第2回 - ターミナルの使い方 + matplotlib の使い方(1)

雑談

世界をリアルタイムに見れるウェブサイトの紹介。

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0. 前回までのあらすじ

• 授業の目的と、データ管理の重要性について説明した。
• ファイル形式、拡張子、およびパス名について説明した。
• テキストエディタの使い方を学習した。
• Google アカウント を作成しておくこと。

1. テキスト形式について (つづき)

• 拡張子が.txt以外の「テキスト形式」:
  • HTML形式: .htm (.html)
  • CSV形式: .csv
  • TeX形式: .tex
  • ...
• これらの形式はすべてテキストエディタ (メモ帳・テキストエディット) で開ける。
• この授業で究極的にやること:
  「テキスト形式のファイルをうまいこと作成し、それを提出する」

2. 「ターミナル (コマンド プロンプト)」とは何か?

2.1. ターミナルを起動する

Windowsの場合

• スタートメニューから Windows システムツール → コマンド プロンプト を選ぶ。

Macの場合

• Finder のメニューから 表示 → ユーティリティ を選び、 ターミナル のアイコンを開く。

2.2. ターミナルの使い方・超基本

1. コマンドを入力して Enter を押す。
2. コマンドには、実行するアプリのパス名を入力する。
3. そのアプリが実行され、結果が表示される。
4. → 1. に戻る。

文字入力するときの注意

• 2種類の英字に注意。
  • 全角: Ｇｏｄｚｉｌｌａ．
  • 半角: Godzilla.
• コマンドは必ず半角 (英数字モード) で入力すること!
• じつは世界には似たような文字が一杯ある。
• AＡΑАĄ
  
  文字コード:

2.3. ターミナルの便利な機能

• スクロール機能
• 履歴機能: 以前に入力したコマンドに ↑ と ↓ キーで戻れる。
• 補完機能:

  → /Sys Tab
  → /System/App Tab
  → /System/Applications/Tex Tab
  → /System/Applications/TextEdit.app/Con Tab
  ...
  

2.4. なぜターミナルがいいのか?

1. 「やること」を言葉で書ける。
   アイコンやウィンドウを使った入力方式を GUI (Graphical User Interface) と呼ぶ。 これは、直感的ではあるが指示しにくい。
   「ここをクリックして、あれをドラッグして…」
2. より細かく条件・処理を指定できる。
   例. 「東工大のウェブサイトにあるPDF形式のファイル」をすべて検索:
   Google検索: site:titech.ac.jp   filetype:pdf
3. より厳密に書ける:
   • 「1から始まるn個の奇数を2乗したものをすべて足した数」
   • Σ_i=1...n (2i - 1)²

科学における再現性とは

• 再現性 = 「誰がやっても、同じようにやれば同じ結果になること」
  _{(物理実験・化学実験は??)}
• きちんとした手順を言葉で書き残しておくことが重要。

3. ファイルとフォルダ (つづき)

• パソコン上のすべてのファイル・フォルダの位置は、パス名で表せる:
  • /B/K
  • /A/E/X

3.1. カレント・フォルダ

• パス名を使うことの問題: いくらでも長くなりうる!
  /Applications/Safari.app/Contents/MacOS/...
• いちいちパス名を入力するのは面倒。簡単にできないか?
  → いま注目している (カレント, current) フォルダという考え。

現在の「注目しているフォルダ」のことを 「カレント・フォルダ」あるいは 「カレント・ディレクトリ」と呼ぶ。 (もともとフォルダはディレクトリと呼ばれていた。 用語としては、ディレクトリのほうが古い。)

Windowsの場合

• cd _{(Change Directory)} コマンド:
  カレント・フォルダのパス名を表示する。
• cd パス名 _{(Change Directory)} コマンド:
  カレント・フォルダを指定したパス名に変更できる。
• dir コマンド:
  パス名を省略して実行すると、 カレント・フォルダのファイル一覧を表示する。

Macの場合

• pwd _{(Print Working Directory)} コマンド:
  カレント・フォルダのパス名を表示する。
• cd パス名 _{(Change Directory)} コマンド:
  カレント・フォルダを指定したパス名に変更できる。
• ls コマンド:
  パス名を省略して実行すると、 カレント・フォルダのファイル一覧を表示する。

雑談・その2

• 京大論文不正 PCデータに改ざんの痕跡 認定の決め手に
  「ハードディスクのデータを復元」… そんなことできんの?

