cs-12. 式の抽象化と関数，モジュール，算法（アルゴリズム）
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トピックス：式の抽象化と関数，モジュール，算法（アルゴリズム） , 情報工学, コンピューターサイエンス コンピューターサイエンス（全１５回） https://www.kkaneko.jp/cc/cs/index.html 金子邦彦研究室ホームページ https://www.kkaneko.jp/index.html
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cs-12. 式の抽象化と関数，モジュール，算法（アルゴリズム）
- 1. cs-12. 式の抽象化と関数，モジュー ル，算法（アルゴリズム） （コンピューターサイエンス） URL: https://www.kkaneko.jp/cc/cs/index.html 1 金子邦彦
- 2. 第１２回の内容 1. 式の抽象化，関数 2. モジュール 3. 算法（アルゴリズム） 2
- 6. 式の抽象化 6 類似した複数の式 変数 a を使って，複数 の式を１つにまとめる （抽象化） a * 1.1 100 * 1.1 150 * 1.1 400 * 1.1
- 7. 式の抽象化と関数 7 類似した複数の式 変数 a を使って，複数 の式を１つにまとめる （抽象化） a * 1.1 100 * 1.1 150 * 1.1 400 * 1.1 式「a * 1.1」を含む 関数 foo を定義 関数 foo を使用． 100, 150, 400 は引数
- 8. 関数 8 • この関数の本体は 「return a * 1.1」 • この関数は，式「a * 1.1」に，名前 foo を付 けたものと考えることもできる
- 10. 私の意見 • プログラミングでの根本問題は 何でしょうか？ 誤り（バグ）の無いプログラムの 作成 • プログラミングの一番の基礎は 何でしょうか？ • 抽象化を行うこと． • 抽象化により，繰り返し同じこ とを書くことが減り，バグを防 げる． • プログラムの変更（消費税率 10%変更）も簡単に． 10
- 12. 例題 式 100 * 1.1 150 * 1.1 400 * 1.1 変数を含む式 a * 1.1 関数 def foo(a): return(a * 1.1) 12
- 13. Python Tutor 13 Python をビジュアルに体験，演習ができ るオンラインサービス ① ウェブブラウザで次の URL を開く http://www.pythontutor.com/ ② 「Visualize your code and get live help now」をクリック ③ 言語を選ぶ．この授業では Python 3.6
- 14. 「Visualize your code and live help now」を クリック 14
- 17. 問いかけ • 関数 では，変数が使用されるこ とがあります． • 「関数内で使用される変数 は， 関数の実行終了とともに，自動 で消える」は正しいですか？ 17
- 18. • 関数 foo では，変数 a が使用されています • 「関数内で使用される変数 a は，関数の実行終了 とともに，自動で消える」は正しいですか？ 18
- 20. 20 ・変数 p は残っている ・変数 a は自動的に消えている
- 26. ② 「Step 1 of 11」と表示されているので， 全部で，ステップ数は 11 あることが分かる （ステップ数と，プログラムの行数は違うもの） 26
- 28. ④ ステップ実行したいので，「Next」をクリック しながら，矢印の動きを確認． ※「Next」ボタンを何度か押し，それ以上進めなく なったら終了 28 見どころ foo との間で ジャンプするところ
- 30. ⑥ もう一度，ステップ実行． 「Next」をクリックしながら， ・赤の矢印の動きを確認． • 変数 a が現れるのは，どういうタイミングか？ 30 関数 foo の実行中は， 変数 a が現れる
- 31. ⑦ 終わったら「Edit self code」をクリックして， 元の画面に戻る 31
- 34. 式の抽象化 34 類似した複数の式 １つの式に抽象化 a * 100 * 1.1 5 * 100 * 1.1 12 * 100 * 1.1 ２つの式に抽象化 できるという考え方も． この場合関数は２つ． a * 100 a * 1.1
- 36. 単価 100円で，税率 10% のときのプログラム例 36 変数 c は個数のつもり 5個は 550円 12個は 1320円
- 37. 全体まとめ • 式の抽象化とは，変数を使って，複数の式を１つ にまとめる • 関数の中でのみ使用される変数は，関数の終了と ともに自動で消える • 関数の評価値は return で返す 37
