電子情報通信課程計算機実習I

第5回プログラミングの基礎(1)

★今回から折りたたみをやめています．

０．はじめに

今回からいよいよPythonを使ったプログラミングを学ぶ．また，第７回の実技テストにむけての準備についても説明するので，各自，実技テストまでに取り組んでもらいたい．

◆これまでの学習内容とプログラミングの学習について

第１クォーターの「情報基礎」では，コンピュータとネットワークの利用の基礎として，電子メール，ウェブブラウザ，ワープロ，表計算，プレゼンなどの使い方について学んだ．

それは単に使い方を覚えればよいだけではなく，それらを通じてコンピュータやネットワークで何ができるのか，どのように利用の仕方があるのかを学ぶことも目的であった．

一方，本科目「計算機実習１」では，まずUnixというオペレーティングシステムを使い，ターミナルからのコマンド入力について学んだ．

これもまた，コマンドの使い方だけではなく，ファイルやディレクトリを操作することで， OSの根幹であるファイルシステムや標準入出力などについて理解することも重要な目的であった．

特に前回は，オプション付きのコマンドとリダイレクションやパイプなどを駆使して，かなり複雑な処理も可能であることが体感できたと思う．

今回と次回の実習では"Python"（パイソン）というプログラミング言語を使って，プログラミングの基礎の基礎を学習する．たった２回の授業では多くのことを伝えることはできない．しかし，プログラミングの学習もまた，単にプログラミングの文法や技術を獲得するだけでなく，コンピュータの仕組みを理解することにつながる．

たとえば，コンピュータの中でデータはどうやって表現され，蓄積されるのか．演算の手順はどのように記述され，実行されるのかについて考えていくことになる．

※PythonもUnixも，後期セメスターの計算機実習2をはじめ，今後の情報系・プログラミング系の実習でも使っていく．本科目で学習するUnixのコマンドやプログラミングについての理解が不十分だと，今後学んでいく情報系科目の学習にも支障をきたすことにもなる．

いままでのところで，未消化の部分がある人は，なんとか追いついていけるように努力してほしい．また，スキルも知識も一度通り過ぎただけでは蒸発してしまう．ある程度うまく理解できたと思っている人も，もう一度教科書，授業サイトの内容，参照されている文書を見直し，Unixのコマンド操作を何度でも復習してほしい．

◆プログラミング学習の心構え

プログラミングとは何をすることか． Pythonとはどういう言語か，いつ開発されたものか．コンピュータ言語とはそもそもどういったものか，だれが何のために作り，どんな歴史をもって変化してきているか．

こういった背景的な知識を得ることは，プログラミングというスキルを身につける上で，大変重要なことである．

しかし，本実習は実習として手を動かしてもらうことが主眼である．最低限必要な知識については都度提示するようにするが，時間の都合上，ゆっくり説明はできない．

あくまでもじっくり理解するには諸君の調査学習に任せるほかない．

用語や概念について，疑問が湧いたらすぐに，ネット検索で解説を探してみよう．かならずしもぴったりの答えが得られるとは限らないが，いくつか読んでいるうちに，わかってくる．

プログラミングの学習でも，これまで同様，教科書・関連文書をよく読み，実際に操作をし，自分が今なにをやっているのかを充分理解しながら学習を進めること．

「手を動してやってみる」

※注意※

前回，sudoの際に自分のパスワードがうまくいかない事案があった．何事もなければパスワード変更する必要はないが，万一のために，パスワード変更の方法について以下にまとめたので，一読しておくこと．
また，WindowsでダウンロードしたファイルをUbuntuにコピーする，という作業をした際，「ユーザディレクトリが見つからない」という事案も何件かあった．たしかに，Windowsは初期登録の際に勝手にユーザフォルダを作成することが多い．そこで，Windows側から見たWSL Ubuntuのファイルの場所情報に加えて， Ubuntu側からみたWindowsのフォルダについてまとめたので参考にされたい．
提出課題への取り組み方について：
課題文をよく読まずに解答しているケースが多く見られるのが残念．
Unixの１行コマンドにしてもPythonのプログラムにしても，簡潔な表現が特徴であるが，実行する処理はそれなりに複雑である．それを丁寧に説明しようとすると，どうしても説明文は長くなるし，複雑にならざるをえない．
課題文などはそのつもりでじっくり，何度でも，しっかりと読む必要がある．ということを覚えておいてほしい．

