【4-程序的控制结构】嵩天《Python语言程序设计》

目录

前课复习

​程序的控制结构

一、程序的分支结构 

1、单分支结构

2、二分支结构

3、多分支结构

4、条件判断及组合

5、程序的异常处理

总结

二、实例5：身体质量指数BMI 

1、问题分析

2、思路1：分别计算并给出国际和国内BMI分类

3、思路2：混合计算并给出国际和国内BMI分类

4、举一反三

三、程序的循环结构 

1、遍历循环：保留字 for in 构成

2、无限循环（条件循环）：保留字 while

3、循环控制保留字：break 和 continue

4、循环的高级用法（通过else给奖励）

总结

四、模块3：random库的使用

​1、基本随机数函数

2、扩展随机数函数

五、实例6：圆周率的计算 

1、公式计算

2、蒙特卡罗方法计算 

3、举一反三

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前课复习

if - elif -else 分支结构 for i in range 循环结构

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程序的控制结构

1. 顺序结构：程序按照线性顺序逐渐执行的结构
   
2. 分支结构：程序根据条件有选择的向程序运行方向执行的结构
   
3. 循环结构：程序根据一定条件向程序运行之后，也就是程序曾经执行过方向返回执行的结构
   

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一、程序的分支结构 

1、单分支结构

分支结构是根据判断条件结果而选择不同向前路径的运行方式

guess = eval(input())
if guess == 99:
    print("猜对了")

判断条件可以直接使用真假来表示，只要见到 if True，后面的语句就会被执行

if True:
    print("条件正确")

2、二分支结构

根据条件判断的不同而选择不同执行路径的一种结构

guess = eval(input())
if guess == 99:
    print("猜对了")
else:
    print("猜错了")

if True:
    print("语句块1")
else:
    print("语句块2")   # 事实上这部分永远不会被执行

二分支结构除了简单的 if else 之外，还需知道一种紧凑形式

• 仅适用于表达简单逻辑的二分支结构的一种紧凑方式
• 优点：简洁
• if else 对应的输出不是语句，而是表达式。所谓的表达式是语句的一部分，简单理解为：语句为带赋值形式的、有等号构成的语句，而 if else 的紧凑形式不支持这种带等号的赋值形式，它只支持表达式形式，也就是语句中的一部分

当条件成立了返回表达式1的信息，当条件不成立else后的表达式2被执行 

guess = eval(input())
print("猜{}了".format("对" if guess == 99 else "错"))

上例中的 “对” “错” 都是表达式，而不是带等号的赋值形式

3、多分支结构

根据多个条件来选择不同语句块运行的一种分支结构

• 注意多条件之间的包含关系 
• 注意变量取值范围的覆盖

例：对不同分数分级的问题

score = eval(input())
if score >= 90:
    grade = "A"
elif score >= 80:
    grade = "B"
elif score >= 70:
    grade = "C"
elif score >= 60:
    grade = "D"
print("输入成绩属于级别{}".format(grade))

4、条件判断及组合

分支语句中需要大量的条件判断，Python提供了一些操作符来对条件进行判断，并产生真或假的结果

除了操作符之外，Python 也提供了三个用来对条件进行组合的保留字

• x and y：条件x成立，条件y也成立，那么经过and操作符获得的结果才是真值
• x or y：两个条件x y进行逻辑或，只要有x和y中的一个条件成立，那么组合后的结果就是成立的 
• not x：对条件x进行逻辑取非

guess = eval(input())
if guess>99 or guess<99:
    print("猜错了")
else:
    print("猜对了")

if not True:   # 表达假的逻辑，即False
    print("语句块2")   # 永远不会被执行
else:
    print("语句块1")   # 只会执行语句块1

5、程序的异常处理

• 异常处理有两种非常基本的使用方法，使用保留字 try 和 except
• 进一步也可以指定异常处理的异常类型，在except后面直接增加异常的名字（Python中预定义的）
• 标注异常类型后，仅响应该类型异常。异常类型名字是Python内部定义的，等同于变量，不需要对它增加字符串表示

例子：

try:
    num = eval(input("请输入一个整数："))
    print(num**2)
except:
    print("输入不是整数")

try:
    num = eval(input("请输入一个整数："))
    print(num**2)
except NameError:
    print("输入不是整数")

异常处理的高级使用方法 

• 首先执行语句块1的一部分代码，若它不发生异常，奖励性地让它执行语句块3,；若发生异常，让它执行语句块2；无论发不发生异常，最后都要执行语句块4 
• 这种方式可以增加更多的异常处理相关逻辑，使得异常处理变得非常鲁棒

总结

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二、实例5：身体质量指数BMI 

1、问题分析

 

2、思路1：分别计算并给出国际和国内BMI分类

# CalBMIv1.py（国际）
# 用户输入是多元素，建议采用逗号隔开
height,weight = eval(input("请输入身高(米)和体重(公斤)[逗号隔开]:"))
bmi = weight /pow(height,2)
print("BMI数值为：{:.2f}".format(bmi))
who = ""
if bmi < 18.5:
    who = "偏瘦"
elif 18.5 <= bmi < 25:
    who = "正常"
elif 25 <= bmi <30:
    who = "偏胖"
else:
    who = "肥胖"
print("BMI指标为：国际'{0}'".format(who))

