102 - Control Flow.ipynb

{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Python Einführungskurs für das Physikalische Anfängerpraktikum der Universität Heidelberg | [Startseite](index.ipynb)\n",
    "\n",
    "---"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "# 102 - Control Flow"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "- [`if`-Abfragen](#if-Abfragen)\n",
    "- [Aufgabe 1 - Raumtemperatur](#Aufgabe-1---Raumtemperatur)\n",
    "- [`for`-Schleifen](#for-Schleifen)\n",
    "- [Aufgabe 2 - Primzahlen](#Aufgabe-2---Primzahlen)\n",
    "- [`while`-Schleifen](#while-Schleifen)\n",
    "- [Aufgabe 3 - Fibonacci](#Aufgabe-3---Fibonacci)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Wir können Variablen nun Werte verschiedener Typen zuweisen:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "a = 1\n",
    "b = 3.14\n",
    "c = 'hello'\n",
    "d = [a, b, c]"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Doch um ein sinnvolles Programm zu schreiben benötigen wir sog. _Control Flow_ Anweisungen, die steuern, wie sich das Programm je nach Situation zu verhalten hat. Dazu gehören vor allem `if`-Abfragen und `for`- und `while`-Schleifen."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## `if`-Abfragen\n",
    "\n",
    "Die einfachste Form von _control flow_ ist die `if`-Abfrage. Ein Codeblock wird nur dann ausgeführt, wenn eine Bedingung den `bool`-Wert `True` ergibt. Ein optionaler `else`-Codeblock kann ausgeführt werden, wenn die Bedingung _nicht_ `True` ergibt. Die Syntax für `if`-Abfragen lautet wie folgt:\n",
    "```python\n",
    "if condition:\n",
    "    # do something\n",
    "elif condition:\n",
    "    # do something else\n",
    "else:\n",
    "    # do yet something else\n",
    "```\n",
    "Beachtet, dass die Codeblöcke nicht durch Steuerzeichen begrenzt werden. Stattdessen endet die Bedingung lediglich mit einem Doppelpunkt (`:`) und der zugehörige der Codeblock ist **eingerückt**.\n",
    "\n",
    "> **Hinweis:** In Python werden Codeblöcke durch Doppelpunkte und Einrückungen begrenzt. Per Konvention werden dazu jeweils vier Leerzeichen pro Einrückungslevel verwendet."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Verändere bspw. im folgenden Code den Wert von `a` und schaue, wie sich der Output verändert."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "a = 1\n",
    "if a < 5:\n",
    "    print(\"a ist zu klein, setze auf 5\")\n",
    "    a = 5\n",
    "else:\n",
    "    print(\"a ist groß genug.\")\n",
    "print(\"a ist nun {}.\".format(a))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Der erste Aufruf der `print`-Funktion und die Änderung des Werts von `a` wird nur ausgeführt, wenn der Wert von `a` kleiner als `5` ist. Ansonsten wird der `else`-Block ausgeführt. Der letzte Aufruf der `print`-Funktion wird jedoch immer ausgeführt."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### Vergleichs-Operatoren produzieren Booleans\n",
    "\n",
    "Die Bedingung der `if`-Abfrage kann alles sein, was einen `bool`-Wert zurückgibt.\n",
    "\n",
    "Werte von Datentypen, die Vergleiche unterstützen, können mit Vergleichs-Operatoren zu einem Boolean kombiniert werden:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "1 == 3 # \"gleich\""
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "1 != 3 # \"ungleich\""
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "1 > 3 # \"größer\""
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "3 <= 3.4 # \"kleiner oder gleich\""
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "> Die einfachsten Bedingungen sind die expliziten `bool`-Werte `True` und `False`. Beachte, dass `True` und `False` in Python mit großem Anfangsbuchstaben geschrieben werden."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### Logische Operatoren kombinieren Booleans\n",
    "\n",
    "Booleans können mit den logischen Operatoren `and`, `or` und `not` kombiniert werden:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "True and False"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "True or False"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "not True"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "(False and (True or False)) or (False and True)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Aufgabe 1 - Raumtemperatur\n",
    "\n",
    "a) Schreibe eine `if`-Abfrage, die die Temperatur `T` mit der Raumtemperatur `T_Raum` vergleicht und mit `print` ausgibt, ob die Temperatur zu warm, zu kalt oder genau bei Raumtemperatur ist.\n",
    "\n",
    "b) Setze den Boolean-Wert der Variable `heating` auf `True`, wenn die Temperatur unter der Raumtemperatur liegt, und andernfalls auf `False`. Du kannst dies entweder explizit in die `if`-Abfrage integrieren oder separat durch einen Boolean-Ausdruck setzen. Gib je nach dem Wert von `heating` mit `print` aus, ob geheizt wird oder nicht.\n",
    "\n",
    "Probiere dein erstes kleines Programm aus, indem du den Wert von `T` veränderst."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "nbgrader": {
