Boucles

Dans le tutoriel précédent, nous avons étudié les tests, qui permettent à un ordinateur de prendre des décisions selon des conditions spécifiées dans un programme. Nous allons à présent aller encore plus loin dans l’automatisation des opérations, grâce à la notion de boucle. Les boucles vont permettre de répéter plusieurs fois une instruction semblable sans avoir à réécrire le même code à chaque fois.

Pour illustrer cette idée, imaginons que l’on souhaite afficher chaque élément d’une liste. Pour l’instant, on ferait :

gamme = ['do', 're', 'mi', 'fa', 'sol', 'la', 'si']

print(gamme[0])
print(gamme[1])
print(gamme[2])

do
re
mi

Et ainsi de suite. On voit tout de suite qu’une telle opération serait impraticable pour une liste contenant des centaines d’éléments. Les boucles vont résoudre ce problème de manière élégante et efficiente.

Boucles `for`

Définition

Le premier type de boucles auquel nous allons nous intéresser est la boucle for. Une boucle for permet de parcourir les différents éléments contenus dans un objet dit itérable, et de réaliser des opérations avec ces éléments. Les objets itérables incluent notamment tous les objets séquentiels que nous avons vus jusqu’à présent : chaînes de caractères, listes, tuples, etc.

Illustrons le fonctionnement d’une boucle for en résolvant le problème exposé précédemment.

for note in gamme:
    print(note)

do
re
mi
fa
sol
la
si

Syntaxe

Analysons la structure d’une boucle for :

La première ligne spécifie une instruction for, et comme toute instruction en Python se termine par :.
Vient ensuite un bloc d’instructions, i.e. une suite d’opérations (une seule dans notre exemple) qui sera exécutée à chaque itération de la boucle. Ce bloc est visible par son niveau d’indentation, incrémenté de 1 par rapport à l’instruction. Le bloc s’arrête dès lors que l’indentation revient à son niveau initial.

Comme pour les instructions conditionnelles de type if/else, l’indentation est donc capitale. Si on l’oublie, Python renvoie une erreur.

for note in gamme:
    print(note)

do
re
mi
fa
sol
la
si

Fonctionnement

Regardons maintenant plus en détail ce que fait l’instruction for. Elle définit une variable d’itération (appelée note dans notre exemple), qui va parcourir les éléments de l’itérateur spécifié après le in (la liste gamme dans notre exemple). La syntaxe d’une boucle en Python se prête bien à une description littérale ; dans notre cas : “pour chaque note contenue dans la liste gamme, imprime la note”.

Insistons sur le fait qu’une boucle définit une variable, sans que l’on ait besoin de passer par la syntaxe traditionnelle d’assignation variable = valeur. De plus, cette variable n’est pas supprimée une fois la boucle terminée, elle prend alors la valeur du dernier élément de l’itérateur.

note

'si'

L’itérateur n’est pas nécessairement une liste, il peut être tout objet itérable. Cela inclut notamment tous les objets séquentiels que nous avons vu.

for char in "YMCA":
    print(char)
    
print()  # Saut de ligne
    
t = (1, 2, 3, 4, 5)
for i in t:
    print(i*9)

La classe des objets itérables est cependant bien plus grande que les seuls objets séquentiels. Par exemple, on peut itérer sur les clés d’un dictionnaire, alors que l’on a vu dans un tutoriel précédent que ce n’était pas un objet séquentiel, puisqu’il n’y a pas de notion d’ordre dans un dictionnaire.

inventaire = {'cafe': '500g', 'lait': '1,5L', 'cereales': '1kg'}
for key in inventaire:
    print(key)
    print(inventaire[key])
    print()  # Saut de ligne

cafe
500g

lait
1,5L

cereales
1kg

Itération sur des entiers avec la fonction `range`

En programmation, il est courant de vouloir itérer sur une suite d’entiers. Plutôt que de spécifier cette suite dans une liste, ce qui n’est pas très pratique si la suite est longue, on utilise pour ce faire la fonction range(n). Celle-ci crée un objet itérable qui contient tous les entiers compris entre \(0\) et \(n-1\), et qui peut être utilisé dans le cadre d’une boucle.

