1  Python を使ってみよう

本章では，Python のコードを実行する方法と，変数，数値の計算，リスト，関数の呼び出しを扱う．短いコードを読み，計算や表示の結果を確かめながら，基本的な使い方を身に付ける．

ここでは，Python を体系的に学ぶことよりも，示されたコードを読み，その内容を理解したうえで，少し書き換えて活用できるようになることを目指す．

1.1 なぜ Python なのか

データサイエンスでは，データを読み込み，統計量を計算したり，グラフを描いたり，モデルを当てはめたりする．Python には，こうした作業に役立つライブラリが豊富にそろっている．

本書では，主に数値計算に NumPy，可視化に Matplotlib，機械学習に scikit-learn を用いる．また，確率分布を扱う際には，科学技術計算のためのライブラリである SciPy も利用する．このほか，表形式のデータを扱うライブラリとして pandas もある．NumPy の基本的な使い方は チャプター 3 で説明し，そのほかの本書で用いるライブラリについては，必要に応じて各章で紹介する．

また，Python は文法が比較的簡潔で，コードを読み書きしやすく，初心者にも学びやすい言語である．こうした点から，本書では Python を用いてデータサイエンスの手法を実際に試していく．

1.2 コードの実行

本書のコードは，以下の手順で実行できる．

  1. Google アカウントにログインする．
  2. Google Colab にアクセスする．
  3. 新しいノートブックを作成する．
  4. 本書のコードをコピーして，コードセルに貼り付ける．
  5. セルの左側にある「▶」ボタンをクリックして，コードを実行する．

コードは，原則として各章の上から順に実行する．前のコードで作成した変数や定義した関数を，後のコードで使うことがあるためである．

練習 1.1 (最初の Python プログラム) Google Colab で以下のコードを実行し，画面に Hello, World! と表示されることを確認せよ．

print("Hello, World!")
Hello, World!

1.3 変数

変数とは，値に付ける名前である．整数，浮動小数点数，文字列，ブール値など，さまざまな型の値に名前を付けることができる．変数に値を代入するには，= を使う．

x = 10             # 整数
y = 3.14           # 浮動小数点数
name = "Alice"     # 文字列
is_student = True  # ブール値

print(x)
print(y)
print(name)
print(is_student)
10
3.14
Alice
True

たとえば，x = 10 と書くと，変数 x に整数 10 が代入される．print(x) を実行すると，x の値である 10 が表示される．

ブール値は，真を表す True と偽を表す False のいずれかの値である．条件が成り立つかどうかを表すために使う．上の例では，is_student = True によって，学生であることを表している．

また，# 整数 のように，文字列の外に書かれた # から行末まではコメントとして扱われ，実行されない．コメントは，コードの意味や処理の意図を書き残すために使う．

練習 1.2 新しいセルを作成し，変数 a に 5 を代入せよ．その後，print() 関数を使って a の値を表示せよ．

1.4 数値の計算

数値の計算には，次の算術演算子を使う．

演算子 意味 例 結果
+ 加算 5 + 2 7
- 減算 5 - 2 3
* 乗算 5 * 2 10
/ 除算 5 / 2 2.5
% 剰余（割り算の余り） 5 % 2 1
** べき乗 5 ** 2 25

乗算と除算は，加算と減算より先に計算される．順序を変えたいときは，丸括弧 () を使う．

print(2 + 3 * 4)
print((2 + 3) * 4)
14
20

1.4.1 べき乗と根

べき乗は ** を使って計算する．指数に分数を指定すると，根を求めることができる．a > 0，n を正の整数とすると，a^{1/n} は，n 乗すると a になる正の数である．例えば，8^{1/3} = 2 であり，次のように計算する．

print(8 ** (1 / 3))  # 2.0
2.0

指数全体を丸括弧で囲み，1 / 3 を先に計算する．8 ** 1 / 3 と書くと，8^1 / 3 の計算になる．

練習 1.3 2^{10} を計算し，print() 関数を使って結果を表示せよ．

練習 1.4 16^{1/4} の値を計算し，print() 関数で表示せよ．

1.4.2 数式をコードで表す

数学では，2x のように乗算記号を省略できるが，Python では 2 * x と書く必要がある．また，分子や分母が複数の項からなる場合は，丸括弧を使って計算のまとまりを表す．例えば，\dfrac{x + 1}{x + 2} は (x + 1) / (x + 2) と書く．