     "grade": false,
     "grade_id": "102-1-sol",
     "locked": false,
     "schema_version": 1,
     "solution": true
    }
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "T = 20\n",
    "T_Raum = 21\n",
    "heating = False\n",
    "### BEGIN SOLUTION\n",
    "if T == T_Raum:\n",
    "    print(\"Temperatur bei Raumtemperatur.\")\n",
    "elif T < T_Raum:\n",
    "    print(\"zu kalt!\")\n",
    "elif T > T_Raum:\n",
    "    print(\"zu warm!\")\n",
    "heating = T < T_Raum\n",
    "if heating:\n",
    "    print(\"Es wird geheizt.\")\n",
    "else:\n",
    "    print(\"Heizung ist aus.\")\n",
    "### END SOLUTION"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "nbgrader": {
     "grade": true,
     "grade_id": "102-1-test",
     "locked": true,
     "points": 2,
     "schema_version": 1,
     "solution": false
    }
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "from nose.tools import assert_equal\n",
    "assert_equal(heating, T < T_Raum, \"Der Wert von `heating` passt nicht. Setze den Wert nur dann auf `True`, wenn `T < T_R` ist.\")\n",
    "print(\"👏 Easy.\")"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### Weitere Bool'sche Operatoren\n",
    "\n",
    "Python stellt noch einige weitere nützliche Operatoren zur Verfügung."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "- Der `in` Operator prüft, ob ein Wert in einer Reihe enthalten ist:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "3 in [ 1, 3, 5 ]"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "- Der `is` Operator prüft, ob zwei Objekte _identisch_ sind, also ein und dasselbe Objekt sind."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "s = \"Hello World\"\n",
    "t = \"Hello World\"\n",
    "s == t, s is t"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "1000 == 10**3, 1000 is 10**3"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "> Meistens sind wir nur an der _Gleichheit_ von Werten interessiert und verwenden den Gleichheits-Operator (`==`). Die _Identität_ von Objekten wird erst in der _Objektorientierten Programmierung_ relevant wenn wir mit _Reference_-Typen arbeiten, statt wie bisher mit _Value_-Typen.\n",
    ">\n",
    "> Ein häufiger Anwendungsfall für den Identitäts-Operator `is` ist jedoch der Vergleich mit `None`. Das Symbol `None` stellt das Nicht-Vorhandensein eines Wertes in Python dar:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "a = None\n",
    "if a is None:\n",
    "    print(\"a hat keinen Wert!\")\n",
    "else:\n",
    "    print(\"a ist {}.\".format(a))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## `for`-Schleifen\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Mit Schleifen kann ein Codeblock mehrmals ausgeführt werden. Die meistverwendete Schleife ist die `for`-Schleife mit folgender Syntax:\n",
    "\n",
    "```python\n",
    "for value in iterable:\n",
    "    # do things\n",
    "```\n",
    "\n",
    "`iterable` kann dabei eine beliebige _Reihe_ sein, also bspw. eine Liste, ein Tupel oder auch ein String:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "for x in [3, 1.2, 'a']:\n",
    "    print(x)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "for letter in 'hello':\n",
    "    print(letter)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### Einen Codeblock `n`-mal ausführen\n",
    "\n",
    "Manchmal soll ein Codeblock eine bestimmte Zahl von Iterationen ausgeführt werden. Dazu können wir die `range` Funktion verwenden:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "for i in range(5):\n",
    "    print(i)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Du kannst nachschauen, wie die `range` Funktion definiert ist und welche Optionen sie bietet, indem du die `?`-Dokumentation aufrufst. Entferne das `#`-Zeichen und führe die Zelle aus:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "#range?"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Wir können die Funktion also auch mit den Argumenten `start`, `stop` und (optional) `step` aufrufen:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "for i in range(2, 10, 2):\n",
    "    print(i)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### Eine Schleife abbrechen oder Schritte überspringen"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "- Mit dem Befehl `break` kann eine Schleife abgebrochen werden:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "for i in range(100):\n",
    "    if i > 3:\n",
    "        break\n",
    "    print(i)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "- Mit dem Befehl `continue` wird lediglich der aktuelle Schritt der Schleife abgebrochen:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "for i in range(3):\n",
    "    if i == 1:\n",
    "        continue\n",
    "    print(i)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### Listen mit `for`-Schleifen erstellen\n",
    "\n",
    "Ein sehr praktisches Konzept um in Python mit Listen zu arbeiten nennt sich _list comprehension_. Mit folgender Syntax wird eine Operation auf jedes Element der gegebenen Reihe angewendet. Zurückgegeben wird dann eine Liste mit den so berechneten Elementen:\n",