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１．実技テストの準備

第7回に行う実技テストは，いままで学習したUnixの基礎的なコマンド操作に関するテストである．

ついては，以下に準備するべきことについてまとめたので，よく読み，次回第6回までにやっておくこと．

＜実技テストの準備＞

★これは今回の授業が終わってからでよい．
質問があれば，次回にテストについての質問スレッドを立てているので，そちらに書き込むこと．

２．プログラミング事始め：ほんのちょっと紹介

プログラムは手順書である．
プログラミング言語の要点は基本ルール，分岐，繰り返し，関数である．
Pythonは大人気の万能型インタプリタである

★初めは興味本位で十分．少しでも面白いと思うものから始めて，興味の幅を広げていこう

３．Pythonの起動・終了・対話モード・実行

■3-1 Pythonの起動・終了

［１］対話モードの起動("python3")
- 本実習で使うPythonはver3で，実行コマンドは"python3"
- シェルのコマンドプロンプトで，"python3"と打つと，次のようになる．
```
$ python3▼
Python 3.8.2 (default, Apr 27 2020, 15:53:34)   ◀◀ バージョンは環境で異なるかも
[GCC 9.3.0] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>
```
- 最後の">>>"がpythonのプロンプト．これを「対話モード」といい，ここにpythonのコマンドを入力すると，すぐに実行してくれる．
- ただし，このモードはちょっとしたテストなどに使う程度で，実際には別ファイルにプログラムファイルを作成し，それをpythonに読み込ませて実行する．
［２］対話モードの終了("quit()",Ctrl+D)
- Pythonの終了には"quit()"と入力するか，Ctrl+D(Contrlを押しながらD)を入力する．
```
Python 3.8.2 (default, Apr 27 2020, 15:53:34)
[GCC 9.3.0] on linux
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> quit()▼　　 ← 終了コマンド(関数)
$
```
- この"quit()"は特殊なまじないではなく，pythonが持っている数多くの関数の1つ．
- "Ctrl+D"はUnix共通の「コマンド入力終了」の信号．quit()よりも簡単だが，初心者が使うのはお勧めしない．
- "Ctrl+D"はシェルの終了信号でもあるので，間違って"Ctrl+D"を2回連続で押すと， Pythonだけでなくターミナルも終了してしまう．

■3-2 対話モードでPython体験

せっかくなので，対話モードを使って簡単な操作をし，Pythonの動きを見てみよう．

※対話モードは本実習ではこれ以降，あまり使わない． Pythonには対話モードでの機能が弱く，活用には工夫が必要

［１］ Pythonを起動させ，次のコマンドを入力しなさい．

※▼のついた行を入力する．▼はEnter．'>>>'はプロンプト記号． ▼のついていない行はPythonからの出力

>>> print("Hello World!")▼  ◀◀ お決まりの一発目
Hello World!　　  ◀◀ Pythonからの出力
>>> help(print)▼

　　 ▶▶ 画面が切り替わってprint文のヘルプが表示される('q'で閉じる)

>>> a=input()▼　  ◀◀ キーボードから値を入力してaに代入
hogehoge▼　　　　  ◀◀ キー入力を求められるので，何でもいいから入力
>>> print(a)▼
hogehoge　　　　　  ◀◀ 入力した文字が出力される
>>> b=256▼　　  ◀◀ 色々と代入
>>> c=3▼
>>> d=128▼
>>> print(b+d**c)▼　　  ◀◀ 計算して出力(**はべき乗演算)
2097408
>>> print(d/c/b)▼　　  ◀◀ 割り算する
0.16666666666666666　　　　　  ◀◀ 小数だとこんな感じ
>>> quit()▼
$

