2 Python で処理を組み立てる

チャプター 1 では，変数やリストを使った計算と，関数の呼び出しを学んだ．本章では，条件分岐と繰り返しを使って処理の流れを組み立て，自分で関数を定義する方法を学ぶ．さらに，モジュールを読み込み，既存の機能を利用する方法を扱う．

これらを組み合わせたコードを理解し，目的に合わせて書き換えられるようになることを目指す．

2.1 条件分岐

条件に応じて処理を分けるには，if 文を使う．次のコードでは，x が 0 より大きければ「正の数」，そうでなければ「正の数ではない」と表示する．

x = 10

if x > 0:
    print("正の数")
else:
    print("正の数ではない")

正の数

if の後ろに条件を書き，行末に : を付ける．次の行からは，行の先頭に空白を入れて，処理を書く位置を右にずらす．これを「インデント（字下げ）」という．

条件が成り立つときは，if の下にインデントして書いた処理が実行される．条件が成り立たないときは，else の下にインデントして書いた処理が実行される．

Python では，インデントによって処理のまとまりを表す．同じまとまりに属する行は，インデントをそろえる必要がある．通常は，インデントを 1 段深くするごとに半角スペースを 4 つ使う．

値を比較する条件を書くには，次の比較演算子を使う．比較の結果は，条件が成り立つときは True，成り立たないときは False になる．

演算子	意味	例	結果
`==`	等しい	`3 == 3`	`True`
`!=`	等しくない	`3 != 3`	`False`
`<`	より小さい	`3 < 5`	`True`
`<=`	以下	`3 <= 3`	`True`
`>`	より大きい	`3 > 5`	`False`
`>=`	以上	`3 >= 3`	`True`

= は値の代入に使い，== は値が等しいかどうかの比較に使う．

if の条件が成り立たないときに，別の条件を調べるには，elif を使う．条件は上から順に調べられ，最初に成り立った条件に対応する処理だけが実行される．どの条件も成り立たない場合は，else の処理が実行される．else は省略することもできる．

if と elif を使うと，数が正，零，負のいずれであるかを判定できる．

x = 0

if x > 0:
    print("正の数")
elif x == 0:
    print("零")
else:
    print("負の数")

零

まず，x > 0 かどうかを調べる．この条件が成り立たない場合は，次に x == 0 かどうかを調べる．どちらも成り立たない場合は，else の処理が実行される．

図 2.1 に，この判定の流れを示す．いずれか一つの表示を行うと，条件分岐の後の処理へ進む．

%%{init: {"theme": "neutral", "flowchart": {"rankSpacing": 30, "nodeSpacing": 30}}}%%
flowchart TD
    A{"x > 0"} -->|True| B["「正の数」を表示"]
    A -->|False| C{"x == 0"}
    C -->|True| D["「零」を表示"]
    C -->|False| E["「負の数」を表示"]
    B --> F["条件分岐の後の処理"]
    D --> F
    E --> F

図 2.1: if・elif・else による条件分岐。条件を上から順に調べ，いずれか一つの処理を実行する。

x の値を 3，0，-3 に変えて実行し，表示がどのように変わるかを確かめよう．

例 2.1 絶対値 |x| は，x \geq 0 のとき x となり，そうでないとき -x となる．if を使うと，次のように書ける．

x = -3

if x >= 0:
    print(x)
else:
    print(-x)  # 3

練習 2.1 変数 score に 75 を代入し，score が 60 以上なら 合格，そうでなければ 不合格 と表示せよ．

2.2 繰り返し

同じ処理を何度も行うには，for 文または while 文を使う．if 文と同じように，繰り返す処理はインデントして書く．

2.2.1 for

for 文は，リストなどから要素を一つずつ取り出して処理するときに使う．range(n) を使うと，0 以上 n 未満の整数を，小さい順に 1 ずつ取り出せる．ここで，n は整数とする．例えば，range(3) からは 0，1，2 が取り出され，3 は含まれない．

for i in range(3):
    print(i)

0
1
2

リストを使うと，その要素を先頭から順番に取り出すことができる．

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]

for fruit in fruits:
    print(fruit)

apple
banana
cherry

range(a, b) を使うと，a 以上 b 未満の整数を，小さい順に 1 ずつ取り出せる．ただし，a と b は整数とする．a が b 以上の場合，取り出す整数はなく，for 文の中の処理は一度も実行されない．

次のコードは，1 から 5 までの整数の和を求める．変数 total に 0 を入れておき，繰り返しのたびに i を足していく．

total = 0

for i in range(1, 6):
    total = total + i

print(total)  # 15

練習 2.2 for を使って，1 から 10 までの整数の和を求めよ．

2.2.2 while

while 文は，条件が成り立つあいだ，同じ処理を繰り返す．回数を指定するのではなく，条件によって繰り返しを続けるかどうかを決めたいときに使う．

例 2.2 次のコードでは，x が 10 未満のあいだ，値を 2 倍にする．

x = 1

while x < 10:
    x = x * 2

print(x)  # 16

x の値は，1，2，4，8，16 と変化する．16 になると条件 x < 10 が成り立たなくなるため，繰り返しが終了する．

図 2.2 に示すように，x を更新するたびに条件の判定へ戻る．print(x) は繰り返しの外にあるため，終了後に一度だけ実行される．

%%{init: {"theme": "neutral"}}%%
flowchart TD
    A["x = 1"] --> B{"x < 10"}
    B -->|True| C["x = x * 2"]
    C --> B
    B -->|False| D["print(x)"]

