# Python基礎知識
## Pythonとは
Pythonは、汎用プログラミング言語の一つで、コードの読みやすさを重視した設計思想を持っています。インタープリタ型言語であり、動的型付け言語です。多くのプラットフォームで動作し、大規模なシステムから小さなスクリプトまで、さまざまな用途に使用されています。
## Pythonの特徴
- **読みやすい構文**: インデントを使用したブロック構造により、コードが読みやすい
- **豊富なライブラリ**: 標準ライブラリが充実しており、多くのサードパーティライブラリも利用可能
- **マルチパラダイム**: 手続き型、オブジェクト指向型、関数型など、複数のプログラミングパラダイムをサポート
- **インタープリタ型**: コンパイル不要で実行可能
- **動的型付け**: 変数の型を明示的に宣言する必要がない
- **自動メモリ管理**: ガベージコレクションによるメモリ管理
## Pythonの基本構文
### 変数と型
Pythonでは、変数を宣言する際に型を指定する必要はありません。
```python
# 整数
x = 10
# 浮動小数点数
y = 3.14
# 文字列
name = "Python"
# ブール値
is_active = True
# リスト
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
# タプル
coordinates = (10, 20)
# 辞書
person = {"name": "Alice", "age": 30}
# 集合
unique_numbers = {1, 2, 3, 4, 5}
```
### 条件分岐
```python
x = 10
if x > 0:
print("正の数です")
elif x < 0:
print("負の数です")
else:
print("ゼロです")
```
### ループ
```python
# forループ
for i in range(5):
print(i) # 0, 1, 2, 3, 4
# whileループ
count = 0
while count < 5:
print(count)
count += 1
```
### 関数
```python
def greet(name):
"""挨拶を返す関数"""
return f"こんにちは、{name}さん！"
# 関数の呼び出し
message = greet("太郎")
print(message) # こんにちは、太郎さん！
```
### クラス
```python
class Person:
def __init__(self, name, age):
self.name = name
self.age = age
def introduce(self):
return f"私の名前は{self.name}、{self.age}歳です。"
# クラスのインスタンス化
person = Person("太郎", 30)
print(person.introduce()) # 私の名前は太郎、30歳です。
```
## Pythonの高度な機能
### ジェネレータ
ジェネレータは、イテレータを作成するための簡単な方法です。メモリ効率が良く、大きなデータセットを扱う際に役立ちます。
```python
def count_up_to(n):
i = 0
while i < n:
yield i
i += 1
# ジェネレータの使用
for number in count_up_to(5):
print(number) # 0, 1, 2, 3, 4
```
### デコレータ
デコレータは、関数やメソッドの動作を変更するための構文です。
```python
def log_function_call(func):
def wrapper(*args, **kwargs):
print(f"関数 {func.__name__} が呼び出されました")
return func(*args, **kwargs)
return wrapper
@log_function_call
def add(a, b):
return a + b
result = add(3, 5) # 関数 add が呼び出されました
print(result) # 8
```
### コンテキストマネージャ
`with`文を使用して、リソースの確保と解放を自動的に行うことができます。
```python
# ファイル操作の例
with open("example.txt", "w") as file:
file.write("Hello, World!")
