Kontrollstrukturen und Listen

Overview

Teaching: 110 min
Exercises: 30 min

Questions

• Wie können Sequenzen von Werten gespeichert werden?

• Wie kann ich Code mehrfach ausführen?

• Wie kann ich Code nur unter einer bestimmten Bedingung ausführen?

Objectives

• Verständnis von wichtigen Hilfsdatentypen und Methoden für Kontrollstrukturen

• Verstehen von Kontrollstrukturen wie Schleifen und Bedingungen

• Ausdrücken von logischen Bedingungen

Listen

Eine Liste ist eine veränderbare Sequenz von Werte. Sie kann gleiche Elemente mehrmals enthalten. Zudem sind die einzelnen Elemente in einer festen Reihenfolge angeordnet, jedes Element hat einen Index, der dessen Platz in der Liste entspricht. Die Elemente einer Liste mit der Länge L können über die Indizes 0..L-1 angesprochen werden. Das kennen wir bereits von Strings.

l = [] # wir initialisieren eine leere Liste
l.append(1) # wir fügen der Liste Elemente hinzu
l.append("Piano")
l.append(1.42)
print(l)

[1, 'Piano', 1.42]

Länge einer Liste:

print(len(l))

3

Abruf eines einzelnen Elements:

print(l[0])

1

Abruf einer Unterliste:

print(l[0:len(l)-1])

[1, 'Piano']

Frage(n)

• Welchen Typ hat l?
• Welchen Typ hat l[0:2]?
• Welchen Typ haben l[0],l[1] und l[2]?

Lösung

Zum beantworten müssen Sie die Funktion type() auf den jeweiligen Ausdrücken ausführen.

type(l)
type(l[0:2])
type(l[0])
type(l[1])
type(l[2])

Die ersten beiden Ausdrücke geben die gesamte Liste oder eine Teilliste zurück. und liefern als Rückgabe der type()-Funktion den Typ list für Listen in Python zurück. Wenn nur auf einzelne Element der Liste zurückgegriffen wird, wie in den letzten drei Aufrufen, wird der eigentliche Wert der an dieser Listenposition steht zurückgegeben. Damit liefert auch die type()-Funktion den Typ des Werts, hier also int, str und float, zurück.

Es können nicht nur neue Elemente hinzugefügt, sondern auch bestehende Elemente entfernt werden.

l.remove("Piano") # wir entfernen ein Element aus der Liste (nach Wert)
l.pop(0) # wir entfernen ein Element aus der Liste (nach Index)
print(l)

[1.42]

Es gibt auch weitere nützliche Methoden auf Listen.

Zählen der Anzahl der Elemente mit gegebenen Wert in einer Liste mit count:

a = [1,4,7,3,4,4]
a.count(4)

3

Umgekehrte Reihenfolge mit reverse:

a = [1,7,3,4]
a.reverse()
print(a)

[4, 3, 7, 1]

Sortierung mit sort:

a.sort()
print(a)

[1, 3, 4, 7]

Einfügen an angebenen Index (und nicht nur anhängen):

a.insert(2,10)
print(a)

[1, 3, 10, 4, 7]

Entfernen des letzten Elements mit pop() (ohne Argument):

e = a.pop()
print("popped", e, ", list is", a)

popped 7 , list is [1, 3, 10, 4]

Löschen des Inhalts einer Liste:

a.clear()
print(a)

[]

For-Schleifen

Mit dem Ausdruck for x in var: kann man den gleichen Code-Block auf jedem Element x der Liste var ausführen. Ein Code-Block sind Anweisungen, die mit der gleichen Anzahl Leerzeichen eingerückt sind. Der Code-Block wird also wiederholt.

l = [1, 2, 3, 4, 5]
for x in l:
  print("Element")
  print(x)

Element
1
Element
2
Element
3
Element
4
Element
5

Einrückung mit Leerzeichen oder Tabs?

Für die Einrückung eines Codeblocks können entweder Leerzeichen oder Tabs verwendet werden. Viele Texteditoren ersetzen eine Eingabe mit der Tab Taste auf der Tastatur automatisch mit einer bestimmten Anzahl Leerzeichen. Da Tabs ebenfalls als „Whitespace“ angezeigt werden, ist es schwierig diese auseinanderzuhalten. In alten Python-Versionen konnten Leerzeichen und Tabs im selben Skript gemischt werden, was zu Verwirrung und Fehlern bei unterschiedlich tief eingerückten Code-Blöcken geführt hat. In Python 3 ist das Mischen verboten.

