1  Python

本章では，本書を読み進めるために必要な Python の文法をまとめる．変数，数値の計算，リスト，関数，条件分岐，繰り返し，モジュールの使い方を扱う．

ここでは，Python を系統的に学ぶことを目的とせず，与えられたコードを理解し，軽く修正して応用できることを目指す．

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，計算し，可視化し，モデルを当てはめるという作業を繰り返す．

Python のコミュニティは非常に活発であり，これらの作業を行うための豊富なライブラリが提供されている．本書で使うのは，数値計算のための NumPy，可視化のための matplotlib，機械学習のための scikit-learn である．このほかにも，表形式のデータを扱う Pandas や，科学技術計算のための SciPy などが広く利用されている．NumPy は次章で扱い，そのほかのライブラリは必要になった章で紹介する．

さらに，Python は初心者にとって学びやすい言語であり，コードが読みやすく，書きやすいという特徴がある．

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. 「ノートブックを新規作成」をクリックする．
  4. ソースコードをコピーして，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．

練習 1.1 Google Colab で以下のコードを実行し，Hello, World! と表示されることを確認せよ．

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

解答 1.1. 下記の内容が表示されれば成功．

Hello, World!

1.3 変数

変数とは，データを格納するための名前付きの入れ物である．

整数，浮動小数点数，文字列，ブール値など，様々なデータ型を格納できる．変数は，= 演算子を使って値を代入する．

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

上のコードの # 整数 のように，# から行末まではコメントとして扱われ，実行されない．コードの意味を書き残しておくために使う．

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

解答 1.2. 

a = 5
print(a)  # 5
5

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
** べき乗 5 ** 2 25

計算の順序は数学と同じで，乗算と除算が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

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

解答 1.3. 

print(2 ** 10)  # 1024
1024

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．リストは，角括弧 [] を使って作成し，カンマ , で区切られた要素を含む．

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

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

練習 1.4 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．

解答 1.4. 

colors = ["red", "green", "blue"]
print(colors)  # ['red', 'green', 'blue']
['red', 'green', 'blue']

1.6 関数の呼び出し

関数は，特定の処理を行うコードのまとまりであり，引数を受け取り，結果を返すことができる．Python には多くの組み込み関数があり，例えば print() 関数は引数として与えられた値を表示する．

次のコードは，print() 関数を使って，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，リストや文字列の長さを返す．fruits リストは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

他にも，sum() 関数はリストの要素の合計を計算し，max() 関数はリストの最大値を返す．

例 1.1 sum() 関数を使うと，リスト numbers の要素の合計を計算できる．

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

練習 1.5 max() 関数を使って，リスト numbers の最大値を計算せよ．

解答 1.5. 

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
maximum = max(numbers)
print(maximum)  # 5
5

1.7 条件分岐

条件によって処理を変えるには，if を使う．次のコードは，変数 x が 0 より大きいかどうかで，表示する内容を変える．

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，行の最後に : を置く．条件が成り立つときは if の下の行が，成り立たないときは else の下の行が実行される．

条件の下の行は，半角スペース4つ分だけ右にずらして書く．これをインデントという．Python では，インデントによって処理のまとまりを表すため，ずれていると正しく動作しない．

条件を書くには，次の比較演算子を使う．

演算子 意味
== 等しい
!= 等しくない
< より小さい
<= 以下
> より大きい
>= 以上

例 1.2 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
3

練習 1.6 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．

解答 1.6. 

score = 75

if score >= 60:
    print("合格")  # 合格
else:
    print("不合格")
合格

1.8 繰り返し

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

1.8.1 for

for は，繰り返す回数が決まっているときに使う．range(n) は，0 から n-1 までの整数を順に取り出す．

for i in range(3):
    print(i)
0
1
2

range(a, b) と書くと，a から b-1 までの整数を取り出す．

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
15

練習 1.7 for を使って，1 から 10 までの整数の和を求めよ．

解答 1.7. 

total = 0

for i in range(1, 11):
    total = total + i

print(total)  # 55
55

1.8.2 while

while は，繰り返す回数があらかじめ決まっていないときに使う．条件が成り立つあいだ，処理を繰り返す．

次のコードは，x が 1 より大きいあいだ，x を 2 で割り続ける．

x = 10

while x > 1:
    x = x / 2

print(x)  # 0.625
0.625

条件が成り立たなくなった時点で，繰り返しは終わる．条件がいつまでも成り立つ場合，繰り返しは終わらないため注意すること．

練習 1.8 変数 x に 100 を代入し，while を使って，x が 10 より大きいあいだ x を 2 で割り続け，最後の x の値を表示せよ．

解答 1.8. 

x = 100

while x > 10:
    x = x / 2

print(x)  # 6.25
6.25

1.9 関数の定義

関数は，引数を受け取り，処理を行い，結果を返すコードのまとまりである．Python では，def を使って関数を定義する．

例 1.3 f(x) = 2x + 1 を計算する関数 f は，次のように定義できる．

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

print(f(3))  # 7
7

例 1.4 f(x, y) = x^2 + y^2 を計算する関数 f は，次のように定義できる．

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

print(f(3, 4))  # 25
25

練習 1.9 f(x) = 3x^2 - 4x + 5 を計算する関数 f を定義せよ．

解答 1.9. 

def f(x):
    return 3 * x**2 - 4 * x + 5

print(f(2))  # 9
9

1.10 モジュール

Python では，import 文を使って，様々なモジュールを利用できる．以下のようにモジュールをインポートし，モジュール名.関数名() という形式で関数を呼び出す．

import モジュール名

例えば，数学関数を提供する math モジュールをインポートし，平方根を計算する sqrt() 関数を使うことができる．

import math

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

import は，ノートブックごとに一度実行すればよい．一度インポートしておけば，同じノートブックの中では何度でもそのモジュールを使える．本書では，各節の最初のコードでインポートを行い，それ以降のコードでは省略する．

モジュールを使うと，自分で書くと手間のかかる処理を簡単に済ませられる．例えば 例 1.2 では if を使って絶対値を求めたが，math モジュールを使えば1行で書ける．

練習 1.10 math モジュールの fabs() 関数は，引数の絶対値を返す．-10 の絶対値を計算せよ．

解答 1.10. 

import math

result = math.fabs(-10)
print(result)  # 10.0
10.0