深度学习 第3章 Python程序设计语言(3.2 Python程序流程控制)

无论是在机器学习还是深度学习中,Python已经成为主导性的编程语言。而且,现在许多主流的深度学习框架,例如PyTorch、TensorFlow也都是基于Python。本课程主要是围绕“理论+实战”同时进行,所以本章将重点介绍深度学习中Python的必备知识点。

布尔数据类型及相关运算

布尔数据类型(bool)

生活中,对于一个疑问通常会有Yes或者No的回答。在Python中,对问题肯定的结果用True来表示,否定的结果用False来表示。这就是布尔数据类型,它只包含两个值:

  • True(真;默认值为1)
  • False(假,默认值为0)

那么,Python中什么情况判定为True(真),什么情况为False(假)?

数值类型(0)、空字符串(“”)、空元组(())、空列表([])、空字典({})为 False(假),反之布尔值为True(真)。

例如:123、“abc”、(1,2)均为True(真)。

bool(0),bool(1),bool(()),bool([])
#输出:(False, True, False, False)
bool('ABC') == 0
#输出:False
# 布尔类型示例
b = 100 < 101
print(b),type(b)
#输出:
#True
#(None, bool)

上例布尔表达式中包含了一个比较运算符“<”。除此之外, Python 还有 关系 (<, >, <=, >=, ==, !=)、逻辑(and, or, not)、成员(in, not in)、身份(is, is not)运算符,其计算结果都将评价为布尔数据类型。

关系(比较)运算符 (Comparison operator)

Python中比较(关系)运算符延续了数学中的比较运算概念。

等于(==)、不等于(!=)、大于(>)小于(<)、大于等于(>=)、小于等于(<=),比较运算符返回的结果为 True 或 False 。

等于比较运算符是双等号,要与赋值运算符的单等号区别使用。

所有关系运算符的优先级别相同。

1 == True             #输出True

False == 0            #输出True

None == False         #输出False

a, b = 23, 10
print(a == b)         #输出False
print(a != b)         #输出True
print(a > b)          #输出True
print(a < b)          #输出False
print(a >= b)         #输出True
print(a <= b)         #输出False

逻辑运算符(Logic operator)

not(逻辑非):得到一个表达式的真假之后取相反的值。例如b = 100<101返回的值为“True”,那么b = not 100<101返回的就是False。

and (逻辑与):左右两边表达式的值均为True时结果才为True。如a = 100<101 and 100>99,因为100<101和100>99均为真,那么a的值为True,但是,如果a = 100<101 and 100<99,那么a的值就为False。

or (逻辑或):操作符与and操作符不同,它只需要两个表达式中有一个表达式的值为True,结果就是True,例如a = 100<101 or 100>99和b = 100<101 or 100<99,它们的返回值均为True。

# 示例
a,b,c = 2,1,3
print(a==b and b>c)       #输出False 
print(a>b or c>=b)        #输出True
print(a<b and c>=b)       #输出False 
print(not a >b)           #输出False
print(a<=b and not a<b)   #输出False
print(not a==b and b>c)   #输出False

成员运算符 (Membership operator)

成员运算符包括in和not in两个运算符,判断某元素是否为序列中的成员,是则返回值True,否返回值False。

in:在指定的序列中找到值返回 True,否则返回 False。如:x 在 y 序列中 , 如果 x 在 y 序列中返回 True。

not in:在指定的序列中没有找到值返回 True,否则返回 False,与 in是相反的。

a,b = 'a',2
list1 = [1,2,3,4,5,'b','a']

a in list1           #输出True
a not in list1       #输出False
b in list1           #输出True
b not in list1       #输出False
9 in list1           #输出False
'c' not in list1     #输出True
'c' in 'abc'          #输出True
a in 'abc'           #输出True

顺序结构

顺序结构是程序代码按照线性顺序依次执行的运行方式。

顺序结构程序实例:求解三角形面积

问题描述:

已知三角形三条边的边长(简单起见,假设这三条边可以构成三角形),求三角形的面积。

提示:三角形面积的计算公式: √ ((−)(−)(−))

其中,a、b、c是三角形三边的边长,p是三角形周长的一半。
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选择(分支)结构

Python使用if语句实现程序的选择(分支)结构。

if语句使用if、else、elif三个保留关键字组合出三种常用的分支结构:
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条件控制if语句,用来检验一个条件(if和冒号之间的布尔表达式)的真假。如果条件为真,运行“if <条件>:”后面的程序段(也称为if语句块),否则跳过if块,直接处理下一个语句。

