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Estou aprendendo Python e me deparei com uma expressão complexa que deriva de pygame.Vector2:

import pygame
x = pygame.math.Vector2(1,2)
b = x * 5 - (1, 2)
print(x)
print(b)

Resultado:

[1, 2]
[4, 8]

No caso acima, a mesma operação x * 5 é executada para os valores 1 e 2 do Vector2, resuldando em (5, 10) respectivamente; e em seguida, ambos os resultados são subtraídos da tupla (1, 2), resultando em [4, 8]

Entretanto se eu fizer atribuir uma tupla simples a x: x = (1, 2), ao invés de Vector2, eu recebo o erro:

TypeError: unsupported operand type(s) for -: 'tuple' and 'tuple'

Minha dúvida é: em que momentos no Python eu consigo realizar estas operações complexas?

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    Não sei quais os tipos que cada coisa tem, mas digo já de avanço que tuplas são imutaveis, por isso qualquer atribuição a uma tupla irá gerar um erro.
    – Isac
    29/09/2018 às 8:46

1 Resposta 1

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Os tipos Vector2 e Vector3 do Pygame são classes especializadas, que, entre outras coisas, redefinem o comportamento dos operadores aritméticos para fazer operações "vetoriais" - ou seja, no caso de multiplicação por escalar, multiplicar os dois componentes, e no caso de soma com outro objeto que seja uma sequência de mesmo comprimento, somar os elementos um a um, e gerar um novo objeto.

Em Python é bem fácil criar uma classe com uma ou mais dessas características. Apesar de elas serem desejáveis na maior parte dos programinhas de jogos ou outros para manipular imagens na tela, é algo considerado tão "se alguém quiser, vai lá e faz", que o Pygame não implementou isso por mais de 15 anos, e essas duas são uma adição recente ao código.

Comportamento Padrão para Sequências

As tuplas, listas, arrays, as próprias strings de texto, bytes e bytearrays e possivelmente outros objetos definidos na linguagem ou biblioteca padrão do Python são o que chamamos de "sequência" (Sequence) - em vão respeitar o protocolo definido pelos métodos listados em na linah MutableSequence (ou Sequence, se forem imutáveis) aqui: https://docs.python.org/3/library/collections.abc.html

Além disso, para os operadores aritméticos, essas sequências vão funcionar assim com os operadores:

  • + Adição: concatena duas sequências. se as duas sequências forem do mesmo tipo, é criada uma nova sequência que é formada pelos elementos da primeira, seguidos dos elementos da segunda.
  • * Multplicação: somente é definida para um número inteiro - ela concatena a sequência com ela mesma N vezes, onde "N" é o segundo operador. Nesse sentido, a multiplicação de sequências em Python funciona igual a definição matemática, em que "A * N" é equivalente a "A + A + ..." com N repetições da soma.

Os outros operadores (principalmente - e /, mas também %, ** e outros), não são definidos para sequência.

Vetores

Agora, num desenho de 2 ou 3 dimensões, se eu tenho uma distância representada pelo vetor (1, 1), e quero dobrar essa distância, não quero (1, 1, 1, 1) - e sim (2, 2).

(Tentei achar rapidinho um artigo introdutório sobre algebra vetorial em português aqui, mas acho que os matemáticos são todos sádicos (com a licença para a alfinetada) - todos os primeiros links da busca partem de uma versão abstrata de um vetor com N dimensões e daí só piora - vamos ficar sem a formalização então).

O fato é que em Python se eu quero que uma classe que eu defina possa suportar operações personalizadas com os operadores aritméticos, e mesmo com o operador de recuperar item item[x] usado nas sequências, tudo o que eu preciso é criar um método como o nome "mágico" apropriado dentro da classe. Esses métodos,chamados de "magic", ou "dunder methods" se distinguem por sempre começarem e terminarem com dois underscore (__). Todo mundo que já aprendeu, ou mesmo usou sem entender bem, classes em Python já usou o método __init__ - esse é o método mágico chamado para inicializar a instância. Os métodos __add__, __sub__, __mul__ e __div__, por exemplo, são chamados cada vez que sua instância é usada em conjunto com um dos 4 operadores aritméticos - respectivametne + - * / . O __getitem__ permite a recuperação de itens como acontece com listas, strings, tuplas e dicionários.

A documentação de todos os magic methods usados internamente pela linguagem estão no documento chamado "data model", mas simplesmente criar sua classe para especializar alguns desses operadores é bem simples.

(Alguns métodos com o mesmo tipo de nome, por exemplo __getstate__ são usados por componentes padrão da biblioteca do Python, como o módulo pickle. O comportamento dos mesmos não é considerado parte da linguagem em si, portanto eles não são citados no data model)

O Vector2 do Pygame tem mais algumas coisas legais - por exemplo, ele "sabe" se virar se o outro operador for outro tipo de sequência. Ele disponibiliza os valores tanto como itens de sequência (v[0]), como por nomes dos componentes (x e y, como em v.x), etc...

Mas uma classe facinha que saiba fazer adição e multiplicão vetorial pode ser simplesmente:

class ListaSoma(list):
   def __add__(self, other):
       if len(self) != len(other): 
           raise ValueError("Só pode ser adicionada a sequências do mesmo tamanho")
       result = ListaSoma()
       for ele_self, ele_other in zip(self, other):
             result.append(ele_self + ele_other)
       return result
   def __mul__(self, other):
       result = ListaSoma()
       for element in self:
            result.append(element * other)
       return result

(Aqui eu uso o zip para pegar um elemento de cada vez da própria instância e da outra lista).

Todas as outras funcionalidades de uma lista de Python são preservadas para essa classe, por conta da herança - apenas a adição e multiplicação são alteradas:

In [53]: a = ListaSoma([10, 20, 30])

In [54]: a + range(3)
Out[54]: [10, 21, 32]

In [55]: a + range(100, 400, 100)
Out[55]: [110, 220, 330]

In [56]: a * 5
Out[56]: [50, 100, 150]

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