第1章：Python基礎

Pythonプログラミングの基本をマスターしよう

はじめに

機械学習を学ぶ第一歩は、Pythonプログラミングの基礎を固めることです。Pythonは機械学習で最も広く使われているプログラミング言語で、シンプルで読みやすい構文が特徴です。

この章では、以下の内容を学びます：

• 変数とデータ型の基礎
• 関数の定義と使い方
• 制御構文（条件分岐・繰り返し）
• リスト内包表記
• ファイル入出力
• エラー処理

1. 変数とデータ型

1.1 基本的なデータ型

Pythonには主に以下のデータ型があります：

例1：変数とデータ型

# 整数
age = 25
print(f"年齢: {age}, 型: {type(age)}")  # 出力: 年齢: 25, 型: <class 'int'>

# 浮動小数点数
height = 170.5
print(f"身長: {height}cm, 型: {type(height)}")  # 出力: 身長: 170.5cm, 型: <class 'float'>

# 文字列
name = "太郎"
print(f"名前: {name}, 型: {type(name)}")  # 出力: 名前: 太郎, 型: <class 'str'>

# 真偽値
is_student = True
print(f"学生: {is_student}, 型: {type(is_student)}")  # 出力: 学生: True, 型: <class 'bool'>

# リスト
scores = [85, 90, 78, 92]
print(f"成績: {scores}, 型: {type(scores)}")  # 出力: 成績: [85, 90, 78, 92], 型: <class 'list'>

# 辞書
person = {"name": "太郎", "age": 25, "city": "東京"}
print(f"人物: {person}, 型: {type(person)}")  # 出力: 人物: {'name': '太郎', 'age': 25, 'city': '東京'}, 型: <class 'dict'>

1.2 リストと辞書の操作

例2：リストの基本操作

# リストの作成
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]

# 要素のアクセス（0から始まるインデックス）
print(numbers[0])    # 出力: 1
print(numbers[-1])   # 出力: 5（最後の要素）

# スライシング
print(numbers[1:4])  # 出力: [2, 3, 4]（インデックス1から3まで）
print(numbers[:3])   # 出力: [1, 2, 3]（最初から3個）
print(numbers[2:])   # 出力: [3, 4, 5]（インデックス2から最後まで）

# 要素の追加
numbers.append(6)
print(numbers)       # 出力: [1, 2, 3, 4, 5, 6]

# 要素の削除
numbers.remove(3)
print(numbers)       # 出力: [1, 2, 4, 5, 6]

# リストの長さ
print(len(numbers))  # 出力: 5

例3：辞書の基本操作

# 辞書の作成
student = {
    "name": "花子",
    "age": 20,
    "major": "情報科学"
}

# 値のアクセス
print(student["name"])        # 出力: 花子
print(student.get("age"))     # 出力: 20

# 値の追加・更新
student["gpa"] = 3.8
student["age"] = 21
print(student)  # 出力: {'name': '花子', 'age': 21, 'major': '情報科学', 'gpa': 3.8}

# キーの確認
print("name" in student)      # 出力: True
print("email" in student)     # 出力: False

# すべてのキーと値
print(student.keys())         # 出力: dict_keys(['name', 'age', 'major', 'gpa'])
print(student.values())       # 出力: dict_values(['花子', 21, '情報科学', 3.8])

2. 関数の定義と使い方

関数は、再利用可能なコードのまとまりです。defキーワードを使って定義します。

例4：関数の基本

# 引数なしの関数
def greet():
    print("こんにちは！")

greet()  # 出力: こんにちは！

# 引数ありの関数
def greet_person(name):
    print(f"こんにちは、{name}さん！")

greet_person("太郎")  # 出力: こんにちは、太郎さん！

# 戻り値のある関数
def add(a, b):
    return a + b

result = add(5, 3)
print(result)  # 出力: 8

# デフォルト引数
def power(base, exponent=2):
    return base ** exponent

print(power(3))      # 出力: 9（3の2乗）
print(power(3, 3))   # 出力: 27（3の3乗）

# 複数の戻り値
def calculate(a, b):
    return a + b, a - b, a * b, a / b

sum_val, diff, prod, quot = calculate(10, 2)
print(f"和: {sum_val}, 差: {diff}, 積: {prod}, 商: {quot}")
# 出力: 和: 12, 差: 8, 積: 20, 商: 5.0

3. 制御構文

3.1 条件分岐（if文）

例5：if文の基本

# 基本的なif文
score = 85

if score >= 90:
    print("優秀です！")
elif score >= 70:
    print("良好です。")
elif score >= 60:
    print("合格です。")
else:
    print("不合格です。")
# 出力: 良好です。

# 複数条件
age = 25
has_license = True

if age >= 18 and has_license:
    print("運転できます。")
else:
    print("運転できません。")
# 出力: 運転できます。

