feat(python基础): 完成第十一至十三课教学内容
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530
01_python基础/1_11_集合/README.md
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01_python基础/1_11_集合/README.md
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@@ -0,0 +1,530 @@
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# 第 1-11 课：集合
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## 一、本课目标
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完成本课后，你将能够：
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1. 理解集合是什么，以及集合适合解决什么问题；
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2. 使用 `{}` 或 `set()` 创建集合；
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3. 理解集合中元素唯一、集合本身无序；
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4. 使用 `add()`、`update()` 添加元素；
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5. 使用 `remove()`、`discard()`、`pop()` 和 `clear()` 删除元素；
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6. 使用 `in` 和 `not in` 判断元素是否存在；
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7. 遍历集合；
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8. 使用交集、并集、差集和对称差集；
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9. 使用集合为列表去重；
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10. 根据实际需求在列表、元组、字典和集合之间做出选择。
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## 二、前置知识
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学习本课前，应当已经了解：
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- 变量与常见数据类型；
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- 条件判断；
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- `for` 循环；
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- 字符串；
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- 列表和元组；
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- 字典；
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- `in` 和 `not in`。
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## 三、集合是什么
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集合（Set）是一种保存多个元素的数据结构。
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它有两个非常重要的特点：
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1. **元素不能重复**；
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2. **元素没有固定位置**。
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例如，一个 Agent 可以拥有多个工具权限：
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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```
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如果重复写入同一个工具，集合只会保留一份：
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算", "搜索"}
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print(agent_tools)
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```
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集合中最终只有两个元素。
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集合特别适合处理：
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- 去除重复数据；
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- 快速判断某个元素是否存在；
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- 比较两组数据有哪些相同项或不同项；
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- 权限、标签、课程、技能等不允许重复的数据。
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## 四、创建集合
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### 4.1 使用花括号创建
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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print(agent_tools)
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```
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集合使用花括号，但它与字典不同：
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```python
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# 集合：里面直接保存元素
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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# 字典：里面保存“键: 值”
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agent_config = {"model": "gpt-5", "enabled": True}
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```
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### 4.2 使用 `set()` 创建
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```python
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agent_tools = set(["搜索", "计算", "搜索"])
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print(agent_tools)
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```
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`set()` 会把传入的数据转换成集合，并自动去除重复元素。
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### 4.3 创建空集合
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空集合必须写成：
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```python
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empty_tools = set()
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```
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不能写成：
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```python
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empty_tools = {}
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```
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因为 `{}` 创建的是空字典，不是空集合。
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可以使用 `type()` 验证：
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```python
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print(type(set()))
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print(type({}))
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```
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## 五、集合为什么不支持下标
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列表和元组中的元素有明确位置，所以可以写：
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```python
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models = ["gpt-5", "o3"]
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print(models[0])
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```
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集合是无序数据结构，不保证每个元素一直处于某个固定位置，因此不能写：
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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print(agent_tools[0]) # 错误
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```
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这里的“无序”不是说 Python 每次一定用不同顺序显示，而是说：
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> 不应该依赖集合元素的显示顺序，也不能使用下标读取集合元素。
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如果业务需要稳定顺序，应使用列表或元组。
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## 六、集合元素必须唯一
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```python
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models = {"gpt-5", "o3", "gpt-5"}
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print(len(models))
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```
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结果为：
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```text
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2
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```
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第二个 `"gpt-5"` 不会产生新元素，也不会报错。
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## 七、判断元素是否存在
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集合经常配合 `in` 和 `not in` 使用：
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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print("搜索" in agent_tools)
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print("写作" not in agent_tools)
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```
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正常结果：
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```text
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True
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True
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```
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集合非常擅长成员判断。数据较多时，通常比逐个检查列表更合适。