    "\n",
    "```python\n",
    "new_elements = [operation(element) for element in iterable]\n",
    "```\n",
    "\n",
    "Hier wird bspw. die Operation $x^2$ auf alle $x \\in [0,10]$ angewendet:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "[x**2 for x in range(11)]"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Aufgabe 2 - Primzahlen\n",
    "\n",
    "Schreibe ein Programm, das alle Primzahlen kleiner `50` bestimmt. Füge sie der Liste `primes` hinzu.\n",
    "\n",
    "**Hinweis:** Der `%`-Operator gibt den Rest der Division zweier Integer zurück.\n",
    "\n",
    "**Möglicher Ansatz:** Versuch's mal mit einer Boolean-Variable `is_prime` für jede der Zahlen bis `50`, die zunächst `True` ist und dann in einer zweiten `for`-Schleife ggfs. auf `False` gesetzt wird.\n",
    "\n",
    "**Erinnerung:** Mit der `append` Methode können wir Elemente einer Liste hinzufügen."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "nbgrader": {
     "grade": false,
     "grade_id": "102-2-sol",
     "locked": false,
     "schema_version": 1,
     "solution": true
    }
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "primes = []\n",
    "### BEGIN SOLUTION\n",
    "for n in range(50):\n",
    "    is_prime = True\n",
    "    for m in range(2, n):\n",
    "        if n % m == 0:\n",
    "            is_prime = False\n",
    "            break\n",
    "    if is_prime:\n",
    "        primes.append(n)\n",
    "### END SOLUTION\n",
    "primes"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "nbgrader": {
     "grade": true,
     "grade_id": "102-2-test",
     "locked": true,
     "points": 2,
     "schema_version": 1,
     "solution": false
    }
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "from nose.tools import assert_equal\n",
    "trimmed_primes = primes\n",
    "for x in [ 0, 1 ]:\n",
    "    try:\n",
    "        trimmed_primes.remove(x)\n",
    "    except ValueError:\n",
    "        pass\n",
    "assert_equal([2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47], trimmed_primes, \"Die Liste von Primzahlen sollte bei 0, 1 oder 2 beginnen und die Primzahlen bis inkl. 47 enthalten\")\n",
    "print(\"Sehr gut! 🎉🎉🎉\")"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## `while`-Schleifen\n",
    "\n",
    "Eine `while`-Schleife führt einen Codeblock so oft aus, bis eine Bedingung `False` ergibt und ist durch folgende Syntax definiert:\n",
    "\n",
    "```python\n",
    "while condition:\n",
    "    # do something\n",
    "```"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "a = 1\n",
    "while a < 10:\n",
    "    print(\"a ist kleiner als 10 ({}), multipliziere mit 1.5.\".format(a))\n",
    "    a = a * 1.5\n",
    "print(\"Schleife beendet, a ist nun {}.\".format(a))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Aufgabe 3 - Fibonacci\n",
    "\n",
    "Verwende eine `while`-Schleife um die Zahlen der Fibonacci-Reihe bis 100 der Liste `fib_numbers` hinzuzufügen. Die ersten zwei Zahlen sind `0` und `1` und jede weitere Zahl ist die Summe der beiden vorherigen.\n",
    "\n",
    "**Erinnerung:** Auf das letzte Element einer Reihe können wir mit dem Subskript `l[-1]` zugreifen. Das vorletzte Element ist dann entsprechend `l[-2]`."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "nbgrader": {
     "grade": false,
     "grade_id": "102-3-sol",
     "locked": false,
     "schema_version": 1,
     "solution": true
    }
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "fib_numbers = [ 0, 1 ]\n",
    "### BEGIN SOLUTION\n",
    "while fib_numbers[-1] + fib_numbers[-2] < 100:\n",
    "    fib_numbers.append(fib_numbers[-1] + fib_numbers[-2])\n",
    "### END SOLUTION\n",
    "fib_numbers"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {
    "nbgrader": {
     "grade": true,
     "grade_id": "102-3-test",
     "locked": true,
     "points": 2,
     "schema_version": 1,
     "solution": false
    }
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "from nose.tools import assert_equal\n",
    "assert_equal([0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89], fib_numbers, \"Die Liste sollte mit [ 0, 1, 1, 2, ...] beginnen und die Fibonacci-Zahlen bis einschließlich 89 enthalten.\")\n",
    "print(\"👌 Richtig!\")"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "---\n",
    "\n",
    "Du kannst jetzt Programme in Python schreiben, die dir etwas ausrechnen! Lerne in der nächsten Lektion, wie du Code als \"Bausteine\" deines Programms in _Funktionen_ verpackst. Für viele Probleme gibt es schon Funktionen und du musst sie nur aus _Modulen_ laden.\n",
    "\n",
    "[Startseite](index.ipynb) | [**>> 103 - Funktionen und Module**](103%20-%20Funktionen%20und%20Module.ipynb)"
   ]
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
   "mimetype": "text/x-python",
   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.7.0"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 1
}