Regardons par exemple comment on peut très simplement afficher une table de multiplication à l’aide de cette fonction.

table = 9

for i in range(11):
    print(i, i*9)

Itération sur les indices

On a vu qu’une boucle for avait pour principe d’itérer sur les éléments d’un itérable. Cependant, dans le cas d’un objet séquentiel comme une liste, on peut parfois vouloir itérer sur les indices de l’objet, afin de pouvoir manipuler à la fois les indices et les éléments contenus dans l’objet. Dans ce cas, la fonction range peut être utilisée en combinaison avec la fonction len pour créer un objet itérable qui contient exactement les indices de la liste initiale.

gamme = ['do', 're', 'mi', 'fa', 'sol', 'la', 'si']

for i in range(len(gamme)):
    print("La note numéro " + str(i) + " de la gamme de do majeur est " + gamme[i])

La note numéro 0 de la gamme de do majeur est do
La note numéro 1 de la gamme de do majeur est re
La note numéro 2 de la gamme de do majeur est mi
La note numéro 3 de la gamme de do majeur est fa
La note numéro 4 de la gamme de do majeur est sol
La note numéro 5 de la gamme de do majeur est la
La note numéro 6 de la gamme de do majeur est si

Comme ce besoin est fréquent mais que le code ci-dessus n’est pas très lisible, il existe une fonction built-in de Python appelée enumerate qui permet d’itérer à la fois sur les objets et les indices. Il est donc préférable d’utiliser cette syntaxe, plus claire, et qui permet d’éviter certaines erreurs.

La fonction enumerate appliquée à un objet itérable renvoie un nouvel objet itérable qui contient l’ensemble des couples (indice, élément) contenus dans l’objet, sous forme de tuples. Comme c’est un objet de type particulier – un générateur, que nous verrons dans un tutoriel plus avancé – il faut lui appliquer la fonction list pour afficher son contenu.

list(enumerate(gamme))

[(0, 'do'), (1, 're'), (2, 'mi'), (3, 'fa'), (4, 'sol'), (5, 'la'), (6, 'si')]

Regardons comment réécrire la boucle précédente avec cette nouvelle syntaxe.

for i, note in enumerate(gamme):
    print("La note numéro " + str(i) + " de la gamme de do majeur est " + note)

La note numéro 0 de la gamme de do majeur est do
La note numéro 1 de la gamme de do majeur est re
La note numéro 2 de la gamme de do majeur est mi
La note numéro 3 de la gamme de do majeur est fa
La note numéro 4 de la gamme de do majeur est sol
La note numéro 5 de la gamme de do majeur est la
La note numéro 6 de la gamme de do majeur est si

NB : pour faire l’assignation de variables dans l’instruction if, on a utilisé une technique bien pratique que l’on avait déjà évoquée dans un exercice du tutoriel sur les listes et les tuples : le tuple unpacking. Illustrons le par un exemple :

t = (1, 2, 3)
a, b, c = t
print(a)
print(b)
print(c)

1
2
3

Boucles `while`

Définition

Les boucles while fournissent une manière alternative de spécifier des procédures répétitives. L’idée n’est plus d’itérer sur un nombre d’objets fixé à l’avance, mais d’itérer tant qu’une condition (test logique) est remplie.

i = 1
while i <= 5:
    print(i)
    i = i + 1

Syntaxe

La différence essentielle avec la boucle for est l’instruction : c’est désormais une instruction while, suivie d’une condition (test), et comme toute instruction de :.

Pour le reste, le principe est le même : l’instruction while est suivi d’un bloc d’instructions, indenté d’un niveau, et qui s’exécute séquentiellement à chaque itération de la boucle.

Critère d’arrêt

Une différence essentielle des boucles while par rapport aux boucles for tient au critère d’arrêt. Dans une boucle for, ce critère est clair : la boucle itère sur les éléments d’un objet itérable, nécessairement de taille finie. La boucle s’arrête donc lorsque chaque élément de l’itérable a été parcouru.