［２］計算機実習1第1回課題01-3にあるbcの課題をPythonで解いてみよう．
- Pythonを使って次の x を計算しなさい．

■3-3 Pythonの基本ルールと特徴

ここで，最低限守るべき言語のルールや特徴についてごく簡単に説明する． Pythonは高級言語の中では記述がシンプルな言語だと言える．ルールとして注意するべきことは，以下のようにあまり多くない．

ただし，これらのルールを守らないとプログラムとしてうまく動かない． これ以降，何度でも確かめながら，プログラミングを進めること．

コードは半角英数記号：半角カナは✘
大文字小文字は区別される(ifとIFとiFは違う)
全角はutf-8で．文字列はクォート記号('…'か"…")で囲む
コメントは行のどこでも，"#"で始める．
制御文(if/for/while)や関数定義の範囲内の処理ブロックは「インデント」する
Pythonの特徴：import(モジュール読み込み)をやたら使う

予約語に注意：予約語は制御文や演算に使う：変数名や関数名には✘

※逆に，予約語を眺めれば，どんな言語かを理解しやすい

【Python予約語一覧】

and	as	assert	break	class	continue	def	del	elif
else	except	False	finally	for	from	global	if	import
in	is	lambda	nonlocal	None	not	or	pass	True
raise	return	try	while	with	yield

※以上と同じメモをscrapboxに作成したので，必要に応じて参照するとよい．
　　＜ Python::基本ルールと特徴-fujii's公開ノート＞

■3-4 プログラム実行でPython体験

［１］プログラム実行(ファイル指定起動)
- 以下の10行のプログラムを，エディタを使って作成し， "lesson5-01.py" という名で作成し，保存しなさい．
  ※"#◀◀"から右は解説なので，書かないこと．
  　※2行目以降，左側の空白はTABで字下げする．
```
while True:　　#◀◀ 1行目は字下げせず左端に
   name=input("名前？:")　　#◀◀ TABキーでインデント(字下げ)する
   number=eval(input("回数？:"))
   for i in range(number):
      if i%3==0:　　　#◀◀ さらにインデント
	      print("Hello, %s." % name)　　#◀◀ さらにインデント
      elif i%3==1:　　#◀◀ インデント戻す
         print("\tHey, %s!" % name)
      else:
         print("\t\tHello, World!!!")
```
- このファイルを，"python3"コマンドの引数として指定すると，プログラムが実行される．
- ほとんどのPythonプログラムはこのように，エディタ等でプログラムファイルを作成し，そのファイルを指定して実行する．
```
$ python3 work01.py▼
名前？:藤井大輔			◀◀ 名前を入れる(適当)
回数？:7			◀◀ 表示行数を半角数字で入れる(適当)
Hello, 藤井大輔.		◀◀名前入りで3行ずつ繰り返し……
	Hey, 藤井大輔!
			Hello, World!!!
Hello, 藤井大輔.
	Hey, 藤井大輔!
			Hello, World!!!
Hello, 藤井大輔.		◀◀ 指定の7行でストップ
名前？:小堀聡			◀◀繰り返して聞いてくる
回数？:5
Hello, 小堀聡.
        Hey, 小堀聡!
                Hello, World!!!
Hello, 小堀聡.
        Hey, 小堀聡!
名前？:^CTraceback (most recent call last): 	◀◀ やめる時はCtrl+c
File "work01.py", line 2, in 			◀◀ エラーが出るが……
name=input("名前？:")				◀◀ これは想定内
KeyboardInterrupt				◀◀ キー入力が中断された(そのとおり)

$
```
  - このプログラムは何度でも繰り返す(永久ループ) ．やめる時はCtrl+c
  - ※このプログラムは本実習で使う機能を全部含んでいる． つまり，このプログラムが動けば，今回も次回もやれる！というわけだ．なので，頑張って間違えずに入力してほしい．
  - もし，エラーばかりでて，全然うまく動かない場合は，とりあえず次に進もう． 今回と次回の内容がわかれば，どこがまずいのかわかるので，その時に再確認すればよい．
  - ※インデントはTABの代わりに半角空白でもよいが，全角空白と混在するリスクを考えると， TABで統一しよう．
［２］ファィルそのものを実行(シェバンを書く)
- ※この実習では以下の方法は実行方法は使わないが，やれる人はこの方法で実行させても構わない．
- これはUnix特有の方法で，Windows/MacOSではできない．
- 上記で作成したプログラム(work01.py)の1行目に
  #!/usr/bin/env python3
  (これをシェバンと呼ぶ)と追加して，ファイルの属性を「実行可能」にする．
  $chmod +x work01.py▼
- こうすると，"python3"の引数としていちいち指定して実行せずに，
  $ ./work01.py
  と，普通のコマンドのように実行できる．
- ※上述したようにこのやり方は本実習ではしないが，やりたい人はやってもよい．

