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3.3.1 for 循环语句.ipynb @master

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1025
{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "# 3.3.1 for 循环"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "for循环一般用于<font color=Red>__循环次数可确定__</font>的情况下,一般也被称为<font color=Red>__遍历循环__</font>。  \n",
    "for 语句可以依据可迭代对象中的<font color=Red>__子项__</font>,按他们的顺序进行迭代。  \n",
    "这些可迭代对象包括:<font color=Red>__range__</font><font color=Red>__字符串__</font><font color=Red>__列表__</font><font color=Red>__集合__</font><font color=Red>__字典__</font><font color=Red>__文件对象__</font>等可迭代数据类型。  \n",
    "for循环基本结构如下:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "raw",
   "metadata": {},
   "source": [
    "for 循环变量  in 可迭代对象:\n",
    "    语句块\n",
    "    语句块\n",
    "    语句块\n",
    "    语句块\n",
    "    语句块\n",
    "\n",
    "\n",
    "\n",
    "    \n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "需要注意,for开头的语句末尾一定是<font color=Red>__冒号结尾__</font>,其后面至少有一行语句需要在缩进的语句块中。\n",
    "缩进语句块中的语句<font color=Red>__重复执行__</font>多次,直到for语句遍历完可迭代对象。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "程序执行时,从可迭代对象中逐一提取元素,赋值给循环变量,每提取一个元素执行一次语句块中的所有语句,总的<font color=Red>__执行次数__</font>由可迭代对象中<font color=Red>__元素(项)的个数__</font>确定。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 实例 4.4 等差数列前n项和 "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "输入一下正整数,计算从1到这个正整数(包括该数本身)的所有整数的和。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "range(1,n+1) 可生成1,2,……,n的序列,所以等差数列前n 项和的问题,可以用range实现:  \n",
    "\n",
    "算法描述:  \n",
    "1. 先设置一个初值为0的变量\n",
    "2. 遍历由range()产生的整数序列  \n",
    "    2.1 每得到一个整数就加到变量上\n",
    "3. 输出变量的值,即为所有整数的和"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "n = int(input())             # 将输入的字符转成整型,例如输入 100\n",
    "sum_of_i = 0                 # 设累加容器初值为0\n",
    "for i in range(1, n+1):      # 遍历1,2,...n的数列 \n",
    "    sum_of_i = sum_of_i + i  # 将当前项加到累加容器上,注意此处要缩进,表示循环执行\n",
    "print(sum_of_i)              # 输出累加总和,5050\n",
    "\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "这个问题也可以直接用sum()函数结合range()函数来实现。将range()函数直接作为sum()函数的参数,可以直接获得range()函数所生成序列中全部元素的和。  \n",
    "例如计算从1到n的加和可以写为以下程序:\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "n =  int(input())            # 将输入的字符转成整型,例如输入 100\n",
    "print(sum(range(1, n + 1)))  # sum()函数可返回序列参数的元素的和,输出 5050"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "print(sum(range(1, int(input()) + 1)))  # sum()函数可返回序列参数的元素的和,输出 5050"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "改变range()函数中start、stop、step的值,便可以计算不同等差数列中连续n项和了。如:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "print(sum(range(1, 100, 2)))  # 100以内奇数的和2500\n",
    "print(sum(range(0, 101, 2)))  # 不超过100的偶数的和2550\n",
    "print(sum(range(0, 101, 5)))  # 不超过100的偶数5的整数倍的数的和1050\n",