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## 八、添加元素
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### 8.1 使用 `add()` 添加一个元素
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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agent_tools.add("写作")
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print(agent_tools)
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```
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如果添加已经存在的元素，集合不会发生变化：
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```python
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agent_tools.add("搜索")
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```
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### 8.2 使用 `update()` 添加多个元素
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```python
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agent_tools = {"搜索"}
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agent_tools.update(["计算", "写作"])
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print(agent_tools)
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```
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注意：
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- `add()` 添加一个完整元素；
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- `update()` 从列表、元组、集合等可遍历数据中逐个取出元素并添加。
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## 九、删除元素
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### 9.1 `remove()`：元素不存在时会报错
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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agent_tools.remove("搜索")
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```
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如果继续删除不存在的 `"搜索"`，会出现 `KeyError`，中文意思是找不到该元素。
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### 9.2 `discard()`：元素不存在也不会报错
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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agent_tools.discard("写作")
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```
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当你不确定元素是否存在时，`discard()` 通常更安全。
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### 9.3 `pop()`：删除并返回一个不确定的元素
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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removed_tool = agent_tools.pop()
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print(removed_tool)
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```
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集合没有固定顺序，所以不能依赖 `pop()` 删除某个指定元素。
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如果集合为空，调用 `pop()` 会报错。
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### 9.4 `clear()`：清空集合
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算"}
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agent_tools.clear()
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print(agent_tools)
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```
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结果是空集合：
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```text
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set()
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```
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## 十、遍历集合
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集合可以使用 `for` 循环遍历：
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```python
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agent_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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for tool in agent_tools:
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print(tool)
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```
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变量名 `tool` 可以换成其他合法名称，但应当选择能够表达含义的名字。
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不要依赖遍历顺序。如果必须按顺序输出，可以先使用 `sorted()` 排序：
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```python
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for tool in sorted(agent_tools):
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print(tool)
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```
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`sorted()` 会返回一个排好序的新列表，不会修改原集合。
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## 十一、交集：两组数据共同拥有的元素
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交集可以使用 `&` 或 `intersection()`：
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```python
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code_agent_tools = {"搜索", "计算", "代码执行"}
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writer_agent_tools = {"搜索", "写作", "图片生成"}
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common_tools = code_agent_tools & writer_agent_tools
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print(common_tools)
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```
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结果：
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```text
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{'搜索'}
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```
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也可以写成：
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```python
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common_tools = code_agent_tools.intersection(writer_agent_tools)
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```
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## 十二、并集：合并两组数据并自动去重
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并集可以使用 `|` 或 `union()`：
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```python
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all_tools = code_agent_tools | writer_agent_tools
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print(all_tools)
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```
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结果包含两组集合的全部工具，重复的 `"搜索"` 只保留一份。
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## 十三、差集：一组有、另一组没有的元素
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差集使用 `-` 或 `difference()`：
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```python
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code_only_tools = code_agent_tools - writer_agent_tools
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print(code_only_tools)
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```
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它表示代码助手拥有、写作助手没有的工具。
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注意方向：
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```python
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code_agent_tools - writer_agent_tools
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```
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和：
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```python
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writer_agent_tools - code_agent_tools
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```
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结果通常不同。
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## 十四、对称差集：只属于其中一组的元素
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对称差集使用 `^` 或 `symmetric_difference()`：
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```python
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different_tools = code_agent_tools ^ writer_agent_tools
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print(different_tools)
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```