Dans une boucle while au contraire, le critère d’arrêt est donné par une condition logique, c’est donc l’utilisateur qui doit fixer le critère d’arrêt. Dans l’exemple, pour que la boucle s’arrête, il faut que la condition i <= 5 devienne False, c’est à dire que i devienne strictement supérieur à \(5\). On s’est assuré de cela en initialisant i à \(1\) avant le début de la boucle, puis en incrémentant i d’une unité à chaque itération.

Que se passe-t-il si l’on oublie d’incrémenter i ? Le critère d’arrêt n’est jamais atteint, la boucle est donc infinie, et il faut utiliser le bouton “Stop” (carré noir) de Jupyter pour arrêter le programme en cours. Vérifions cela en incrémentant la mauvaise variable.

i = 1
j = 1
while i <= 5:
    j = j + 1

Ainsi, lorsqu’on pressent qu’une boucle while met trop longtemps à tourner, il faut considérer l’hypothèse que l’on soit tombé dans une boucle infinie, et bien vérifier que le critère d’arrêt est atteignable.

L’instruction `break`

Une manière alternative de spécifier un critère d’arrêt est d’utiliser l’instruction break. Lorsque cette instruction est atteinte et exécutée, la boucle est immédiatement interrompue.

Illustrons son fonctionnement à l’aide d’un exemple. La première ligne crée une boucle infinie, dans la mesure où, par définition, True est toujours évalué à True. Le programme demande ensuite à l’utilisateur de taper un prénom, et ce infiniment jusqu’à que l’utilisateur tape le prénom attendu. Dans ce cas seulement, l’instruction break est atteinte et la boucle s’arrête. Le message “Bienvenue ” s’affiche enfin, dans la mesure où le deuxième print n’est pas inclus dans la boucle.

votre_prenom = "Romain"

while True:
    print("Veuillez entrer votre prénom.")
    prenom = input()
    if prenom == votre_prenom:
        break
print("Bienvenue " + votre_prenom)

Il est important de noter qu’une instruction break ne met fin qu’à la boucle de niveau directement supérieur à elle. Dans le cas d’une boucle à plusieurs niveaux, il est tout à fait possible que les opérations continuent même lorsqu’une instruction break a été atteinte.

Illustrons ce principe avec un exemple.

i = 0
while i <= 5:
    for j in range(5):
        if j == 2:
            print("Break.")
            break
    i += 1

Break.
Break.
Break.
Break.
Break.
Break.

A chaque itération de la boucle while, une boucle for est lancée, qui atteint une instruction break à la troisième itération (lorsque j vaut 2). Cela a pour effet de mettre fin à la boucle for, mais pas à la boucle while, qui exécute la suite de ses instructions (l’incrémentation de i d’une unité) avant de passer à l’itération suivante.

L’instruction `continue`

L’instruction continue permet de passer à l’itération suivante de la boucle.

Agrémentons l’exemple précédent pour illustrer son fonctionnement. Tant qu’un prénom différent de celui attendu est rentré, l’instruction continue est évaluée, et le programme continue à demander un prénom à l’utilisateur. Lorsque le bon prénom est rentré, le programme demande à l’utilisateur de rentrer un mot de passe. Si le mot de passe est celui attendu, l’instruction break est atteinte et exécutée, la boucle s’arrête. En cas de mauvais mot de passe en revanche, la boucle redémarre au début du bloc d’exécution, il faut donc de nouveau rentrer un prénom avant le mot de passe.

votre_prenom = ""

while True:
    print("Veuillez entrer votre prénom.")
    prenom = input()
    if prenom != votre_prenom:
        continue
    print("Veuillez entrer votre mot de passe.")
    mdp = input()
    if mdp == "insee2021":
        break
print("Bienvenue " + votre_prenom)

NB : le code ci-dessus à seulement valeur d’exemple. Comme on le verra dans un prochain tutoriel sur les bonnes pratiques de code, il ne faut jamais écrire de secrets (mots de passe, tokens..) en clair dans son code.

