はじめに

このシリーズは計算化学を題材にした Python プログラミングを紹介した「計算化学者のためのPython入門」の1つです。
特に「計算化学関連の Python プログラム開発に携わる予定」の読者を想定してます。

Python3 は Google Colab を使えばブラウザだけで実行できます。

本記事の要点

「計算化学者のためのPython入門」シリーズを最大限楽しむために必要な Python 知識を Quiz 形式で紹介します。
Python Quizの答えにピンとこない方は「計算化学者のためのPython入門」シリーズを読む前に、Python3 の基礎知識に不安がある人へで紹介したサイトなどで Python3 の基礎知識を再確認することをおすすめします。

Python Quiz

以下の Quiz の質問にピンとこない、答えを見てもよくわからない、調べようにも何をググればいいかわからない人は本シリーズを読み進める前に Python3 の基礎知識をおさらいするのがいいかもしれません。

Q1. 条件式 type("0") == type(0) は何を返す？

A1.

False

Q2. import numpy as np や from math import pi は何をしている？

A2.

numpyをインポートしてnpと定義
mathからpi（円周率π）をインポート

Q3. 同じ階層にある test1.py で定義された hoge 関数を test.py で使いたい。どうすればいい？

now_dir
 |___ test1.py (hoge 関数実装済み)
 |___ test.py

A3.

./test.py

from test1 import hoge

Q4. list 型ではなく numpy.ndarray 型 (np.array) を使う利点は？np.array は何が便利？

A4.

配列同士の演算ができる
処理が速い　等

Q5. l_a = ["I", "have", "an", "apple"] の "apple" が "pineapple" に置換されたリスト l_b をつくるにはどうする？任意の l_a の "apple" を "pineapple" に置換したい場合はどうする？

A5.

loop と if 文を使うと以下のように書ける。

l_a = ["I", "have", "an", "apple"]
l_b = []
for iele in l_a:
    if iele == "apple":
        l_b.append("pineapple")
    else:
        l_b.append(iele)

もしくは numpy.where を使うと以下のように書ける。

import numpy as np
np_a = np.array(l_a)
np_a = np.where(np_a == "apple", "pineapple", np_a)
l_b = np_a.tolist()

Q6. 以下の test1.py を実行すると、どのように出力される？

test1.py

print(1)

def test1(a, b):
    print(b)
    c = a * 2
    return c

print(3)
d = test1(4, 5)
print(d)

A6.

Q7. 上で定義された test1 関数（メソッドとも言う）の引数、返り値はどれ？

A7.

引数：a, b
返り値：c

Q8. 以下の test2.py を実行すると何が出力される？

test2.py

l_ppap = [["I", "have", "a", "pen"],
          ["I", "have", "an", "apple"],
          ["I", "have", "a", "pineapple"], 
          ["Pen-Pineapple-Apple-Pen"]]

for i in range(0, len(l_ppap)):
    if i < len(l_ppap[i]):
        print(l_ppap[i][i])
    else:
        print("No PPAP")

A8.

I
have
a
No PPAP

Q9. 1 から 100 までループし、3 の倍数のときは "I have a pen"、4 の倍数のときは "I have an apple"、3、4 の公倍数のときは "I have a pineapple"、それ以外のときは "Pen-Pineapple-Apple-Pen" と出力するプログラムは書けそうですか？プログラム構造を想像できますか？

A9.

おそらくこんな感じ。プログラム構造を想像できましたか？

for i in range(1, 101):
    if i % 3 == 0 and i % 4 == 0:
        print("%4d   " % i, "I have a pineapple")
    elif i % 3 == 0:
        print("%4d" % i, "I have a pen")
    elif  i % 4 == 0:
        print("%4d" % i, "I have an apple")
    else:
        print("%4d" % i, "Pen-Pineapple-Apple-Pen")

Q10. 以下のスクリプトを実行すると何が出力される？

l_c = ["A", "B", 3, "d", 5.0]
l_d = list(range(len(l_c)))

for i, j in enumerate(l_c):
    print(i, j)

for i, j in zip(l_c, l_d):
    print(i, j)

A10.

enumerate() と zip() は便利なので覚えましょう。

for i, j in enumerate(l_c):
    print(i, j)

> 0 A
> 1 B
> 2 3
> 3 d
> 4 5.0

for i, j in zip(l_c, l_d):
     print(i, j)

> A 0
> B 1
> 3 2
> d 3
> 5.0 4

Q11. 以下のスクリプトを実行すると何が出力される？

d_element = {"H": {"Number": 1, "Mass": 1.007825}, 
             "C": {"Number": 6, "Mass": 12},
             "N": {"Number": 7, "Mass": 14.003074},
             "O": {"Number": 8, "Mass": 15.994915}}

print(d_element["H"])
print(d_element["C"]["Mass"])

for i, j in d_element.items():
    print(i, j)

for i in d_element.keys():
    print(i)

A11.

辞書も便利なので積極的に使いましょう。

print(d_element["H"])
> {'Number': 1, 'Mass': 1.007825}

print(d_element["C"]["Mass"])
> 12

for i, j in d_element.items():
    print(i, j)

> H {'Number': 1, 'Mass': 1.007825}
> C {'Number': 6, 'Mass': 12}
> N {'Number': 7, 'Mass': 14.003074}
> O {'Number': 8, 'Mass': 15.994915}

for i in d_element.keys():
    print(i)
> H
> C
> N
> O

Python3 の基礎知識に不安がある人へ

世の中には Python に関するすばらしい記事、書籍がたくさんあります。それらの参考にしながら Python3 基礎知識を再確認しましょう。

ただし、文法や Python ライブラリ (numpy など) の使い方を暗記する必要はありません。Python ではどんなことができるのか、それはどんな固有名詞で呼ばれているのかを確認してください。使い方を忘れてしまっても固有名詞でググればOKです。

以下、おすすめの参考文献を紹介します。

Python-izm, https://www.python-izm.com/
- 入門編、基礎編あたりがおすすめ。
【初心者向け】無料でPythonの基本文法を5時間で学ぼう！, https://qiita.com/AI_Academy/items/b97b2178b4d10abe0adb
- かなりボリュームがありますが具体例が豊富でわかりやすいと思います。
プログラミング演習 Python 2021, https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/265459/1/Version2021_10_08_01.pdf
- 京都大学の講義資料。書籍化しても良いレベル。
- コラム：https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/265459/2/Version2021_10_08_02.pdf
Python プログラミング入門, https://utokyo-ipp.github.io/IPP_textbook.pdf
- 東京大学数理・情報教育センターの資料。

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