    "print(sum(range(50, 80, 5)))  # 序列50 55 60 65 70 75的和为375"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 实例 4.5 计算阶乘 "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "一个正整数的阶乘(factorial)是所有小于及等于该数的正整数的积,并且0的阶乘为1,自然数n的阶乘写作n!"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "range(1,n+1) 可生成1,2,……,n的序列,阶乘是数列前n 项积的问题,可以用range实现:  \n",
    "\n",
    "算法描述:\n",
    "1. 先设置一个初值为1的变量\n",
    "2. 遍历由range()产生的整数序列  \n",
    "    2.1 每得到一个整数就乘到变量上\n",
    "3. 输出变量的值,即为所有整数的积,也就是阶乘值"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "n = int(input())           # 将输入的字符转成整型,例如输入6\n",
    "fact = 1                   # 设阶乘初值为1,n为0时不进入循环,0的阶乘为1\n",
    "for i in range(1, n + 1):  # 遍历1,2,...n的数列\n",
    "    fact = fact * i        # 将当前项加到累加容器上\n",
    "print(fact)                # 输出累加总和,720\n",
    "\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "math库中有一个用于计算阶乘的函数factorial(n),可以调用函数简化程序设计。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "import math\n",
    "\n",
    "print(math.factorial(6))    # factorial() 为计算阶乘的函数,720"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 实例 4.6 棋盘放米 "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "相传古代印度国王要褒赏他的聪明能干的宰相 ,问他需要什么?  \n",
    "宰相回答说:“国王只要在国际象棋的棋盘第一个格子里放1粒麦子,第二个格子里放2粒,第三个格子里放4粒,按此比例以后每一格加1倍,一直放到64格,我就感恩不尽,其他的我什么也不要了。”  \n",
    "请计算一下,共需多少粒麦子?按照普通大米600粒质量为50克计算,问共需麦子约多少亿吨?写出程序。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "算法描述:\n",
    "1. 设定累加容器初值为0  \n",
    "2. 循环获得每格的序号 i  \n",
    "  2.1. 计算当前格的麦粒数,为2的 i 次幂  \n",
    "  2.2. 将当前格的麦粒数加到累加容器上  \n",
    "3. 输出累加容器中麦粒总数  \n",
    "4. 计算重量,换算单位  "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "total = 0              # 米粒总数初值\n",
    "for i in range(64):    # 迭代获取整数序列中的值\n",
    "    t = 2 ** i         # 当前格中米粒数为2的i次幂\n",
    "    total = total + t  # 累加各格中米粒数\n",
    "print(total)           # 输出米粒总数,18446744073709551615\n",
    "\n",
    "x = 50/600             # 每粒米的质量,单位为克\n",
    "total_weight = total * x  * 1e-3 * 1e-3 * 1e-8  # 每粒米的质量从克转为千克再转为吨再转为亿吨\n",
    "print(f'总质量为{total_weight:.2f}亿吨')"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "# 变量t只用一次,可不定义,直接将当前格米粒数量加上即可,减少不必要的变量定义可使程序更清晰\n",
    "total = 0              # 米粒总数初值\n",
    "for i in range(64):    # 迭代获取整数序列中的值\n",
    "    total = total + 2 ** i  # 当前格中米粒数为2的i次幂加到当前总数上\n",
    "print(total)           # 输出米粒总数,18446744073709551615"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "# 列表推导式方法,第6章学习\n",
    "print(sum([2 ** i for i in range(64)]))"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 实例4.7 拉马努金法计算圆周率 "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "前面提到的Leibniz公式计算圆周率的方法存在收敛慢的问题。拉马努金曾经提出过很多收敛速度极快的求π的公式,‪‬‪‬‮‬‪‬‭‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‫‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬比如这个拉马努金在1914年发布的以他自己名字命名的著名公式可用于计算圆周率。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "<img src = \"images/ch3/2.png\">"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "公式中的希腊字母∑,英文译音是Sigma, 表示数学中的求和号,主要用于求多项数之和,公式展开可以表示为k从0到n时各项的累加,可以用循环实现。这个公式收敛速度极快,累加3次时,就可以达到math.pi相同的精度。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "from math import factorial  # 导入math库中的factorial函数 用于计算阶乘\n",
