Informá(ca para as Ciências e Engenharias Versão : B

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Informá(ca para as Ciências e Engenharias

Versão : B

(Lic.Biologia Celular e Molecular

MI Engenharia Química e Bioquímica)

Aula 8

Pedro Barahona 2020 / 21

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Sumário

• Dados estruturados. Dicionários.

• Vetores e dicionários de dicionários.

• Outras u9lizações de dicionários.

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Sumário

• Vetores e dicionários de dicionários. • Outras u9lizações de dicionários. • Resolução de problema

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Dados Estruturados - Dicionários

• Por vezes, pretende-se agrupar um conjunto de dados relacionados, acedendo aos dados através dum nome.

Exemplo: Para cada elemento da tabela periódica pode ser associado: § O símbolo químico (que é uma string) ao nome simboloQ;

§ O número atómico (um inteiro) ao nome numAtom.

• Em Python, podem-se agrupar dados relacionados num Gpo de dados chamado dicionário (Gpo dict). Um dicionário é um conjunto de pares chave/valor.

§ A chave pode ser uma string, inteiro, ﬂoat ou booleano. § O valor pode ser de qualquer Gpo.

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Dicionários - Criação

• Em Python um dicionário, é um objeto do Gpo dict, criado com a seguinte

Sintaxe:

variavel = { nomeDaChave1 : valorDaChave1, .... nomeDaChaveN : valorDaChaveN } • Exemplo: In : actínio = { ...: 'simbQ' : 'Ac’, ...: 'nAtom' : 89} In : actínio

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Dicionários – Valores das Chaves

• Os valores das chaves de um dicionário podem ser acedidos (e alterados, usando o método .get (ou a sintaxe equivalente):

variável.get(NomeDaChave)

ou pela sintaxe equivalente

variável[NomeDaChave] In : lítio = { ...: 'simbQ' : 'Li', ...: 'nAtom' : None} In : lítio['nAtom'] In : lítio['nAtom’] = 3 In : lítio['nAtom'] Out: 3 In : lítio.get(‘simbQ’) Out: 'Li' In : lítio

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Dicionários – Adição de Chaves

• Uma vez criado um dicionário, podem ser acrescentados pares chave/valor através do método .update

variável.update(NomeDaChave) Exemplo:

• Acrescentar a massa atómica à descrição de um átomo. In : lítio

Out: {'simbQ': 'Li', 'nAtom': 3}

In : lítio.update({'massAtom': 6.941}) In : lítio

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Dicionários – Eliminação de Chaves

• Igualmente podem ser eliminados pares chave/valor de um dicionário através do método .pop

variável.pop(NomeDaChave) Exemplo:

• Eliminar a massa atómica à descrição de um átomo. In : lítio

Out: {‘simbQ': 'Li', 'nAtom': 3, 'massAtom': 6.941} In : lítio.pop('massAtom')

Out: 6.941 In : lítio

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Dicionários – Que Chaves?

• Para se saberem que chaves existem num dicionário, pode ser usado o método .keys.

variável.keys()

• Que pode ser usado para veriﬁcar se uma dada chave existe chave in variavel.keys()

Exemplo:

• Atributos associados a um elemento químico In : lítio = { ...: 'simbQ' : 'Li', ...: 'nAtom' : None} In : lítio.keys() In : dict_keys(['simbQ', 'nAtom’]) In : 'nAtom’ in lítio.keys() Out: True

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Dicionários – Iteração por Chaves

• As vários atributos de um dicionário podem ser iterados (por exemplo, numa instrução FOR) acdendo às suas chaves :

for chave in variável.Keys()

ou com a sintaxe simpliﬁcada:

for chave in variável

• Exemplo:

In : lítio

Out: {'simbQ': 'Li', 'nAtom': 3} In : for chave in lítio.Keys(): ...: print(chave)

simbQ nAtom

In : for chave in lítio: ...: print(chave)

simbQ nAtom

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Sumário

• Vetores e dicionários de dicionários.

• Outras u9lizações de dicionários. • Resolução de problema

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Vetores de Dicionários

• Dicionários podem ser organizados em listas (implementando vetores

ou matrizes).

