Основы программирования в Python

Алла Тамбовцева, НИУ ВШЭ

Данный ноутбук основан на лекции Щурова И.В., курс «Программирование на языке Python для сбора и анализа данных» (НИУ ВШЭ).

Условные конструкции, множества, цикл while

Проверка условий

Начнем с известных всем операторов. Проверим,

  • правда ли, что 8 меньше 9;
  • правда ли, что 9 больше 10.
In [1]:
8 < 9 # правда
Out[1]:
True
In [2]:
9 > 10 # неправда
Out[2]:
False

Результат такой проверки имеет логический тип (boolean).

In [3]:
res = 8 < 9
res
Out[3]:
True

Как мы уже обсуждали, переменные такого типа могут принимать два значения True или False. Обратите внимание, что True и False не заключены в кавычки ‒ добавив кавычки, мы получим строки "True" и "False".

In [4]:
"True" == True
Out[4]:
False

При проверке равенства двух частей (переменных, списков и так далее) используется двойной знак "равно".

In [5]:
6 == 6
Out[5]:
True

Одинарный знак "равно" используется для присваивания значений. Так ничего не сравним, но сохраним в переменную a число 6:

In [6]:
a = 6 
a 
Out[6]:
6

А так уже проверим условия:

In [7]:
print(a == 6) 
print(a == 9) 
True
False

Неравенство, то есть отрицание равенства, в Python обозначается с помощью оператора != (вообще ! в программировании используется для отрицания).

In [8]:
6 != 7
Out[8]:
True

Стоит отметить, что Python достаточно лояльно относится к разделению между типам данных. Например, если мы сравним целое число и то же число, но с плавающей точкой (с дробной частью равной 0), Python сообщит, что эти числа совпадают.

In [9]:
6 == 6.0 # верно
Out[9]:
True

Условные конструкции

Условные конструкции ‒ конструкции с операторами условия. Условная конструкция обычно предполагает "развилку": если условие выполняется, то должен выполняться один набор действий, если нет ‒ другой набор действий. Давайте напишем программу, которая будет просить пользователя ввести целое число, и если это число менее 10, на экран будет выводиться сообщение "Мало", иначе ‒ "Много". И заодно познакомимся с конструкцией if-else.

In [8]:
x = int(input("Введите число: "))
Введите число: 10
In [9]:
if x < 10:
    print("Мало")
else:
    print("Много")
Много

В части с if мы прописываем условие, в зависимости от которого Python будет делать выбор, что выводить на экран, а после двоеточия перечисляем действия, которые будут выполняться в случае, если x удовлетворяет условию. В части с else мы уже не пишем никакого условия ‒ оператор else сам по себе означает "в случае, если условие в выражении с if не выполнено".

Часть с else является необязательной: программа может существовать только с условием if. Тогда в случае невыполнения условия ничего происходить не будет, Python просто перейдет к следующим строкам кода.

Как быть, если условий несколько? Например, мы просим пользователя ввести оценку, и если оценка больше 10, на экране должно быть сообщение "Много", если ровно 10 ‒ "В самый раз", если меньше ‒ "Мало". Можно воспользоваться оператором elif, который по смыслу является сочетанием else + if: если предыдущее условие невыполнено, то, нужно проверить следующее условие, и если оно тоже не выполнено, то уже перейти к ветке с else.

In [10]:
mark = int(input("Введите оценку: "))
Введите оценку: 3
In [11]:
if mark > 10:
    print("Много")
elif mark == 10:
    print("В самый раз")
else:
    print("Мало")
Мало

Ответвлений с elif может быть несколько: сколько условий, столько и выражений с elif. Добавим еще одно условие:

In [12]:
if mark > 10:
    print("Много")
elif mark > 6:
    print("Хорошо")
elif mark > 4:
    print("Неплохо")
else:
    print("Плохо")
Плохо

Законный вопрос: а можно ли обойтись совсем без elif, просто записав несколько выражений с if? Тут все зависит от ситуации. Иногда решения использовать elif и if будут равнозначными. Если мы перепишем код в примере выше, заменив elif на if, ничего не изменится, так как условия будут проверяться последовательно в любом случае: если оценка больше 10, будет выведено слово "Много", если нет ‒ программа перейдет к следующему условию, и так далее.