    "\n",
    "n = int(input())    # 输入正整数表示累加项数,例如输出3\n",
    "result = 0          # 累加初值为0\n",
    "for k in range(n):  # 重复执行n次累加\n",
    "    result = result + factorial(4 * k) * (1103 + 26390 * k) / (factorial(k) ** 4 * 396 ** (4 * k))\n",
    "pi = 1 / (result*2 * 2 ** 0.5 / 9801)     # 累加结果取倒数为圆周率值\n",
    "print(pi)           # 输出圆周率值,输出3.141592653589793"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "for循环可以多重嵌套使用,每增加一层循环多一层缩进,最内层循环体内的语句执行的次数为各重循环次数相乘。  \n",
    "如果循环语句的循环体中又出现循环语句,就构成多重循环结构。  \n",
    "for和while都支持多重循环,且可以混用。  \n",
    "一般常用的有二重循环和三重循环。循环层数越多,运行时间越长,程序越复杂,<font color=Red>__最内层__</font>程序语句执行的次数是<font color=Red>__各层循环次数的乘积__</font>。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 枚举法"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 实例 4.8 百钱买百鸡 "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "我国古代数学家张丘建在《算经》一书中提出的“百钱买百鸡”的数学问题,题目意思是1只公鸡5文钱、1只母鸡3文钱、3只小鸡1文钱。计算并输出有几组可能的解?\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "<img src = \"images/ch3/3.png\" width = \"480\">"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "若用数学方法求解,3个未知量,只能列2个方程,不能直接求解。  \n",
    "在计算机领域,这个问题可以用<font color=Red>__枚举算法__</font>求解,枚举算法的思想是:  \n",
    "将问题的所有可能的答案一一列举,然后根据条件判断此答案是否合适,保留合适的,舍弃不合适的。  \n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "raw",
   "metadata": {},
   "source": [
    "基本思路如下:\n",
    "(1)确定枚举对象、范围和判定条件。\n",
    "(2)逐一枚举可能的解并验证每个解是否是问题的解。\n",
    "算法步骤:\n",
    "(1)确定解题的可能范围,不能遗漏任何一个真正解,同时避免重复。\n",
    "(2)判定是否是真正解的方法。\n",
    "(3)为了提高解决问题的效率,使可能解的范围将至最小"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "我们先用一个规模较小的问题为例。日常用的皮箱的经常是三位的密码锁,当忘记密码时,可以采用逐位猜测的方法试出来密码,我们知道,3个数字的全部组合只有1000个,所以我们试1000次一定可以找到密码。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "<img src = \"images/ch3/4.png\" width = \"480\">"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "具体操作方法:  \n",
    "* 1.先固定第1位为0\n",
    "    + b. 第2位设0  \n",
    "        - ⅰ. 第3位从0试到9  \n",
    "    + c. 重复b并依次设1-9  \n",
    "* 2.重复1并依次设第1位为1-9  "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "raw",
   "metadata": {},
   "source": [
    "算法:\n",
    "1.第1位数遍历从0到9的数字\n",
    "    2.第2位数遍历从0到9的数字\n",
    "        3.第3位数遍历从0到9的数字\n",
    "            4.比较当前的三位数是否与密码相同,若相同\n",
    "                5.输出当前三位数"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "import random  # 导入随机数模块\n",
    "\n",
    "keys = random.randint(100, 999)  # 随机产生一个三位整数\n",
    "print(keys)  # 查看当前生成的随机数,每次结果不同,此处若密码为651\n",
    "\n",
    "for i in range(10):          # 猜测百位上的数字\n",
    "    for j in range(10):      # 猜测十位上的数字\n",
    "        for k in range(10):  # 猜测个位上的数字\n",
    "            # 三个数字拼接为一个三位整数,若此三位数与随机产生的相同,则找到密码\n",
    "            if i * 100 + j * 10 + k == keys:  \n",