数学では，\alpha や \beta のようなギリシャ文字も変数としてよく使われる．本書では，これらに対応する Python の変数名として alpha や beta を使う．

例 1.1 \alpha = 3，\beta = 4 のとき，\alpha^2 + \beta^2 は次のように計算できる．

alpha = 3
beta = 4
result = alpha ** 2 + beta ** 2
print(result)  # 25
25

練習 1.5 x = 4 のとき，x^2 + 2x + 1 の値を計算し，print() 関数で表示せよ．

1.5 リスト

リストは，複数の値を順序付けて格納するためのデータ構造である．リストを作成するには，角括弧 [] の中に，要素をカンマ , で区切って書く．

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
print(fruits)

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
print(numbers)
['apple', 'banana', 'cherry']
[1, 2, 3, 4, 5]

リストの要素は，[] の中に位置を表す整数を書いて取り出す．この整数を「インデックス」という．先頭から数える場合，インデックスは 0 から始まるため，先頭の要素は fruits[0] で取り出せる．また，インデックスを指定して要素を変更できる．

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
print(fruits[0])

fruits[1] = "orange"
print(fruits)
apple
['apple', 'orange', 'cherry']

図 1.1 に，リストのインデックスと要素の変更を示す．インデックス 1 は先頭から 2 番目の位置を表し，この位置の要素だけが変更される．

before 0 1 2 "apple" "banana" "cherry" after 0 1 2 "apple" "orange" "cherry" before->after  fruits[1] = "orange"
図 1.1: リストのインデックスと要素の変更。インデックスは 0 から始まる。

練習 1.6 リスト colors に “red”, “green”, “blue” の3つの要素を格納し，print() 関数を使って colors の値を表示せよ．

1.6 関数の呼び出し

関数とは，特定の処理をまとめたものである．関数に渡す値を「引数」，関数が処理の結果として返す値を「戻り値」という．

Python には，あらかじめ用意され，そのまま使える「組み込み関数」がある．これまで使ってきた print() もその一つで，引数として渡された値を画面に表示する．

次のコードは，print() を使って，文字列，整数，浮動小数点数，演算結果，リストを表示する例である．

print("This is a sample text.")
print(1)
print(3.14)
print(1 + 2)

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
print(numbers)
This is a sample text.
1
3.14
3
[1, 2, 3, 4, 5]

len() 関数は，リストの要素数や文字列の文字数を返す．リスト fruits は3つの要素を持つため，len(fruits) は 3 を返す．

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
length = len(fruits)
print(length)  # 3
3

このほか，sum() 関数は数値のリストの合計を返し，max() 関数はリストの最大値を返す．

例 1.2 次のコードでは，sum() 関数でリスト numbers の要素の合計を求め，変数 total に代入して表示する．

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
total = sum(numbers)
print(total)  # 15
15

練習 1.7 max() 関数を使って，リスト numbers の最大値を計算せよ．

ヒントキーボードから値を入力する

コード中の値を書き換える代わりに，実行時に値を入力したいときは，input() 関数を使う．次のコードを Google Colab のセルに貼り付けて実行し，整数を入力して Enter キーを押してみよう．

x = int(input("Please enter an integer: "))
result = x + 5
print(result)

input() は，引数のメッセージを表示し，入力された内容を文字列として返す．ここでは，int() で整数に変換してから計算している．例えば，10 を入力すると 15 が表示される．

3.5 のような小数を入力したい場合は，int() の代わりに float() を使い，浮動小数点数に変換する．

1.7 総合練習

練習 1.8 リスト numbers = [2, 4, 6, 8, 10] を作成し，len() と sum() を使って，要素の個数，合計，平均を求め，それぞれ表示せよ．平均は，合計を要素の個数で割ると求められる．

1.8 まとめ

  • Google Colab では，セルにコードを書いて実行できる．
  • 変数を使うと，値に名前を付けて計算に利用できる．
  • リストを使うと，複数の値を順序付けて格納できる．
  • 組み込み関数を使うと，値の表示や要素数の取得，合計の計算などができる．

チャプター 2 では，条件分岐や繰り返し，関数の定義，モジュールの使い方を学ぶ．