図 2.2: while 文の処理の流れ。更新後は条件を再び調べ，False になったら繰り返しを終える。

条件は，処理を実行する前に毎回確認される．最初から条件が成り立たない場合，処理は一度も実行されない．

繰り返しの途中で条件が成り立たなくなっても，その回の残りの処理は実行され，次に条件を確認したときに繰り返しが終わる．条件が成り立ち続け，途中で抜け出す処理もなければ，繰り返しは終わらない．このような繰り返しを「無限ループ」という．

練習 2.3 1 枚の紙を半分に切ると 2 枚になり，そのすべてをさらに半分に切ると 4 枚になる．このように，すべての紙を半分に切る操作を繰り返す．紙の枚数が初めて 100 枚以上になるまでに，この操作を何回繰り返す必要があるか．while を使って求めよ．

2.3 関数の定義

これまでは，Python に用意されている関数を呼び出してきた．自分で関数を定義すると，一連の処理に名前を付け，引数を変えて繰り返し利用できる．Python では，def を使って関数を定義する．

例 2.3 f(x) = 2x + 1 を計算する関数 f を定義する．

def f(x):
    return 2 * x + 1

print(f(3))  # 7
print(f(5))  # 11

7
11

def の後ろに関数名を書き，丸括弧の中に引数を受け取る変数名を書く．行末には : を付け，関数の中で行う処理はインデントして書く．return は，値を呼び出し元に返し，関数の処理を終了する．

f(3) を呼び出すと，x に 3 が渡され，2 * 3 + 1 の計算結果である 7 が返される．その値を print() が画面に表示する．

関数は，定義しただけでは中の処理を実行しない．f(3) のように呼び出すと，処理が実行される．画面への表示と値を返すことは異なる．print() の戻り値は，値がないことを表す特別な値 None であり，表示した値ではない．

関数 f の戻り値は，表示するだけでなく，変数に代入して，その後の計算に使うこともできる．

result = f(3)
print(result + 10)  # 17

例 2.4 複数の引数を受け取る関数も定義できる．次の関数 sum_squares は，2 つの数を受け取り，それぞれを 2 乗して足した値 x^2 + y^2 を返す．

def sum_squares(x, y):
    return x**2 + y**2

print(sum_squares(3, 4))  # 25

引数はカンマで区切って書く．この呼び出しでは，x に 3，y に 4 が渡される．

練習 2.4 数値のリストを受け取り，要素の平均を返す関数 mean_value を定義せよ．sum() と len() を使うこと．ただし，リストには少なくとも 1 つの要素があるものとする．

また，リスト [2, 4, 6, 8, 10] を使って関数を呼び出し，戻り値を表示せよ．

2.4 モジュール

モジュールとは，関数などの機能をまとめたものである．モジュールを利用すると，必要な処理をすべて自分で書かなくても，既存の機能を使うことができる．

モジュールを利用するには，import 文を使う．例えば，数学関数を提供する math モジュールは，次のようにインポートする．math は Python の標準ライブラリに含まれており，追加のインストールは必要ない．

import math

モジュール内の関数は，モジュール名.関数名(引数) の形で呼び出す．次のコードでは，math モジュールの sqrt() 関数を使って，16 の正の平方根を求める．

result = math.sqrt(16)
print(result)  # 4.0

4.0

2.4.1 別名を付ける

import 文で as を使うと，モジュールに別名を付けられる．次のコードでは，math に m という別名を付け，m.sqrt() と書いて関数を呼び出している．

import math as m

print(m.sqrt(16))  # 4.0

4.0

ここでは書き方を示すために別名を付けたが，math は通常，そのままの名前で使う．次章で扱う NumPy は，import numpy as np と書き，np という短い別名で使うことが多い．

2.4.2 関数名を直接使う

from モジュール名 import 関数名 と書くと，モジュール名を付けずに，関数名だけで呼び出せる．

from math import sqrt

print(sqrt(16))  # 4.0

4.0

2.4.3 インポートを実行するタイミング

Google Colab では，モジュールを使うコードより先に，対応する import 文を実行しておく．同じランタイム（コードを実行する環境）であれば，セルが異なっていても，インポートしたモジュールを利用できる．ただし，ランタイムを再起動した場合は，変数や関数の定義も失われるため，import 文を含め，必要なコードをもう一度実行する．

練習 2.5 math モジュールをインポートし，sqrt() 関数を使って，81 の正の平方根を求め，結果を表示せよ．

2.5 総合練習

練習 2.6 数値のリストを引数として受け取り，0 より大きい要素の個数を返す関数 count_positive() を定義せよ．for と if を使うこと．また，リスト [-2, 0, 3, 5, -1] を使って関数を実行し，結果を表示せよ．

2.6 まとめ

インデントによって，処理のまとまりを表す．
if は条件によって処理を分け，for と while は処理を繰り返す．
関数を定義すると処理を再利用でき，モジュールをインポートすると既存の機能を利用できる．

チャプター 3 では，import で NumPy を読み込み，配列を使って複数の値をまとめて計算する方法を学ぶ．