    "                print(f'密码是{i}{j}{k}')      # 密码是651"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "参考找回密码的程序,将问题规模扩大,遍历公鸡、母鸡和小鸡的数量都从1到100,一定可以找到所有正确的解。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "raw",
   "metadata": {},
   "source": [
    "python中的timeit()方法, 它用于获取代码的执行时间。该库将代码语句运行一百万次,并提供从集合中花费的最短时间。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "%%timeit\n",
    "\n",
    "for cock in range(1, 101):              # 公鸡数量不为0且小于或等于100\n",
    "    for hen in range(1, 101):           # 母鸡数量不为0且小于或等于100\n",
    "        for chicken in range(1, 101):   # 小鸡数量大于0小于等于100且是3的倍数\n",
    "            # 鸡的总数为100,钱的总数为100\n",
    "            if cock + hen + chicken == 100 and 5 * cock + 3 * hen + chicken // 3 == 100 and chicken % 3 ==0 :\n",
    "                print(f'公鸡{cock}只,母鸡{hen}只,小鸡{chicken}只')  # 遇到满足条件的数字组合就输出\n",
    "\n",
    "# 57.4 ms ± 3 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "这是一个三重循环,最内层循环中的if语句的执行次数约为:100 * 100 * 100 = 100万次,这是一个很大的数字,计算时间开销也很大,算法的效率不高。\n",
    "我们可以用“剪枝”这个方法,剪枝的思想就是<font color=Red>__剪掉不可能出现的情况,避免计算机多余的运算__</font>。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "我们可以用range(3, 101, 3)产生3的整数倍的数列,小鸡数量是3的倍数,所以可取的值一定在这个数列中。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "%%timeit\n",
    "\n",
    "# 100 * 100 * 33 = 33万次\n",
    "for cock in range(1, 101):                 # 公鸡数量不为0且小于或等于100\n",
    "    for hen in range(1, 101):              # 母鸡数量不为0且小于或等于100\n",
    "        for chicken in range(3, 101, 3):   # 小鸡数量大于0小于等于100且是3的倍数\n",
    "            # 鸡的总数为100,钱的总数为100\n",
    "            if cock + hen + chicken == 100 and 5 * cock + 3 * hen + chicken // 3 == 100:\n",
    "                print(f'公鸡{cock}只,母鸡{hen}只,小鸡{chicken}只')  # 遇到满足条件的数字组合就输出\n",
    "\n",
    "# 20.7 ms ± 626 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "实际上当公鸡和母鸡数量x, y 确定的情况下,小鸡的数量 z 可由100 – x - y计算,并不需要用循环进行遍历。可将其用两重循环实现求解,此时,最大循环次数为10000次,效率提高33倍。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "raw",
   "metadata": {},
   "source": [
    "python中的timeit()方法用于获取代码的执行时间。该库将代码语句运行一百万次,并提供从集合中花费的最短时间。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "# %%timeit\n",
    "\n",
    "# 100 * 100 = 1万次\n",
    "for cock in range(1, 101):          # 公鸡数量不为0且小于或等于100\n",
    "    for hen in range(1, 101):       # 母鸡数量不为0且小于或等于100\n",
    "        chicken = 100 - cock - hen  # 小鸡数量可由公鸡和母鸡数量计算得到\n",
    "        if chicken % 3 == 0 and 5 * cock + 3 * hen + chicken // 3 == 100:\n",
    "            print(f'公鸡{cock}只,母鸡{hen}只,小鸡{chicken}只')  # 遇到满足条件的数字组合就输出\n",
    "            \n",
    "# 1.35 ms ± 41.5 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1,000 loops each)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "由于要求每种鸡数量都不能为0,所以公鸡最多只能买19只,母鸡最多只能买32只,这样继续裁剪,减少外面两层循环的次数:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "%%timeit\n",
    "\n",
    "# 19 * 32 = 608次\n",
    "for cock in range(1, 20):           # 公鸡数量不超过20\n",