Es bleibt natürlich die Frage, was besser ist. Darauf gibt es keine wirklich ultimative Antwort und diese Frage wird in entsprechenden Foren immer wieder stark diskutiert. Die „Style Guide for Python Code“ empfielt in neuem Code Leerzeichen zu verwenden: https://www.python.org/dev/peps/pep-0008/#tabs-or-spaces

Anstatt über eine Liste, können for-Schleifen auf sogenannten Iteratoren ausgeführt werden. Iteratoren sind Datenstrukturen, die basierend auf einem aktuellen Zustand einen neuen Zustand berechnen und zurückgeben können.

Die Funktion range(a,b) liefert einen Iterator zurück, der nacheinander alle Zahlen von a bis b (exklusive b) ausgibt.

Übung

Formulieren Sie for-Schleife von weiter oben so um, dass sie die range Funktion anstatt der Liste benutzt, aber die gleiche Ausgabe erzeugt.

Lösung

for x in range(1,6):
  print("Element")
  print(x)

Iteratoren haben gegenüber von Listen den Vorteil, dass sie nicht alle Element speichern müssen. Wenn wir z.B. alle Zahlen von 1 bis 1.000.000 aufaddieren wollen, würde das viel Speicher belegen, wenn wir eine Liste mit einer Million Zahlen anlegen müssten. Mit einem Iterator wird immer nur ein kleiner Zustand (die aktuelle Zahl und das Ende des Bereichs) gespeichert.

summe = 0
for i in range(1,1_000_001):
  summe = summe + i
print("Summe ist: " + str(summe))

Summe ist: 500000500000

Tausendertrennzeichen im Code

Um große Zahlen übersichtlicher eingeben zu können, ist seit Python 3.6 im Python-Code _ als Tausendertrennzeichen erlaubt.

Der Name der Schleifenvariable kann frei gewählt werden. Für Indexe hat sich oft i eingebürgert, aber sollte möglichst sprechende Namen für Variablen verwenden.

for hier_kann_wirklich_alles_stehen in range(0,11):
  print(hier_kann_wirklich_alles_stehen)

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

For-Schleifen und andere Kontrollstrukturen können verschachtelt werden, das heißt in einem for-Block können z.B. auch weitere for-Blöcke stehen. Die tiefere Verschachtelung eines Code-Blocks wird durch die größere Anzahl an Leerzeichen/Tabs ausgedrückt:

for i in range(1,4):
    for j in range(1,4):
        summe = i + j
        produkt = i * j
        print(i, "+", j, "=", summe)
        print(i, "*", j, "=", produkt)

1 + 1 = 2
1 * 1 = 1
1 + 2 = 3
1 * 2 = 2
1 + 3 = 4
1 * 3 = 3
2 + 1 = 3
2 * 1 = 2
2 + 2 = 4
2 * 2 = 4
2 + 3 = 5
2 * 3 = 6
3 + 1 = 4
3 * 1 = 3
3 + 2 = 5
3 * 2 = 6
3 + 3 = 6
3 * 3 = 9

Einfache logische Bedingungen und der Datentyp bool

Neben Strings und Zahlen hat Python auch einen Datentyp für Wahrheitswerte. Eine Variable mit Wahrheitswerten kann entweder den Wert True oder False haben.

stimmt = False
type(stimmt)

<class 'bool'>

stimmt = True
print(stimmt)

True

Man kann Wahrheitswerte durch den Vergleich von anderen Werte über bestimmte Operatoren erhalten. Z.B. kann man zwei Zeichenketten mit dem == Operator vergleichen, ob sie identisch sind:

"Haus" == "Haus"

True

Das Ergebnis eines Vergleichs kann auch wieder in einer Variablen gespeichert werden:

gleiches_haus = "Haus" == "Haus"
print(gleiches_haus)

True

== ist nicht gleich =

Der Vergleichsoperator == ist nicht mit dem Zuweisungsoperator = zu verwechseln. Letzerer weist einer Variable einen Wert zu und lieft nicht einen logischen Wert zurück. Z.B. ist folgender Ausdruck ein Fehler:

"Haus" = "Haus"

 File "<stdin>", line 1
SyntaxError: can't assign to literal

Bei einem Vergleich ist der Wert der Variablen oder des Ausdrucks entscheidend, nicht die Form. Z.B. liefern auch alle folgenden Vergleiche True zurück.

"Haus" == 'Haus'

var = 'Haus'
"Haus" == var

0.0000 == 0.0

Wertevergleiche sind exakt, dass heißt z.B. das bei Groß- und Kleinschreibung von Zeichenketten oder bei Whitespace (Leerzeichen, Tabs, Zeilenumbrüche etc.) unterschieden wird.

"Haus" == "haus"

False

"Haus" == "Haus "

False

Übung

Wie können die beiden Zeichenketten "Haus" und "Haus " mit True als Ergebnis verglichen werden?