Exercices

Questions de compréhension

1/ Comment fonctionne une boucle for ?
2/ La variable d’itération définie lors d’une boucle for persiste-t-elle en mémoire une fois la boucle terminée ?
3/ Que fait la fonction range ? Pourquoi est-elle particulièrement utile dans le cadre des boucles for ?
4/ Que fait la fonction enumerate ? Pourquoi est-elle particulièrement utile dans le cadre des boucles for ?
5/ Comment fonctionne une boucle while ?
6/ Quand s’arrête une boucle while ? En quoi cela diffère-t-il des boucles for ?
7/ Que fait l’instruction break ?
8/ Que fait l’instruction continue ?

Afficher la solution

1/ Une boucle for définit une variable d’itération qui va parcourir chaque élément d’un objet itérable. A chaque itération, une série d’instructions est effectuée.

2/ Oui, et sa valeur finale est égale à la dernière valeur de l’objet itérable.

3/ La fonction range(n) crée un objet itérable qui contient tous les entiers compris entre 0 et n-1. Elle est très utilisée comme itérable dans les boucles for car elle permet d’itérer sur une séquence d’entiers sans avoir à mettre celle-ci dans une liste à la main.

4/ La fonction enumerate appliquée à un objet itérable renvoie un nouvel objet itérable qui contient l’ensemble des couples (indice, élément) associés à l’objet initial, sous forme de tuples. Dans le cadre d’une boucle for, elle permet d’itérer à la fois sur les éléments d’un itérable et sur les positions de ces éléments.

5/ Une boucle while exécute une série d’instructions de manière répétée tant que la condition logique spécifiée évalue à True.

6/ Une boucle while s’arrête dès lors que la condition logique spécifiée évalue à False. Si ce cas ne se produit jamais, une boucle while peut donc être infinie. A l’inverse, une boucle for peut être très longue mais jamais infinie, dans la mesure où elle s’arrête dès lors qu’elle a terminé de parcourir l’objet.

7/ L’instruction break force la boucle de niveau directement supérieur à se terminer.

8/ L’instruction continue force la boucle de niveau directement supérieur à passer à l’itération suivante.

Prédiction de résultats de boucles `while`

Essayer de prédire ce que vont produire les boucles while suivantes, et vérifiez vos résultats.

# 1.
i = 0
while i <= 10:
    print(i)
    
# 2.
a = 1
while (a < 10):
    a += 1
    if a == 5:
        break
    print("Condition d'arrêt atteinte.")
    
# 3.
while False:
    print("hello world")

# 4.
while True:
    print("hello world")
    break

# 5.
while 5 >= 3:
    continue
    print("hello world")

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

1. Boucle infinie car le i n’est jamais incrémenté, la condition est donc toujours vérifiée. 0 va s’imprimer à l’infini.
1. La boucle va s’arrêter à la 4ème itération, lorsque a vaut 5. Cependant, le print est mal indenté => il va s’imprimer 3 fois au lieu d’1.
1. False évalue à False => la boucle ne s’exécute pas du tout. Aucun output.
1. True évalue à True => la boucle est théoriquement infinie, mais il y a un break. Il va donc y avoir une seule itération, soit un seul print de “hello world”
1. 5 >= 3 évalue à True => la boucle est infinie. Le continue est exécuté à chaque itération avant que le print ne puisse s’exécuter. La boucle tourne à l’infini, mais sans output.

Effet d’une erreur d’indentation

Source : python.sdv.univ-paris-diderot.fr

Afin de visualiser l’importance de l’indentation dans les blocs d’instruction, essayez de prédire ce que vont respectivement retourner les deux programmes suivants. Lequel a l’effet attendu ?

nombres = [4, 5, 6]
for nb in nombres:
    if nb == 5:
        print("Le test est vrai")
        print(f"car la variable nb vaut {nb}")

Le test est vrai
car la variable nb vaut 5

nombres = [4, 5, 6]
for nb in nombres:
    if nb == 5:
        print("Le test est vrai")
    print(f"car la variable nb vaut {nb}")

car la variable nb vaut 4
Le test est vrai
car la variable nb vaut 5
car la variable nb vaut 6

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

Le premier programme est correct. Dans le second, le second print n’est pas correctement indenté. En conséquence, il s’exécute à chaque itération et non pas juste lorsque nb == 5.