    "    for hen in range(1, 33):        # 母鸡数量不超过33\n",
    "        chicken = 100 - cock - hen  # 小鸡数量可由公鸡和母鸡数量计算得到\n",
    "        if chicken % 3 == 0 and 5 * cock + 3 * hen + chicken // 3 == 100:\n",
    "            print(f'公鸡{cock}只,母鸡{hen}只,小鸡{chicken}只')  # 遇到满足条件的数字组合就输出\n",
    "            \n",
    "            \n",
    "# 88.7 µs ± 5.1 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10,000 loops each)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "从结果中可以发现这样的一个规律:  \n",
    "公鸡是4的倍数,母鸡是7的递减率,小鸡是3的递增率,为了确认这一规律,数学上推导一下这个不定方程:  \n",
    "x + y + z = 100            \n",
    "5x + 3y + z/3 = 100        \n",
    "消去z可得:7x + 4y = 100  \n",
    "  \n",
    "由此可得:  \n",
    "y = 25 - (7/4)x   \n",
    "z = 75 + (3/4)x            \n",
    "因为0 < y < 100,且是自然数,则可得知 x 必为4的整数倍的正整数才能保证y  z 都是整数;  \n",
    "x 最大值必小于16 才能保证y 值为正数。  \n",
    "所以x值只能取4、8、12。这样只循环3次就可以找到所有可能的解。  \n",
    "可以继续优化代码提高效率:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "%%timeit\n",
    "\n",
    "for cock in range(4, 16, 4):    # cock 初值为4,小于16,步长为4\n",
    "    hen = 25 - cock // 4 * 7    # 整除“//”符号保证运算结果仍为整数\n",
    "    chicken = 75 + cock // 4 * 3\n",
    "    print(f'公鸡{cock}只,母鸡{hen}只,小鸡{chicken}只')  # 遇到满足条件的数字组合就输出\n",
    "\n",
    "# 15.9 µs ± 518 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100,000 loops each)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "尽可能减少循环嵌套的层数,让代码趋于<font color=Red>__扁平__</font>,使逻辑更简单,更容易阅读、理解和维护代码。需多重循环求解时,可以将内层循环的功能定义成<font color=Red>__函数__</font>,将二重循环转换为两个一重循环,使代码逻辑更清晰。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 迭代法"
   ]
  },
  {
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   "metadata": {},
   "source": [
    "迭代法也称辗转法,是一种不断用变量的旧值递推新值的过程,跟迭代法相对应的是直接法(或者称为一次解法),即一次性解决问题。\n",
    "迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法,它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点,让计算机对一组指令(或一定步骤)进行重复执行,在每次执行这组指令(或这些步骤)时,都从变量的原值推出它的一个新值,迭代法又分为精确迭代和近似迭代。\n",
    "比较典型的迭代法如“二分法”和\"牛顿迭代法”属于近似迭代法。"
   ]
  },
  {
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   "metadata": {},
   "source": [
    "### 兔子繁殖问题"
   ]
  },
  {
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   "metadata": {},
   "source": [
    "兔子从出生后第3个月起每个月都会生一对兔子,小兔子成长到第三个月后每个月又会生一对兔子。初始有一对小兔子,假如兔子都不死,用户输入一个月份数,计算并在一行内输出从1到n月每个月的兔子数量。\n",
    "各月的兔子数量形成的数列是:  \n",
    "1,1,2,3,5,8,13,……  \n",
    "斐波那契数列以如下被以递推的方法定义:  \n",
    "F(1)=1  \n",
    "F(2)=1   \n",
    "F(n)=F(n - 1)+F(n - 2)(n ≥ 3,n ∈ N*)  \n",
    "计算a,b指向数据的和作为新的一项,同时将变量b指向新产生的数据项,将变量a指向倒数第二项,也就是原来变量b指向的那个数据,这个操作可以用同步赋值语句a,b=b,a+b实现。\n",
    "\n",
    "<img src = \"images/ch3/5.gif\">"
   ]
  },
  {
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   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "n = int(input())       # int()将input()接收的字符串转整数,例如输入12\n",
    "a, b = 1, 1            # 设定数列前两项的初值\n",
    "for i in range(n):     # i 只用于控制循环次数,n值为12\n",
    "    print(a, end=' ')  # 每次循环输出一个值,不换行\n",