Exemplo:

• Elementos da Tabela Periódica (incompleta) In : lítio

Out: {'simbQ': 'Li', 'nAtom': 3} In : actínio

Out: {'simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89} In : elems = [lítio, actínio]

In : elems[0]

Out: {'simbQ': 'Li', 'nAtom': 3} In : elems[1].get('nAtom’)

Out: 89

In : elems[1][nAtom] Out: 89

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Dicionários de Dicionários [1]

• Para facilitar a acessibilidade aos seus elementos, podem ser organizados em outros dicionários

Exemplo:

• Elementos da Tabela Periódica indexados por número atómico In : litio

Out: {‘simbQ': 'Li', 'nAtom': 3} In : actínio

Out: {‘simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89} In : tabela = {}

In : tabela[3] = lítio In : tabela[89] = actínio In : tabela

Out: {3:{‘simbQ':'Li’, 'nAtom': 3}, 89:{‘simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89}} In : tabela[89]

Out: {‘simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89} Out: 89

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Dicionários de Dicionários [2]

• Os dicionários podem ser indexados de várias maneiras (por exemplo número atómico e símbolo químico

In : tabela

Out: {3:{‘simbQ':'Li’, 'nAtom': 3}, 89:{‘simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89}} In : tabela['Li'] = litio

In : tabela['Ac'] = actinio In : tabela['Li']

Out: {'simbQ':'Li', 'nAtom': 3}, In : tabela[89]

Out: :{'simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89}} In : tabela

Out: {3:{'simbQ':'Li’, 'nAtom': 3}, 89:{'simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89}, ‘Li’:{'simbQ':'Li’, 'nAtom': 3}, ‘Ac’:{'simbQ': 'Ac', 'nAtom': 89}}

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Sumário

• Dados estruturados. Dicionários. • Vetores e dicionários de dicionários.

• Resolução de problemas

§ Frequências / Histogramas

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Problema – Frequência de letras

• Dicionários podem ser uGlizados numa variedade de aplicações. Começamos pelo seguinte problema (com aplicações aos protocolos de transmissão de informação):

• Problema: Qual a frequência com que aparecem as várias letras num

texto? Mais especiﬁcamente:

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Resolução – Problema [1]

1. Compreender totalmente o problema.

§ O problema é claro.

2. Caracterizar o problema.

• Problema: Frequência de letras.

• Entrada: (string) nomeFich.

• Saída: dicionário com pares (string)letra: (int) que indicam o número de vezes que a letra aparece no texto.

Nota: Não distinguiremos letras maiúsculas de minúsculas

3. Generalizar o problema (sempre que for possível).

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Resolução – Algoritmo [1]

4. Desenhar o algoritmo para resolver o problema.

a) Conceber o algoritmo, decompondo o problema em sub-problemas. Podemos decompor este problema em 3 sub-problemas

1. Ler o ﬁcheiro indicado

• Ler um ﬁcheiro para uma string

2. Contar a ocorrência das letras numa string

• Criar um Dicionário com pares letra: contagem

3. Integrar os dois problemas anteriores

• Ler o ﬁcheiro para um texto

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Resolução – Algoritmo [2]

b) Iden9ﬁcar, caracterizar e generalizar cada sub-problema. [1]

• Problema: Leitura do Ficheiro de texto. • Entrada: (string) nomeFich.

• Saída: (string) texto lido

Um problema semelhante a este foi resolvido na aula anterior b) Iden9ﬁcar, caracterizar e generalizar cada sub-problema. [2]

• Problema: Contar as letras de um texto. • Entrada: (string) texto.

• Saída: (dict) conjunto de pares letra:contagem

Um problema semelhante a este foi resolvido na aula anterior b) Iden9ﬁcar, caracterizar e generalizar cada sub-problema. [3]

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Resolução – Algoritmo [2]

5. Para cada sub-problema, desenhar o algoritmo para o resolver.

Sub-problema: Leitura do Ficheiro de texto

1. Abrir o ﬁcheiro para leitura.

2. Ler todos os caracteres.

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Resolução – Algoritmo [3]

Sub-problema: Contar as letras de um texto

1. Criar um dicionário vazio.

2. Para todos os caracteres alfanuméricos.

• Convertê-los para minúsculas

• Se o caracter já existe no dicionário :

§ incrementar a sua contagem

• Caso contrário

§ _{Criar uma entrada com contagem 1}

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Resolução – Implementação [1]

6. Para cada sub-problema (começando pelos mais simples), implementar

o respe9vo algoritmo e testar o “sub-programa”.

