P04 Flow Control#

for-if-else的語法概念本身並不難，一個是重複執行的結構，一個是條件判斷式。學習重點應在於，怎麼活用他們來完成一些任務。

  • for-loop: Interating and Traversing

    • 基本用法：用於計數和列出特定資料集。

    • 列舉（Iterating）：遍歷列表或其他集合型態的所有元素。

    • 走訪（Traversing）：用於走訪複雜的資料結構，如多維陣列或樹狀結構。

  • break 和 continue：控制迴圈

    • continue：在特定條件下跳過迴圈內剩餘的指令。

    • break：在特定條件下終止整個迴圈。

    • 在網路爬蟲中常用，以處理不確定的爬取範圍和資料可用性。

  • range() 函式

    • 用於生成數字序列。

    • 可接受一個、兩個或三個參數，以控制數字序列的起始、結束和間隔。

    • 可用於逆序列舉和資料型態轉換。

  • Nested for-loop

    • 基本語法：一個迴圈內包含另一個或多個迴圈。

    • 應用場景：二維數組遍歷、矩陣運算等。

    • 計算量較大，需注意效能問題。

    • 實作：九九乘法表實作

  • if-elif-else

    • 應用場景：多條件判斷、多分支判斷、多路徑判斷

    • 實作：成績等第制

Traverse and Iterate#

在 Python 中，for 迴圈的功能主要是用來「逐一」處理序列（如 list、tuple、字串、或其他可迭代（Iterable）物件）中的元素，也就是所謂的 for-each 概念。for 迴圈可以遍歷（iterating）一個列表（list）或其他集合型態的所有元素，並對每一個元素執行特定操作。例如，你可以用它來計算數字的總和或平均值。除了基本的列舉外，for 迴圈還可以用於走訪（traversing）複雜的資料結構，例如多維陣列或樹狀結構。

與傳統需要依靠索引來控制迴圈不同，Python 的 for 會直接把序列裡的每個元素依序取出，讓程式設計者可以專注在「處理元素本身」而不是「管理索引」。例如：for fruit in ["apple", "banana", "cherry"]: 會依序把 “apple”、”banana”、”cherry” 指派給變數 fruit，因此每次迴圈就能針對該元素進行操作，這樣的設計簡潔直觀，非常適合用來處理資料集合。

# Counting
fruit_count = {}
fruit_list = ['apple', 'apple', 'banana', 'apple', 'banana', 'grape', 'banana', 'apple']

for fruit in fruit_list:
   if fruit not in fruit_count:
       fruit_count[fruit] = 1
   else:
       fruit_count[fruit] = fruit_count[fruit] + 1

print(fruit_count)

{'apple': 4, 'banana': 3, 'grape': 1}

用以僅僅是把所有的內容給print出來。

# Printing
for fruit in fruit_list:
    print("I love", fruit)

I love apple
I love apple
I love banana
I love apple
I love banana
I love grape
I love banana
I love apple

# Print key-value pairs in aligned columns (converted from dictionary to list of tuples)
for fruit, n in fruit_count.items():
    print(f'{fruit:10} ==> {n:10d}')

apple      ==>          4
banana     ==>          3
grape      ==>          1

break & continue: stop or skip#

在for-loop執行過程中，有時候會希望在某些條件成立時，就直接終止並跳出整個for-loop，或者，迴圈內以下的內容就不要執行，直接執行下一個iteration。包含以下兩種指令：

  • continue: 當條件成立，下方的迴圈內容就不再執行，直接進入下一個iteration。

  • break：當條件成立，就終止整個回圈，跳出回圈的執行。

在寫爬蟲的時候經常會用到break和continue的指令，原因是常常不知道究竟要爬多少頁才要停下來，或者，會不會爬到一個已經被移除的貼文（例如PTT）。

  • break的應用：在撰寫爬蟲的時候，偶而會遇到不知道要爬到什麼時候，或者總資料筆數有多少（例如Twitter、DCard等等有API的服務）。此時通常會為for-loop設定一個過大停止值，例如撈個1000,000頁。此時，for-loop會一頁一頁往下撈，但總會遇到for-loop撈不到下一頁的情形，那就看看產生的錯誤是什麼，然後用if來判斷，如果出現該錯誤的時候，我就break出整個for-loop迴圈，就會停止該for-loop而不會真的撈到100,000頁。