    "    a, b = b, a + b    # 迭代,b的值赋给a,把a,b的和赋值给b\n",
    "# 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144"
   ]
  },
  {
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   "metadata": {},
   "source": [
    "### 迭代法开平方"
   ]
  },
  {
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   "metadata": {},
   "source": [
    "求平方根的迭代公式:  \n",
    "x1=1/2*(x0+a/x0)  \n",
    "算法:  \n",
    "1.先自定一个初值x0,作为a的平方根值,在我们的程序中取a/2作为x0的初值;利用迭代公式求出一个x1。此值与真正的a的平方根值相比,误差很大。  \n",
    "2.把新求得的x1代入x0中,准备用此新的x0再去求出一个新的x1.\n",
    "3.利用迭代公式再求出一个新的x1的值,也就是用新的x0又求出一个新的平方根值x1,此值将更趋近于真正的平方根值。\n",
    "4.比较前后两次求得的平方根值x0和x1\n",
    "    4.1 如果它们的差值小于我们指定的值,即达到我们要求的精度,则认为x1就是a的平方根值,去执行步骤5;\n",
    "    4.2 否则执行步骤2,即循环进行迭代。"
   ]
  },
  {
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   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "import math\n",
    "\n",
    "\n",
    "x = int(input())             # 输入整数\n",
    "x0 = x / 2                   # 初值\n",
    "x1 = (x0 + x / x0) / 2       # 迭代公式\n",
    "while True:   # 迭代精度\n",
    "    x0 = x1\n",
    "    x1 = (x0 + x / x0) / 2\n",
    "    if abs(x0 - x1) < 1e-5:\n",
    "        break\n",
    "print(x1)            # 2.23606797749979\n",
    "print(math.sqrt(x))  # 2.23606797749979"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### 牛顿迭代法 "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "<img src = \"images/ch3/6.gif\">\n",
    "牛顿迭代法解下列方程的解:  \n",
    "$$ x ^ 4 - 3 * x ^ 3 + 1.5 * x ^ 2 + -4 = 0 $$\n",
    "\n",
    "牛顿迭代法是一种可以用来快速求解函数零点的方法,关键问题:切线是曲线的线性逼近。\n",
    "牛顿迭代法的本质是借助泰勒级数,从初始值开始快速向零点逼近。\n",
    "在经过多次迭代后,我们就可以得到一个距离零点非常接近的交点。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "# 定义初始值和参数\n",
    "x0 = 0.2\n",
    "max_iter = 50\n",
    "tol = 1e-5\n",
    "\n",
    "# 开始迭代\n",
    "for i in range(max_iter):\n",
    "    # 计算f(x)和f'(x)\n",
    "    fx = x0 ** 4 - 3 * x0 ** 3 + 1.5 * x0 ** 2 + -4\n",
    "    fx_first_order = 4 * x0 ** 3 - 9 * x0 ** 2 + 3 * x0\n",
    "\n",
    "    # 计算新的x值\n",
    "    x = x0 - fx / fx_first_order\n",
    "\n",
    "    # 检查是否满足精度要求\n",
    "    if abs(x - x0) < tol:\n",
    "        print(f'经{i}次迭代,估计参数值是{x}')\n",
    "        break\n",
    "\n",
    "    # 更新x0\n",
    "    x0 = x\n",
    "else:\n",
    "    print('达到最大迭代次数,无法收敛')"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "def f(x):\n",
    "    \"\"\"f的方程\"\"\"\n",
    "    return x ** 4 - 3 * x ** 3 + 1.5 * x ** 2 + -4\n",
    "\n",
    "\n",
    "def f_first_order(x):\n",
    "    \"\"\"f的一阶导数\"\"\"\n",
    "    return 4 * x ** 3 - 9 * x ** 2 + 3 * x\n",
    "\n",
    "\n",
    "def get_root(x0, max_iter=50, tol=1e-5):\n",
    "    \"\"\"将初始值浮点化\"\"\"\n",
    "    p0 = 0.2  # 初始化迭代值\n",
    "    for i in range(max_iter):\n",
    "        p = p0 - f(p0) / f_first_order(p0)  # f的一阶导数不能为0\n",
    "        if abs(p - p0) < tol:  # 如果小于精度值则退出迭代\n",
    "            return f'经{i}次迭代,估计参数值是{p}'\n",
