Python编程基础08：循环结构

• 跑道是一圈一圈的，可以看作是循环的

一、为什么要用循环

现在有一个任务，要求你输出一百遍“好好学习，天天向上！”，想一想，你会怎么做？

（一）老老实实的笨方法

print("第1遍写：好好学习，天天向上！")
print("第2遍写：好好学习，天天向上！")
print("第3遍写：好好学习，天天向上！")
print("第4遍写：好好学习，天天向上！")
……
print("第100遍写：好好学习，天天向上！")    

采用此方法，当然可以完成任务，但是显然很糟糕，如果要求你输出一万遍，那得有一万行打印语句，那样看起来岂不令人崩溃？

（二）采用循环结构的巧方法

1、采用for循环输出百遍口号

• 编写程序 - 采用for循环输出百遍口号.py
  
• 运行程序，查看结果
  
• 你看，两行代码，就可以输出百行口号，是不是感觉挺爽？

2、采用while循环输出百遍口号

• 编写程序 - 采用while循环输出百遍口号.py
  
• 运行程序，查看结果
  
• 你看，殊途同归，不一样的循环语句，一样的输出结果！

二、条件循环 - while循环

（一）语法格式

• 一般格式

while 条件表达式:
	循环体

• 具体格式

初始条件
while 循环条件:
	循环体
	[break|continue]
	更新条件

（二）执行情况

• 当条件表达式的返回值为真时，则执行循环体中的语句，执行完毕后，重新判断条件表达式的返回值，直到表达式返回的结果为假时，退出循环。
• 现实生活中的例子来理解while循环的执行流程。在体育课上，体育老师要求同学们沿着环形操场跑圈，要求当听到老师吹的哨子声时就停下来。同学们每跑一圈，可能会请求一次老师吹哨子。如果老师吹哨子，则停下来，即循环结束，否则继续跑步，即执行循环。
• 好友聚会，开怀畅饮，不醉不休。一杯接着一杯地喝下去，直到喝趴下，喝酒循环才结束。

（三）案例演示

任务1、永不消逝的电波 - 死循环

• 编写程序 - 永不消逝的电波.py
  
• 运行程序，查看结果
  
• 循环永不结束，除非用户强制终止。

任务2、采用while循环计算1 + 2 + 3 + …… + 100的值

• 这是一个非常经典的数学计算问题：公差为1的等差数列求和。
• 编写程序 - 采用while计算1 + 2 + 3 + …… + 100的值.py
  
• 只要i <= 100成立，循环都会继续，直到i = 101，不满足条件了，循环才终止
• 运行程序，查看结果
  
• 修改一下代码，输出循环结束后循环变量i的值
  
• 运行程序，查看结果
  

课堂练习：采用while循环计算1 + 3 + 5 + …… + 99的值

• 提示：有三种方法可以解决此问题。
  （1）修改循环的更新条件：i = i + 2
  （2）在循环结构里嵌套一个过滤器：if i % 2 == 1: sum = sum + i
  （3）修改循环条件：i <= 50，修改累加语句 sum = sum + 2 * i - 1
• 运行程序，查看结果
  

任务3、采用while循环打印水仙花数

水仙花数：是指等于其各位数字立方和的三位数。

$153=1^3+5^3+3^3$
$370=3^3+7^3+0^3$
$371=3^3+7^3+1^3$
$407=4^3+0^3+7^3$

分析问题，首先水仙花数是三位数，那么我们可以确定范围：100~999，这个我们可以通过循环结构来搞定：

n = 100
while n <= 999:
    n = n + 1

然后对于这个范围的每个数n，我们要去判断它是否等于其各位数字的立方和，这里的难点或关键在于如何分解一个三位数，得到它的每位数字。

假设我们已经把三位数n分解成百位数p3，十位数p2，个位数p1，
这样我们的筛选条件就可以写出来：n == p3 * p3 * p3 + p2 * p2 * p2 + p1 * p1 * p1。