• Sub-problema: Leitura do Ficheiro de texto

def leFicheiro(nomeFich): """ ... """ fich = open( nomeFich, "w") texto = fich.read() fich.close() return texto

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Resolução – Implementação [2]

• Sub-problema: Contar as letras de um texto

def contagem(texto):

""" ... """

hist = {}

for ch in texto: ch = ch.lower()

if ch.isalpha() and ( ch in hist.keys() ): hist[ch] = hist[ch] + 1

elif ch.isalpha():

hist.update({ch: 1})

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Resolução – Implementação [3]

• Sub-problema: Integrar as funções anteriores

• Este programa pode ser testado com qualquer ﬁcheiro texto.

• (deve ser testado com poucos caracteres para se poder veriﬁcar se

a contagem está correta). def histograma(nomeFich):

""" ... """

texto = leTexto(nomeFich) hist = contagem(texto)

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Resolução – Teste

In : hist = d.histograma('texto_teste.txt') Out: {'t': 5, 'e': 4, 'x': 1, 'o': 3, 'd': 2, 's': 3, 'c': 1, 'm': 1, 'a': 1, 'l': 1, 'g': 2, 'u': 1, 'n': 1, 'í': 1, 'i': 1} In : hist[‘t’] Out: 5

Texto de teste com alguns dígitos. 123

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Sumário

• Dados estruturados. Dicionários. • Vetores e dicionários de dicionários.

• Resolução de problemas

§ Frequências / Histogramas

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Massa Molecular de um Composto [1]

• Faça um programa que determina a massa molecular de uma molécula,

dada a sua fórmula química.

• Os dados do composto estão num dicionário, que implementa a tabela

periódica, em que a chave é o símbolo químico do elemento, e inclui outra informação (número atómico, nome e massa atómica).

• Exemplo: água = ‘H2O’ -> 18.0152

§ o elemento ‘H’, hidrogénio, está (H) presente com 2 átomos na molécula

de água

§ o elemento ‘O’, oxigénio, está presente com 1 átomo na molécula de água.

§ A massa molecular é calculada a parPr das massas atómicas do hidrogénio

(1.00794) e do oxigénio (15.9994), i.e.

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Massa Molecular de um Composto [2]

• Para resolver este problema é necessário saber informações sobre o

elemento com determinado símbolo químico e, em parPcular, a sua massa atómica, i.e. implementar (parcialmente) a tabela periódica.

• A informação relevante da tabela periódica está presente num ﬁcheiro

elementos.txt (na ﬁgura) que, após a primeira linha, tem uma linha por cada elemento, contendo o número atómico, símbolo químico, nome, e

massa atómica. _{number symbol} _name _mass

1 H Hydrogen 1.00794 2 He Helium 4.002602 3 Li Lithium 6.941 4 Be Beryllium 9.012182 5 B Boron 10.811 6 C Carbon 12.0107 7 N Nitrogen 14.0067 8 O Oxygen 15.9994 9 F Fluorine 18.9984032 10 Ne Neon 20.1797 ……..

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Resolução – Problema [1]

1. Compreender totalmente o problema.

§ O problema é claro.

2. Caracterizar o problema.

• Problema: Obter a fórmula química e massa de um composto.

• Entrada: (string) nomeFich. (Dict) composto

• Saída: (string) a fórmula química do composto, (ﬂoat) massa do composto

3. Generalizar o problema (sempre que for possível).

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Resolução – Algoritmo [1]

4. Desenhar o algoritmo para resolver o problema.

a) Conceber o algoritmo, decompondo o problema em sub-problemas. Podemos decompor este problema em 4 sub-problemas

1. Ler o ﬁcheiro com a informação química

• Obter um dicionário com símbolos e massa atómicas dos

elementos do composto

2. A par9r da fórmula química do composto, obter as suas

componentes (e.g., separar H2O em [(’H’,2), (‘O’,1)]

• Processar strings

3. Para cada componente obter a respe9va massa

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Resolução – Algoritmo [2]

b) Iden9ﬁcar, caracterizar e generalizar cada sub-problema. [1]

• Problema: Criar a tabela periódica.