  • continue的應用：在撰寫爬蟲的時候，通常我們會在for-loop中邊爬邊剖析資料，也就是把一個頁面爬下來之後，就立刻剖析他，偵測看看標題、作者是什麼，然後才進入下一迴圈、爬下一個頁面。但是，偶而就會遇到像是PTT的貼文一樣，明明還有該網址，但是內容卻被移除了。既然內容被移除了，那就偵測不到標題和作者了。這時候，程式的寫法往往會是，我偵測看看是不是貼文是不是被移除了，如果被移除了，雖然我把該頁抓下來了，那我就用continue跳過剖析頁面資料的過程，直接進入下一圈迴圈（沒跳過反而會出現Error）。但也許各位會問，那這樣不就和if-else很像？如果偵測到什麼，就做什麼事。但利用continue可以讓程式碼比較乾淨，不用把之後要剖析資料的程式碼，放在if-else的判斷式裡面。

continue的邏輯示意圖如下，當滿足某個條件而執行continue時，便不會執行在for-loop在continue後面的指令，而會直接進入下一圈for-loop（Illustration from https://www.geeksforgeeks.org/break-continue-and-pass-in-python/）。

image.png

以下面這個例子為例，我希望列出所有成績100分以上的學生名字。當成績大於等於100分時，我就print該學生名字，然後進入下一圈迴圈。如果成績小於100分，就不做任何事，直接進入下一圈迴圈。

grades = {'albert': 33, 'bob': 44, 'carlos': 100, 'david': 90, 'ellen': 100}
for g in grades:
    if grades[g] >=100:
        print(g)

carlos
ellen

運用continue的寫法：當for-loop遇到小於100的數值時，就直接進入下一個iteration，不會執行到print(g)。

grades = {'albert': 33, 'bob': 44, 'carlos': 100, 'david': 90, 'ellen': 100}
for g in grades:
    if grades[g] < 100:
        continue
    print(g)

carlos
ellen

在下面的例子中，若讀到大於等於100的數值，break會使得整個for-loop終止。通常用於找到一序列的資料中，有沒有包含某個合乎條件的情形，有的話便跳出。

grades = {'albert': 33, 'bob': 44, 'carlos': 100, 'david': 90, 'ellen': 100}
for g in grades:
    if grades[g] >= 100:
        print(g)
        break

carlos

range() function#

range() 是一個內建函數，主要用於生成一個數字序列。這個函數可以接受一個、兩個或三個參數，各自有不同的用途。for-loop為了用index來列舉所有List中的項目，經常搭配range()使用。基本用法如下

  • 一個參數：range(n) 會生成從 0 到 n-1 的整數序列。

  • 兩個參數：range(start, stop) 會生成從 start 到 stop-1 的整數序列。

  • 三個參數：range(start, stop, step) 會生成從 start 到 stop-1 的整數序列，其中每個數字的間隔是 step。

  • 逆序列舉：你可以使用負數作為 step 參數，來生成一個逆序的數字序列。如for i in range(5, 0, -1)會輸出5 4 3 2 1。

  • 資料型態轉換：雖然 range() 主要用於生成整數序列，但你也可以通過轉換來創造其他類型的序列，例如將其轉換為一個列表。my_list = list(range(5))

range()函數對於for迴圈來說是極其有用的，因為他可以讓for迴圈遍歷過一個範圍內的所有數字，因而可以用來遍歷一個列表（List）或其他資料結構。

for x in range(6):
  print(x)

0
1
2
3
4
5

for x in range(2, 6):
  print(x)

2
3
4
5

for x in range(2, 30, 3):
  print(x)

2
5
8
11
14
17
20
23
26
29

alist = ['apple', 'banana', 'cherry']
for i in range(len(alist)):
    print(i, alist[i])

0 apple
1 banana
2 cherry

Nested for-loop#

在程式設計中，嵌套迴圈（nested loops）是一個迴圈內包含另一個或多個迴圈的概念。在這節教學中，我們將透過實例來介紹如何使用 Python 中的嵌套 for-loop。

基本語法

for outer_var in outer_sequence:
    # outer loop body
    for inner_var in inner_sequence:
        # inner loop body
    # end of inner loop
# end of outer loop

應用情景

  • 二維數組或列表的遍歷。

  • 矩陣運算。

  • 圖形和遊戲開發中的格點系統。

補充說明

  • 嵌套迴圈會大幅度增加程式的計算量，因此，在使用時應該特別注意效能問題。適當地使用break或continue能夠提高嵌套迴圈的效能。

Binning (Bucketing, Discretization) with if-elif-else#

Binning 是把原始的數值資料依照規則切分成不同的區間，然後轉換成類別。這樣做的目的是簡化數據，讓人能夠快速理解，或方便後續分析。

  1. 成績資料可以從 0–100 的分數轉換成 A、B、C、D、F 等等第，讓老師和學生不必在意細小的分數差異，而是直接判斷學習表現。

  2. 空氣污染指數（AQI）可以從原本的整數轉成七個等級，對應顏色或文字標籤，讓民眾一眼就能理解目前的空氣品質狀況。

  3. YouBike 的即時狀態可以根據剩餘車輛數與空位數分成「滿位」「順暢」「缺車」三類，讓使用者快速做決策。

Binning的方法最簡單的是用if-elif-else條件語句。在程式設計中，if-elif-else 是用來執行基於一個或多個條件的分支運算。在這節教學中，我們會透過實例來介紹如何在 Python 中使用 if-elif-else 條件語句。