如何拆分一个三位数n呢？

首先求n的个位数：n % 10
然后要将三位数变成两位数：n = n // 10
对于新的两位数n，又求它的个位数：n % 10
然后要将两位数变成一位数：n = n // 10

也就是说我们可以交替使用求余和整除运算将一个三位数拆分，得到它的个位数、十位数和百位数。当然这个分解方法可以推广到任何多位数的拆分。

• 编写程序 - 采用while循环打印水仙花数.py
  
• 运行程序，查看结果
  

任务4、采用while循环破解令狐大侠难题

• 编写程序 - 采用while循环破解令狐大侠难题.py
  
• 运行程序，查看结果
  

三、计数循环 - for循环

（一）语法格式

for 迭代变量 in 对象:
	循环体

• for循环是一个依次重复执行的循环。通常适用于枚举或遍历序列，以及迭代对象中的元素。

（二）执行情况

• 迭代变量用于保存读取出的值；对象为要遍历或迭代的对象，该对象可以是任何有序的序列对象，如字符串、列表和元组等；循环体为一组被重复执行的语句。

（三）案例演示

任务1、采用for循环计算1 + 2 + 3 + …… + 100的值

• 编写程序 - 采用for循环计算1 + 2 + 3 + …… + 100的值.py
  
• 运行程序，查看结果
  

任务2、采用for循环打印水仙花数

• 编写程序 - 采用for循环打印水仙花数.py
  
• 运行程序，查看结果
  

任务3、采用for循环破解令狐大侠难题

• 编写程序 - 采用for循环破解令狐大侠难题.py
  
• 运行程序，查看结果
  
• 思考题：这个程序无论如何都要循环99次，有必要吗？其实，当找到满足条件的cups值，就应该终止循环，不必再浪费资源继续循环了。此时，就会用到循环的跳转语句。

四、跳转语句

（一）跳转概述

当循环条件一直满足时，程序将会一直执行下去。如果希望在中间离开循环，也就是for循环结束重复之前，或者while循环找到结束条件之前。

• 使用continue语句直奔下次循环
• 使用break语句完全中止整个循环

（二）break语句

1、在while循环中使用break语句

• 语法格式

while 条件表达式1:
	执行代码
	if 条件表达式2:
		break

• 执行情况
  

2、在for循环中使用break语句

• 语法格式

for 迭代变量 in 对象:
	if 条件表达式:
		break

• 执行情况
  

3、案例演示

任务1、采用for循环破解令狐大侠难题 - 完善版

• 编写程序 - 采用for循环破解令狐大侠难题 - 完善版.py
  
• 运行程序，查看程序
  
• 修改程序，计算循环次数
  
• 运行程序，查看结果
  
• 修改【采用for循环破解令狐大侠难题.py】
  
• 运行程序，查看结果
  

任务2、判断一个整数是否是素数

• 概念：什么叫素数（Prime Number）？一个整数除了1和它本身之外没有其它因子，这个整数就叫素数，否则就叫合数，但是有一个特殊情况，1既不是素数，也不是合数。比如：2、3、5、7都是素数，它们除了1和本身都没有其它因子，但是6就是合数，除了1和6之外，还有2和3都是其因子（6 = 2 * 3）。

• 方法：判断一个整数是不是素数的方法 - 比如我们考虑一个整数$n（n\ge 2）$，就要看从$2$到$n-1$的每个数能否整除$n$，如果能整除，那么$n$就不是素数；如果从头到尾都不能整除，那么$n$就是素数。

• 编程思路：我们采用一个布尔型的标志变量is_prime_number来表示待判断的整数n是不是素数，如果is_prime_number = True表明是素数，如果is_prime_number = False表明不是素数。先假定待判断的整数n是素数，设置is_prime_number = True，一旦在循环里找到能整除n的真因子，说明n不是素数，立马设置is_prime_number = False，并跳出循环结果。循环之后就根据is_prime_number的真假来输出n是素数还是合数。（这个编程思路，有点类似于法院断案，先假定你是好人，只有找到犯罪证据，才能断定你是罪犯。）