# ファイルは自動的に閉じられる
```
### 内包表記
リスト、辞書、集合の作成を簡潔に記述できます。
```python
# リスト内包表記
squares = [x**2 for x in range(10)]
# 条件付きリスト内包表記
even_squares = [x**2 for x in range(10) if x % 2 == 0]
# 辞書内包表記
square_dict = {x: x**2 for x in range(5)}
# 集合内包表記
square_set = {x**2 for x in range(5)}
```
## Pythonのモジュールとパッケージ
### モジュール
モジュールは、Pythonのコードを論理的に整理するための方法です。
```python
# math モジュールのインポート
import math
# math モジュールの関数を使用
print(math.sqrt(16)) # 4.0
# 特定の関数だけをインポート
from math import sqrt
print(sqrt(16)) # 4.0
# 別名をつけてインポート
import math as m
print(m.sqrt(16)) # 4.0
```
### パッケージ
パッケージは、複数のモジュールを含むディレクトリです。
```
my_package/
__init__.py
module1.py
module2.py
subpackage/
__init__.py
module3.py
```
```python
# パッケージのインポート
import my_package.module1
# サブパッケージのインポート
import my_package.subpackage.module3
```
## Pythonの例外処理
```python
try:
# 例外が発生する可能性のあるコード
result = 10 / 0
except ZeroDivisionError:
# ゼロ除算エラーの処理
print("ゼロで割ることはできません")
except Exception as e:
# その他の例外の処理
print(f"エラーが発生しました: {e}")
else:
# 例外が発生しなかった場合の処理
print("計算が成功しました")
finally:
# 例外の有無にかかわらず実行される処理
print("処理を終了します")
```
## Pythonの標準ライブラリ
Pythonには、多くの便利な標準ライブラリが含まれています。
- **os**: オペレーティングシステムとの対話
- **sys**: Pythonインタープリタとの対話
- **datetime**: 日付と時刻の操作
- **math**: 数学関数
- **random**: 乱数生成
- **json**: JSONデータの処理
- **re**: 正規表現
- **collections**: 特殊なコンテナデータ型
- **itertools**: イテレータ操作のための関数
- **functools**: 高階関数と呼び出し可能オブジェクトの操作
## Pythonの仮想環境
仮想環境は、プロジェクトごとに独立したPython環境を作成するための機能です。
```bash
# 仮想環境の作成
python -m venv myenv
# 仮想環境の有効化（Windows）
myenv\Scripts\activate
# 仮想環境の有効化（macOS/Linux）
source myenv/bin/activate
# パッケージのインストール
pip install package_name
# 仮想環境の無効化
deactivate
```
## Pythonのパッケージ管理
```bash
# パッケージのインストール
pip install package_name
# 特定のバージョンのインストール
pip install package_name==1.0.0
# パッケージのアップグレード
pip install --upgrade package_name
# インストール済みパッケージの一覧表示
pip list
# requirements.txtの作成
pip freeze > requirements.txt
# requirements.txtからのインストール
pip install -r requirements.txt
```
## Pythonのテスト
### unittest
```python
import unittest
def add(a, b):
return a + b
class TestAddFunction(unittest.TestCase):
def test_add_positive_numbers(self):
self.assertEqual(add(1, 2), 3)
def test_add_negative_numbers(self):
self.assertEqual(add(-1, -2), -3)
def test_add_mixed_numbers(self):
self.assertEqual(add(-1, 2), 1)
if __name__ == "__main__":
unittest.main()
```
### pytest
```python
# test_add.py
def add(a, b):
return a + b
def test_add_positive_numbers():
assert add(1, 2) == 3
def test_add_negative_numbers():
assert add(-1, -2) == -3
def test_add_mixed_numbers():
assert add(-1, 2) == 1
```
```bash
# pytestの実行
pytest test_add.py
```
## Pythonのデバッグ
### pdb（Python Debugger）
```python
import pdb
def complex_function():
x = 10
y = 20
pdb.set_trace() # デバッガが起動
z = x + y
return z
result = complex_function()
```
## Pythonのドキュメント
### Docstring
```python
def calculate_area(radius):
"""
円の面積を計算します。
Args:
radius (float): 円の半径
Returns:
float: 円の面積
Raises:
ValueError: 半径が負の値の場合
"""
if radius < 0:
raise ValueError("半径は負の値にできません")
return 3.14159 * radius ** 2
```
## Pythonのコーディング規約
Pythonには、PEP 8と呼ばれるコーディング規約があります。主なルールは以下の通りです：
- インデントには4つのスペースを使用
- 行の長さは最大79文字
- 関数やクラスの間には2行の空行
- インポートは別々の行に記述
- スペースの使用法（演算子の前後にスペース、カンマの後にスペースなど）
- 命名規則（クラス名はCamelCase、関数名とメソッド名はlower_case_with_underscoresなど）
## まとめ
Pythonは、読みやすさと書きやすさを重視した汎用プログラミング言語です。豊富な標準ライブラリとサードパーティライブラリにより、さまざまな用途に使用できます。初心者にも優しい言語設計でありながら、高度な機能も備えているため、プログラミング初心者から専門家まで幅広く利用されています。