Convertir une boucle `for` en boucle `while`

Réécrivez la boucle for suivante à l’aide d’une boucle while.

gamme = ['do', 're', 'mi', 'fa', 'sol', 'la', 'si']

for i, note in enumerate(gamme):
    print("La note numéro " + str(i) + " de la gamme de do majeur est " + note)

La note numéro 0 de la gamme de do majeur est do
La note numéro 1 de la gamme de do majeur est re
La note numéro 2 de la gamme de do majeur est mi
La note numéro 3 de la gamme de do majeur est fa
La note numéro 4 de la gamme de do majeur est sol
La note numéro 5 de la gamme de do majeur est la
La note numéro 6 de la gamme de do majeur est si

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

gamme = ['do', 're', 'mi', 'fa', 'sol', 'la', 'si']

i = 0
while i <= (len(gamme) - 1):
    # On soustrait 1 à la longueur de `gamme` car l'index maximal est 6
    print("La note numéro " + str(i) + " de la gamme de do majeur est " + gamme[i])
    i += 1

Recherche d’un élément dans une liste

Soit un entier cible n_cible et une liste d’entiers l tels que définis dans la cellule suivante. A l’aide d’une boucle for et de la fonction enumerate :

vérifier si l’entier cible est présent dans la liste l.
si oui, afficher le message ‘Le nombre n_cible est à la position i de la liste’, et mettre fin à la boucle.

n_cible = 78

l = [12, 98, 65, 39, 78, 55, 119, 27, 33]

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

n_cible = 78

l = [12, 98, 65, 39, 78, 55, 119, 27, 33]

for i, n in enumerate(l):
    if n == n_cible:
        print("Le nombre " + str(n) + " est à la position " + str(i) + " de la liste.")
        break

# NB : version plus efficiente sans boucle
if n_cible in l:
    pos = l.index(n_cible)
    print("Le nombre " + str(n_cible) + " est à la position " + str(pos) + " de la liste.")

Suite de Fibonacci

La suite de Fibonacci se définit de la manière suivante :

les deux premiers nombres sont 0 et 1
chaque autre nombre de la suite s’obtient en additionnant les deux nombres qui le précèdent

Ecrire un programme permettant de calculer les \(n\) premiers termes de la suite à l’aide d’une boucle for.

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

n_termes = 20
num1 = 0
num2 = 1

for i in range(n_termes):
    print(num1)
    num3 = num1 + num2
    num1 = num2
    num2 = num3

Dictionnaire des tables de multiplication

A l’aide de deux boucles for imbriquées, construire un dictionnaire tables permettant de réaliser les tables de multiplication jusqu’à la table de 12. Requêtez votre dictionnaire pour vérifier sa pertinence.

Voici quelques exemples de requête que doit renvoyer votre dictionnaire :

tables[2][3] -> 6
tables[9][5] -> 45
tables[12][7] -> 84

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

tables = {}

for i in range(13):
    tables[i] = {}
    for j in range(13):
        tables[i][j] = i*j

print(tables[2][3])
print(tables[9][5])
print(tables[12][7])

Calcul du minimum et du maximum d’une série “à la main”

Calculer le minimum et le maximum de la série de valeurs suivantes, sans utiliser les fonctions min et max de Python.

x = [8, 18, 6, 0, 15, 17.5, 9, 1]

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

x = [8, 18, 6, 0, 15, 17.5, 9, 1]

current_min = x[0]
current_max = x[0]
for n in x[1:]:
    if n <= current_min:
        current_min = n
    if n >= current_max:
        current_max = n

print(current_min == min(x))
print(current_max == max(x))

Calcul de moyenne et de variance “à la main”

Calculer la moyenne et la variance de la série de valeurs suivantes, sans utiliser des fonctions déjà codées :

x = [8, 18, 6, 0, 15, 17.5, 9, 1]

Pour rappel, les formules sont :

moyenne : \[\bar{x} = {\frac {1}{n}}\sum_{i=1}^{n}x_{i}\]
variance : \[\sigma^2 = {\frac {1}{n}}\sum_{i=1}^{n} (x_{i}-\bar{x})^2\]

NB :

n à la puissance k s’écrit en Python n**k
en pratique, il ne faut surtout pas essayer de recoder soi-même ce genre de fonctions, mais utiliser des fonctions issues de packages adaptés, comme numpy.