• Entrada: Nada (assume-se o nome do ﬁcheiro). • Saída: (dict) tabela periódica

Sub-problema: Criar a tabela periódica

1. Inicializar a tabela a vazio

2. Abrir o ﬁcheiro para leitura.

3. Desprezar a primeira linha.

4. Para cada linha do ﬁcheiro

§ Criar um dicionário com informação de cada elemento

§ Acrescentá-lo à tabela

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Resolução – Implementação [3]

• Sub-problema: Leitura da tabela periódica

def lerTabelaPeriodica():

""" ... """

tabela = {}

fich = open(‘tabela_periodica.txt’, 'r’) fich.readline() # despreza a primeira linha

for line in fich.readlines(): linha = line.split('\t’) chave = linha[1]

info = {'nAtom’: int(linha[0]),\

'nome' : linha[2], 'mAtom': float(linha[3])} elem = {chave : info}

tabela.update(elem) fich.close()

return tabela

number symbol name mass 1 H Hydrogen 1.00794 1\tH\tHydrogen\t1.00794\n

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Resolução – Implementação [3]

o respetivo algoritmo e testar o “sub-programa”.

• Sub-problema: Leitura da tabela periódica

In : tabela = lerTabelaPeriodica() In : tabela

Out: {'H': {'nAtom’: 1, 'nome': 'Hydrogen', 'mAtom': 1.00794}, 'He': {'nAtom’: 2, 'nome': 'Helium', 'mAtom': 4.002602},

'Li': {'nAtom': 3, 'nome': 'Lithium', 'mAtom': 6.941},

'Be': {'nAtom': 4, 'nome': 'Beryllium', 'mAtom': 9.012182}, 'B': {'nAtom': 5, 'nome': 'Boron', 'mAtom': 10.811},

'C': {'nAtom': 6, 'nome': 'Carbon', 'mAtom': 12.0107}, 'N': {'nAtom': 7, 'nome': 'Nitrogen', 'mAtom': 14.0067}, 'O': {'nAtom': 8, 'nome': 'Oxygen', 'mAtom': 15.9994},

'F': {'nAtom': 9, 'nome': 'Fluorine', 'mAtom': 18.9984032}, ...

In : tabela['N'].nAtom Out: 7

In : tabela['O'].mAtom Out: 15.9994

number symbol name mass

1 H Hydrogen 1.00794 2 He Helium 4.002602 3 Li Lithium 6.941 4 Be Beryllium 9.012182 5 B Boron 10.811 6 C Carbon 12.0107 7 N Nitrogen 14.0067 8 O Oxygen 15.9994 9 F Fluorine 18.9984032 10 Ne Neon 20.1797 …….. tabela_periodica.txt

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Resolução – Algoritmo [2]

b) Identificar, caracterizar e generalizar cada sub-problema. [1]

• Problema: Obter Componentes do composto. • Entrada: (string) fórmula química do composto

• Saída: (lista) lista de componentes, em que cada um é um tuplo (Símbolo Químico, Número)

Por exemplo de ‘H20’ obter [(’H’,2), (‘O’,1)]

Algoritmo:

Início = 0 Partes = []

Enquanto não se chegar ao fim da fórmula,

Ler o componente que começa na posição Início atualizando esse Início Desdobrar o componente em símbolo químico e número de átomos Acrescentar o componente à lista das partes

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Resolução – Implementação [3]

• Sub-problema: Obter as componentes do composto

• Antes de testar esta função tem de se deﬁnir as sub-funções

obterParteDesde e desdobrar.

def decomporFormula(composto): """ ... """

partes = [] inicio = 0

while inicio < len(composto):

(parte,inicio) = obterParteDesde(composto,inicio) atom_numb = desdobrar(parte)

partes.append(atom_numb)

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Resolução – Implementação [3]

• Problema: Obter uma parte do composto a par9r da posição i. • Entrada: (string) fórmula do composto e (int) posição inicial

• Saída: (string) formula química da componente e (int) posição inicial da próxima parte

Algoritmo:

Começar a parte com o caracter (maiúsculo) na posição inicial Avançar a posição

Enquanto não se chegar ao ﬁm da fórmula e não se encontrar uma letra maiúscula,

Avançar a posição

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Resolução – Implementação [3]

o respetivo algoritmo e testar o “sub-programa”.