有时,if语句后面会有else子语句,之所以叫子语句,是因为else不能独立执行,只能跟在if语句后面作为if的一部分,表示if语句的条件为假时需要执行的语句块。

单分支结构

单分支if语句语法结构:

if <条件>:
	<语句块>

if为保留关键字,提示后面的语句是条件语句。

if和冒号之间的语句称之为“条件” 。

if语句首先评估<条件>的结果值,如果结果为True,则执行语句块里的语句序列,然后控制转向程序的下一条语句。如果结果为False,语句块里的语句会被跳过。

语句块是if条件满足后执行的一个或多个语句序列。

语句块中语句通过与if所在行形成缩进表达包含关系。

if语句中语句块执行与否依赖于条件判断,无论什么情况,控制都会转到if语句后与该语句同级别的下一条语句。
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双分支结构

双分支if语句语法结构:

if <条件>:
    <语句块1>
else:
    <语句块2>

if、else为保留字,提示后面的语句是条件语句。

双分支语句用于区分<条件>的真假两种可能,分别形成执行路径。

语句块1是在if条件满足后执行的一个或多个语句序列。语句块2是if条件不满足后执行的语句序列。

if和else后面都有一个冒号,不可或缺,用来标志着语句块的开始。if语句块和else语句块都要相对if和else进行缩进,可以把if语句块和else语句块看作第二层级。相对于第一层级,第二层级都是一样的缩进。
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二分支结构还有一种更简洁的表达方式,适合通过判断返回特定值

语法格式如下:

条件为真时的值 if 条件表达式 else 条件为假时的值

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多分支结构

在Python中,使用elif关键字实现多分支结构语句。

elif其实就是else if 的简写,表示带条件的else子语句。elif同if一样,后面同样接一个条件表达式,只是elif需要在if后面的条件判定为假时执行。

多分支语法结构:

if <条件1>:
    <语句块1>
elif <条件2>:
    <语句块2>
elif <条件…>:
    <语句块…>
else:
    <语句块n>

多分支结构是双分支结构的扩展,这种形式常用于设置同一个判断条件的多条执行路径。Python依次寻找第一个结果为真的条件,执行该条件下的语句块后结束整个if–elif–else语句,如果没有任何条件为真,则else语句块会被执行。else子句是可选的。

elif作为子语句与else语句一样需要与if语句联合起来使用,不能单独出现。而且必须在if语句后面,只有在if后的条件判定为False时才会执行。

可以有多个elif,顺序是重要的,只有当前面的elif为False时,才会检查下一个elif。

语句块内可以包含着if-else或任何语句,这说明条件语句块可以是复杂语句,甚至可以是条件语句本身。这种条件语句块中包含条件语句的结构我们称之为嵌套条件语句,作为判断外层if条件之后的内层条件判断语句。

多分支结构

在Python中,使用elif关键字实现多分支结构语句。

elif其实就是else if 的简写,表示带条件的else子语句。elif同if一样,后面同样接一个条件表达式,只是elif需要在if后面的条件判定为假时执行。

多分支语法结构:

if <条件1>:
    <语句块1>
elif <条件2>:
    <语句块2>
elif <条件…>:
    <语句块…>
else:
    <语句块n>

多分支结构是双分支结构的扩展,这种形式常用于设置同一个判断条件的多条执行路径。Python依次寻找第一个结果为真的条件,执行该条件下的语句块后结束整个if–elif–else语句,如果没有任何条件为真,则else语句块会被执行。else子句是可选的。

elif作为子语句与else语句一样需要与if语句联合起来使用,不能单独出现。而且必须在if语句后面,只有在if后的条件判定为False时才会执行。

可以有多个elif,顺序是重要的,只有当前面的elif为False时,才会检查下一个elif。

语句块内可以包含着if-else或任何语句,这说明条件语句块可以是复杂语句,甚至可以是条件语句本身。这种条件语句块中包含条件语句的结构我们称之为嵌套条件语句,作为判断外层if条件之后的内层条件判断语句。

分支结构案例

案例:找出代码中的缺陷并修正

问题描述:假如小明的数学成绩达到80分得到一颗红心,英语成绩达到90分得到一块巧克力。如果两个条件都没有达到,那么需要家长签名。请查看如下所示的这段程序有没有问题?

p = 85
q = 95
if p >= 80:
    print('红心')
elif q >= 90:
    print('巧克力')
else: 
    print('家长签名')

如果有缺陷,该如何修改?

