第5回 - for文、文字列、データの型

2020年10月29日

前回の復習
- 前回の課題について・補足
プログラミングが苦手な人へ
条件式 True と break文
For文
文字列
- リスト + 文字列
データの「型」について
本日の課題
- 小課題 6. 投票集計プログラム vote3.py

雑談

Python は映画やアニメの製作でもよく使われている: Python For Feature Film

CG映画の製作プロセス:
1. ストーリーボードを描く
2. モデリング (人物の形状を作る)
  Maya などのツールを使ってモデルを作成する。繰り返しのある形状などは Maya 上で Python を使って自動生成できる。作成したデータは Alembic形式で保存される。
3. リギング (手足などのパーツを接合する)
  ここでも特殊な動きを定義するのに Python が使われる。
4. レイアウト (人物を場面に配置する)
5. アニメーション (基本的な動きをつける)
  繰り返しのある動きを生成するのに Python が使われる。モーションキャプチャーが使われることもある。作成したデータは BVH や FBX といった形式で保存される。
6. シミュレーション (物理的なリアリティを出す)
  Houdini などのソフトウェアが使われる。最近の映画では、数百万本あるキャラクターの髪の毛をシミュレーションしている。
7. エフェクト (雲、炎、爆発など)
  いわゆるパーティクル・システムといわれる部分。
8. ライティング (照明を計算する)
  背景からの光や反射なども計算する。
9. レンダリング (最終的な動画を生成する)
  RenderMan はハリウッド映画でよく使われている有名なソフトウェアのひとつで、ソフトウェア自体がアカデミー賞を受賞している。
いずれの段階でも、
- ファイル形式が異なる、
- 異なる人々によって作成された、
- 複数のバージョンが存在する、
- 置かれている場所も様々 (PC、撮影スタジオ、クラウド) な、
- 数万〜数百万というファイルが作成される。
これらの膨大なデータ処理の自動化に Python が使われる。
- 映像製作の過程で処理するデータ量は数ペタバイト (1PB = 1000TB = 1000000GB) になるため、これらを処理する専用のサーバ・データセンターが作られている。
- Pyblish はこうしたデータ処理をある程度まで自動化するツールであり、多くのアニメーションスタジオで使われている。
- これ以外にも、単発の作業のために Python を書いて実行するという使い方が多くあると思われる。映画・アニメ会社では、アニメーターの他にもこうした ITスタッフやプログラマが多く働いている。

0. 前回の復習

条件式は and, or, not でまとめることができる。
リストの応用例: ベクトル、データベース、画像、集合、etc.
リストの最初の要素は、0番目から始まる。

西暦 y 年がうるう年かどうかを判定するプログラムを作りたい。

グレゴリオ暦: “4年に1度うるう年があるが、100年に1度はない、しかし400年に1度はうるう年がある”

「変数 y が 4 で割り切れる」を表す条件式を Python で書け。
「変数 y が 4 で割り切れるが、100 では割り切れない」を表す条件式を書け。
「変数 y が 4 で割り切れるが、100 では割り切れない、あるいは 400 で割り切れる」を表す条件式を書け。

(x × y) ピクセルの画像がある。これを、(w × h) ピクセルの画面にフィットするように表示したい。幅と高さ (x', y') の値を計算せよ。

横フィットの場合、x', y' を計算する式を書け。
縦フィットの場合、x', y' を計算する式を書け。
x, y, w, h の値が与えられたとき、この画像が横フィットになるような条件式を書け。

前回の課題について・補足

maxi.py

# リストの最大値を求める
a = [-3, 8, 19, -4]
maxi = 0
i = 0
while i < len(a):
    ???
    ...
print(f"max index = {maxi}")
print(f"max value = {a[maxi]}")

なぜ最大値そのものの値ではなく、maxi を求める必要があるのか? こうしておくと、以下のようなことが可能になるからである:

best_student.py

# 得点がもっとも高い学生の番号を表示する
student = [1234, 3456, 7890, 1111]
a = [-3, 8, 19, -4]
maxi = 0
i = 0
while i < len(a):
    ???
    ...
print(f"max index = {maxi}")
print(f"max value = {a[maxi]}")
print(f"best student = {student[maxi]}")

1. プログラミングが苦手な人へ

有名な格言:

