青少年编程与数学 02-008 Pyhon语言编程基础 12课题、条件与循环语句

课题摘要: 本文探讨了Python中的条件表达式和循环语句。条件表达式允许基于条件选择两个值中的一个，Python 3.8引入的海象运算符支持在表达式内部进行赋值。while循环在条件为真时重复执行代码块，需小心避免无限循环，可通过break、continue控制循环。while循环与for循环相比，更灵活但需要手动控制迭代，适合迭代次数不确定的情况。循环广泛应用于重复任务、数据遍历、条件等待等场景。文章最后提供了一个使用while循环计算1到100总和的示例程序。

一、条件表达式

在Python语言中，条件表达式通常指的是三元条件表达式，这是一种简洁的方式来根据条件判断来选择两个值中的一个。它的语法结构如下：

x if condition else y

这里，condition 是一个布尔表达式，x 是当条件为真时返回的值，而 y 是当条件为假时返回的值。

例如：

a = 10
b = 20
max_value = a if a > b else b
print(max_value)  # 输出 20，因为 a 不大于 b

在这个例子中，max_value 将根据 a 和 b 的值来决定是 a 还是 b 的值更大。

Python 3.8版本引入了“海象运算符”（walrus operator），它允许在表达式内部进行赋值，这使得条件表达式可以更加灵活：

if (n := len(a)) > 10:
    print(f"List is too long ({n} elements, expected <= 10)")
else:
    print(f"List is of a reasonable length ({n} elements)")

在这个例子中，:= 允许我们在 if 条件表达式中给变量 n 赋值，然后根据 n 的值来执行不同的代码块。这种方式可以减少代码的复杂性，使得条件逻辑更加清晰。

二、while 循环

Python中的while循环是一种基本的控制流语句，它允许代码在某个条件为真时重复执行一段代码块。while循环的基本结构如下：

while 条件表达式:
    # 循环体
    # 这里的代码会一直执行，直到条件表达式的结果为False

以下是while循环的关键点详解：

1. 条件表达式：这是一个返回布尔值（True或False）的表达式。只要这个表达式的结果为True，循环体中的代码就会继续执行。一旦条件表达式的结果为False，循环就会结束，程序流程将跳到while循环之后的代码。

2. 循环体：这是一组缩进的代码块，只有当条件表达式为True时才会执行。可以包含一条或多条语句。

3. 无限循环：如果条件表达式永远为True，那么while循环将变成无限循环，代码会无限次执行循环体，直到外部干预（如用户中断）。

4. 退出循环：有几种方式可以退出while循环：

   • 条件表达式变为False。
   • 在循环体内使用break语句。
   • 在循环体内使用return语句（如果循环体在函数内部）。
   • 在循环体内引发异常。

5. 继续循环：使用continue语句可以跳过当前循环的剩余部分，并直接开始下一次循环迭代。

6. 循环控制：while循环可以嵌套，即一个while循环内部可以包含另一个while循环。

下面是一个while循环的简单示例：

count = 1
while count <= 5:
    print("Count is:", count)
    count += 1  # 这是必要的，否则会导致无限循环

在这个例子中，只要count的值小于或等于5，就会打印当前的count值，然后count增加1。当count增加到6时，条件表达式变为False，循环结束。

为了避免无限循环，必须在循环体内修改条件表达式所依赖的变量。在上面的例子中，如果没有count += 1这行代码，while循环将永远执行下去，因为count的值永远不会大于5。