Lösung

"Haus" == "Haus ".strip()

Analog zum == Operator gibt es den != Operator, der immer dann wahr ist wenn zwei Werte unterschiedlich sind.

4 != 1

True

Wenn-Dann-Blöcke

If-Ausdrücke

Wir haben nur einfache logische Bedingungen mit dem == Operator kennengelernt. Logische Bedingungen können genutzt werden, um Code-Blöcke basierend auf dem Wahrheitswert auszuführen, oder aber nicht.

x = 5
if x == 4:
  print("x ist vier!")

Dieses Programm erzeugt keine Ausgabe, weil die Bedingung nicht wahr ist. Wenn die Bedingung wahr ist, wird der Code-Block ausgeführt.

if x == 5:
  print("x ist fünf!")

x ist fünf!

Die Ein Code-Block kann aus mehr als einer Anweisung bestehen und nach dem eingerückten if-Block wird der orginale Code-Block weiter ausgeführt, egal ob die Bedingung wahr oder falsch war.

x = 5
if x == 4:
  x = x + 2
  print("x wahr vier, neuer Wert ist", x)
x = x - 1
print("x ist", x)

x ist 4

x = 5
if x == 5:
  x = x + 2
  print("x wahr fünf, neuer Wert ist", x)
x = x - 1
print("x ist", x)

x wahr fünf, neuer Wert ist 7
x ist 6

If-Else Ausdrücke

Diese Konstruktion erlaubt die Überprüfung einer Bedingung. Falls die Bedingung wahr ist, wird der Code-Block hinter der if-Anweisung ausgeführt, ansonsten der Block hinter der else: Anweisung:

x = 5
if x == 4:
  print("x ist vier")
else:
  print("x ist ein anderer Wert")

x ist ein anderer Wert

If-Elif(-Else)

Man kann beliebig viele Ausdrücke überprüfen, in dem man zusätzliche elif Bedingungen hinzufügt:

x = 3
if x == 1:
  print("x ist eins")
elif x == 2:
  print("x ist zwei")
elif x == 3:
  print("x ist drei")
elif x == 4:
  print("x ist vier")

x ist drei

Auch an diese Ausdrücke kann ein else angehängt werden:

x = 100
if x == 1:
  print("x ist eins")
elif x == 2:
  print("x ist zwei")
elif x == 3:
  print("x ist drei")
elif x == 4:
  print("x ist vier")
else:
  print("x ist ein anderer Wert")

x ist ein anderer Wert

Es wird immer der erste Ausdruck ausgewertet der wahr ist, die anderen werden ignoriert.

if 2==1:
  print("Mathematik kaputt")
elif 1==1:
  print("Mathematik geht")
elif 2==2:
  print("Mathematik geht immer noch")
else:
  print("Zustand von Mathematik unbekannt")

Mathematik geht

While-Schleifen

Man kann logische Bedingungen auch in While-Schleifen verwenden, um einen Block zu wiederholen, solange eine Bedingung erfüllt ist.

x = 0
while x != 10:
  print(x)
  x = x + 1 

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Frage(n)

Was passiert wenn die Bedingung immer wahr ist, z.B. in:

while 1 == 1:
  print("Mathematik in Ordnung")

Lösung

Es wird eine sogenannte Endlosschleife erzeugt, die sich nicht mehr beendet. Sie können nur das gesamte Programm (also den Python-Interpreter) von außen beenden um die Ausführung der Schleife zu unterbrechen.

Programm im Terminal beenden

Falls Sie ein Programm im Terminal beenden wollen, können Sie Strg+C drücken.

Übung

Schreiben Sie ein kurzes Programm, das eine Liste aller Zahlen zwischen 1 und 999, die ohne Rest durch 13 teilbar sind, erstellt. Das Programm soll die Liste am Ende ausgeben.

Lösung

Mögliche Lösung:

zahl13 = []
for i in range(1,1000):
    if i % 13 == 0:
        zahl13.append(i)
print(zahl13)

Arithmetische Vergleichsoperatoren

Neben == und != gibt es für Zahlen noch weitere Operatoren:

• < für „echt kleiner als“
• <= für „kleiner gleich“
• > für „echt größer als“
• >= für größer gleich“

print(2 < 2)
print(2 <= 2)
print(10 > 1)
print(10 >= 1)

False
True
True
True

Übung

Schreiben Sie ein kurzes Programm, das eine Liste aller Zahlen zwischen 1 und 999, die ohne Rest durch 13 teilbar sind, erstellt. Nutzen Sie dafür den < Operator! Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile im Vergleich zur Ihrer Version weiter oben.