基本語法

if condition1:
    # Code block for condition1
elif condition2:
    # Code block for condition2
else:
    # Code block if none of the conditions are met

範例：學生成績評定。以下是一個簡單的 if-elif-else 程式範例，用來評定學生成績。

grade = 85

if grade >= 90:
    print("優秀")
elif grade >= 80:
    print("良好")
elif grade >= 70:
    print("中等")
elif grade >= 60:
    print("及格")
else:
    print("不及格")

應用場景

  • 數值比較（例如，找出最大值或最小值）。

  • 狀態檢查（例如，檢查檔案是否存在）。

  • 資料過濾和篩選。

Counting: Discretize grades into categories and count frequency#

在這個Python練習題中，我們有一個名為grades的列表，其中包含多個學生成績（範圍為0到100分）。我們還有一個名為grade_dict的字典，用於存儲各等級（A、B、C、F）的頻率。我們的任務是使用for迴圈遍歷grades列表，並根據每個學生成績更新grade_dict字典。

  • 練習Python的基本數據結構（列表和字典）

  • 熟悉條件語句（if-elif-else）

  • 練習迴圈結構

提示

  1. 條件判斷: 注意條件語句中的數字範圍。例如，等級”A”對應的分數範圍是80至100。

  2. 字典更新: 在適當的條件塊內，使用+= 1來更新grade_dict中的相應頻率。

  3. 確保範圍: 由於學生成績的範圍是0到100，所以在條件語句中確保所有可能的分數都被考慮到。

  4. 結果輸出: 最後的print(grade_dict)將顯示各等級的頻率。您可以進一步優化輸出格式，以便更易於閱讀。

# Initializing level frequency
grades = [17, 65, 5, 74, 93, 1, 94, 16, 80, 95, 32, 78, 17, 70, 22, 43, 95, 67, 3, 30, 40, 51, 96, 17, 13, 21, 4, 47, 19, 44, 59, 6, 0, 83, 40, 89, 39, 57, 99, 35, 81, 31, 89, 63, 80, 85, 36, 60, 17, 68, 62, 36, 3, 28, 8, 38, 83, 73, 67, 2]
grade_dict = {'F':0, "C":0, "B":0, "A":0}

# Counting level frequency
for g in grades:
    if 100 >= g >= 80:
        grade_dict["A"] += 1
    elif 79 >= g >= 72:
        grade_dict["B"] += 1
    elif 71 >= g >= 60:
        grade_dict["C"] += 1
    else:
        grade_dict["F"] += 1
print(grade_dict)

{'F': 35, 'C': 8, 'B': 3, 'A': 14}

Binning: Rescale grades into categories#

前述方法是將數值資料進行計數，看看有多少個A、B、C、F等級的成績。不過Binning實際上指的是把原本的數值資料，轉換成類別資料。例如，空氣品質指數（AQI）可以從原本的整數轉成七個等級，對應顏色或文字標籤，讓民眾一眼就能理解目前的空氣品質狀況。

grades = [17, 65, 5, 74, 93, 1, 94, 16, 80, 95, 32, 78, 17, 70, 22, 43, 95, 67, 3, 30, 40, 51, 96, 17, 13, 21, 4, 47, 19, 44, 59, 6, 0, 83, 40, 89, 39, 57, 99, 35, 81, 31, 89, 63, 80, 85, 36, 60, 17, 68, 62, 36, 3, 28, 8, 38, 83, 73, 67, 2]
levels = []
for g in grades:
    if 100 >= g >= 80:
        levels.append("A")
    elif 79 >= g >= 72:
        levels.append("B")
    elif 71 >= g >= 60:
        levels.append("C")
    else:
        levels.append("F")
print(levels)

from collections import Counter
print(Counter(levels))

['F', 'C', 'F', 'B', 'A', 'F', 'A', 'F', 'A', 'A', 'F', 'B', 'F', 'C', 'F', 'F', 'A', 'C', 'F', 'F', 'F', 'F', 'A', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'A', 'F', 'A', 'F', 'F', 'A', 'F', 'A', 'F', 'A', 'C', 'A', 'A', 'F', 'C', 'F', 'C', 'C', 'F', 'F', 'F', 'F', 'F', 'A', 'B', 'C', 'F']
Counter({'F': 35, 'A': 14, 'C': 8, 'B': 3})