「プログラムは思ったようには動かないが、書いたようには動く」

やることを自分の言葉で説明できなければ、プログラムは書けない
繰り返すが、プログラミングに特別な能力は何も必要ない。「自分のやらせたいことを、ひたすら書く」だけである。しかし実は「自分のやらせたいこと」を日本語で具体的に説明すること自体が簡単ではない。これができるようになれば、あとはその説明を特定のプログラミング言語に変換するだけの機械的な作業である。
「何」ではなく「どうやって」に集中する
たとえば小課題 3. でやった掛け算プログラムを考えてみよう:
```
# 加減算のみを使って p×q を計算する。
def multiple(p, q):
    a = 0
    while 0 < q:  # q回、p を足す。
        a = a + p
        q = q - 1
    return a
```
ここで「掛け算ではなく、割り算を計算するプログラムを書け」と言われたらどうするだろうか。「掛け算と割り算は逆だから、逆にすりゃいいだろう」と思って、単純に + を - 演算子にするだけでは動かない:
```
# 加減算のみを使って p÷q を計算する。
def divide(p, q):
    a = 0
    while 0 < q:
        a = a - p
        q = q + 1
    return a
```
これは、考えてみれば当然である。上の関数は divide と名前がついている (し、コメントにも ÷ と書いてある) が、本当に割り算をしているわけではない。割り算をさせるには、見よう見真似でプログラムを「逆」にするだけではだめで、実際に割り算をさせる手順を自分で考えて書かないとだめなのである。しかし表面的な置換を「プログラミング」と勘違いしている人は時々いる。プログラミングは、ファンタジーに出てくる魔法ではない。
1文字も間違わないように注意する
「ちょっとぐらい違ってもいいじゃん」というタイプの人はプログラミングには向かない。
- print("foo) … エラー!
- print{"foo"} … エラー!
- print(f”x={x}") … エラー!
- print("x={x}") … エラーじゃないけど変な動作
ただひたすら訓練が必要な場合もある
プログラミングが「得意」に見える人はただ Python などの言語に慣れているだけで、別に頭が良いわけではない。 (本質的に難しい問題は、誰にとっても難しい。) ただし、ある程度訓練することで、プログラミングのかなりの部分はたいして考えなくてもできるようになる。

ここで格言をもう一度:

「プログラムは思ったようには動かないが、書いたようには動く」

2. 条件式 True と break文

以下のようなループを考える:

# 0から9まで表示する。
i = 0
while i < 10:
    print(i)
    i = i + 1

これと同じ処理は、条件式 True と break文を使って、以下のように書くこともできる:

i = 0
while True:  # つねに真
    print(i)
    if i == 10:
        break  # i==10ならば抜ける
    i = i + 1

break文を実行すると、一番近い while文から抜ける。

以下のようにすると出力結果はどう変わるか予想せよ。実際に実行し、結果を確認せよ。

i = 0
while True:  # つねに真
    print(i)
    i = i + 1
    if i == 10:
        break  # i==10ならば抜ける

3. For文

ふたたび同じループを考える:

# 0から9まで表示する。
i = 0
while i < 10:
    print(i)
    i = i + 1

上のようなループは、for文を使うとより簡潔に書ける:

# 0から9まで表示する。
for i in range(10):
    print(i)

構文:

for 変数名 in range(繰り返し数):
    繰り返す文
    ...

このとき、変数名 の値は 0 〜 (繰り返し数 - 1) まで変化する。

例1: ループ中で条件分岐

for n in range(10):
    if (n % 2) == 0:
        print(f"{n}は偶数")
    else:
        print(f"{n}は奇数")

for文の中に if文などを書くこともできる。

例2: 九九の表示

for i in range(9):
    for j in range(9):
        x = i+1
        y = j+1
        print(f"{x} * {y} = {x*y}")

for文を二重にすると、外側のfor文が一回まわるごとに内側のfor文がすべて実行される。

例3: リストでfor文

a = [5, 9, 4, 0]
for i in range(len(a)):
    print(f"{i}番目の要素は {a[i]}")

range() 中は決まった数でなくてもよい。 len(a) (リスト a の長さ) を入れることで、リストの全要素を表示できる。

4. 文字列

Python における文字列 (string) とは、文字のリストである。

復習: コンピュータでは文字はどうやって表現されていたか?