In [13]:
if mark > 10:
    print("Много")
if mark > 6:
    print("Хорошо")
if mark > 4:
    print("Неплохо")
else:
    print("Плохо")
Плохо

В случае, когда условия как-то связаны между собой, нужно быть более внимательными. Рассмотрим такой пример.

Случай 1.

In [26]:
if mark < 10:
    print("Это нормально")
elif mark == 10:
    print("Отлично")
if mark < 6:
    print("Плохо")
Это нормально
Плохо

Если оценка меньше 10, мы выводим на экран сообщение "Это нормально", если нет, то проверяем, равна ли она 10: если да, то выводим "Отлично", если нет ‒ ничего не делаем. При этом, после всех этих действий делаем дополнительную проверку: если оценка меньше 6, выводим "Плохо".

Случай 2.

In [20]:
if mark < 10:
    print("Это нормально")
elif mark == 10:
    print("Отлично")
elif mark < 6:
    print("Плохо")
Это нормально

Если оценка меньше 10, мы выводим на экран сообщение "Это нормально", если нет, то проверяем, равна ли она 10: если да, то выводим "Отлично", если нет ‒ сравниваем ее с 6. Если оценка меньше 6, выводим "Плохо".

Почему во втором случае мы не увидели сообщение "Плохо"? Потому что из-за второго elif мы попросту до него не дошли! На ветку со вторым elif мы попадаем в случае, если предыдущее условие не выполняется, то есть если оценка не равна 10. А на ветку с первым elif мы попадем, в случае, если оценка не менее 10. Получается, что мы должны выводить слово "Плохо" в случае, когда оценка более 10 и при этом менее 6, чего в природе не бывает. Использовав elif необдуманно, мы добавили лишнее условие, которое никогда не будет выполняться! Тут будет полезно вспомнить схемы, которые многие, наверное, видели на уроках информатики в школе. Запоминать их необязательно, просто они хорошо иллюстрируют различия между двумя случаями.

Случай 1

title

Случай 2

title

Возможно, предыдущее обсуждение if и elif могло вас чуть-чуть запутать, но это не повод расстраиваться. Важно просто помнить, что разница между этими операторами есть. Остальное можно проверить экспериментально на конкретном примере :)

Сложные условия

Пусть у нас есть три целочисленные переменные a, b и c, и мы планируем составлять сложные, составные уcловия, касающиеся этих переменных.

In [13]:
a = 3
b = 7
c = 1

Помогут операторы and и or. Оператор and соответствует одновременному выполнению условий, оператор or соответствует ситуации, когда хотя бы одно из условий выполняется. Оператор or в Python ‒ обычное "или", не исключающее: либо верно первое условие, либо второе, либо оба.

In [14]:
(a < b) and (b > c) # оба верны
Out[14]:
True
In [15]:
(a < b) and (c > b) # второе неверно -> все неверно
Out[15]:
False
In [16]:
(a < b) or (a > c) # первое верное -> хотя бы одно верно
Out[16]:
True
In [17]:
(a < b) or (c > b) # первое верное -> хотя бы одно верно
Out[17]:
True

Можем работать с элементами списков:

In [18]:
l1 = [1, 3, 6, 8]
l2 = [0, 9, 6, 8]
In [19]:
l1[0] > l2[0] # 1 больше 0
Out[19]:
True
In [20]:
(l1[0] > l2[0]) and (l1[2] == l2[2]) # оба верны
Out[20]:
True
In [22]:
(l1[0] > l2[0]) or (l1[2] == l2[2]) # оба верны
Out[22]:
True

Давайте пройдемся по парам элементов в списках l1 и l2, и если значения элементов, которые стоят на одном и том же месте, просто в разных списках, совпадают, мы будем выводить сообщение "It's true! They are equal!", а если нет ‒ сообщение "It's false! They are not equal!".

Сначала посмотрим на длину списков:

In [23]:
print(len(l1))
print(len(l2))
4
4

Списки одинаковой длины, это хорошо! Напишем цикл.

In [24]:
for i in range(0, len(l1)):
    if l1[i] == l2[i]:
        print("It's true! They are equal!")
    else:
        print("It's false! They are not equal!")
It's false! They are not equal!
It's false! They are not equal!
It's true! They are equal!
It's true! They are equal!