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

x = [8, 18, 6, 0, 15, 17.5, 9, 1]
n = len(x)

somme_moy = 0
for x_i in x:
    somme_moy += x_i
moyenne = somme_moy / n

somme_var = 0
for x_i in x:
    somme_var += (x_i - moyenne)**2
variance = somme_var / n

print(moyenne)
print(variance)

# Vérification avec les fonctions du package numpy
import numpy as np
print(np.mean(x))
print(np.var(x))

Usage avancé de la fonction `range`

Nous avons vu plus haut l’usage basique de la fonction range : range(n) crée un objet itérable qui contient l’ensemble des entiers de \(0\) à \(n-1\). Les usages possibles de cette fonction sont cependant plus complets, et parfois utiles dans le cadre de problèmes précis.

La syntaxe complète de la fonction est range(start, stop, step) où :

start est l’entier à partir duquel commence la séquence d’entiers
stop est l’entier avant lequel se termine la séquence d’entiers
step est le pas, i.e. la valeur de l’incrément entre chaque entier de la séquence.

Seul le paramètre stop est obligatoire, c’est celui qui est utilisé lorsqu’on appelle range(n).

En utilisant la fonction range, afficher :

l’ensemble des entiers de 0 à 10 (10 exclu)
l’ensemble des entiers de 10 à 20 (20 inclus)
l’ensemble des nombres pairs compris entre 30 et 40 (40 inclus)
l’ensemble des multiples de 10 entre 1 et 100 (100 exclu)
l’ensemble des entiers de 10 à 20 (20 inclus), dans l’ordre inverse (de 20 à 10)

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

print(list(range(10)))

print(list(range(10, 21)))

print(list(range(30, 41, 2)))

print(list(range(10, 100, 10)))

print(list(range(20, 9, -1)))

Le juste prix, version améliorée

Dans le précédent tutoriel, nous avons codé un jeu du juste prix. Mais il était un peu limité, puisqu’il fallait réexécuter le code à chaque étape du jeu. A l’aide de boucles, réécrivez le jeu de manière complètement automatique.

Rappel des règles :

En utilisant input et les instructions if, elif et else, coder le programme suivant :

demander une valeur à l’utilisateur, qui sera stockée dans une variable p
si p est strictement inférieur à \(15\), imprimer (avec la fonction print) le message “trop bas !”.
si p est strictement supérieur à \(15\), imprimer le message “trop haut !”.
si p est égal à \(15\), imprimer le message “dans le mille !”

Attention, input renvoie par défaut une chaîne de caractère. Il faut donc convertir la valeur de p au format entier (via la fonction int) pour que le jeu fonctionne.

# Testez votre réponse dans cette cellule

Afficher la solution

juste_prix = 15

while True:
    print("Proposer un nombre entre 1 et 50.")
    p = input()
    p = int(p)
    if p < juste_prix:
        print("trop bas !")
    elif p > juste_prix:
        print("trop haut !")
    else:
        break

print("dans le mille !")

Boucles

Boucles for

Définition

Syntaxe

Fonctionnement

Itération sur des entiers avec la fonction range

Itération sur les indices

Boucles while

Définition

Syntaxe

Critère d’arrêt

L’instruction break

L’instruction continue

Exercices

Questions de compréhension

Prédiction de résultats de boucles while

Effet d’une erreur d’indentation

Convertir une boucle for en boucle while

Recherche d’un élément dans une liste

Suite de Fibonacci

Dictionnaire des tables de multiplication

Calcul du minimum et du maximum d’une série “à la main”

Calcul de moyenne et de variance “à la main”

Usage avancé de la fonction range

Le juste prix, version améliorée

Boucles `for`

Itération sur des entiers avec la fonction `range`

Boucles `while`

L’instruction `break`

L’instruction `continue`

Prédiction de résultats de boucles `while`

Convertir une boucle `for` en boucle `while`

Usage avancé de la fonction `range`