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它会排除两组共同拥有的元素，只保留各自独有的元素。
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## 十五、集合之间的关系判断
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如果集合 A 中的所有元素都在集合 B 中，A 就是 B 的子集：
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```python
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required_tools = {"搜索", "计算"}
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available_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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print(required_tools <= available_tools)
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```
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结果为 `True`。
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也可以使用：
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```python
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print(required_tools.issubset(available_tools))
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print(available_tools.issuperset(required_tools))
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```
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- 子集（Subset）：较小集合中的元素全部包含在较大集合中；
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- 超集（Superset）：较大集合包含较小集合的全部元素。
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这很适合判断“当前权限是否满足所需权限”。
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## 十六、使用集合为列表去重
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```python
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model_history = ["gpt-5", "o3", "gpt-5", "o3", "gpt-5-mini"]
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unique_models = set(model_history)
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print(unique_models)
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```
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如果最终仍然需要列表，可以再转换：
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```python
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unique_model_list = list(unique_models)
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```
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注意：这种方法不保证保留原列表顺序。
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当前阶段如果既要去重又要保留顺序，可以使用：
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```python
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unique_model_list = []
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for model in model_history:
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if model not in unique_model_list:
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unique_model_list.append(model)
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```
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## 十七、哪些数据可以放入集合
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集合元素必须是不可变且可哈希（Hashable）的数据。
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当前阶段可以简单理解为：
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- 字符串、数字、布尔值、元组通常可以放入集合；
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- 列表、字典、普通集合不能直接放入集合。
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下面会报错：
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```python
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invalid_set = {[1, 2], [3, 4]}
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```
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因为列表可以被修改，不能作为集合元素。
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“哈希”的内部原理将在进阶阶段逐步补充，本课只需要记住常见规则。
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## 十八、列表、元组、字典和集合如何选择
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### 使用列表
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- 需要保留顺序；
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- 允许重复；
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- 需要使用下标读取或修改。
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### 使用元组
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- 需要保留顺序；
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- 允许重复；
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- 创建后不希望修改整体结构。
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### 使用字典
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- 需要使用“键”描述每个“值”；
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- 需要通过字段名称快速读取数据。
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### 使用集合
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- 不关心顺序；
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- 不允许重复；
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- 经常进行成员判断、去重或集合运算。
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## 十九、运行本课示例
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进入项目根目录：
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```powershell
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cd D:\Code\Python
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```
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运行示例：
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```powershell
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python .\01_python基础\1_11_集合\sets.py
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```
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运行练习：
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```powershell
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python .\01_python基础\1_11_集合\practice.py
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```
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集合的显示顺序可能与讲义不同，只要元素相同就是正常现象。
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## 二十、常见错误
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### 20.1 使用 `{}` 创建空集合
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`{}` 是空字典，空集合必须使用 `set()`。
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### 20.2 使用下标读取集合
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集合不支持下标。如果需要按位置读取，应使用列表或元组。
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### 20.3 使用 `remove()` 删除不存在的元素
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不确定元素是否存在时，可以先用 `in` 判断，或者使用 `discard()`。
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### 20.4 依赖集合的输出顺序
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集合不保证业务上的稳定顺序。需要排序展示时使用 `sorted()`。
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### 20.5 把列表或字典放入集合
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列表和字典是可变数据，不能作为集合元素。
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### 20.6 混淆 `add()` 和 `update()`
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`add()` 添加一个元素；`update()` 从其他可遍历数据中添加多个元素。
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## 二十一、课堂练习
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打开：
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```text
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01_python基础/1_11_集合/practice.py
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```
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本课练习将创建一个“Agent 工具权限管理器”，内容包括：
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1. 创建集合；
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2. 检查、添加和删除权限；
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3. 遍历权限；
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4. 比较两组权限的交集、并集、差集和对称差集；
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5. 判断所需权限是否是可用权限的子集；
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6. 为模型使用记录去重。
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请先独立完成。遇到问题时，我会先给出定位提示，不会直接覆盖你的答案。
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## 二十二、思考题
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1. 为什么 `{}` 不能表示空集合？
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2. 为什么不能使用 `agent_tools[0]` 读取集合？