# CalBMIv2.py（国内）
# 用户输入是多元素，建议采用逗号隔开
height,weight = eval(input("请输入身高(米)和体重(公斤)[逗号隔开]:"))
bmi = weight /pow(height,2)
print("BMI数值为：{:.2f}".format(bmi))
nat = ""
if bmi < 18.5:
    nat = "偏瘦"
elif 18.5 <= bmi < 24:
    nat = "正常"
elif 24 <= bmi < 28:
    nat = "偏胖"
else:
    nat = "肥胖"
print("BMI指标为：国内'{0}'".format(nat))

3、思路2：混合计算并给出国际和国内BMI分类

# CalBMIv3.py（混合计算）
height,weight = eval(input("请输入身高(米)和体重(公斤)[逗号隔开]:"))
bmi = weight /pow(height,2)
print("BMI数值为：{:.2f}".format(bmi))
who,nat = "",""
if bmi < 18.5:
    who ,nat = "偏瘦" ,"偏瘦"
elif 18.5 <= bmi < 24:
    who ,nat = "正常","正常"
elif 24 <= bmi < 25:
    who ,nat = "正常","偏胖"
elif 25 <= bmi < 28:
    who,nat = "正常","偏胖"
elif 28 <= bmi < 30:
    who,nat = "偏胖","肥胖"
else:
    who,nat = "肥胖","肥胖"
print("BMI指标为：国际'{0}',国内'{1}'".format(who,nat))

4、举一反三

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三、程序的循环结构 

1、遍历循环：保留字 for in 构成

遍历某一个结构形成的循环运行方式

• 可以从遍历结构中逐一提取元素，放到循环变量里
• 使用的遍历结构，是一种能够包含多个元素的结构。所谓遍历结构，不是一种特殊的类型，它包含很多种类型
• 每次循环时，能够从遍历结构中提取其中的一个元素，放到前面的循环变量里，去执行下面的语句块，执行后再从遍历结构中提取下一个元素。当遍历结构中的所有元素都放入循环变量，并且都已经循环执行之后，程序退出

遍历循环的应用

1. 计数循环（N次）  range函数 遍历下面的语句块，执行N次语句块的内容 range(N) 函数产生一个数字序列，这个序列包含N个元素，每个元素都是一个整数（从 0 到N-1），例：
   
   也可以在中间的语句块中不使用变量i
2. 计数循环（特定次）   range函数 range是函数，M、N、K是函数的参数 range(M,N,K) 会产生一个数字序列，从M开始，不到N，到N之前的整数，以K为步长，例：
   
3. 字符串遍历循环
   
   s是一个字符串，c是字符串中的每个字符，能够从字符串中按顺序取出每一个字符放到c中。而针对每一次取出的字符，执行一次语句块，进而产生循环。例： 在打印的每个字符后面增加一个逗号 c可以为任何可用的、与保留字不同的变量名称
4. 列表遍历循环 ls 为一个列表，遍历列表，将其中的每一个元素拿出来放到 item 变量中，同时执行一次当前的语句块产生循环
5. 文件遍历循环 遍历文件的每一行
   fi 为一个文件标识符（对一个外部文件，通过Python函数将文件打开，如果该文件是以字符形式打开，就会表示为一个文件的标识的名字。相当于用一个变量来标识系统中的一个文件，这个变量就叫文件标识符）
6. 元组遍历循环
7. 字典遍历循环
8. ....

所有 for in 这样可遍历的结构，只要后边的变量或者数据类型是一个由多个元素构成的数据类型，都可以使用 for in 的方式遍历其中的每一个元素，并且根据元素的个数形成相应的循环

2、无限循环（条件循环）：保留字 while

由条件控制的循环运行方式

• 不再是遍历某一个结构，而是根据这个条件来进行循环 
• 反复执行语句块，直到条件不满足时结束

3、循环控制保留字：break 和 continue

continue 例子

遍历一个字符串，如果这个字符串中出现了T，就不打印T，否则打印其他的所有字符出来

在当次循环体执行时，如果遇到了continue保留字，当次循环就结束，去做下一次循环

break 例子

遇到break，整个循环结束。若程序有两层或更多层循环，break该怎么办呢？

# 最开始给出一个字符串，每次循环将字符串的最后一个字符去掉，打印出字符串

s = "PYTHON"

# 双层循环
while s != "":    # 若字符串s不是空字符串
    for c in s:   # 将字符串中的每一个字符拿出来
        print(c,end="")
    s = s[:-1]  # 去掉s的最后一个字符

一个break保留字仅跳出当前的最内层循环，若有多层循环嵌套，它只跳出内层，外层循环仍然有效 

# 取出一个字符串，只要遇到T就停止遍历，将字符串的最后一位去掉，再去遍历，遇到T还停止遍历

s = "PYTHON"

