Python自学02 - Python语言中的运算符

Python自学02 - Python语言中的运算符

大家好，我是星哥，今天还是来自学Python。

在Python的编程世界里，运算符就像是一把把神奇的钥匙，为我们打开解决各种问题的大门。Python支持丰富多样的运算符，接下来，我们将按照运算符优先级从高到低的顺序，逐一揭开它们的神秘面纱。有了变量和运算符，我们就如同拥有了神奇的魔法棒，可以构造出各种各样的表达式，轻松应对实际编程中的挑战。

在计算机科学的领域中，表达式是计算机程序里的句法实体，它由一个或多个常量、变量、函数以及运算符巧妙组合而成。编程语言就像一位聪明的翻译官，能够对表达式进行解释和计算，最终得到另一个有价值的值。即使一开始对这句话不太理解也没关系，重要的是要明白，无论使用哪种编程语言，构造表达式都是编程过程中至关重要的一环。

说明：所谓优先级，就如同一场比赛的规则，在一个运算表达式中，如果出现多个运算符，它规定了应该先执行哪个运算，后执行哪个运算。在编写代码时，如果对表达式中运算符的优先级不太确定，可以巧妙地使用圆括号（小括号）来明确运算的执行顺序，就像给运算加上了一个清晰的导航标。

算术运算符的奇妙世界

Python中的算术运算符犹如一个丰富多彩的工具箱，除了我们最为熟悉的加、减、乘、除运算外，还有整除运算符、求模（求余数）运算符和求幂运算符等特殊工具。下面的示例将带领我们一起领略算术运算符的强大功能。

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算术运算符
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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print(321 + 12)     # 加法运算，输出333
print(321 - 12)     # 减法运算，输出309
print(321 * 12)     # 乘法运算，输出3852
print(321 / 12)     # 除法运算，输出26.75
print(321 // 12)    # 整除运算，输出26
print(321 % 12)     # 求模运算，输出9
print(321 ** 12)    # 求幂运算，输出1196906950228928915420617322241

在算术运算的规则中，就像我们在数学课本中学到的一样，需要先进行乘除运算，再进行加减运算，这意味着乘除法的运算优先级高于加减法。而求幂运算则更为特殊，它的优先级高于乘除法。如果我们想要改变算术运算的执行顺序，可以借助英文输入法状态下的圆括号（小括号），将需要优先执行的表达式放在圆括号中，就像给它穿上了一层特殊的保护衣。下面的示例将为我们展示具体的应用。

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算术运算的优先级
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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print(2 + 3 * 5)           # 17
print((2 + 3) * 5)         # 25
print((2 + 3) * 5 ** 2)    # 125
print(((2 + 3) * 5) ** 2)  # 625

赋值运算符的秘密

赋值运算符可以说是编程中最为常见的运算符之一，它就像一位勤劳的搬运工，将右边的值准确无误地赋给左边的变量。赋值运算符还可以与上面介绍的算术运算符相结合，形成复合赋值运算符。例如，a += b 就相当于 a = a + b，a *= a + 2 则相当于 a = a * (a + 2)。下面的示例将为我们演示赋值运算符和复合赋值运算符的使用方法。

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赋值运算符和复合赋值运算符
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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a = 10
b = 3
a += b        # 相当于：a = a + b
a *= a + 2    # 相当于：a = a * (a + 2)
print(a)      # 大家算一下这里会输出什么

需要注意的是，赋值运算构成的表达式本身并不会产生任何值。也就是说，如果我们试图将一个赋值表达式放入 print 函数中输出其值，将会引发语法错误。为了解决这个问题，Python 3.8 引入了一个新的赋值运算符 :=，我们亲切地称它为海象运算符。大家不妨发挥一下想象力，猜猜它为什么会有这样一个有趣的名字。海象运算符同样是将运算符右侧的值赋值给左边的变量，但与普通赋值运算符不同的是，运算符右侧的值同时也是整个表达式的值。下面的代码将帮助我们更好地理解这一点。

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海象运算符
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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# SyntaxError: invalid syntax
# print((a = 10))
# 海象运算符
print((a := 10))  # 10
print(a)          # 10