  実は、削除したファイルの 0 と 1 は、(上書きされない限り) まだディスク上に残っている。

4. matplotlib入門

4.1. matplotlib とは?

• グラフを描画するための機能。科学論文でよく使われる。
• 2通りの方法で利用できる:
  1. Google Colaboratory を使う。
  2. 自分の PC にインストールして使う (4GB程度のディスク空き容量が必要)。 まず、 Anaconda システム をダウンロードしてインストールし、 その後 Jupyter Notebook アプリを起動する。

本授業では、おもに a. の方法を利用するが、 b. を使ってもよい (結果は同じである)。

Google Colaboratory を使う場合

1. Google Colaboratory にログインする。
2. File メニューから New Notebook を選ぶ。
3. 以下のような画面が出る。この枠内に文字を入力する。
   

Jupyter Notebook を使う場合

1. Jupyter Notebook を起動する。
2. New Notebook (Python3) を選ぶ。
3. 以下のような画面が出る。この枠内に文字を入力する。
   

4.2. グラフを描画する

演習 2-8. 最初のグラフを描画する

Google Colaboratory (あるいは Jupyter Notebook) で 以下のプログラムを入力し、 再生 (あるいは Run) ボタンを押して実行せよ。 (キーボードの Ctrl + Enter でも実行できる。)

ちなみに、この「プログラム」の内容は理解できなくて大丈夫。 基本的に与えられたものをコピー・ペーストすれば動く。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(0, 10, 100)

plt.plot(x, np.sin(x), label="sin(x)")

plt.xlabel("x label")
plt.ylabel("y label")
plt.title("Simple Plot")
plt.legend()
plt.show()

正しく動作していれば、以下のような画面が表れるはずである:

時間に余裕があれば、以下もやってみよう:

4.3. グラフを画像ファイルとして保存する

上のプログラムに以下の一行を追加すると、 描画したグラフを実際に PNGファイルとして保存 (ダウンロード) することができる。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.linspace(0, 10, 100)

plt.plot(x, np.sin(x), label="sin(x)")

plt.xlabel("x label")
plt.ylabel("y label")
plt.title("Simple Plot")
plt.legend()
plt.savefig("sinx.png")
plt.show()

注意: plt.savefig(...) の部分は 必ず plt.show() の前に書くこと。

Google Colaboratory を使う場合

Google Colaboratory は、内部にファイルを持っている。 上のプログラムが正しく動作すると、 sinx.png ファイルが生成される。 これを自分の PC にダウンロードするには、以下のようにする。

1. 画面の左側の「フォルダ」アイコンをクリックする。
2. 初期化にしばらく時間がかかるので、10秒ぐらい待つ。
3. sinx.png というファイルが表示されるので、 右クリックして Download を選ぶ。
   
4. ダウンロードしたファイルを PC 上に保存する。

Jupyter Notebook を使う場合

Juypter Notebook では、 画像ファイルは自分のホームフォルダ内に保存されている。 フォルダを開いて sinx.png が生成されていることを確認する。

(なお、作成した Notebook 自体もホームフォルダ内に保存されている。)

5. 本日のまとめ・小課題

• ターミナルの使い方を学習した。
  • dir / ls コマンド
  • cd コマンド
  • pwd コマンド
• 長いパス名を省略する方法として、 カレント・フォルダという考え方を学習した。
• matplotlib を使ってグラフを描いてみた。