科创课程 | Python基础(二)

前言

编程的真正力量在于能够自动执行重复任务并根据条件做出决策。这正是循环和选择结构发挥作用的地方。想象一下，如果没有这些控制结构，我们需要手动编写每一条指令，程序将变得冗长而低效。Python提供了强大的工具来管理程序的执行流程，让我们的代码更加简洁和智能。

for循环是处理重复任务的基本工具。它的工作原理很直观：对于一组值中的每个值，执行一段代码。在Python中，我们通常使用range()函数来生成一组数字，然后对每个数字执行相同的操作。例如，我们可以轻松地打印1到5的平方数。for循环的语法清晰易读：以“for”关键字开始，指定一个变量名，然后是“in”关键字和一组值，最后是一个冒号和缩进的代码块。这种结构体现了Python“可读性计数”的设计哲学。

range()函数是for循环的得力助手。它可以生成一个整数序列，我们可以指定起始值、结束值和步长。起始值包含在序列中，而结束值不包含在内，这种“左闭右开”的区间表示法是Python中的常见模式。通过调整步长参数，我们可以创建递增或递减的序列。这种灵活性使range()函数成为循环控制的瑞士军刀，几乎可以满足所有常见的迭代需求。

循环不仅可以执行重复操作，还可以进行累加计算。这是编程中的一个重要模式：初始化一个累加器变量，然后在循环中不断更新它的值。例如，我们可以计算前10个自然数的平方和。这种模式在数据处理、统计分析和算法实现中无处不在。掌握循环累加技巧是成为合格程序员的重要一步，它让我们能够解决各种求和、求积、计数等问题。

在现实生活中，我们经常需要根据条件做出决策，程序也是如此。Python的if语句让程序能够检查条件并相应地执行不同的代码。基本的if语句包含一个条件表达式和一个代码块，只有当条件为真时，代码块才会执行。例如，我们可以检查学生的GPA是否达到要求，然后决定是否接受其申请。这种条件判断能力使程序能够适应不同的情况和数据。

单一的if语句只能处理一种情况，而现实世界往往更加复杂。为此，Python提供了if-else结构和if-elif-else结构。if-else允许我们在条件为真时执行一段代码，否则执行另一段代码。而if-elif-else则可以处理多个互斥的条件，就像现实中的多重选择一样。这些结构共同构成了程序决策的基础，使我们的代码能够处理各种可能的情况。

让我们通过一个实际例子来看看条件语句如何工作。假设我们需要根据x的值计算y：如果x小于等于15，y等于x加15；如果x在15到30之间，y等于x加30；否则y等于x。然后我们计算y的正弦值。这个例子展示了如何将数学函数与条件逻辑结合，解决实际问题。在科学计算和工程应用中，这种模式非常常见。

while循环提供了另一种重复执行代码的方式。与for循环不同，while循环不是遍历一组已知的值，而是只要条件为真就持续执行。这种循环特别适合处理不确定次数的迭代，比如读取数据直到文件结束，或者等待用户输入特定命令。在while循环中，我们需要确保条件最终会变为假，否则程序将陷入无限循环，这是初学者常犯的错误之一。

理解while循环的执行流程很重要。首先，程序检查条件是否为真；如果为真，执行循环体内的代码；执行完毕后，再次检查条件；这个过程一直重复，直到条件变为假。我们需要在循环体内改变某些变量的值，使条件最终变为假。例如，在打印2的幂次直到超过200的例子中，我们在每次循环中将数字乘以2，最终使条件“数字小于200”不再成立。

要使条件判断正确工作，我们需要逻辑运算符的帮助。Python提供了完整的逻辑运算符集合：等于（==）、不等于（!=）、小于（<）、大于（>）、小于等于（<=）和大于等于（>=）。这些运算符可以比较数值、字符串等各种类型的值。此外，Python还提供了逻辑连接运算符：and（与）、or（或）和not（非），用于组合多个条件。掌握这些运算符是编写复杂条件表达式的基础。

在循环中，有时我们需要更精细地控制执行流程。Python提供了三个循环控制语句：break、continue和pass。break用于完全退出循环，即使循环条件仍然为真；continue用于跳过当前迭代的剩余代码，直接开始下一次迭代；而pass是一个空操作语句，当语法上需要语句但程序不需要任何操作时使用。这些工具让我们能够编写更加灵活和高效的循环。

让我们看一些循环的实际例子。for循环可以直接遍历列表中的元素，如[1,7,13,2]中的每个数字。我们也可以使用range()函数生成数字序列，如range(5)生成0到4的整数。range(N)生成从0到N-1的整数序列，这是Python中的常见模式。通过这些例子，我们可以看到循环如何简化重复任务，使代码更加简洁和易维护。