Schleifen
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Schleifen¶
Nachdem wir gelernt haben, wie man ein Programm schreibt, das Anweisungen erst dann ausführt, wenn gewisse Bedingungen erfüllt sind (oder eben auch nicht), wollen wir uns nun anschauen, was wir tun müssen, wenn wir bestimmte Arbeitsschritte wiederholt ausführen möchten. Dazu können wir uns die Schleifen-Funktionen von Python zu Nutze machen. Hiervon gibt es im Wesentlichen zwei Typen, die wir sehr häufig verwenden werden: die while- und die for-Schleifen.
while-Schleifen¶
Schauen wir uns zunächst die while-Schleife an.
Mit einem while-Statement können wir einen Codeblock so lange ausführen wie die Bedingung der while-Anweisung den Wahrheitswert True ergibt. Strukturell sieht die while-Schleife den if-Statements sehr ähnlich: Wir benötigen ein Schlüsselwort und zwar das while und eine Bedingung, die einen Wahrheitswert ergibt, gefolgt von einem Doppelpunkt. In der nächsten Zeile schließt sich dann, mit einer Einrückung beginnend, ein Codeblock an, der in Abhängigkeit vom Wahrheitswert der while-Bedingung ausgeführt wird. If und while sehen demnach hinsichtlich ihres Aufbaus ähnlich aus, in Bezug auf ihr Verhalten unterscheiden sie sich allerdings deutlich.
Sehen wir uns dazu diese Schleife an:
my_number = 1
while my_number < 10:
print(my_number)
print("my_number hat nicht den Wert 10")
my_number += 1
print(f"my_number = {my_number}")
Die while-Schleife ist genau wie eine if-Abfrage aufgebaut. Die Zeile hinter dem Schlüsselbegriff while muss also entweder den Wert True oder False annehmen können. Das Programm kehrt jedoch nach jedem Durchlauf des eingerückten Codeblocks zum Kopf der Schleife (hier in Zeile 3) zurück und prüft ob die Abfrage immer noch True zurückgibt. Erst wenn dies nicht mehr der Fall ist, wird die Schleife beendet und das Programm springt zu Zeile 9.
Aber Vorsicht! While-Schleifen können ganz schön tricky sein, wenn wir nicht dafür sorgen, dass der Wahrheitswert der while-Bedingung irgendwann auf False springt. Vier zentrale Eigenschaften zeichnen einen Algorithmus aus: Allgemeingültigkeit, Finitheit, Eindeutigkeit und Variabilität. Insbesondere das Kriterium der Finitheit müssen Sie bei Schleifen im Hinterkopf behalten. Wenn Sie eine Schleife ohne Abbruchbedingung definieren, wird Ihr Programm immer weiterlaufen; wie etwa im nachfolgenden Beispiel:
Manueller Abbruch einer Endlosschleife:
Jupyter Notebook in Binder: Sie können das Programm durch einen Klick auf den Ausführbutton links oben im Codeblock oder in der Menüleiste durch Runtime->Interrupt execution abbrechen.
Jupyter Notebook über Anaconda Distribution: Stop-Symbol in der Werkzeugleiste.1)
# infinity loop: for testing uncomment the following rows:
# is_spam = True
# while is_spam:
# print("Spam!")
Aufgaben: While-Schleifen¶
Aufgabe 1:
Schreiben Sie ein kurzes Programm, das prüft, ob ein durch eine:n Nutzer:in eingegebenes Wort in dem vorgegebenen ersten Absatz eines Tagungsberichts vorkommt. Wenn das Wort vorkommt, dann soll eine entsprechende Bestätigung ausgegeben werden. Kommt das Wort nicht im Text vor, soll der:die Nutzer:in die Möglichkeit erhalten, erneut eine Eingabe zu tätigen. Möchte der:die Nutzer:in keine weitere Eingabe tätigen, dann soll das Programm eine Abschlussmeldung ausgeben und beendet werden.
report = '''Die Editionswissenschaft erlebt nicht zuletzt wegen einer
erfolgreichen Kombination von traditionellen Arbeitsweisen
mit Methoden der Digital Humanities einen regelrechten Hype.
Digitale Methoden drängen sich besonders an den Stellen auf,
wo sie eine Überwindung der Beschränkungen des analogen Drucks versprechen.
Zugleich zeichnet sich ab, dass mit einem Wechsel zu digitalen Editionsformen
nicht nur neue Werkzeuge genutzt werden, sondern dass sich prinzipielle
strukturelle Änderungen ergeben: so können analoge Editionen angereichert
werden oder Editionen können als Hybrid durch eine gleichwertige digitale und
analoge Version repräsentiert werden. Editoren werden angesichts dieser neuen
Möglichkeiten vor neue Herausforderungen gestellt. Gleiches gilt für Infrastrukturen,
die die Produkte der Editionswissenschaft publizieren und langfristig
verfügbar machen sollen. Grundlegende Fragen der Qualitätsmessung
und -bewertung, der Arbeitsorganisation, Vernetzung und Distribution
müssen bei der digitalen Editionswissenschaft anders bzw. neu gestellt
und bewertet werden. Die vom Forschungsverbund Marbach Weimar Wolfenbüttel
veranstaltete Tagung “Digitale Metamorphose: Digital Humanities und Editionswissenschaft”
betrachtete diese neuen Möglichkeiten kritisch und ging dabei auch der Frage nach,
welche Grenzen und Gefahren es jenseits der offensichtlichen Vorteile für
die Editionswissenschaft gibt.'''