Lösung

zahl13 = []
x = 13
while x < 1000:
    zahl13.append(x)
    x = x + 13
print(zahl13)

Im Vergleich zur vorherigen Lösung muss noch mehr darauf geachtet werden, dass die Abbruchbedingung wirklich ausgelöst wird um keine Endlosschleife zu erstellen. Endlosschleifen sind mit for deutlich einfacher zu vermeiden. Allerdings ist diese Lösung womöglich performanter. In der for-Schleife wurde tausend mal überprüft, ob eine Zahl durch 13 teilbar ist. Diese Anweisung benötigt Ausführungszeit auf dem Prozessor. Die Anweisungen in der while-Schleife wird nur genau so oft ausgeführt, wie es Zahlen gibt die an die Liste angehängt werden müssen (also deutlich weniger als 1000 mal). Es ist in diesem Fall möglich, die Vorteile der for- mit denen der while-Schleife zu verbinden. Dazu muss bei der range() Funktion der optionale step Parameter mit angeben werden:

zahl13 = []
for i in range(13,1000, 13):
    zahl13.append(i)
print(zahl13)

Logische Formeln

Logische Ausdrücke können wie auch logische Formeln mit and, or und not verknüpft werden

a = True
b = False
implikation = not a or b

Klammern können genutzt werten um explizit die Reihenfolge der Vergleichsoperatoren anzugeben

if (1 != 1 and 1 == 4) or ((2+1) == 4):
  print("Mathematik schon wieder kaputt")
else:
  print("Mathematik geht noch")

Übung

Bilden Sie aus den gegebenen den folgenden drei Variablen den komplexen Wahrheitswert social_security. Dieser sagt aus, ob wir noch Kindergeld erhalten. Hier die genauen Bedingungen:

• Wenn wir minderjährig sind, gibt es Kindergeld
• Wenn wir nicht mehr minderjährig, aber jünger als 25 sind und studieren, gibt es Kindergeld
• Wenn wir älter als 24 sind und ein FSJ (freiwilliges soziales Jahr) absolviert haben, bekommen wir Kindergeld (wir ignorieren, dass das zeitlich begrenzt ist)

age = 24
studying = False
fsj = True

social_security = # TODO: logischer Ausdruck

Lösung

age = 24
studying = False
fsj = True

social_security = (age < 18) or (age < 25 and studying) or (age > 24 and fsj)

Interaktive Eingabe

Wir kennen bereits print(var) um Informationen auszugeben. Das Gegenstück dazu die Funktion input(). Sie erlaubt einem Python-Skript, Texteingaben vom Nutzer entgegenzunehmen.

print("Hallo, meine Name ist Script!")
name = input("Wie heißen Sie? ")
print("Hallo " +  name + "!")

Dieses Script erzeugt erst die Ausgabe

Hallo, meine Name ist Script!
Wie heißen Sie? ▮

Das Argument von input() ist ein sogenannter “Prompt”, also eine Eingabeaufforderung an den Nutzer. Der Prompt wird ausgegeben und es wir solange gewartet, bis der Nutzer eine Eingabe gemacht und diese mit der Eingabetaste Return abgeschlossen hat. Die Funktion liefert die Eingabe als Typ String zurück. In diesem Beispiel wird die Rückgabe in eine Variable geschrieben und wieder ausgegeben.

Hallo, meine Name ist Script!
Wie heißen Sie? Thomas 
Hallo Thomas!

Übung

Schreiben Sie ein Skript das folgendes tut: Das Skript hat eine interne „magic number“, die Sie frei wählen können. Fragen Sie den Nutzer, wie die Nummer ist. Geben Sie ihm Feedback, ob die Zahl die er geraten hat größer oder kleiner als die „magic number“ ist. Wenn der Nutzer die Zahl erraten hat, gratulieren Sie ihm und beenden das Programm.

Lösung

Mögliche Lösung:

magic_number = 355
guessed = None
while guessed != magic_number:
    guessed = input("Bitte Nummer raten: ")
    guessed = int(guessed)
    if guessed < magic_number:
        print("Zu klein!")
    elif guessed > magic_number:
        print("Zu groß!")
print("Herzlichen Glückwunsch, Sie haben die Nummer erraten!")

Kernpunkte

• Sequenzen von beliebigen Werten können in Listen gespeichert und abgerufen werden.

• Logische Ausdrücke haben in Python den Datentyp bool und können unter anderem durch Vergleichsoperatoren erzeugt werden.

• Mit Schleifen (for, while) und bedingt ausgeführten Code-Blöcken (if-elif-else) kann der Programmablauf flexibel auf die Eingabe reagieren und komplexere Berechnungen durchführen.