    "        p0 = p\n",
    "    print('达到最大迭代次数,无法收敛')\n",
    "\n",
    "\n",
    "if __name__ == '__main__':\n",
    "    print(get_root(0))  # 经12次迭代,估计参数值是2.648936536182061\n",
    "\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 蒙特卡洛模拟"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "蒙特卡洛(Monte Carlo)方法是由数学家冯·诺伊曼提出的,诞生于上世纪40年代美国的“曼哈顿计划”。蒙特卡洛是一个地名,位于赌城摩纳哥,象征概率。蒙特卡洛方法的原理是通过大量随机样本,去了解一个系统,进而得到所要计算的值。‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‭‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‫‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### 蒙特卡洛法计算圆周率"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "用蒙特卡洛方法计算圆周率π的原理如下:一个边长为2r的正方形内部相切一个半径为r的圆,圆的面积是πr2,正方形的面积为4r2,二者面积之比是π/4,因为比值与r大小无关,所以可以假设半径 r的值为1。  \n",
    "<img src = \"images/ch3/7.png\">  \n",
    "\n",
    "在这个正方形内部,随机产生n个点,坐标为(x,y),当随机点较多时,可以认为这些点服从均匀分布的规律。计算每个点与中心点的距离是否大于圆的半径(x2+y2>r2),以此判断是否落在圆的内部。统计圆内的点数c,c与n的比值乘以4,就是π的值。理论上,n越大,计算的π值越准,但由于随机数不能保证完全均匀分布,所以蒙特卡洛法每次计算结果可能不同。‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‭‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‫‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬ 编程实现用蒙特卡洛方法计算π值,为了自动测评的需要,请先读入一个正整数sd作为随机数种子,并要求使用 x,y = random.uniform(-1,1) , random.uniform(-1,1) 语句来生成随机点的坐标值。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "import random\n",
    "\n",
    "\n",
    "# 输入正整数,表示产生点数量\n",
    "times = int(input())\n",
    "\n",
    "# 计数器,落在圆内的点数,初值为0\n",
    "hits = 0\n",
    "for i in range(times):\n",
    "    x, y = random.uniform(-1, 1), random.uniform(-1, 1)\n",
    "    # 计算坐标(x,y)到原点的距离,小于半径则在圆内\n",
    "    if x**2 + y**2 < 1:\n",
    "        hits += 1\n",
    "# 计算并输出圆周率值,浮点数\n",
    "pi = (hits / times) * 4\n",
    "print(pi)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "### 蒙特卡洛法计算百钱百鸡问题"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "import random\n",
    "\n",
    "\n",
    "def monte_carlo_cock(num):\n",
    "    answer = []\n",
    "    for i in range(num):\n",
    "        hen = random.randint(1, 20)\n",
    "        cock = random.randint(1, 33)\n",
    "        chicken = 100 - cock - hen\n",
    "        if chicken % 3 == 0 and 5 * cock + 3 * hen + chicken // 3 == 100 :\n",
    "            group = [cock, hen, chicken]\n",
    "            if group not in answer:\n",
    "                answer.append(group)\n",
    "    return answer\n",
    "\n",
    "\n",
    "if __name__ == '__main__':\n",
    "    result = monte_carlo_cock(10000)\n",
    "    for x in result:\n",
    "        print('公鸡{}只,母鸡{}只,小鸡{}只'.format(*x))\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 实例 4.9 圆周率查询统计"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "数据文件下载:\n",
    "[3200wpi.txt](https://data.educoder.net/api/attachments/4784494?type=text/plain)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "圆周率日是一年一度的庆祝数学常数π的节日,时间被定在3月14日。通常是在下午1时59分庆祝,以象征圆周率的六位近似值3.14159,有时甚至精确到26秒,以象征圆周率的八位近似值3.1415926;习惯24小时记时的人在凌晨1时59分或者下午3时9分(15时9分)庆祝。全球各地的一些大学数学系在这天举办派对。\n",