# 双层循环
while s != "":    # 若字符串s不是空字符串
    for c in s:   # 将字符串中的每一个字符拿出来
        if c== "T":
            break  # 仅跳出当前最内层循环（一个break只能跳出一层循环）
        print(c,end="")
    s = s[:-1]  # 去掉s的最后一个字符

4、循环的高级用法（通过else给奖励）

通过else的扩展，能够知道一段循环中是否被break结束 

# 无break语句，循环结束后，将打印出正常退出的这段代码

for c in "PYTHON":
    if c == "T":
        continue
    print(c,end="")
else:
    print("正常退出")

 

# 有break，else部分的正常退出语句就不会被执行

for c in "PYTHON":
    if c == "T":
        break
    print(c,end="")
else:
    print("正常退出")

总结

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四、模块3：random库的使用

1、基本随机数函数

• Python中的随机数采用随机数种子来产生
• 计算机产生随机数，是需要一个随机数种子的，给定一个种子（比如10），再采用梅森旋转算法，就能够根据种子产生一系列的数据，那么这个随机序列是根据种子来唯一确定的，随机序列中的每一个数就是随机数
• 只要种子相同，产生的随机序列，无论是每一个数，还是数之间的关系，都是确定的
• 随机数种子确定了随机序列的产生

• seed：在使用随机数时，可以不调用seed函数，可以直接调用random.random()来产生随机数，不需要使用seed函数。若不使用或不调用seed函数时，将会使用当前操作系统的默认的系统时间作为种子 
• random：生成一个从0开始，到1.0之间的随机小数，这个随机小数的产生与种子有关（若用种子10，产生的第一个小数一定是0.57）

 

也可以不给种子， 直接调用 random 也可以产生随机数，此时默认的种子是当前调用第一次random函数所对应的系统时间

为什么要给种子？

• 若编程中给出了随机种子，那么下一次程序再次运行，只要种子相同，那么产生的随机数也是相同的，对于使用随机数的程序可以复现或再现程序运行的过程，如：
  
• 若不使用随机数种子，那么它使用的是当前系统时间，而那个时间是精确到微秒的，很难再现，后面产生的程序运行的结果就是完全随机，不可再现；
• 综上，需要再现随机过程就设定种子

2、扩展随机数函数

在random库中，最基本的是seed和random函数，除此之外，random库提供了常用的六个扩展随机数函数

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五、实例6：圆周率的计算 

1、公式计算

累加求和，累加的变量k从0到无穷大，使用for循环来实现这种累加

代码：

# CalPiV1.py（通过公式计算圆周率的值）

pi = 0
N = 100  # 假设无穷大是N（100）
for k in range(N):
    
    '''若写一段代码特别长，在一行中无法表达，
可以在这段代码中增加\，使代码进行换行，换行后还可以再使用\再进行换行，
且换行之后的代码，它的功能与写在一行是一致的'''

    pi += 1/pow(16,k)*( \
        4/(8*k+1) - 2/(8*k+4) - \
        1/(8*k+5) - 1/(8*k+6))

print("圆周率值是：{}".format(pi))

  

2、蒙特卡罗方法计算 

蒙特卡罗方法（撒点）：圆周率本身就是一个圆形，相对于一个正方形来说，相当于圆的面积除以正方形的面积，这个面积之商与圆周率有关系 

• 圆的面积如何计算？
• 对一个区域面积向它撒点，每给一个撒点，它随机的可能会出现在这个区域中的任何一个位置上，若撒点的数量十分庞大，而且每一个点又尽可能地随机，那么在圆的面积内部的点就构成了圆的面积，而在整个正方形中的所有撒点就是正方形的面积
• 通过点的数量与整个圆方形中的撒点数量的比值，就能够计算出圆的面积

代码：

# CalPiV2.py（通过蒙特卡罗方法计算圆周率的值）

from random import random
from time import perf_counter  # perf_counter函数能够对程序运行进行计时

DARTS = 1000*1000   # 当前在区域中抛撒点的总数量，为100万
hits = 0.0  # 目前在圆的内部的点的数量
start = perf_counter()  # 当前系统时间的一个值，启动计时

# 循环撒点的过程，可以描述为一次遍历循环的过程
for i in range(1,DARTS+1):   # 对所有点进行抛撒
    x,y = random(),random()  # 使用x，y变量生成两个随机数的坐标值，random函数返回的是0-1之间的小数值
    dist = pow(x**2+y**2,0.5)  # 使用这个点到圆心的距离判断其是否在圆内
    if dist <= 1.0:  # 这个点在圆的内部
        hits = hits+1   # 经过撒点之后，在圆的内部出现的点的数量
pi = 4* (hits/DARTS)
print("圆周率值是：{}".format(pi))
print("运行时间是：{:.5f}s".format(perf_counter()-start))

 

未用公式，只用计算机、随机方式就可以计算pi 

3、举一反三

• 一个程序，它的主要运行时间都花在循环上，利用time库的perf_counter方法初步掌握简单的程序性能分析方法
• 在工程中有很多通过蒙特卡罗方法（随机方法）来进行应用的场景