[Python] for文による繰り返し処理

2021年10月11日 2. Python 解説 Comment »

はじめに

ここでは、pythonプログラミングの基本である、for文について解説します。まずは、Google Colaboratoryの使い方 を参考に、プログラミングの環境に移動しましょう。ローカルに環境を構築している方は、そちらでもokです。

for 文とは

プログラムを組んでいるとき、似たような処理を繰り返すことがよくあります。例えば、以下のコードを見てください。

base_value = 2
print(base_value, "の段の", 1, "つ目は", base_value * 1, "です。")
print(base_value, "の段の", 2, "つ目は", base_value * 2, "です。")
print(base_value, "の段の", 3, "つ目は", base_value * 3, "です。")
print(base_value, "の段の", 4, "つ目は", base_value * 4, "です。")
print(base_value, "の段の", 5, "つ目は", base_value * 5, "です。")
print(base_value, "の段の", 6, "つ目は", base_value * 6, "です。")
print(base_value, "の段の", 7, "つ目は", base_value * 7, "です。")
print(base_value, "の段の", 8, "つ目は", base_value * 8, "です。")
print(base_value, "の段の", 9, "つ目は", base_value * 9, "です。")

これは、掛け算の2の段の結果を一つずつ表示する機能を有します。このコードを見たとき、ある特定の箇所が、1つずつ数字が増加しているという特徴があることがわかります。このように、あるルールに基づいて数字が変化するコードをいくつも記載したい場合、for文を利用して簡単に書くことができます。この記述方法が以下となります。

base_value = 2
for x in range(1, 10):
  print(base_value, "の段の", x, "つ目は", base_value * x, "です。")

このコードのポイントは、以下となります。

  • 2行目: for x in range(1, 10) という記述があります。これは、xを1から9まで一つずつ増やしながら、文字下げがされた部分を順次実行せよという意味を持ちます。range関数の第1引数がxの開始地点、第2引数から1を引いた値がxの終了地点を表します（1から10までではなく、1から9までなので、注意しましょう）。
  • 3行目: xを1から9まで増やしながらprint関数が実行されます。x=1のときは 2*1、x=2 のときは 2*2、x=3のときは 2*3 と続き、x=9のときは 2*9 = 18 が表示されます。

なんとなくわかってきたら、もう少し理解を深めるために、以下を確認してみましょう。

  • 2行目と3行目のxを、yに変えてみる。→ エラーが出ず、そのまま実行できます。for文で1ずつ増やす変数は、xではなくても良いわけです。
  • 2行目をxにして、3行目のxをbに変えてみる。→ エラーが出ます。bは存在しないためです。1ずつ増えているのはあくまでxであることに注意してください。
  • range関数の第1引数を5、第2引数を20にしてみる。→ エラーが出ず、実行できます。表示される値は想像通りか確認してみましょう。

これで、もうちょっとだけfor文のことがわかったと思います。

for文の範囲とインデント

Pythonでは、for文により繰り返される範囲を文字下げ（インデント）により定義します。これを理解するために、以下のコードを見てみましょう。

a = 10
for i in range(1, 4):
  a = a + i * 5
  print("aの値は", a, "です。")
print("処理終了！")

2行目をみると、iを1から3まで一つずつ増やしながら、繰り返しの処理をしていることがわかると思います。では、繰り返している箇所はどこでしょうか？　それは、文字が下げられている部分（インデント）が入っている箇所を見るとわかります。上のコードでは、3行目と4行目にインデントが挿入されています。ですので、3行目と4行目が繰り返される範囲となります。もっと厳密に、上のコードがどのような順番で実行されるのか、下記に示します。

  • 処理1: 1行目
  • 処理2: 2行目
  • 処理3: i=1 で 3行目（aに対し、10+1*5が代入される）
  • 処理4: i=1 で 4行目（aは15ですから、15が表示される）
  • 処理5: i=2 で 3行目（aに対し、15+2*5が代入される）
  • 処理6: i=2 で 4行目（aは25ですから、25が表示される）
  • 処理7: i=3 で 3行目（aに対し、25+3*5が代入される）
  • 処理8: i=3 で 4行目（aは40ですから、40が表示される）
  • 処理9: 5行目

このようになりますので、合計3回、print関数が適用され、3個の表示が行われます。ポイントは、3行目と4行目が順番に繰り返されるところでしょうか。

以下のコードは、上のコードとよく似ていますが、表示は異なります。

a = 10
for i in range(1, 4):
  a = a + i * 5
print("aの値は", a, "です。")
print("処理終了！")