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3. `remove()` 和 `discard()` 有什么区别？
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4. `A - B` 与 `B - A` 为什么可能不同？
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5. 使用集合为列表去重时，可能丢失什么信息？
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## 二十三、本课小结
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本课最重要的知识点：
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1. 集合使用 `set` 类型表示；
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2. 集合元素唯一，且没有可依赖的固定顺序；
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3. 空集合必须使用 `set()` 创建；
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4. `add()` 添加一个元素，`update()` 添加多个元素；
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||||
5. `remove()` 删除不存在的元素会报错，`discard()` 不会；
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6. 集合支持交集、并集、差集和对称差集；
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7. 集合适合去重、成员判断和权限比较。
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## 二十四、验收标准
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完成练习后，应满足：
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- 能正确创建非空集合和空集合；
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- 能解释集合为什么不支持下标；
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- 能使用 `in` 判断元素；
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- 能正确添加、删除和遍历集合元素；
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- 能计算两组集合的交集、并集、差集和对称差集；
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- 能判断子集关系；
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||||
- 能使用集合完成列表去重；
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||||
- 示例和练习均可正常运行。
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104
01_python基础/1_11_集合/practice.py
Normal file
104
01_python基础/1_11_集合/practice.py
Normal file
@@ -0,0 +1,104 @@
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# 第 1-11 课课堂练习：Agent 工具权限管理器
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#
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# 完成要求：
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# 1. 根据注释完成集合的创建、成员判断、添加、删除、遍历和集合运算。
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# 2. 使用有意义的英文蛇形变量名。
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# 3. 不要依赖集合的显示顺序。
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# 4. 删除可能不存在的元素时使用 discard()，或先使用 in 判断。
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# 5. 不要删除题目注释。
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# 6. 完成后运行本文件并核对预期结果。
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# 练习一：创建集合 agent_tools，包含以下工具：
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# "搜索"、"计算"、"写作"、"搜索"。
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# 输出集合和元素数量，观察重复的“搜索”是否只保留一份。
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# 练习二：创建空集合 disabled_tools。
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# 输出它的值和类型，确认类型是 set，而不是 dict。
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# 练习三：完成成员判断：
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# 1. 判断 agent_tools 中是否存在“搜索”，保存到 can_search；
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# 2. 判断 agent_tools 中是否不存在“图片生成”，保存到 cannot_generate_image；
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# 3. 输出两个判断结果。
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# 练习四：使用 add() 向 agent_tools 添加“代码执行”。
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# 再次使用 add() 添加已经存在的“搜索”。
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# 输出添加后的集合和元素数量，确认没有产生重复元素。
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# 练习五：使用 update() 一次添加“图片生成”和“网页浏览”。
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# 传给 update() 的数据可以使用列表。
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# 输出更新后的集合。
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# 练习六：完成安全删除：
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# 1. 使用 remove() 删除确定存在的“网页浏览”；
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# 2. 使用 discard() 删除不存在的“语音识别”；
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# 3. 输出删除后的集合，确认程序没有报错。
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# 练习七：使用 for 遍历 agent_tools。
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# 为了让输出顺序稳定，请遍历 sorted(agent_tools)。
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# 每行按照“可用工具：搜索”的格式输出。
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# 练习八：创建两个集合：
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# code_agent_tools = {"搜索", "计算", "代码执行"}
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# writer_agent_tools = {"搜索", "写作", "图片生成"}
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# 计算并输出：
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# 1. 交集 common_tools；
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# 2. 并集 all_tools；
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# 3. 代码助手独有的差集 code_only_tools；
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# 4. 对称差集 different_tools。
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# 练习九：创建以下两个集合：
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# required_tools = {"搜索", "计算"}
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# available_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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# 使用 <= 判断 required_tools 是否是 available_tools 的子集，
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# 将结果保存到 has_required_tools 并输出。
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# 练习十：为模型使用记录去重：
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# model_history = ["gpt-5", "o3", "gpt-5", "o3", "gpt-5-mini"]
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# 将列表转换成集合 unique_models 并输出；
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# 再把集合转换成列表 unique_model_list 并输出。
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# 注意：转换后的顺序可能与原列表不同。
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# 练习十一：创建集合 current_permissions：
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# {"读取配置", "修改配置", "执行任务"}
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# 再创建集合 revoked_permissions：
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# {"修改配置", "删除配置"}
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# 使用差集得到 remaining_permissions，
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# 表示撤销相关权限后仍然保留的权限，并输出结果。
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# 预期核心结果：
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# agent_tools 中重复的“搜索”只保留一份；
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# disabled_tools 的类型是 set；
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# can_search = True；
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# cannot_generate_image = True；
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# 重复执行 add("搜索") 不会增加元素数量；
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# discard() 删除不存在的元素时不会报错；
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# common_tools = {"搜索"}；
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# all_tools 包含两组 Agent 的全部工具；
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# code_only_tools = {"计算", "代码执行"}；
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# different_tools 不包含共同拥有的“搜索”；
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# has_required_tools = True；
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# unique_models 只有三个元素；
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# remaining_permissions = {"读取配置", "执行任务"}。
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# 完成后进行自查：
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# 1. 空集合是否使用 set() 创建；
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# 2. 是否理解集合会自动去除重复元素；