提示：上面第 8 行代码如果不注释掉，运行代码时会看到 SyntaxError: invalid syntax 错误信息。需要注意的是，这行代码中我们给 a = 10 加上了圆括号，如果不小心写成了 print(a = 10)，会看到 TypeError: 'a' is an invalid keyword argument for print() 错误信息。当我们后面学习函数时，就会明白这个错误提示的具体含义了。

比较运算符和逻辑运算符的智慧

比较运算符，也被称为关系运算符，包括 ==、!=、<、>、<=、>=。相信大家一看就能明白它们的含义。需要特别提醒的是，比较相等时我们使用的是 ==，这里是两个等号，因为 = 是赋值运算符，我们在前面刚刚详细介绍过。比较不相等时使用的是 !=，这与数学课本中使用的 $small{ eq}$ 有所不同。在 Python 2 中，曾经使用过 <> 来表示不等于，但在 Python 3 中，使用 <> 会引发 SyntaxError（语法错误）。比较运算符就像一位公正的裁判，会产生布尔值，结果要么是 True，要么是 False。

逻辑运算符有三个，分别是 and、or 和 not。and 的字面意思是“而且”，它就像一个严格的把关者，会连接两个布尔值或者产生布尔值的表达式。只有当两边的布尔值都是 True 时，运算的结果才是 True；只要左右两边的布尔值有一个是 False，最终的运算结果就是 False。当然，如果 and 运算符左边的布尔值是 False，不管右边的布尔值是什么，最终的结果都是 False，这时运算符右边的布尔值会被跳过（专业的说法叫短路处理，如果 and 右边是一个表达式，那么这个表达式不会执行）。or 的字面意思是“或者”，它就像一个灵活的选择器，也会连接两个布尔值或产生布尔值的表达式。只要两边的布尔值有任意一个是 True，那么最终的结果就是 True。同样，or 运算符也有短路功能，当它左边的布尔值为 True 时，右边的布尔值会被短路（如果 or 右边是一个表达式，那么这个表达式不会执行）。not 运算符就像一个反转大师，它的后面可以跟一个布尔值。如果 not 后面的布尔值或表达式是 True，那么运算的结果就是 False；如果 not 后面的布尔值或表达式是 False，那么运算的结果就是 True。

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比较运算符和逻辑运算符的使用
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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flag0 = 1 == 1
flag1 = 3 > 2
flag2 = 2 < 1
flag3 = flag1 and flag2
flag4 = flag1 or flag2
flag5 = not flag0
print('flag0 =', flag0)     # flag0 = True
print('flag1 =', flag1)     # flag1 = True
print('flag2 =', flag2)     # flag2 = False
print('flag3 =', flag3)     # flag3 = False
print('flag4 =', flag4)     # flag4 = True
print('flag5 =', flag5)     # flag5 = False
print(flag1 and not flag2)  # True
print(1 > 2 or 2 == 3)      # False

说明：比较运算符的优先级高于赋值运算符，所以在上面的 flag0 = 1 == 1 中，会先进行 1 == 1 的比较，产生布尔值 True，然后再将这个值赋值给变量 flag0。print 函数可以输出多个值，多个值之间可以用 , 进行分隔，输出的内容默认以空格分开。

运算符和表达式的实际应用

例子 1：华氏温度转摄氏温度

要求：输入华氏温度，将其转换为摄氏温度。华氏温度到摄氏温度的转换公式为： $small{C = (F - 32) / 1.8}$。

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将华氏温度转换为摄氏温度
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print('%.1f华氏度 = %.1f摄氏度' % (f, c))

说明：上面代码中的 input 函数用于从键盘接收用户输入。由于输入的内容都是字符串，如果我们想将其处理成浮点小数进行后续的运算，可以使用我们上一课讲解的类型转换方法，用 float 函数将 str 类型转换为 float 类型。

在上面的代码中，我们对 print 函数输出的内容进行了格式化处理。print 输出的字符串中有两个 %.1f 占位符，这两个占位符会被 % 之后的 (f, c) 中的两个 float 类型的变量值替换掉，浮点数小数点后保留 1 位有效数字。如果字符串中有 %d 占位符，我们会用 int 类型的值替换它；如果字符串中有 %s 占位符，它会被 str 类型的值替换。