А теперь предлагаю вам такую задачу. Есть список оценок marks, и для каждой оценки нужно вывести комментарий (Отлично, Хорошо, Удовлетворительно, Плохо) с новой строки.

In [26]:
marks = [2, 7, 8, 10, 5, 8, 1, 6]

Решение:

In [27]:
for mark in marks:
    if mark >= 8:
        print("Отлично!")
    elif (mark >= 6) and (mark < 8):
        print("Хорошо!")
    elif (mark >= 4) and (mark < 6):
        print("Удовлетворительно!")
    else:
        print("Плохо!")
Плохо!
Хорошо!
Отлично!
Отлично!
Удовлетворительно!
Отлично!
Плохо!
Хорошо!

Можно написать аналогичный код, но оценку теперь будет вводить пользователь с клавиатуры.

In [28]:
mark = int(input("Введите оценку: "))
if mark >= 8:
    print("Отлично!")
elif (mark >= 6) and (mark < 8):
    print("Хорошо!")
elif (mark >= 4) and (mark < 6):
    print("Удовлетворительно!")
else:
    print("Плохо!")
Введите оценку: 6
Хорошо!

Небольшое лирическое отступление, не связанное с условиями. В Python есть функция eval(), которая позволяет исполнять код, который записан в виде строки. Например, мы сохранили в текстовый файл какие-то списки. Открываем файл, и Python считывает наши списки как обычные строки:

In [29]:
s = "[2,5,6,8]"
In [30]:
s
Out[30]:
'[2,5,6,8]'

Если мы применим к строке s функцию eval(), мы получим список.

In [31]:
L = eval(s)
L
Out[31]:
[2, 5, 6, 8]

Работает это не только для списков:

In [32]:
eval("a == 8")
Out[32]:
False

Внимание: использование функции eval() считается небезопасным в том смысле, что она исполняет любой код, заключенный в строке, не проверяя при этом, является ли код хорошим, правильным. Более корректно было бы использовать функцию literal_eval(), которую вы можете встретить в автоматических тестах в домашних заданиях. Эту функцию нужно импортировать из модуляast:

In [33]:
from ast import literal_eval
In [34]:
literal_eval("[1,2,3]")
Out[34]:
[1, 2, 3]

Кроме and и or в Python есть еще полезные операторы: оператор принадлежности in и оператор отрицания not.

Пусть у нас есть списки отличных, хороших, удовлетворительных и плохих оценок.

In [35]:
excel = [8, 9, 10]
good = [6, 7]
sat = [4, 5]
bad = [1, 2, 3]

Проверим, лежит ли оценка 8 в плохих:

In [36]:
8 in bad
Out[36]:
False

Применим отрицание:

In [37]:
8 not in bad # верно!
Out[37]:
True

Множества

Иногда возникает необходимость проверять разные отношения между двумя наборами элементов. Например, проверить, есть ли у двух списков общие элементы. Для этого можно воспользоваться уже известным оператором in:

In [38]:
L1 = [1, 3, 4]
L2 = [1, 4, 5, 6]
In [42]:
for i in L2:
    if i in L1:
        print(i)
1
4

Но иногда удобно превратить списки в множества (sets) и выполнять операции, которые определены для множеств в математике: пересечение, объединение, разность и так далее.

Важно иметь в виду, что в множествах (как в программировании, так и в математике) не может быть повторяющихся элементов. Поэтому, если в списке есть повторяющиеся значения, и они важны, превращать спискок в множество не стоит, так как можно потерять элементы.

In [43]:
numbers = [1, 1, 0, 2, 4, 3, 3] # 7 элементов
In [44]:
set(numbers) # в множестве осталось 5 элементов + отсортированы по возрастанию
Out[44]:
{0, 1, 2, 3, 4}

Множества из строк тоже существуют (вообще их можно создавать из любых объектов):

In [45]:
words = ["one", "one", "two", "three"] # пока список
In [46]:
set(words) # множество
Out[46]:
{'one', 'three', 'two'}

А теперь превратим два числовых списка в множества A и B и попробуем произвести некоторые операции.

