python UNIT 3 选择与循环(2)

1。循环的优化

经典优化分析：

未优化的代码：

细节分析：

优化后的代码：

优化的细节：

性能对比

优化的关键在于：

经典习题讲解：(紫色的解析请重点关注一下)

1。例三

个人代码解析：

总代码演示：

例3-8：

个人代码解析：

总代码演示：

例3-9：

这种题的难度就在于两层循环的起始点和步长等的控制。

个人代码解析：

全部代码展示：

循环变形：

打印效果：

我们先来看一下循环的优化！！！

1。循环的优化

经典优化分析：

优化的核心在于减少循环内不必要的计算，通过将与循环变量无关的操作移到外部，从而提高性能。

未优化的代码：

import time
digits = (1, 2, 3, 4)

T1 = time.perf_counter()
for _ in range(1000): # 外层循环
result = []
for i in digits: # 第一个内层循环
for j in digits: # 第二个内层循环
for k in digits: # 第三个内层循环
result.append(i * 100 + j * 10 + k) # 在这里进行计算
T2 = time.perf_counter()

print('优化前程序运行时间:%s毫秒' % ((T2 - T1) * 1000))

细节分析：

i * 100 和 j * 10 是每次内层循环中都需要计算的部分，但实际上，i 和 j 的值在每个循环中是固定的。因此，它们每次重复计算没有意义。
也就是说，在每一次 i 或 j 循环不变时，我们多次重复计算了 i * 100 和 j * 10。这个操作浪费了时间。

优化后的代码：

import time
digits = (1, 2, 3, 4)

T3 = time.perf_counter()
for _ in range(1000): # 外层循环
result = []
for i in digits: # 第一个内层循环
i = i * 100 # 将 i * 100 提取到第二层循环外部
for j in digits: # 第二个内层循环
j = j * 10 # 将 j * 10 提取到第三层循环外部
for k in digits: # 第三个内层循环
result.append(i + j + k) # 优化后的计算
T4 = time.perf_counter()

print(f'优化后程序运行时间:{(T4 - T3) * 1000}毫秒')

优化的细节：

提取计算到外层循环：
- 在未优化的版本中，i * 100 和 j * 10 在每次 k 的循环时都被重复计算。而实际上，i * 100 在每次 i 变化后才会变化，所以我们可以把它提取到 for j in digits: 循环的外部。
- 同理，j * 10 只需要在每次 j 变化时计算一次，我们将它提取到 for k in digits: 循环的外部。
优化后的计算公式变成了 i + j + k，其中 i 和 j 预先乘好了系数，避免了重复计算。
减少了计算量：
- 通过提前计算 i * 100 和 j * 10，我们在最内层的 k 循环中避免了这两项乘法操作。
- 在内层循环次数非常多的情况下（例如这里的 1000 * 4 * 4 * 4 = 64000 次），减少每次循环的计算量会显著提升效率。

性能对比

优化前：循环中每次都重复进行 i * 100 + j * 10 + k 的运算，时间为 38.0651 毫秒。
优化后：通过将乘法移出循环，每次只进行 i + j + k 的简单加法运算，时间降到了 24.8886 毫秒。

优化的关键在于：

减少循环中的重复计算：如果某些计算可以在循环外部完成，不依赖于内部的循环变量，则应当提取到外层循环。
减少运算次数：乘法比加法的计算开销大，所以将乘法移出内层循环，改为在外层计算一次，能有效提升性能。

经典习题讲解：(紫色的解析请重点关注一下)

1。例三

虽然已经有答案了，但是我想说的是这个答案不是非常标准，有一个隐藏的bug！！！

个人代码解析：

num = 0;
scores = 0;

作用：初始化两个变量。

num：用于计数有效的成绩输入（即学生人数）。
scores：累加所有输入的成绩，用于后续计算平均成绩。

ret = 0;
while 1:

作用：进入一个无限循环，直到通过 break 语句显式退出。

1表示循环条件永远为真，因此这个循环会不断执行，直到用户输入退出条件（Q 或 q）。和上面的True一个意思

x = input("请输入学生成绩(按（Q或q结束）：)")

