Python——程序结构控制（模块3: random库的使用）（实例:身体质量指数BMI及圆周率的计算）

Posted 2021-10-01 柠檬茶@

前言

本篇主要介绍程序结构控制，以BMI的计算为例，介绍循环结构的控制和使用。以圆周率的计算为例，介绍random库的使用。
（从本篇开始，出现的一些库中函数介绍以及部分简单代码都将以图片形式呈现）

读完本篇，你将了解：
1.方法论
Python程序的控制语法及结构
2.实践能力
学会编写带有条件判断及循环的程序

本篇将系统介绍：
1.程序的分支结构（单、二、多分支结构，条件判断及异常处理）
2.实例：身体质量指数BMI
3.程序的循环结构（遍历循环、无限循环；循环控制保留字及循环高级用法）
4.模块3: random库的使用（基本随机函数及扩展随机函数）
5.实例:圆周率的计算

一、程序的分支结构

1.单分支结构

根据判断条件结果而选择不同向前路径的运行方式
（1）结构：（如果，则）
if<条件>∶
<语句块>

（2）简单实例

guess = eval(input())
if guess == 99:
    print("猜对了")

也可直接使用真假

if True:
    print("条件正确")

2.二分支结构

根据判断条件结果而选择不同向前路径的运行方式
（1）结构：
if<条件>∶
<语句块1>
else:
<语句块2>
（2）简单实例

guess = eval(input())
if guess == 99:
    print("猜对了")
else:
    print("猜错了")

if True:
    print("语句块1")
else:
    print("语句块2")

（3）紧凑形式：适用于简单表达式的二分支结构
①结构：<表达式1> if <条件> else<表达式2>
当条件成立了返回表达式1的信息
②见代码

guess = eval(input())
print("猜{}了".format("对" if guess == 99 else"错"))

③好处：简单的一行代码表达二分支结构
④注意：紧凑形式中，if else所对应的输出不是语句（带赋值形式的，有等号构成），而是表达式

3.多分支结构

根据多个条件来选择不同语句块运行的一种分支结构
（1）结构：
if <条件>︰
<语句块1>
elif :
<语句块2>
…
else :
<语句块2>

（2）简单实例：对不同分数分级的问题

score = eval(input())
if score >= 90:
    grade = "A"
elif score >= 80:
    grade = "B"
elif score >= 70:
    grade = "C"
elif score >= 60:
    grade = "D"
print("输入成绩属于级别{}".format(grade))

（3）注意：
①注意多条件之间的包含关系
②注意变量取值范围的覆盖

4.条件判断及组合

（1）条件判断
相关操作符

（2）条件组合
用于条件组合的三个保留字

（3）实例

guess = eval(input())
if guess > 99 or guess < 99:
    print("猜错了")
else:
    print("猜对了")

if not True:
    print("语句块2")
else:
    print("语句块1")

5.程序的异常处理

（1）异常处理的基本使用
try :
<语句块1>
except :
<语句块2>
执行语句1，出现异常执行语句2

（2）进一步区分不同的异常类型
try :
<语句块1>
except<异常类型> :
<语句块2>
增加标记，仅在此种异常类型发生时才执行语句块2

（3）简单实例

try:
    num = eval(input("请输入一个整数: "))
    print(num ** 2)
except:
    print("输入不是整数")

也可改为except NameError

（4）注意：标注异常类型后，仅响应该异常。异常类型名字等同于变量
（5）异常处理的高级使用
try :
<语句块1>
except :
<语句块2>
else :
<语句块3>
finally:
<语句块4>
注意：无论前面是否发生异常，finally对应语句块4—定执行
else对应语句块3在不发生异常时执行

二、实例5：身体质量指数BMI

1.问题分析

BMI∶对身体质量的刻画
（1）BMI : Body Mass Index
国际上常用的衡量人体肥胖和健康程度的重要标准，主要用于统计分析
（2）定义:BMI=体重(kg)/身高^2(m2 )
（3）问题需求
输入∶给定体重和身高值
输出:BMI指标分类信息(国际和国内)

2.实例讲解

（1）思路方法
难点在于同时输出国际和国内对应的分类
①思路1:分别计算并给出国际和国内BMI分类
②思路2∶混合计算并给出国际和国内BMI分类

（2）代码实现
①思路1

# CalBMIv1
height, weight = eval(input("请输入身高(米)和体重(公斤)[逗号隔开]:"))
bmi = weight / pow(height, 2)
print("BMI数值为:{:.2f}".format(bmi))
who = ""
if bmi < 18.5:
    who = "偏瘦"
elif 18.5 <= bmi < 25:
    who = "正常"
elif 25 <= bmi < 30:
    who = "偏胖"
else:
    who = "肥胖"
print("BMI指标为:国际‘{0}’".format(who))

简单修改后即可输出国内BMI
②思路2

# CalBMIv2
height, weight = eval(input("请输入身高(米)和体重(公斤)[逗号隔开]:"))
bmi = weight / pow(height, 2)
print("BMI数值为:{:.2f}".format(bmi))
who, nat = "", ""
if bmi < 18.5:
    who, nat = "偏瘦", "偏瘦"
elif 18.5 <= bmi < 25:
    who, nat = "正常", "正常"
elif 24 <= bmi < 25:
    who, nat = "正常", "偏胖"
elif 25 <= bmi < 28:
    who, nat = "偏胖", "偏胖"
elif 28 <= bmi < 30:
    who, nat = "偏胖", "肥胖"
print("BMI指标为:国际‘{0}’, 国内'{1]".format(who, nat))