■3-5 本実習でのPython学習の進め方

いままでのとこで，最低限のPythonの動かし方はわかったと思う．次節以降，3-4で書いたプログラムの中身を少しずつ理解していこう．

ここからは，いろいろなWebPageでの解説記事を参照して，効率よく学習していこう．主として参照するのは，以下のサイトである．

＜ Python チュートリアル＞ ◀◀ 初心者向け(Python3.8公式ドキュメントより)
＜ [Python入門]＞ ◀◀ Python学習講座(PythonエンジニアによるPython3学習サイト)
＜基礎編 | Python-izm＞ ◀◀ Python-izm(入門から応用までをサポートする学習サイト)

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４．変数と型，演算

4.1 変数，代入，型

［１］変数と代入
プログラムの中で処理する数値や文字を入れる「容れ物」が変数である．そして，その容れ物に値を放り込むのが代入である．
- ＜変数の定義と値の代入 | Python入門
- 上の記事のを読み，実際にサンプルを入力して確認しなさい．
- 記事の中でファィルを作成する．エディタを使って実際に作成し，実行しなさい．ファイル名も記事の通りで構わない．ただし，実行コマンドは"python3"なので注意． ("python"だと別バージョンを起動しようとする) プログラムがsample1-1.pyならば，以下のようにする．
- ※代入演算子"="(イコール1個)は，比較演算子の"=="(イコール2個)と混同しやすいので注意！
［２］型(データ型)
Pythonは動的型付け言語なので，あまり気にしなくてもいいが，忘れてもいけない，微妙な設計になっている．
- ＜ 3. 形式ばらない Python の紹介 — Python 3.8.4rc1 ドキュメント＞
- 上の記事の「3.1.Pythonを電卓として使う」－「3.1.1数」「3.1.2文字列型」を読み，サンプル通りに入力して確認しなさい．
- Pythonのデータ型には数値型，文字列型のほかにもbool型，range型，None型，リスト(list)，タプル(tuple)，辞書(dict)，集合(set)などがある． ▶▶ 計算機実習2以降に学習することになるだろう．
［３］型変換
Pythonでは通常は型を気にしなくてもいいが，型変換が必要な場合がある．よく使う場面は「文字列の中に数字を連結」する時や，「input()関数を使って取得した文字列を数値として演算」する時である．
- 文字列の中に数字を連結する：
  - ＜ Pythonで文字列を連結・結合（+演算子、joinなど） | note.nkmk.me＞
  - 上の記事の中頃， 「数値と文字列の連結・結合: +演算子, +=演算子, str(), format()」 を読み，入力例を実際にやって確認しなさい(対話モードでよい)．
- input()で得た文字を数値にする：
  - Pythonでinput関数を利用してコンソールからの入力を取得する方法を現役エンジニアが解説【初心者向け】 | TechAcademyマガジン
  - 上の記事を読み，サンプルを実際に入力して確認しなさい．
- input()に"eval()関数"を使う：
  - 最初のプログラム"lesson5-01.py"の中にある，
    という行を思いだそう．
  - 以下，対話モードで解説する．
  - ※当たり前だが，input()に全部eval()を使う必要はない．
- まとめ(1): 型変換関数: int() → 整数に，float() → 浮動小数点に， str() → 文字列に
- まとめ(2)：input()には注意: 返り値は全部文字列型 → 演算するならint()/float()使う．eval()も有用

4.2 演算(算術演算子)