作用：使用 input() 获取用户输入的成绩。

使用input函数充当输入函数用户的输入被赋值给变量 x。输入的内容总是字符串类型，因此后续可能需要进行类型转换。

if (x == 'Q' or x == 'q'):
break

作用：检查用户是否输入了 Q 或 q。

如果用户输入的是 Q 或 q，则终止循环（使用 break），结束成绩录入过程。

# if (x.upper() == 'Q'):
# break

upper()函数的作用是将一个字符串的全部字符转换成大写的，原本就是大写的不变，这里使用这个就避免了大小写要辨别两次的问题。
if (float(x) < 0):
continue

作用：将用户输入的 x 转换为浮点数，并检查是否为负数。

如果用户输入了负数，程序会跳过当前循环，不进行成绩累加和人数统计，直接进入下一次循环（通过 continue 跳过后续代码）。

num += 1# python里面没有++自增的这个用法
scores += float(x)

 num += 1：学生人数计数器 num 增加 1，表示记录了一个有效的成绩。

 scores += float(x)：将用户输入的成绩（转换为浮点数）加到 scores 中，累积所有输入的成绩。
if (num == 0):
print(f'学生人数={num}, 平均成绩={scores}')

作用：在输入结束后，检查是否有有效成绩（即检查学生人数 num 是否为 0）。这里正是图片答案丢失的点，加上这个if判断可以有效解决这个bug

如果 num 为 0，说明用户没有输入任何有效成绩（没有录入任何非负数的成绩），程序输出提示“没有有效成绩输入”。
else:
print(f'学生人数={num}, 平均成绩={scores / num}')

作用：如果有有效成绩（num 不为 0），则计算并输出平均成绩。

scores / num：将总成绩除以学生人数，计算平均成绩。
使用 f-string 格式化输出，显示学生人数和平均成绩。

总代码演示：

num = 0;
scores = 0;
ret = 0;
while 1:
    x = input("请输入学生成绩(按（Q或q结束）：)")
    if (x == 'Q' or x == 'q'):
        break
   # if (x.upper() == 'Q'):
    #     break
    if (float(x) < 0):
        continue
    num += 1# 没有++
    scores += float(x)
if (num == 0):
    print(f'学生人数={num}, 平均成绩={scores}')
else:
    print(f'学生人数={num}, 平均成绩={scores / num}')

例3-8：

这个题的解法精妙之处在于使用了字典进行存储个数。

个人代码解析：

scores = [89, 70, 49, 87, 92, 84, 73, 71, 78, 81, 90, 37, 77, 82, 81, 79, 80,
82, 75, 90, 54, 80, 70, 68, 61]

 作用：定义一个包含多个学生成绩的列表 scores。这里列表相当于数组来用了

 列表内容：包含 24 个整数，代表不同学生的考试分数。
groups = {'优秀' : 0, '良':0, '中':0, '及格':0, '不及格':0}

 作用：初始化一个字典 groups，用于统计不同分数段的学生人数。

 字典内容：

'优秀'：统计分数 >= 90 的学生人数，初始值为 0。
'良'：统计分数在 80 到 89 的学生人数，初始值为 0。
'中'：统计分数在 70 到 79 的学生人数，初始值为 0。
'及格'：统计分数在 60 到 69 的学生人数，初始值为 0。
'不及格'：统计分数 < 60 的学生人数，初始值为 0。

这里等级和人数是构成对应关系的，这种对应关系有的KV模型的意思，我们现今所学的有数据构成这种KV关系的就只有字典了
for score in scores:

作用：使用 for 循环遍历 scores 列表中的每个分数，将每个分数赋值给变量 score。
if score >= 90:
groups['优秀'] += 1

作用：检查当前的 score 是否大于或等于 90。

如果是，则将 groups 字典中 '优秀' 的值加 1，表示又增加了一个优秀的学生。

elif score >= 80:
groups['良'] += 1

作用：如果上一个条件不满足，则检查 score 是否在 80 到 89 之间。

如果是，将 '良' 的值加 1。

elif score >= 70:
groups['中'] += 1

作用：如果上一个条件也不满足，检查 score 是否在 70 到 79 之间。

如果是，将 '中' 的值加 1。

elif score >= 60:
groups['及格'] += 1;

作用：检查 score 是否在 60 到 69 之间。

如果是，将 '及格' 的值加 1。

else:
groups['不及格'] += 1;

