numbers = list(map(int, sys.stdin.readline().split()))
# 呼叫函式並解包回傳值
total, avg, maximum, minimum = calculate_stats(numbers)
print(f"總和：{total}")
print(f"平均：{avg:.2f}")
print(f"最大：{maximum}")
print(f"最小：{minimum}")

關鍵技術點

#### 1. 函式設計原則

• 每個函式只做一件事
• 函式名稱應清楚描述其功能
• 函式長度建議不超過 20-30 行

#### 2. 參數與回傳值

def process_data(input_data, option=True):
    """
    input_data: 必要參數
    option: 選擇性參數（有預設值）
    """
    if option:
        return input_data * 2
    return input_data

#### 3. 多個回傳值

Python 可以回傳多個值（實際上是回傳一個 tuple）：

def get_min_max(numbers):
    return min(numbers), max(numbers)
minimum, maximum = get_min_max([1, 5, 3, 9, 2])

#### 4. 遞迴初探

函式可以呼叫自己：

def factorial(n):
    """計算階乘"""
    if n <= 1:  # 基礎情況
        return 1
    return n * factorial(n - 1)  # 遞迴呼叫