• Sub-problema: Obter uma componentes do composto a partir de

uma dada posição

• Testar:

def obterParteDesde(composto, i): """ ... """

parte = composto[i] i = i + 1

while i < len(composto) and not composto[i].isupper():

part = part + composto[i] i = i + 1 return (part, i) In : obterParteDesde('H2O',0) Out: ('H2', 2) In : obterParteDesde('H2O',2) Out: ('O', 3)

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Resolução – Implementação [3]

• Problema: Desdobrar uma componente do composto. • Entrada: (string) fórmula da componente

• Saída: tuplo (simbolo, número) ;

e.g. de ’H2’ obter (‘H’,2) e de ‘O’, obter (‘O’,1) .

def desdobrar(parte): """ ... """

atom = parte[0] i = 1

n = len(parte)

while i < n and not parte[i].isdigit():

atom = atom + parte[i] i = i + 1

if i == n: num = 1 else:

num = int(parte[i:n])

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Resolução – Implementação [3]

• Podemos agora testar as várias funções que implementamos para

obter as partes de uma fórmula.

In : desdobrar('H2') Out: ('H', 2) In : desdobrar('O') Out: ('O', 1) In : decomporFormula('H2O') Out: [('H', 2), ('O', 1)] In : decomporFormula('H2SO4') Out: [('H', 2), ('S', 1), ('O', 4)] In : decomporFormula('C2H5OH') Out: [('C', 2), ('H', 5), ('O', 1), ('H', 1)]

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Resolução – Implementação [3]

6. Para cada sub-problema (começando pelos mais simples), implementar o

respe9vo algoritmo e testar o “sub-programa”.

• Problema: Obter a massa de um componente • Entrada: (tuplo) componente e (dict) tabela • Saída: (ﬂoat) massa do componente

Algoritmo:

Consultar a tabela e obter a massa atómica do elemento do componente Obter o número de átomos do elemento no componente

Mul9plicar os valores para obter a massa

{'H’ : {'nAtom': '1', 'nome': 'Hydrogen’, 'mAtom': 1.00794}, 'He': {'nAtom': '2', 'nome': 'Helium’, 'mAtom': 4.002602}, 'Li': {'nAtom': '3', 'nome': 'Lithium’, 'mAtom': 6.941},

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Resolução – Implementação [3]

• Problema: Obter a massa de um componente • Entrada: (tuplo) componente e (list) tabela • Saída: (ﬂoat) massa do componente

def obterMassaComponente(componente, tabela): """ ... """

mAtomic = tabela[componente[0]]['mAtom'] nAtoms = componente[1]

massa = nAtoms * mAtomic

return massa

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Resolução – Implementação [3]

• Problema: Obter a massa de um componente • Entrada: (tuplo) componente e (list) tabela • Saída: (ﬂoat) massa do componente

In : tabela = lerTabelaPeriodica() In : obterMassaComponente(('H',2), tabela) Out: 2.01588 In : obterMassaComponente(('Li',3), tabela) Out: 20.823 In : obterMassaComponente(('S',1), tabela) Out: 32.065

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Resolução – Implementação [3]

Finalmente podemos integrar os vários componentes na função principal

• Problema: Obter a massa do composto

• Entrada: (str) fórmula química do composto • Saída: (ﬂoat) massa do composto

Algoritmo:

Ler a tabela periódica

Desdobrar a fórmula em componentes Inicializar a massa do composto a 0 Para cada componente da fórmula

Obter a massa do componente

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Resolução – Implementação [3]

Finalmente podemos integrar os vários componentes na função principal

• Problema: Obter a massa de o composto

• Entrada: (str) fórmula química do composto • Saída: (ﬂoat) massa do composto

def calcularMassa(composto): """ ... """

tabela = lerTabelaPeriodica()

partes = decomporFormula(composto) massa = 0

for parte in partes:

massa = massa + calcularMassa(parte, tabela)

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Resolução – Implementação [3]

Podemos agora testar o pograma implementado, com vários compostos

In : água = 'H2O' In : calcularMassa(agua) Out: 18.01528 In : ácidoSulfúrico = 'H2SO4' In : calcularMassa(ácidoSulfúrico) Out: 98.07848 In : etanol = 'C2H5OH' In : calcularMassa(etanol) Out: 46.068439999999995 In : glicose = 'C6H12O6' In : calcularMassa(glicose) Out: 180.15588

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Para saber Mais

• Consultar um dos livros de texto aconselhados.

• Por exemplo:

§ “Think Python: How to Think Like a Computer Scien9st ”:

cap. 11.

§ “Introduc9on to Computa9on and Programming Using Python”,