# 三項演算子
temperature = 25
weather = "暑い" if temperature > 30 else "涼しい"
print(weather)  # 出力: 涼しい

3.2 繰り返し（for文・while文）

例6：for文とwhile文

# for文（リストの要素を反復）
fruits = ["りんご", "バナナ", "オレンジ"]
for fruit in fruits:
    print(f"好きな果物: {fruit}")
# 出力:
# 好きな果物: りんご
# 好きな果物: バナナ
# 好きな果物: オレンジ

# range関数を使った繰り返し
for i in range(5):
    print(i)
# 出力: 0, 1, 2, 3, 4

# while文
count = 0
while count < 5:
    print(f"カウント: {count}")
    count += 1
# 出力: カウント: 0, カウント: 1, ..., カウント: 4

# enumerate（インデックス付き反復）
for index, fruit in enumerate(fruits):
    print(f"{index}: {fruit}")
# 出力:
# 0: りんご
# 1: バナナ
# 2: オレンジ

# 辞書の反復
student = {"name": "太郎", "age": 20, "major": "CS"}
for key, value in student.items():
    print(f"{key}: {value}")
# 出力:
# name: 太郎
# age: 20
# major: CS

4. リスト内包表記

リスト内包表記は、リストを簡潔に作成する強力な機能です。

例7：リスト内包表記

# 通常の方法
squares = []
for i in range(10):
    squares.append(i ** 2)
print(squares)  # 出力: [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

# リスト内包表記（1行で書ける）
squares = [i ** 2 for i in range(10)]
print(squares)  # 出力: [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

# 条件付きリスト内包表記
even_squares = [i ** 2 for i in range(10) if i % 2 == 0]
print(even_squares)  # 出力: [0, 4, 16, 36, 64]

# 文字列の変換
words = ["hello", "world", "python"]
upper_words = [word.upper() for word in words]
print(upper_words)  # 出力: ['HELLO', 'WORLD', 'PYTHON']

# ネストしたリスト内包表記
matrix = [[i * j for j in range(1, 4)] for i in range(1, 4)]
print(matrix)
# 出力: [[1, 2, 3], [2, 4, 6], [3, 6, 9]]

# 辞書内包表記
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squares_dict = {n: n ** 2 for n in numbers}
print(squares_dict)  # 出力: {1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 16, 5: 25}

5. ファイル入出力

例8：ファイルの読み書き

# ファイルへの書き込み
with open("sample.txt", "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write("こんにちは、Python！\n")
    f.write("機械学習を学びましょう。\n")

# ファイルの読み込み（全体）
with open("sample.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    content = f.read()
    print(content)

# ファイルの読み込み（行ごと）
with open("sample.txt", "r", encoding="utf-8") as f:
    for line in f:
        print(line.strip())  # strip()で改行を削除

# ファイルへの追記
with open("sample.txt", "a", encoding="utf-8") as f:
    f.write("新しい行を追加\n")

# CSVファイルの読み書き
import csv

# CSVへの書き込み
data = [
    ["名前", "年齢", "都市"],
    ["太郎", "25", "東京"],
    ["花子", "30", "大阪"]
]

with open("data.csv", "w", newline="", encoding="utf-8") as f:
    writer = csv.writer(f)
    writer.writerows(data)

# CSVの読み込み
with open("data.csv", "r", encoding="utf-8") as f:
    reader = csv.reader(f)
    for row in reader:
        print(row)

6. エラー処理（try-except）

例9：例外処理

# 基本的な例外処理
try:
    result = 10 / 0  # ZeroDivisionError
except ZeroDivisionError:
    print("ゼロで割ることはできません！")
# 出力: ゼロで割ることはできません！

# 複数の例外処理
def safe_divide(a, b):
    try:
        return a / b
    except ZeroDivisionError:
        print("エラー: ゼロで割れません")
        return None
    except TypeError:
        print("エラー: 数値を入力してください")
        return None

print(safe_divide(10, 2))     # 出力: 5.0
print(safe_divide(10, 0))     # 出力: エラー: ゼロで割れません, None
print(safe_divide(10, "a"))   # 出力: エラー: 数値を入力してください, None

# else と finally
try:
    number = int(input("数値を入力: "))
    result = 100 / number
except ValueError:
    print("エラー: 数値を入力してください")
except ZeroDivisionError:
    print("エラー: ゼロ以外を入力してください")
else:
    print(f"結果: {result}")  # エラーがない場合のみ実行
finally:
    print("処理完了")  # 常に実行される

# カスタム例外
class NegativeNumberError(Exception):
    pass

def sqrt(x):
    if x < 0:
        raise NegativeNumberError("負の数の平方根は計算できません")
    return x ** 0.5

try:
    print(sqrt(16))   # 出力: 4.0
    print(sqrt(-4))   # NegativeNumberError発生
except NegativeNumberError as e:
    print(f"エラー: {e}")