3.举一反三

（1）关注多分支条件的组合
①多分支条件之间的覆盖是重要问题
②程序可运行，但不正确，要注意多分支
③分支结构是程序的重要框架，读程序先看分支

三、程序的循环结构

1.遍历循环

遍历某个结构形成的循环运行方式
（1）结构：从遍历结构中逐一提取元素，放在循环变量中
for <循环变量> in<遍历结构>∶
<语句块>
①由保留字for和in组成，完整遍历所有元素后结束
②每次循环，所获得元素放入循环变量，并执行一次语句块

（2）常用搭配使用方式（具体应用）
①计数循环（N次)
for i in range(N):
<语句块>
遍历由range()函数产生的数字序列，产生循环

②计数循环（特定次)：实现特定次的计数循环
for i in range(N,M,K):
<语句块>
1）M开始（不到N）到N之前的整数,以K为步长
2）举例：

③字符串遍历循环
for c in s:
<语句块>
1）s是字符串，遍历字符串每个字符放到c中，产生循环
2）举例：

④列表遍历循环
for item in ls:
<语句块>
1）ls是一个列表，遍历其每个元素放到item中，产生循环
2）举例：

⑤文件遍历循环
for line in fi:
<语句块>
1）fi是一个文件标识符，遍历其每行，产生循环
2）举例：

2.无限循环

由条件控制的循环运行方式
（1）结构：
while<条件>∶
<语句块>
反复执行语句块，直到条件不满足时结束

（2）无限循环的条件

这段程序将永远执行下去

3.循环控制保留字

（1）break和continue
①break跳出并结束当前整个循环，执行循环后的语句
②continue只结束当次循环，继续执行后续次数循环
③break和continue可以与for和while循环搭配使用

（2）双层循环举例：

s不为空则打印s，每次for之后进行切片操作，在其中插入break
（即只要遇到T就停止遍历）
说明：一个break仅跳出当前最内层循环

4.循环的高级用法

（1）循环与else
①结构1：
for <循环变量> in<遍历结构>∶
<语句块1>
else :
<语句块2>

②结构2：
while <条件>:
<语句块1>
else :
<语句块2>

（2）作用：
①当循环没有被break语句退出时，执行else语句块
②else语句块作为"正常"完成循环的奖励
③这里else的用法与异常处理中else用法相似

（3）举例：

四、模块3: random库的使用

1.random库概述

random库是使用随机数的Python标准库
（1）伪随机数:采用梅森旋转算法生成的(伪)随机序列中元素
（2）random库主要用于生成随机数
（3）使用random库:import random
（4）random库包括两类函数，常用共8个
①基本随机数函数: seed(), random()
②扩展随机数函数: randint(), getrandbits(), uniform(),randrange(), choice(), shuffle()

2.基本随机数函数

（1）随机数种子
随机序列根据种子唯一确定，随机数种子确定了随机序列的产生
（2）两个基本函数

①若不调用seed函数，将使用当前操作系统的默认系统时间作为种子
②random函数中随机小数的产生与种子有关

（3）举例：

种子只需要给一次，会产生后续的随机数。不给种子，默认种子为当前调用第一次random函数的系统时间
（4）使用种子的好处：
可以复现或者再现程序运行的过程

3.6个常用扩展随机数函数

（1）函数介绍

另外两个函数与序列有关

编写代码时如果要将几行代码放在一行中，用分号分隔

4.需要掌握的能力

（1）能够利用随机数种子产生"确定"伪随机数
（2）能够产生随机整数
（3）能够对序列类型进行随机操作

五、实例6:圆周率的计算

1.问题分析

（1）圆周率的近似计算公式

（2）蒙特卡罗方法
撒点（随机）计算

2.实例讲解

（1）编写程序实现上述近似公式
①累加求和，变量k从0开始到无穷大，后边就是一个分数以及乘方乘积的关系
②for循环实现累加

（2）代码实现近似公式
①假设无穷大是100
②增加“\\”使代码进行换行
③运行结果：圆周率值是:3.141592653589793

（3）蒙特卡罗方法的实现（使用四分之一单位正方形）
①DARTS：当前在区域中抛撒点的总数量，设为100万
②hits：在圆的内部的点的数量
③start：当前的系统时间的一个值，启动计时
④循环撒点的过程，可以描述为一次遍历循环的过程，对每一个点做一个循环体的运算
⑤用for in range对所有点进行抛洒
⑥x，y：两个随机数的坐标值，random函数返回0-1的小数值，单位正方形横纵坐标也在0-1之间
使用x，y获得当前的某一个坐标，即为一个随机抛点
⑦如何判断点在圆内：使用这个点到圆心的距离，用pow函数计算，小于1则在圆内部，hits加一
⑧hits比上撒点值再乘以4，即为圆周率

3.举一反三

（1）理解方法思维
①数学思维:找到公式，利用公式求解
②计算思维:抽象一种过程，用计算机自动化求解

（2）程序运行时间
①使用time库的计时方法获得程序运行时间
②改变撒点数量，理解程序运行时间的分布（从性能角度说，关注循环）
③初步掌握简单的程序性能分析方法

（3）计算问题的扩展
①不求解圆周率，而是某个特定图形的面积
②在工程计算中寻找蒙特卡罗方法的应用场景

总结

经过本篇的学习，可以大致掌握运用控制循环结构去实现一些问题的求解（本篇只是基础），大家可以尝试不同的控制结构去拓展更多的循环高级用法。循环的高级用法中的else处理机制与异常处理机制类似，是与c++中不同的语法体系。
善于使用random库函数解决数学问题，学会用代码实现数学思维向计算机语言思维的转换。
如有错误，欢迎指正！
注：代码非原创
下篇将介绍函数和代码复用。