分支结构程序实例:判断某一年是否为闰年

判断条件:年份能被4整除但不能被100整除,或者能被400整除。

四年一闰,百年不闰,四百年再闰

import calendar

y = 2200

# 方法一:使用双分支条件语句嵌套
if y % 400 == 0:
    print("是闰年")
else:
    if y % 4 == 0:
        if y % 100 == 0:
            print("不是闰年")
        else:
            print("是闰年")
    else:
        print("不是闰年")


# 方法二:使用多分支条件语句
if y % 400 == 0:
    print("是闰年")
elif y % 4 != 0:
    print("不是闰年")
elif y % 100 == 0:
    print("不是闰年")
else:
    print("是闰年")


# 方法三。使用一个逻辑表达式包含所有的闰年条件
if (y % 4 == 0 and y % 100 != 0) or y % 400 == 0:
    print("是闰年")
else:
    print("不是闰年")


# 方法四。使用calendar模块的isleap函数来判断闰年,相关语句如下:
if calendar.isleap(y):
    print("是闰年")
else:
    print("不是闰年")

循环结构

循环结构用来重复执行一条或多条语句。

Python使用for和while语句来实现循环结构。

循环结构可以分为确定次数的循环和非确定次数循环。确定次数循环指循环体对循环次数有明确的定义,这类循环在Python中被称为“遍历循环”,采用for语句实现。非确定次数循环指程序不确定循环体可能的执行次数,只能通过条件判断决定是否继续执行循环体,Python采用while语句实现根据判断条件执行程序的无限循环。

遍历循环:for语句

Python通过保留字for实现“遍历循环”,基本使用方法如下:

for <循环变量> in <遍历结构>:
    <语句块>

之所以称之为“遍历循环”,是因为for语句的循环执行次数是根据遍历结构中元素个数确定的。遍历循环可以理解为从遍历结构中逐一提取元素,放在循环变量中,对于所提取的每个元素执行一次语句块。

常见的遍历结构有range函数、字符串、文件、组合数据类型。

遍历结构必须是可迭代对象,包括:系列(序列;sequence),例如字符串(str)、列表(list)、元组(tuple);字典(dict);文件对象;迭代器对象(iterator);生成器函数(generator)。
for语句的常用使用方式:

循环N次:

for i in range(N):
	<语句块>

遍历文件fi的每一行:

for i in file:
    <语句块>

遍历字符串:

for c in s:
    <语句块>    

遍历列表:

for item in list:
	<语句块>    

for循环的一般执行过程:

进入for循环,首先对for的初始语句中的range做创建或者是已有的序列做检查;

假如不为空,则循环控制变量i指向第0个元素,将该元素赋值给循环控制变量并执行for循环内的语句块;

执行完语句块后,判断序列中下一个位置有没有元素,若有,则将该元素赋值给循环控制变量i并继续执行for循环内语句块;若没有,则结束循环,这种结束方式是for循环正常结束方式。

for循环的两种结束方式:

1.正常结束;

2.在循环执行过程中在循环体内碰到break语句,则马上中途跳出,结束循环。

break语句是什么,在后面的知识点马上讲解。

内置函数range()

range() 函数用于创建一个整数列表,一般用在for循环中。

语法:

range(start, stop) 或者 range(stop) 或者 range(start, stop, step)

参数说明:

  • start:计数从 start 开始。默认是从 0 开始。例如range(5)等价于range(0, 5);
  • stop:计数到 stop 结束,但不包括 stop。例如:range(0, 5) 是[0, 1, 2, 3, 4]没有5
  • step:步长,默认为1。例如:range(0, 5) 等价于 range(0, 5, 1)

例如range(3,8,2)依次返回3,5,7;range(3,9,2),依次产生3,5,7。

注意,最后一个值必须要小于终止值,所以range(3,9,2)的最后值是7而不是9。

步长step可以为负数,但是当step为负数时,产生的最后一个值要大于终止值n。 例如range(7,3,-2)依次返回7,5,最后迭代值不是3而是5。
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利用嵌套循环打印九九乘法表:
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无限循环:while语句

for循环语句是确定次数的循环,程序一开始就是确定循环次数,这是它的优点,也是它的缺点。当不确定循环次数只确定循环条件时,可以用Python提供的无限循环结构,使用while语句实现,一般被称为当型循环。

无限循环一直保持循环操作直到循环条件不满足时结束,不需要提前确定徃次数。

while语句格式:

while <条件>:
    <语句块>

<条件>与if语句中的判断条件(布尔表达式)一样,结果为True或False。

条件判断为真时循环体重复执行语句块中的语句,为假时循环终止,执行后续语句。

i = 1
while i <= 5:
    print(i)  #输出结果:12345(每输出一个数字都会换行)
    i=i+1 

while循环的一般执行过程:

程序中,我们初始化了一个循环控制变量i,它的起始值为1,并在每次执行循环时加1。当i的值小于等于5时,while循环控制条件的值为True,循环继续执行。

循环体内按顺序执行所有语句,本例中先打印i的值,并将i的值加1。

在下一次循环开始之前,需要再次检测循环控制条件,决定是否再次执行循环体。

当i的值递增到6时,while循环控制条件i<=5的判断结果为False,这就意味着循环要马上结束,不再执行循环体内语句。

while循环的两种结束方式:

1.<条件>为假;

2.循环体内碰到break,则马上跳出循环。break语句知识点稍候讲解。

使用while循环注意事项:

如果使用while实现计数循环,需要在循环之前对计数器进行初始化,并在每次循环中对计数器进行累加或累减,让循环条件逐渐接近为假,使得循环语句块在有限时间内结束。

for循环中循环变量逐一取自遍历结构,不需要程序维护计数器。

如果循环体忘记累加i,条件判断将会一直为真,循环体也将永远执行下去,这就是所谓的死循环程序。

# 程序:死循环示例
# i=0
# while i <= 10:
#     print(i,end=' ')
#     # i = i+1
# #i = i+1

while循环程序案例:求自然对数的底数 e e e的值

问题描述:用如下近似公式求自然对数的底数 e e e的值,直到最后一项的绝对值小于 1 0 − 6 10^{-6} 106为止。公式:
e ≈ 1 + 1 1 ! + 1 2 ! + ⋯ + 1 n ! e\approx1+{\frac{1}{1!}}+{\frac{1}{2!}}+\cdots+{\frac{1}{n!}} e1+1!1+2!1++n!1

# 用近似公式求自然对数的底数e的值
# 直到最后一项的绝对值小于1.0E-6为止
# c5_05_while_e.py

i = 1
e = 1
t = 1
while 1 / t >= 10 ** -6:
    t *= i
    e += 1 / t
    i += 1
print("e =", e)

循环保留字:break和continue

循环结构有两个保留字:break和continue,用来辅助控制循环执行。

break语句用于退出最内层的循环结构,提前结束循环,接着执行循环语句的后继语句。当多个for、while语句彼此嵌套时,break语句只应用于最里层的语句,即break语句只能跳出最近的一层循环。

程序:break语句

for s in “BIT”:
for i in range(10):
print(s,end=‘’)
if s == ‘I’:
break
# 输出BBBBBBBBBBITTTTTTTTTT

break语句跳出了最内层for循环,但仍然继续执行外层循环。每个break语句只有能力跳出当前层次循环。

break语句通常会出现在if语句内。当if条件满足时执行break。为了区别两种结束循环的方式,要在if语句后面加else子句。

break语句案例:素数判断

问题描述:判断所输入的任意一个正整数是否为素数。

# 方法一:利用while循环和bool变量#
# 判断所输入的任意一个正整数是否为素数

m = int(input("请输入判断整数(>1):"))
flag = True  # flag默认值True,素数
i = 2
while i ** 2 <= m and flag:
    if m % i == 0:
        flag = False
    i += 1
if flag:
    print(m, "是素数。", sep="")
else:
    print(m, "是合数。", sep="")
#方法二:利用for循环和break语句
# 判断所输入的任意一个正整数是否为素数

m = int(input("请输入判断整数(>1):"))
k = int(m ** 0.5)

for i in range(2, k + 2):
    if m % i == 0:
        break

if i == k + 1:
    print("{}是素数。".format(m))
else:
    print("{}是合数。".format(m))

continue语句用来结束本次循环,即跳过循环体内自continue下面尚未执行的语句,返回到循环的起始处,并根据循环条件判断是否执行下一次循环。

对于while循环,继续求解循环条件。而对于for循环,程序流程接着遍历循环列表。

continue语句案例:输出100-200之间不能被3整除的数

不能被3整除的数则输出,能整除就使用continue语句跳出循环体。要求一行显示10个数。

# 显示100-200之间不能被3整除的数,要求一行显示10个数。

j = 0  # 控制一行显示的数字个数
print("100~200之间不能被3整除的数为:")
for i in range(100, 200 + 1):
    if i % 3 == 0:
        continue  # 跳过被3整除的数
    print(str.format("{0:<5}", i), end="")
    j += 1
    if j % 10 == 0:
        print()  # 一行显示10个数后换行

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