- 38. プログラムの基礎 • プログラム中の誤り（バグ） ※ バグの発見を，すべて自動で行うことは困難 バグの無いプログラムを作るには，関数などの実践知識が役立つ．既 存のプログラムの活用を考えることも大事． • 性能，プログラムの見通しの良さ 算法（アルゴリズム）の工夫により，同じ問題をより簡単に，解くこ とができる • プログラムで解くことが難しい問題がある ※ プログラムで解こうと思っても，解くのに時間がかかりすぎる このことが暗号の基礎になっている 38
- 39. 12-5 Python モジュール， 標準ライブラリ （コンピューターサイエンス） URL: https://www.kkaneko.jp/cc/cs/index.html 39 金子邦彦
- 40. Python のモジュール • Python のモジュールは単体でも実行できるように作るこ とができる．モジュールのテストを行いたときに便利 ※ （if __name__ == “__main__”: のところがミソ） 40 この Python モジュールには， 関数 tax が入っている • Python のモジュールは、1つ以上の関数をまとめて，１つの ファイルにしたもの．
- 41. Python のモジュールとインポート 41 モジュールの入ったファイル （ファイル名は hoge.py） 別のプログラム ・import hoge で，ファイル hoge.py をインポート ・hoge.tax は，ファイル hoge.py の中の 関数 tax という意味 その実行結果 import コマンドでインポート
- 42. Python の標準ライブラリ • 公式ドキュメント https://docs.python.org/ja/3/library/index.html • 組み込み関数、組み込み定数、組み込み型、組み込み例外、 テキスト処理、バイナリデータ処理、データ型、数値と数 学、関数型プログラミング、ファイルとディレクトリ、 データの永続化、デー圧縮とアーカイブ、ファイルフォー マット、暗号、オペレーティングシステム、並列実行、コ ンテキスト変数、ネットワーク通信とプロセス間通信、イ ンターネット上のデータ操作、HTMLとXML、インター ネットプロトコルとサービス、マルチメディアサービス、 国際化、プログラムのフレームワーク、グラフィカルユー ザインタフェース、開発ツール、デバッグとプロファイル、 ソフトウエア・パッケージと配布、Pythonランタイムサー ビス、カスタム Python インタプリタ、モジュールのイン ポート、Python 言語サービス、各種サービス • 多くは「インポート」により取り込んで使用する 42
- 43. モジュールをインポートするプログラムのイ メージ図 43 自作の プログラム モジュール math モジュール datetime Python は、モジュールが豊富であることも、人気の理由 複数のモジュールをインポート モジュール optimize モジュール tensorflow モジュール keras など 有志らが制作、 配布している モジュール 標準ライブラリ 内のモジュール
- 45. ５×５×５×５×５×５×５×５×５×５×５×５×５× ５×５×５ は 152587890625 45 掛け算: 4 回 掛け算: 15 回 算法（アルゴリズム）の工夫で、掛け算の回数を削減できる場合がある 同じ 結果 算法（アルゴリズム）の例
- 46. 次の２つのプログラムは，同じ答えが出る． a = 5 * 5 b = a * a c = b * b d = c * c print(d) print(5*5*5*5*5*5*5*5*5*5*5*5*5*5*5*5) 46
- 47. 次の２つのプログラムは，同じ答えが出る a = 10 * 10 b = a * a c = b * b print(c) print(10*10*10*10*10*10*10*10) 47
- 48. 暗号 エニグマ暗号作成機械 （Wikipedia より転載） 48 暗号解読機械 暗号の「コードブック」をすばやく探すための機 械「ボンベ」 →コンピュータの基礎に （Wikipedia に記載の「レプリカ」の写真を転載）
- 49. ヒトゲノム・プロジェクト • 生物の「設計図」ともいわれるゲノム 塩基配列 • GenBankなどのウェブサイトで公開 49 • ゲノム塩基配列は，とても長い．細切れにした後で，装置で読 み取る． • 読み取った結果を（ジグソーパズルのように）つなぎあわせる とき，コンピュータが活躍
- 52. 暗号作成より，暗号解読の方が手間がかかる • 暗号解読の算法（アルゴリズム）は発見済み ということが多い → プログラムを作成可能 • しかし，プログラムが答えを出すまでに時間がかかる場合がある すでに，2012 年に，このようなレポートが． https://www.dit.co.jp/service/security/report/03.html 英大小文字+数字+記号を組み合わせた ZIP のパスワード ６桁の解読時間： ２分２４秒 ＝ 超危険 ８桁の解読時間： １４日 ＝ 危険 １０桁の解読時間： ３４１年 52