In [47]:
A = set([0, 2, 4, 7])
B = set([0, 1, 4, 5])

Пересечение множеств A и B ‒ общие элементы этих двух множеств:

In [48]:
B.intersection(A) # метод intersection
Out[48]:
{0, 4}

Объединение множеств A и B ‒ все элементы множества A и множества B (но, конечно, без повторений):

In [66]:
A.union(B) # метод union
Out[66]:
{0, 1, 2, 4, 5, 7}

Разность множеств B и A ‒ все элементы множества B, которых нет в A.

In [49]:
B.difference(A) # метод difference
Out[49]:
{1, 5}

Обратите внимание: результат, полученный после использования методов для множеств, тоже является множеством ‒ элементы перечислены в фигурных скобках. Но при желании результат можно превратить в список:

In [68]:
list(A.difference(B))
Out[68]:
[2, 7]

Множество в Python, наверное, не такой распространенный объект как список, кортеж или словарь (о них поговорим позже), но знать о них полезно, потому что в некоторых задачах использовать методы для множеств гораздо эффективнее, чем писать какие-то циклы с разными условиями.

Цикл while

С циклом for мы уже знакомы. Сейчас мы познакомимся с циклом while, логика которого отличается от for. Конструкции с циклом while устроены следующим образом: действия, которые указаны в теле цикла, должны выполняться до тех пор, пока верно условие, прописанное после while (отсюда и название). Если в цикле for мы указывали некоторый промежуток, по которому в ходе цикла мы будем "пробегаться", то в случае с циклом while мы просто фиксируем стартовую точку, а конечную точку никак не указываем: программа сама остановится, когда условие в цикле перестанет выполняться.

In [50]:
nums = [1, 0, 9, 10, -1, 8]

Давайте, используя цикл while, будем выводить на экран элементы списка nums до тех пор, пока не столкнемся с отрицательным значением.

In [51]:
i = 0 # начинаем с индекса i=0

while nums[i] >= 0: # пока элемент nums[i] >= 0
    print(nums[i]) # выводим элемент на экран
    i = i + 1 # переходим к следующему элементу
1
0
9
10

На значении 10 мы остановились: за ним идет значение -1, для которого условие nums[i] > = 0 не выполняется.

Давайте теперь попробуем переписать код так, чтобы он работал точно так же, но только чтобы в нем использовался цикл for, а не while. Вообще почти любой код с while можно переписать через for, и иногда это полезно: код с циклом while обычно более медленный, плюс, склонен к зацикливанию.

In [72]:
for n in nums:
    if n >= 0:
        print(n)
    else:
        break # выходим из цикла
1
0
9
10

В коде выше мы использовали оператор break, который позволяет выйти из цикла, то есть закончить исполнение строк кода в теле цикла и перейти к коду дальше.

А теперь напишем маленькую игру-угадайку. Программа будет загадывать целое число от 1 до 100, а пользователь его угадывать. Как программа будет загадывать число? Выбирать случайным образом из интервала [1, 100] (на самом деле псевдослучайным образом, так как абсолютной случайности не получится, генерирование чисел происходит по фиксированным алгоритмам).

In [53]:
from random import randrange # импортируем модуль для функии randrange
In [54]:
n = randrange(1, 101) # n и есть загаданное число

Осталось написать цикл. До тех пор, пока пользователь не угадает число, программа не будет останавливаться, но зато она будет давать подсказки: если введенное пользователем число больше загаданного, то будет выводиться сообщение "Вы ввели слишком большое число.", если меньше ‒ "Вы ввели слишком маленькое число."

In [55]:
while True:
    guess = int(input("Ваша попытка:"))
    if guess == n:
        print("Вы выиграли!")
        break
    elif guess > n:
        print("Вы ввели слишком большое число.")
    else: 
        print("Вы ввели слишком маленькое число.")
Ваша попытка:23
Вы ввели слишком большое число.
Ваша попытка:11
Вы ввели слишком маленькое число.
Ваша попытка:15
Вы ввели слишком маленькое число.
Ваша попытка:20
Вы ввели слишком большое число.
Ваша попытка:18
Вы ввели слишком большое число.
Ваша попытка:17
Вы ввели слишком большое число.
Ваша попытка:16
Вы выиграли!

В коде выше в while мы не написали никакого условия явно, вместо этого мы написали while True. Это выражение означает "до тех пор, пока мы не вышли из цикла". В нашем случае это равносильно "до тех пор, пока не столкнулись с break, пока наш ответ не совпал с загаданным числом.