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# 3. add() 和 update() 是否按要求分别使用；
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# 4. 删除不存在的元素时是否避免了 KeyError；
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# 5. 遍历时是否没有依赖集合自身的顺序；
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# 6. 是否能区分交集、并集、差集和对称差集；
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# 7. 是否理解差集运算的左右方向；
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# 8. 是否能使用子集判断检查权限；
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# 9. 是否理解集合去重可能打乱原列表顺序。
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116
01_python基础/1_11_集合/sets.py
Normal file
116
01_python基础/1_11_集合/sets.py
Normal file
@@ -0,0 +1,116 @@
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# 第 1-11 课示例：集合
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#
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# 本文件集中演示集合的创建、成员判断、增删、遍历和集合运算。
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# 集合没有可依赖的固定顺序，因此你看到的元素显示顺序可能不同。
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print("一、创建集合")
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# 集合使用花括号保存多个不重复的元素。
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agent_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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print(f"Agent 工具：{agent_tools}")
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print(f"工具数量：{len(agent_tools)}")
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# 重复元素只会保留一份。
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models = {"gpt-5", "o3", "gpt-5"}
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print(f"自动去重后的模型：{models}")
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# 空集合必须使用 set()，因为 {} 表示空字典。
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empty_tools = set()
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print(f"空集合：{empty_tools}")
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print(f"空集合类型：{type(empty_tools)}")
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print(f"空字典类型：{type({})}")
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print("\n二、成员判断")
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print(f"是否拥有搜索工具：{'搜索' in agent_tools}")
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print(f"是否没有图片生成工具：{'图片生成' not in agent_tools}")
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print("\n三、添加元素")
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# add() 每次添加一个元素。
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agent_tools.add("代码执行")
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print(f"添加一个工具后：{agent_tools}")
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# 重复添加不会报错，也不会产生重复元素。
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agent_tools.add("搜索")
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print(f"重复添加搜索后：{agent_tools}")
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# update() 可以从列表等可遍历数据中添加多个元素。
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agent_tools.update(["图片生成", "网页浏览"])
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print(f"添加多个工具后：{agent_tools}")
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print("\n四、删除元素")
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# remove() 用于删除确定存在的元素。
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agent_tools.remove("网页浏览")
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print(f"remove() 删除后：{agent_tools}")
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# discard() 在元素不存在时也不会报错。
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agent_tools.discard("不存在的工具")
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print(f"discard() 安全删除后：{agent_tools}")
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# pop() 会删除并返回一个不确定的元素。
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# 因为集合无序，不应猜测它会删除哪一个。
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temporary_tools = {"工具甲", "工具乙"}
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removed_tool = temporary_tools.pop()
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print(f"pop() 删除的元素：{removed_tool}")
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print(f"pop() 删除后的集合：{temporary_tools}")
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print("\n五、遍历集合")
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# sorted() 会返回排好序的新列表，方便得到稳定的展示结果。
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for tool in sorted(agent_tools):
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print(f"可用工具：{tool}")
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print("\n六、集合运算")
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code_agent_tools = {"搜索", "计算", "代码执行"}
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writer_agent_tools = {"搜索", "写作", "图片生成"}
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# 交集：两组集合共同拥有的元素。
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common_tools = code_agent_tools & writer_agent_tools
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print(f"共同工具：{common_tools}")
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# 并集：两组集合的全部元素，重复项只保留一份。
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all_tools = code_agent_tools | writer_agent_tools
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print(f"全部工具：{all_tools}")
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# 差集：左侧集合有、右侧集合没有的元素。
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code_only_tools = code_agent_tools - writer_agent_tools
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writer_only_tools = writer_agent_tools - code_agent_tools
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print(f"代码助手独有工具：{code_only_tools}")
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print(f"写作助手独有工具：{writer_only_tools}")
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# 对称差集：只属于其中一组、不属于两组公共部分的元素。
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different_tools = code_agent_tools ^ writer_agent_tools
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print(f"两组不同的工具：{different_tools}")
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print("\n七、子集与超集")
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required_tools = {"搜索", "计算"}
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available_tools = {"搜索", "计算", "写作"}
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has_required_tools = required_tools <= available_tools
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print(f"现有权限是否满足要求：{has_required_tools}")
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print(f"required_tools 是否为子集：{required_tools.issubset(available_tools)}")
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print(f"available_tools 是否为超集：{available_tools.issuperset(required_tools)}")
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print("\n八、使用集合去重")
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model_history = ["gpt-5", "o3", "gpt-5", "o3", "gpt-5-mini"]
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unique_models = set(model_history)
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print(f"原始模型记录：{model_history}")
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print(f"去重后的模型集合：{unique_models}")
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# 如果后续操作必须使用列表，可以通过 list() 转换回来。
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# 转换后的列表不保证保留原列表的先后顺序。
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unique_model_list = list(unique_models)
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print(f"转换后的模型列表：{unique_model_list}")
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