除了上面的格式化输出方式外，Python 中还有另一种格式化输出的方法。我们给出一个带占位符的字符串，字符串前面的 f 表示这个字符串需要进行格式化处理。其中的 {f:.1f} 和 {c:.1f} 可以先看成是 {f} 和 {c}，表示输出时会用变量 f 和变量 c 的值替换这两个占位符，后面的 :.1f 表示这是一个浮点数，小数点后保留 1 位有效数字。

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将华氏温度转换为摄氏温度
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Version: 1.1
Author: 骆昊
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f = float(input('请输入华氏温度: '))
c = (f - 32) / 1.8
print(f'{f:.1f}华氏度 = {c:.1f}摄氏度')

例子 2：计算圆的周长和面积

要求：输入一个圆的半径（$small{r}$），计算出它的周长（ $small{2 pi r}$ ）和面积（ $small{pi r^{2}}$ ）。

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输入半径计算圆的周长和面积
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * 3.1416 * radius
area = 3.1416 * radius * radius
print('周长: %.2f' % perimeter)
print('面积: %.2f' % area)

Python 中有一个名为 math 的内置模块，该模块中定义了名为 pi 的变量，它的值就是圆周率。如果我们要使用 Python 内置的这个 pi，可以对上面的代码进行一些修改。

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输入半径计算圆的周长和面积
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Version: 1.1
Author: 骆昊
"""
import math
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radius = float(input('请输入圆的半径: '))
perimeter = 2 * math.pi * radius
area = math.pi * radius ** 2
print(f'周长: {perimeter:.2f}')
print(f'面积: {area:.2f}')

说明：上面代码中的 import math 表示导入 math 模块，导入该模块后，我们才能使用 math.pi 得到圆周率的值。

这里还有一种格式化输出的方式，是 Python 3.8 中新增的特性。大家直接看下面的代码就会明白。

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输入半径计算圆的周长和面积
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Version: 1.2
Author: 骆昊
"""
import math
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radius = float(input('请输入圆的半径: '))  # 输入: 5.5
perimeter = 2 * math.pi * radius
area = math.pi * radius ** 2
print(f'{perimeter = :.2f}')  # 输出：perimeter = 34.56
print(f'{area = :.2f}')       # 输出：area = 95.03

说明：假如变量 a 的值是 9.87，那么字符串 f'{a = }' 的值是 a = 9.87；而字符串 f'{a = :.1f}' 的值是 a = 9.9。这种格式化输出的方式会同时输出变量名和变量值。

例子 3：判断闰年

要求：输入一个 1582 年以后的年份，判断该年份是否为闰年。

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输入年份，闰年输出True，平年输出False
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Version: 1.0
Author: 骆昊
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year = int(input('请输入年份: '))
is_leap = year % 4 == 0 and year % 100 != 0 or year % 400 == 0
print(f'{is_leap = }')

说明：对于格里历（Gregorian calendar），也就是我们今天使用的公历，判断闰年的规则是：1. 公元年份非 4 的倍数是平年；2. 公元年份为 4 的倍数但非 100 的倍数是闰年；3. 公元年份为 400 的倍数是闰年。格里历是由教皇格里高利十三世在 1582 年 10 月引入的，作为对儒略历（Julian calendar）的修改和替代。我们在输入年份时需要注意这一点。上面的代码通过 % 来判断 year 是否为 4 的倍数、100 的倍数、400 的倍数，然后用 and 和 or 运算符将三个条件组合在一起，前两个条件需要同时满足，第三个条件与前两个条件的组合只需满足其中之一。

总结

通过上面的详细讲解和丰富的例子，相信大家已经深刻感受到了运算符和表达式的强大力量。在实际编程中，很多问题都需要通过构造表达式来解决。因此，变量、运算符和表达式对于任何一门编程语言来说，都是极为重要的基础。如果大家对本节课的内容有任何不理解的地方，一定不要急于进入下一课，先在评论区留言讨论，我会及时为大家解答疑问。