7. 実践例：簡単なデータ処理

例10：学生の成績処理プログラム

# 学生データ
students = [
    {"name": "太郎", "scores": [85, 90, 78]},
    {"name": "花子", "scores": [92, 88, 95]},
    {"name": "次郎", "scores": [70, 75, 80]},
    {"name": "桃子", "scores": [88, 91, 87]}
]

# 平均点を計算する関数
def calculate_average(scores):
    return sum(scores) / len(scores)

# 成績評価を返す関数
def get_grade(average):
    if average >= 90:
        return "A"
    elif average >= 80:
        return "B"
    elif average >= 70:
        return "C"
    elif average >= 60:
        return "D"
    else:
        return "F"

# 各学生の成績を処理
results = []
for student in students:
    avg = calculate_average(student["scores"])
    grade = get_grade(avg)
    results.append({
        "name": student["name"],
        "average": avg,
        "grade": grade
    })

# 結果を表示
print("=" * 50)
print("成績レポート")
print("=" * 50)
for result in results:
    print(f"{result['name']}: 平均 {result['average']:.2f} (評価: {result['grade']})")

# 最高得点の学生を見つける
best_student = max(results, key=lambda x: x["average"])
print("=" * 50)
print(f"最優秀学生: {best_student['name']} ({best_student['average']:.2f})")

# リスト内包表記で優秀な学生を抽出
excellent_students = [r["name"] for r in results if r["average"] >= 85]
print(f"優秀な学生 (平均85以上): {', '.join(excellent_students)}")

まとめ

この章では、Pythonプログラミングの基礎を学びました：

• ✅ データ型: int, float, str, bool, list, dict
• ✅ 関数: def, return, 引数, デフォルト引数
• ✅ 制御構文: if-elif-else, for, while
• ✅ リスト内包表記: 簡潔なリスト作成
• ✅ ファイルI/O: open, read, write, CSV処理
• ✅ 例外処理: try-except-finally

次のステップ: これらの基礎を使って、第2章でNumPyによる数値計算を学びます。

演習問題

# 解答例
for i in range(1, 101):
    if i % 15 == 0:  # 3と5の倍数（15の倍数）
        print("FizzBuzz")
    elif i % 3 == 0:
        print("Fizz")
    elif i % 5 == 0:
        print("Buzz")
    else:
        print(i)

# 解答例
def is_prime(n):
    """素数判定関数"""
    if n < 2:
        return False
    for i in range(2, int(n ** 0.5) + 1):
        if n % i == 0:
            return False
    return True

# テスト
test_numbers = [2, 3, 4, 17, 20, 29, 100]
for num in test_numbers:
    result = "素数" if is_prime(num) else "素数でない"
    print(f"{num}: {result}")

# 解答例
multiples = [i for i in range(1, 101) if i % 3 == 0 or i % 5 == 0]
print(multiples)
print(f"総数: {len(multiples)}個")
print(f"合計: {sum(multiples)}")

# 出力: [3, 5, 6, 9, 10, 12, 15, ..., 100]
# 総数: 47個
# 合計: 2418

# 解答例
def count_chars(text):
    """文字の出現回数を数える"""
    char_count = {}
    for char in text:
        if char in char_count:
            char_count[char] += 1
        else:
            char_count[char] = 1
    return char_count

# または辞書のget()を使った方法
def count_chars_v2(text):
    char_count = {}
    for char in text:
        char_count[char] = char_count.get(char, 0) + 1
    return char_count

# テスト
text = "hello world"
result = count_chars(text)
print(result)
# 出力: {'h': 1, 'e': 1, 'l': 3, 'o': 2, ' ': 1, 'w': 1, 'r': 1, 'd': 1}

# 解答例
def count_words_in_file(input_file, output_file):
    """ファイル内の各行の単語数を数える"""
    try:
        with open(input_file, "r", encoding="utf-8") as f:
            lines = f.readlines()

        with open(output_file, "w", encoding="utf-8") as f:
            f.write("行番号,単語数,内容\n")
            for i, line in enumerate(lines, 1):
                word_count = len(line.split())
                f.write(f"{i},{word_count},{line.strip()}\n")

        print(f"結果を {output_file} に保存しました。")

    except FileNotFoundError:
        print(f"エラー: {input_file} が見つかりません")
    except Exception as e:
        print(f"エラーが発生しました: {e}")

# テスト用ファイルを作成
with open("test.txt", "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write("Python is great\n")
    f.write("Machine learning is fun\n")
    f.write("Let's learn together\n")

# 関数を実行
count_words_in_file("test.txt", "result.txt")