• 编写程序 - 判断一个整数是否是素数.py
  

• 运行程序，查看结果
  

• 其实该程序可以优化的，为了说明方便起见，我们考虑$n=100$的情况：

2 * 50 = 100
4 * 25 = 100
5 * 20 = 100
10 * 10 = 100
20 * 5 = 100
25 * 4 = 100
50 * 2 = 100

• 因子乘积是以100的平方根10的乘积（10 * 10）为中心对称的。于是循环范围就可以缩小，本来是从$2$到$99$，现在可以缩小到从$2$到$\sqrt{100}$。

• 根据刚才的分析，代码可以优化如下：
  

• 循环次数明显减少，因此这是一个更好的算法。

• 运行程序，查看结果
  

思考题：实现合数分解

• 如果一个整数是合数，编程将其分解成素数乘积形式
• 比如$45=3\times 3\times 5，24=2\times 2\times 2\times 3\dots \dots$

（三）continue语句

1、在while循环中使用continue语句

• 语法格式

while 条件表达式1:
	执行代码
	if 条件表达式2:
		continue
	执行代码

• 执行情况
  
• 如果条件表达式2为True，跳过continue之后的执行代码部分，直奔下一次循环
• 如果条件表达式2为False，执行continue之后的执行代码部分，才进入下一次循环

2、在for循环中使用continue语句

• 语法格式

for 迭代变量 in 对象:
    执行代码
	if 条件表达式:
		continue
	执行代码

• 执行情况
  
• 如果条件表达式为True，跳过continue之后的执行代码部分，直奔下一次循环
• 如果条件表达式为False，执行continue之后的执行代码部分，才进入下一次循环

3、案例演示

任务1、计算1 + 3 + 5 + …… + 99的值

• 之前我们已经使用for循环来完成过这个计算任务，步长是2
  
• 现在我们换种方式来处理，步长依然是1，在循环里嵌套一个选择结构，通过使用continue语句过滤掉偶数，然后累加的就是全部奇数。
• 修改程序 - 计算1 + 3 + 5 + …… + 99的值.py
  
• 运行程序，查看结果
  

任务2、逢七拍腿员工拓展小游戏

• 场景模拟：宜宾五粮液酒类销售有限公司对2020年度新入职员工进行拓展训练，其中开展的一项小游戏叫做“逢七拍腿游戏”。游戏规则是每个员工从1开始依次数数，当数到尾数是7的数或7的倍数时，则该员工不报出该数，而是拍一下腿。凡是出错的员工将会受到小惩罚——做10个俯卧撑。
• 假设在一次游戏中，参加活动的员工循环报数，从1数到99，每个人都没有出错，即无人受到惩罚。现在编写程序，在本次游戏中，计算新员工一共要拍多少次腿。
• 编写程序 - 逢七拍腿员工拓展小游戏.py
  
• 运行程序，查看结果
  
• 不使用continue，代码如下所示
  
• 运行程序，查看结果
  

五、循环嵌套

六、pass语句

（一）占位作用

在Python中还有一个pass语句，表示空语句。它不做任何事情，—般起到占位作用。

（二）案例演示

• 在应用for循环输出1〜10之间（不包括10）的偶数时，在不是偶数时，应用pass语句占个位置，方便以后对不是偶数的数进行处理。
• 编写程序 - 占位语句pass.py
  
• 运行程序，查看结果
  

七、课后作业

任务1、完成猜数游戏

• 游戏规则：程序产生一个[1, 100]之间的随机整数，用户输入整数进行猜测，如果猜对了，就会循环你是否要继续玩游戏；如果猜错了，程序会提示你是猜高了还是猜低了，然后让你继续输入整数进行猜测。
  

任务2、计算阶乘之和

• 计算 1! + 2! + 3! + … + 10! 的值
  

任务3、用米粒填充国际象棋盘

国际象棋盘中，第1 格放1 粒米，第2 格放2 粒米，第3格放4 粒米，第4 格放8 粒米，第5 格放16粒米，……问：64个格子总共可以放多少粒米？

任务4、求20个学生的平均成绩