作用：如果以上条件都不满足，说明 score 小于 60。

将 '不及格' 的值加 1，统计不及格的学生人数。

print("groups = ", groups)

 作用：输出 groups 字典的内容，显示各个分数段的学生人数。

 输出格式：使用 print() 函数，前面添加了 "groups = " 作为描述，后面跟着字典内容。

print可以打印任何类型的数据

在循环部分有人会写成这个样子，也可以的，就是没有利用到条件直接的排除性，但是需要考虑两边的and的边界问题，也注意一下逻辑与的使用，python没有&&这个在C++表示逻辑与的字符

for score in scores:
    if score >= 90 and score <= 100:
        groups['优秀'] += 1
    elif score >= 80 and score < 90:
        groups['良'] += 1
    elif score >= 70 and score < 80:
        groups['中'] += 1
    elif score >= 60 and score < 70:
        groups['及格'] += 1;
    else:
        groups['不及格'] += 1;

总代码演示：

scores = [89, 70, 49, 87, 92, 84, 73, 71, 78, 81, 90, 37, 77, 82, 81, 79, 80,
          82, 75, 90, 54, 80, 70, 68, 61]
groups = {'优秀' : 0, '良':0, '中':0, '及格':0, '不及格':0}
for score in scores:
    if score >= 90:
        groups['优秀'] += 1
    elif score >= 80:
        groups['良'] += 1
    elif score >= 70:
        groups['中'] += 1
    elif score >= 60:
        groups['及格'] += 1;
    else:
        groups['不及格'] += 1;
print("groups = ", groups)

例3-9：

这种题的难度就在于两层循环的起始点和步长等的控制。

个人代码解析：

for i in range(1, 10):

作用：这个循环从 1 到 9（包括 1，不包括 10）迭代，i 将取这些值之一。
for j in range(1, i + 1):

作用：这是一个嵌套循环，j 从 1 到 i（包括 i）迭代。随着 i 的增加，j 的范围也会增加。
print(f'{i} * {j} = {i * j : 2}', end = ' ')

作用：打印乘法表达式 i * j 的结果，格式化输出。{i * j : 2} 意味着结果的宽度至少为 2。格式化打印，end = ' '：这使得打印不换行，而是用空格分隔。
print()
作用：在内层循环结束后打印一个换行符，以便为下一个 i 的输出创建新的一行。

这部分代码打印一个标准的乘法表。每一行对应一个数字 i，显示了从 1 到 i 的乘法结果。
print()

作用：打印一个空行，以便在两个乘法表之间有一个间隔。
for i in range(1, 10):

作用：与之前相同，i 从 1 到 9 迭代。
for j in range(i, 10):

 作用：这个嵌套循环从 i 到 9（包括 9）迭代，打印乘法表达式。

 示例：当 i = 3 时，j 将取值 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9。由于可以观察到上三角形式打印每行开始j的值都等于i所以j的循环开始条件就是j == i
print(f'{i} * {j} = {i * j : <2}', end=' ' * 4)

 作用：打印乘法表达式 i * j 的结果，格式化输出。{i * j : <2} 表示结果左对齐，宽度至少为 2。

{i*j:2<} 表示计算 i*j 并输出其结果，确保输出的宽度至少为 2 个字符，并且左对齐。

 如果结果的字符数小于 2，就在右侧填充空格；如果字符数大于 2，则不做处理。

请区别于{i*j:<2}，所以为了保证前面对齐我们要使用<2。

 end=' ' * 4：这个地方的 end 参数实际上是空格字符。' ' * 4 会创建一个字符串 ' '（四个空格），因此在每个乘法表达式之后会添加四个空格。
print()

作用：在内层循环结束后打印一个换行符，以便为下一个 i 的输出创建新的一行。

这部分代码打印了另一种格式的乘法表，每一行显示了 i 乘以从 i 到 9 的结果，并且每个乘法表达式之间用四个空格分隔。

全部代码展示：

for i in range(1, 10):
    for j in range(1, i + 1):
        print(f'{i} * {j} = {i * j : 2}', end = ' ')
    print()

print()
for i in range(1, 10):
    for j in range(i, 10):
        print(f'{i} * {j} = {i * j : <2}', end=' ' * 4)
    print()