構文:

変数名 = "文字列" … 文字列を変数に代入する。
変数名[i] … 文字列中の i番目の文字をとりだす。
文字列 + 文字列 … 2つの文字列を連結する。
len(文字列) … 文字列の長さ (文字数) を計算する。
文字列 == 文字列 または 文字列 != 文字列, … 2つの文字列が等しい (等しくない) かどうかを判定する。

例1:

s = "おうさまのみみはろばのみみ"
print(s[8])    # 「ろ」が表示される
print(len(s))  # 13

リストと同じように、文字列も最初の文字は「0文字目」です。

例2:

a = "お"
for i in range(4):
    a = a + "よ"
print(a)  # およよよよ

文字列はいくらでも + 記号で連結できる。

例3:

print("よろ" + "よろ")  # 「よろよろ」
print("よろ" - "よろ")  # エラー!

文字列は + 記号で連結できるが、引くことはできない。

例4:

a = "東工大"
a[1] = "京"  # エラー!

リストとは違って、Python では文字列の要素は変更できない。

例5:

password = input("password:")
if password == "sesami":
    print("Correct!")
else:
    print("Wrong!")

数値と同じように、文字列に対しても == および != を使った条件式が使える。

例6:

空のリストがあるのと同様に、「空の文字列」というものも存在する。

name = ""

なお、input() 関数で何も入力せずにただ Enter を押すと、空の文字列が返される。

以下のプログラムを実行すると、次の図形が表示される。

triangle.py:

# 三角形を表示する
for i in range(5):  # iは0〜4まで変化する。
    s = ""          # 空の文字列を準備する。
    for j in range(i+1):  # i+1回だけ繰り返す。
        s = s + "O"       # 文字列を延長する。
    print(s)

$ python triangle.py
O
OO
OOO
OOOO
OOOOO

このプログラムを改造して、以下のような図形が表示されるプログラムを書け。 (行頭の部分は空白文字 " " を入れること)

OOOOO
 OOOO
  OOO
   OO
    O

4.1. リスト + 文字列

リストの中に文字列を入れることもできる。

names = ["睦月", "如月", "弥生", "卯月", "皐月", "水無月",
         "文月", "葉月", "長月", "神無月", "霜月", "師走"]
for m in range(12):
    print(f"{m+1}月は{names[m]}")

前回の投票集計プログラムを改良し、番号でなく候補者の名前を入力して投票できるようにしたい。 (ただ Enter のみが押されたらループを抜けるものとする。) 以下のプログラム vote3.py を完成させよ。

このプログラムを実行すると、以下のように動作する:

$ python vote3.py
name:trump
name:kim
name:abe
name:kim
name:    (Enter のみを押す)
abe: 1
trump: 1
kim: 2

なお、不正な文字列 (候補者のどれでもなく、空文字でもない文字列) が入力される可能性は考えなくてよい。

vote3.py

# 候補者の名前
cands = ["abe", "trump", "kim"]
votes = [0, 0, 0]
while True:
    # 候補者の名前を入力する。
    name = input("name:")
    # name を候補者の名前と比較し、一致した候補者の票を増やす。
    ???
    ...
# 3人の得票数を表示する。
for i in range(3):
    print(f"{cands[i]}: {votes[i]}")

5. データの「型」について

Python の変数に格納されるデータは、実はいくつかの「型 (type)」に分類されている:

数値型 (整数・実数) … 3, -15.7 など。
文字列型 … "abc" など。
リスト型 (配列型) … [4, 6, 4, 9] など。
リストの中にはさらに整数・文字列・リストを入れることができる。
- ["月", "火", "水", "木", "金", "土", "日"]
- [ [9,6,3], [8,5,2], [7,4,1] ]
(真理値型 … 条件式で使われる値。Trueと Falseの2種類の値しかない。)

+ 演算子の意味は、計算対象のデータ型によって異なる。

print(123+456)      # 整数 + 整数: 579
print("123"+"456")  # 文字列 + 文字列: "123456"
print(123+"456")    # 整数 + 文字列: エラー!

型が異なるデータの計算は意味をなさないので、ふつうはエラーが発生する。

"abc" - 5 … エラー!
[3,1,4] + "moo" … エラー!
9.8m/s² + 1kg … エラー!