while循环通常用于那些迭代次数不确定的情况，例如处理用户输入或等待某个条件成立。

三、while循环和for循环比较

while循环和for循环都是Python中用于重复执行代码块的控制流结构，但它们在使用场景和语法上有所不同。以下是while循环和for循环的比较：

1. 用途和语法

• while循环：

  • 用途：当你需要在某个条件为真时重复执行代码块，但迭代次数不确定时使用。
  • 语法：

    while 条件表达式:
        # 循环体
    

  • 必须在循环体内显式更新条件表达式，否则可能导致无限循环。

• for循环：

  • 用途：当你需要对序列（如列表、元组、字典、集合、字符串）或其他可迭代对象进行迭代时使用。
  • 语法：

    for 变量 in 可迭代对象:
        # 循环体
    

  • for循环会自动处理迭代过程，不需要手动更新迭代变量。

2. 控制流程

• while循环：

  • 更灵活，可以很容易地根据复杂的条件控制循环流程。
  • 需要手动控制循环的开始和结束，包括在循环体内更新控制变量。

• for循环：

  • 控制流程相对简单，通常用于遍历可迭代对象。
  • 自动处理迭代过程，不需要手动更新迭代变量。

3. 无限循环

• while循环：

  • 容易创建无限循环，如果忘记更新条件表达式或条件表达式始终为真。
  • 需要显式地使用break语句来退出循环。

• for循环：

  • 通常不会创建无限循环，因为迭代次数由可迭代对象的长度决定。
  • 同样需要使用break语句来提前退出循环。

4. 嵌套循环

• while循环和**for循环**都可以嵌套使用，即一个循环内部可以包含另一个循环。

5. 示例

• while循环示例：

  i = 0
  while i < 5:
      print(i)
      i += 1
  

• for循环示例：

  for i in range(5):
      print(i)
  

6. 适用场景

• while循环更适合于那些迭代次数不确定或需要根据条件动态控制循环次数的场景。

• for循环更适合于遍历序列或执行固定次数的迭代。

总结来说，while循环和for循环各有优势，选择使用哪一个取决于具体的应用场景和需求。在实际编程中，根据需要处理的数据和控制逻辑来选择最合适的循环结构。

四、循环的应用场景

循环是编程中常用的控制结构，用于重复执行一段代码直到满足特定条件。以下是循环的一些常见应用场景：

1. 重复执行任务：

   • 当需要重复执行某个操作多次时，比如打印一系列数字、重复计算或重复用户输入。

2. 遍历数据结构：

   • 遍历列表、数组、字典、集合等数据结构中的每个元素，执行相同的操作。

3. 条件等待：

   • 在某些情况下，需要等待某个条件成立，比如等待用户输入、等待文件可用或等待某个资源被释放。

4. 数值计算：

   • 在科学计算或工程应用中，循环可以用来进行数值积分、数值优化、模拟等。

5. 图形和动画：

   • 在图形和动画制作中，循环可以用来重复绘制每一帧，从而创建动态效果。

6. 游戏开发：

   • 在游戏开发中，循环可以用来处理游戏逻辑更新、渲染帧、检测用户输入等。

7. 数据处理和分析：

   • 在数据分析中，循环可以用来处理和分析大量数据，比如统计数据、数据清洗等。

8. 生成序列：

   • 生成数列或序列，比如斐波那契数列、等差数列等。

9. 模拟和仿真：

   • 在模拟和仿真中，循环可以用来模拟时间的流逝，重复执行每个时间步的计算。

10. 网络编程：

    • 在网络编程中，循环可以用来处理持续的网络连接、数据传输和接收。

11. 文件处理：

    • 在文件处理中，循环可以用来逐行读取或写入文件内容。

12. 用户界面更新：

    • 在用户界面编程中，循环可以用来不断检查用户输入和更新界面。

13. 算法实现：

    • 许多算法，如排序算法、搜索算法等，都需要循环结构来实现。

14. 批量处理：

    • 对于批量任务，如批量重命名文件、批量发送邮件等，循环可以用来自动化处理。

15. 测试和调试：

    • 在测试和调试程序时，循环可以用来重复执行测试用例，直到发现错误或达到预期结果。

循环的应用场景非常广泛，几乎涵盖了所有需要重复操作的场合。正确使用循环可以提高代码的效率和可读性，但也要注意避免无限循环和不必要的重复计算。

五、练习

以下是一个简单的Python程序，使用while循环来计算从1加到100的总和：

# 初始化总和变量和计数器
total_sum = 0
counter = 1

# 使用while循环计算1到100的总和
while counter <= 100:
    total_sum += counter
    counter += 1

# 打印结果
print("The sum of numbers from 1 to 100 is:", total_sum)

在这个程序中，我们初始化了两个变量：total_sum用于存储总和，counter用作循环的计数器。只要counter的值小于或等于100，循环就会继续执行。在每次循环中，我们将counter的当前值加到total_sum上，然后将counter增加1。当counter的值超过100时，循环结束，然后打印出总和。

运行这个程序，你将得到1到100的总和，结果应该是5050。