これを実行すると、先ほどとは異なり、aが40であるという表示が一つだけ出たと思います。この理由について考えてみるために、インデントに注目します。3行目にはインデントがありますが、4行目にはインデントがありません。ですから、4行目はfor文で繰り返される範囲の対象外になります。より厳密に書くと、以下のようになります。

  • 処理1: 1行目
  • 処理2: 2行目
  • 処理3: i=1 で3行目（aに対し、10+1*5が代入される）
  • 処理4: i=2 で3行目（aに対し、15+2*5が代入される）
  • 処理5: i=3 で3行目（aに対し、25+3*5が代入される）
  • 処理6: 4行目（この時点でaは40ですから、40が表示される）
  • 処理7: 5行目

print関数がfor文の範囲の外にありますので、一度しか実行されていないことがわかります。ですから、aの値が一度しか表示されていません。ただし、計算はしっかりと行われていることもわかります。

以上がfor文の範囲をインデントで指定するというお話になります。なお、インデントは通常、Tabキーか半角スペースで記述します（Tabキーの位置はお使いのキーボードによって違うので、webなどで検索して調べてみましょう）。このインデントの量が揃っていないと、エラーが出たりおかしな挙動になったりしますので、注意してください。例えば、以下はインデントがおかしいことにより、エラーとなるコードです。

# エラーの出るコード1
a = 10
for i in range(1, 4):
   a = a + i * 5
  print("aの値は", a, "です。")
print("処理終了！")

# エラーの出るコード2
a = 10
for i in range(1, 4):
  a = a + i * 5
   print("aの値は", a, "です。")
print("処理終了！")

どちらも、4行目と5行目のインデントが揃っていません。ですので、エラーとなります。

for文を利用したリストの定義

以下のようなリストを、空のリスト（何も要素を持たないリスト）と言います。

list_A = []

さて、リストに要素を追加したい場合は、append関数を利用すると説明しました。2の倍数を100個有するリストを作ってみます。for文を使わない場合は、append関数を100個使わなければなりません。一方で、for文を利用すると、以下のように簡単に書くことができます。

list_A = []
for i in range(1, 101):
  list_A.append(i*2)
print("2の倍数: ", list_A)
  • i = 1 で list_A.append(i*2)を実施
  • i = 2 で list_A.append(i*2)を実施
  • i = 3 で list_A.append(i*2)を実施
  • … 中略 …
  • i = 100 で list_A.append(i*2)を実施

となるわけですから、list_A は2の倍数を100個持つことになります（101としないと i = 100 まで行かないので、注意してください）。

続いて、list_Aに2の倍数を100個、list_Bに3の倍数を100個持たせるコードを書いてみます。これは、以下、どれでも正解です。

list_A = []
list_B = []

for i in range(1, 101):
  list_A.append(i*2)
  list_B.append(i*3)

print("2の倍数: ", list_A)
print("3の倍数: ", list_B)

list_A = []
list_B = []

for i in range(1, 101):
  list_A.append(i*2)

for i in range(1, 101):
  list_B.append(i*3)

print("2の倍数: ", list_A)
print("3の倍数: ", list_B)

1つ目は list_A と list_B を同時に作成するアプローチ、2つ目は list_A を作成してから、list_B を作成するアプローチです。あえていえば前者の方がスマートですが、どちらでもいいです。

range関数における引数の省略

for文で使用することになる range関数は、通常2つの引数（開始地点と終了地点）を持ちますが、開始地点が0の場合、省略することができます。例えば、以下の2つのコードは、まったく同じ意味となります。

a = 0
for i in range(10):
  a = a + 1
print(a)

a = 0
for i in range(0, 10):
  a = a + 1
print(a)

上のコードは、range 関数の引数が1つしかありません。これは、開始地点が i = 0 であり、終了地点が i = 9 （10なので、1を引いて9です）であることを意味します。このように、開始地点が0である場合、記載しなくても動くようになっています。これをきちんと記載したものが下のコードです。

このため、range関数の引数に1つの数字しか入っていない場合は、開始地点0が省略されていると考えるようにしましょう。自分でコードを書く場合は、開始地点を省略していると、だんだんfor文の意味がわからなくなってくるので、きちんと2つの引数を与えることを推奨します。

以上がfor文の基礎となります。とても大切な記法なので、ぜひ覚えるようにしましょう。

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