Pythonは他の言語同様，標準で基本的な算術演算が可能である．

＜基本的な数値の演算 | Python学習講座＞
上の記事の「1.演算」を読み，サンプルを入力して確認しなさい．(対話モード)
ポイント：べき乗は"**"，剰余は"%"
以下に算術演算子のまとめを示しておく．(下記 Python入門-＠IT より)
Pythonにはその他の演算子がたくさんある．以下に紹介のみしておく． (比較演算子，論理演算子，代入演算子，三項演算子等)
▶▶参考(1) とほほのPython入門 - 演算子 - とほほのWWW入門
▶▶参考(2) ［Python入門］Pythonの演算子まとめ (1/2)：Python入門 - ＠IT
この中で覚えておきたいのは「比較演算子」(if文の条件式で使うので後述する)．

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５．条件分岐: if～elif～else

5.1 if の文法

プログラミングの重要な要素の1つが「分岐」である．手続き型プログラミング言語はすべて，分岐機能であるif文を持っている． Pythonのif文について学ぼう．

＜ if文 (条件分岐) | Python-izm＞
上の記事を読み，サンプルを実際に入力しなさい．エディタを使ってプログラムとして作成すること．
※ファイル名は自由．思いつかなければlesson5-if-01.pyなどにすればよいだろう．
サンプルプログラムの変数：value，value_1, value_2の値を変更して，結果がどう変わるかを確認しなさい．(整数を変えるだけでなく，数値の代わりに文字列だと？大きな桁の数字では？小数では？などなど)

5.2 ブロックはインデントする範囲

if文の説明にも出てくるが，if/elif/else文，for/while文，def文などは，その文が有効な範囲が長くなることが多い．

ifやforがかかる範囲がどこからどこまでか．この範囲を「処理ブロック」と呼ぶ．

ブロックの有効範囲を決めるのが，Pythonでは「インデント」である．

＜ 3.2プログラミングへの第一歩－Pythonドキュメント＞
上の記事を読み，サンプル(Fibonacci数列)を入力して確認しなさい．
さらに，サンプルプログラムの最後の1行のインデントをなくして実行したらどうなるかを確かめなさい．つまり，次のようなプログラムである．
※プログラムが止まらなくなると思うので，なったら，Ctrl+Cで停止する．
全部の行のインデントをなくしたらどうなるだろうか？確認しなさい．

※コラム：インデントの効用※

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5.3 条件式(比較演算子)

if文をはじめ，次回学習するfor文while文などには条件式が必要である．この条件式には多くの場合，比較とその組み合わせの論理式が伴う．それには比較演算子と論理演算子を使う．

比較演算子を以下に抜き出しておく．※前節の演算子の項を参照．
ブール演算子は，"and"(論理積)，"or"(論理和)，"not"(否定)の3つのみ．
条件式は，「比較式を論理式で組み合わせる」ことが多い．
複数の条件をAND/ORで組み合わせるには慣れが必要． ▶▶ ここでは複雑な条件は使わない．計算機実習2以降のカリキュラムで身につけよう．

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６．print()とinput()

最後に，非常によく使う入出力の関数，print()とinput()を紹介する．

input()関数は，第4節［３］型変換ですでに触れているので，ここでは省略する．

6.1 print()関数

＜ Pythonのprintの引数endを徹底解説！ - AI-interのPython3入門＞
上の記事を読み，実際にサンプルを入力して確認しなさい．(対話モードでよい)
まとめ：printは通常改行するが，改行なしやカンマ区切りなども可能．
なお，本実習ではやらないが，思い通りの書式に整形して出力するフォーマット指定も可能．
さらに，変数の型を超えて表示できる'formatメソッド'が用意されている．
参考： Python, formatで書式変換（0埋め、指数表記、16進数など） | note.nkmk.me

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＜今回の課題＞ ← 本文を読んでから

［無関係とは言えなくもない美しい数式］：　\( \square A^\mu - \partial^\mu (\partial_\nu A^\nu) = - \mu_0 j^\mu\ )　：マクスウェル方程式の四次元ポテンシャル表現

2020-07-09 by Kobori Satoshi, Fujii Daisuke