    "\n",
    "由于圆周率小数位是无限的,那么,这里面会不会出现任意的数字组合呢?我们的生日、密码之类的数字能不能在圆周率中找到呢?\n",
    "\n",
    "事实上,较短的数字组合很容易在圆周率中找到,而且还会重复出现多次,例如,000000第一次出现在1,699,927位,第二次出现在2,328,783位。123456首次出现于第2,458,885位,第二次出现于第3,735,793位。任意的6位数字组合,都出现在圆周率小数位的前1500万。\n",
    "\n",
    "据说圆周率中能找到所有人生日、银行卡密码和手机号,尝试一下,看你的生日或手机号在圆周率前3000万位中是否存在?"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "birthdate = input()  # 输入自己的生日或其他字符串\n",
    "n = len(birthdate)   # 获取输入的字符串的位数\n",
    "pi = open('/data/bigfiles/3200wpi.txt').read()  # 读取文件中的圆周率为字符串\n",
    "# print(len(pi))                                # 去掉注释可输出文件中圆周率位数\n",
    "for i in range(len(pi)):                       # 逐个遍历圆周率中的字符序号\n",
    "    if birthdate == pi[i: i + n]:              # 如果从当前字符向后的n个字符构成的字符串与输入的字符串相同\n",
    "        print(i, i + n)                        # 输出这个字符串的起止位置序号\n",
    "        # print(pi[:i + n])                    # 输出到匹配字符串为止的圆周率,此语句在本地运行,不要在平台上运行\n",
    "        # break                                # 若去掉注释,匹配到一个就终止循环"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "输入:\n",
    "5201314\n",
    "输出:\n",
    "2823258 2823265\n",
    "25808025 25808032\n",
    "26170648 26170655\n",
    "\n",
    "输入\n",
    "13297966265\n",
    "输出:\n",
    "22822747 22822758"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "a, b, c, d, e = 0, 0, 0, 0, 0  # 累加器清0\n",
    "pi = open('/data/bigfiles/3200wpi.txt').read()  # 读取文件中的圆周率为字符串\n",
    "for i in pi:  # 逐个遍历圆周率中的字符序号\n",
    "    if i == '0':\n",
    "        a = a + 1\n",
    "    elif i == '1':\n",
    "        b = b + 1\n",
    "    elif i == '2':\n",
    "        c = c + 1\n",
    "    elif i == '3':\n",
    "        d = d + 1\n",
    "    elif i == '4':\n",
    "        e = e + 1\n",
    "        \n",
    "# 分别统计输出0,1,2,3,4的数量\n",
    "print(a, b, c, d, e)\n",
    "# 3355091 3355566 3356627 3355076 3357258\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 读文件统计成绩平均值"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "\n",
    "\n",
    "\n",
    "<a href = \"https://images/ch3/his.txt\"> his.txt "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": [
    "fr = open('images/ch3/his.txt')  # 打开文件,创建一个可遍历的文件对象\n",
    "\n",
    "total_score = 0   # 总成绩置0\n",
    "count = 0         # 计数器置0\n",
    "for score in fr:  # 遍历文件,每次取到文件中的一行,字符串类型\n",
    "    total_score = total_score + float(score)  # 字符串的成绩转数值类型,加到总成绩上\n",
    "    count = count + 1                         # 成绩数量计数\n",
    "avg_score = total_score / count               # 计算平均成绩\n",
    "\n",
    "print(avg_score)\n",
    "print(f'{avg_score:.2f}')                     # 格式化输出\n",
    "\n",
    "    "
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": null,
   "metadata": {},
   "outputs": [],
   "source": []
  }
 ],
 "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": "3.7.5"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 4
}