5.1. 文字(列)型 → 整数型への変換

構文:

int(文字列) … 文字列を整数として解釈する。
ord(文字列) … 1文字の文字コード (Unicode) を整数として返す。

例1:

a = 123         # a は整数の 123
b = int("123")  # b は整数の 123
print(a+b)      # 整数+整数: 246

例2:

print(ord("A"))   # "A"の文字コード: 65
print(ord("あ"))  # 「あ」の文字コード: 12354

例3:

s = input("string:")
for i in range(len(s)):  # i は 0〜(文字数-1) まで変化する。
    print(ord(s[i]))     # i番目の文字コードを表示。

上の例3. のプログラムを実行し「日」「本」の各文字コードを調べよ。

input関数の動き

本来、Pythonのinput関数は入力された文字列 (string) を返す。

s = input("string:")  # s は文字列型
print(s)

ここに int() 関数を適用することで、文字列を整数型として利用できる。

s = input("number:")
x = int(s)  # x は文字列型
print(x)

5.2. 整数型 → 文字(列)型への変換

構文:

str(数値) … 整数を文字列として表す。int() の逆。
chr(数値) … 整数で表される文字コードの文字を返す。ord() の逆。

例1:

a = 123        # a は整数の 123
b = str(a)     # b は文字列の "123"
print(b+"0")   # 文字列+文字列: 1230

例2:

a = 9829
b = chr(a)         # b は Unicode 9829番 で表される文字
print("I"+b+"NY")  # I♥NY

chr()関数に与える文字コードは Unicode で定義されている。

例3:

for i in range(26):   # 26回繰り返す。
    print(chr(65+i))  # (65+i) で表されるUnicodeの文字を表示する。

このプログラムを実行すると、A から Z までの文字が表示される。

まとめると、以下のような関係がなりたつ:

	文字 → 数値	数値 → 文字
文字列	`int(x)`	`str(x)`
文字	`chr(x)`	`ord(x)`

入力された文字列の中から英小文字だけを取り出して表示するプログラム loweronly.py を書け。このプログラムを実行すると、次のように動作する:

$ python loweronly.py
string:ABCdef
def
$ python loweronly.py
string:123xyzFooBaa
xyzooaa

英小文字の文字コードは、このページで調べることができる。

loweronly.py

# 入力された文字列のうち、英小文字だけを表示する。
s = input("string:")
t = ""
for i in range(len(s)):
    c = ord(s[i])  # i番目の文字の文字コードをとりだす。
    # 英小文字であれば、変数 t の末尾に加える。
    ???
    ...
# tの文字列を表示。
print(t)

5.3. print関数における `f"〜"` と `"〜"` の違い

じつは、print関数の機能は

構文:

print(文字列)  # 文字列を表示する。

だけであった。

print("hello")
print(f"x={x}")

などの書き方は、以下のようにもできる:

s = "hello"    # s は文字列型
print(s)       # s の内容を表示
t = f"x={x}"   # t は文字列型
print(t)       # t の内容を表示

さらに、 f"x={x}" は、文字列の連結と str(x) 関数を組み合わせたものと同じである:

t = "x=" + str(x)

6. 本日の課題

提出期限: 11月5日 (1週間後)
演習 5-5. で完成させたプログラム「vote3.py」を T2SCHOLA から提出せよ。

vote3.py (再掲)

# 候補者の名前
cands = ["abe", "trump", "kim"]
votes = [0, 0, 0]
while True:
    # 候補者の名前を入力する。
    name = input("name:")
    # name を候補者の名前と比較し、一致した候補者の票を増やす。
    ???
    ...
# 3人の得票数を表示する。
for i in range(3):
    print(f"{cands[i]}: {votes[i]}")

ヒント

まず変数 name に入っている文字列が何番目の候補者名と等しいか? を求める必要がある。この「候補者番号」を入れる変数をたとえば found としよう。すると、この部分はこんなふうに書ける:
```
found = -1
for i in range(3):
    # i番目の候補者名と name が等しければ、found に i を代入する。
    ...
```
次に Enter だけが押されたケースを考える。文字を入力せずに Enter だけが押された場合、変数 name の内容が空文字列 "" になる。この場合はどうすればよいのか? を考えよう。

Yusuke Shinyama

第5回 - for文、文字列、データの型

雑談

0. 前回の復習

前回の課題について・補足

1. プログラミングが苦手な人へ

2. 条件式 True と break文

3. For文

4. 文字列

4.1. リスト + 文字列

5. データの「型」について

5.1. 文字(列)型 → 整数型への変換

input関数の動き

5.2. 整数型 → 文字(列)型への変換

5.3. print関数における f"〜" と "〜" の違い

6. 本日の課題

ヒント

5.3. print関数における `f"〜"` と `"〜"` の違い