# your code
Aufgabe 2:
Schreiben Sie ein kurzes Programm, das eine:n Benutzer:in angeben lässt, in welchem Jahr die Französische Revolution begann. Das Programm soll dabei erst beendet werden, wenn das richtige Jahr angegeben wurde. Wurde ein falsches Jahr angegeben, soll dem:der Nutzer:in mitgeteilt werden, ob die Angabe zu groß oder zu klein war. Testen Sie Ihr Programm mit unterschiedlichen Eingaben um herauszufinden, ob es funktioniert.
user_input = int(input("In welchem Jahr begann die Französische Revolution? "))
# your code
for-Schleifen¶
while-Schleifen setzen Sie also ein, wenn Sie einen Codeblock so lange wiederholt ausführen wollen, wie eine Bedingung erfüllt ist. Was aber, wenn Sie bereits wissen, dass ein Codeblock nur eine bestimmte Anzahl von Malen wiederholt werden soll? In diesem Fall können Sie auf die for-Schleife zurückgreifen (im Deutschen gelegentlich auch als Zählschleife bezeichnet):
for number in range(1, 11):
print(f"number hat den Wert {number}")
print(f"number = {number}")
Die Syntax ist hier etwas anders als bei if und while. Mit number wird eine Zählvariable definiert (die auch einen anderen Namen als number haben kann). Nach jedem Durchlauf der Schleife (also immer, wenn der eingerückte Codeblock einmal ausgeführt worden ist), wird diese Zählvariable automatisch um 1 erhöht. Hinter in wird ein Wertebereich angegeben. In diesem Fall handelt es sich um einen Wertebereich, der durch die Funktion range() definiert wird, Sie könnten dort aber auch beispielsweise eine Variable ansprechen, in der ein sequenzielles Objekt wie eine Zeichenkette oder Liste abgespeichert ist. Solange jedenfalls die Zählvariable einen Wert innerhalb dieses Wertebereichs hat, wird die Schleife wiederholt. Natürlichsprachlich könnten Sie Zeile 1 lesen als “Wiederhole folgenden Codeblock solange number kleiner als 11 ist. Erhöhe bei jedem Durchlauf number um 1.”
Mit der Funktion range() können Sie auch angeben, in welchen Schritten die for-Schleife den Wertebereich durchlaufen soll. Wollen Sie number etwa nicht um 1, sondern um 2 erhöhen, können Sie das wie folgt angeben:
for number in range(1, 11, 2):
print(f"number hat den Wert {number}")
print(f"number = {number}")
Bei der Definition einer for-Schleife müssen Sie noch nicht die genaue Anzahl der Durchläufe der Schleife kennen. Sie müssen nur wissen, dass es eine bestimmte Anzahl von Durchläufen geben soll und Sie müssen wissen woher diese Anzahl kommt. Schauen Sie sich hierzu folgendes Beispiel an:
max_number = int(input("Geben Sie eine natürliche Zahl ein: "))
for number in range(1, max_number+1):
print(f"number hat den Wert {number}")
print(f"number = {number}")
Beachten Sie, dass Sie eine for-Schleife auch problemlos mit einer while-Schleife implementieren können. Das erste Codebeispiel zur for-Schleife ist identisch mit dem ersten Codebeispiel der while-Schleife etwas weiter oben. Wo möglich, sollten Sie jedoch for-Schleifen einsetzen. Dadurch wird Ihr Code nicht nur kürzer, sondern auch leichter verständlich. Wie Sie später sehen werden, lassen sich for-Schleifen in vielen Fällen außerdem wesentlich flexibler einsetzen.
Gelegentlich kann es sein, dass Sie eine Schleife abbrechen möchten, obwohl ihre eigene Abbruchbedingung noch nicht erfüllt ist, etwa wenn Sie in unserem Beispiel verhindern wollen, dass es zur Überlastung des Systems durch eine zu hohe Usereingabe kommt. Nehmen wir dazu noch mal unser letztes Programm, fügen aber die Bedingung hinzu, dass die Schleife abbrechen soll, sobald number den Wert 21 annimmt. Hierfür benötigen Sie das Schlüsselwort break:
max_number = int(input("Geben Sie eine natürliche Zahl größer 21 ein: "))
for number in range(1, max_number+1):
print(number)
print(f"number hat nicht den Wert {max_number}")
if number == 21:
break
print(f"number = {number}")
Generell erschweren Sprünge im Programm, wie man sie durch break umsetzen kann, jedoch die Lesbarkeit Ihres Codes. Versuchen Sie dessen Einsatz zu vermeiden, indem Sie die Abbruchbedingungen Ihrer Schleifen möglichst allgemein formulieren. Manchmal ist eine Lösung, wie die obige, jedoch einfacher und zielführender.
Aufgabe: Primzahlen ausgeben¶
Wenden Sie das Gelernte an, indem Sie ein Programm schreiben, das mit print() alle Primzahlen zwischen 3 und 200 ausgibt. Zur Erinnerung: Primzahlen sind natürliche Zahlen, die nur durch 1 und durch sich selbst, nicht aber durch andere Zahlen kleiner als sie selbst teilbar sind. Falls Ihnen der Anfang schwer fällt, schauen Sie sich nochmal die Rechenoperatoren aus dem letzten Kapitel an. Gegebenenfalls hilft es auch, wenn Sie sich ein Blatt Papier nehmen und in natürlicher Sprache eine auf Stichworten basierende Schritt-für-Schritt-Anleitung schreiben. Diese können Sie dann in Programmcode übersetzen.
# your code
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Bei der Nutzung des Jupyter Notebooks über ein Terminal kann es zu Problemen beim Abbruch von Endlosschleifen kommen. Im Notfall können Sie im Terminal in diesen Fällen Strg+C zweimal eingeben. Aber Vorsicht: Nicht gespeicherte Änderungen gehen verloren und Sie müssen das Notebook neu starten.