特別講義DS Ch3 Pythonと環境構築

イントロダクション

データサイエンスは,データを利用して現象を発見したり,予測をする科学の総称です. データの作成やデータを分析する前の処理,利用するコンピュータ関連の技術なども対象となります.

データサイエンスと関連の深い分野/用語として統計や機械学習,AIがありますが,それらもデータサイエンスの一部とみなすことができます.

統計は,データ自体の取得・作成・集計から,データの構造を分かりやすく分析・可視化する学問です.機械学習は,データから予測モデルを作り,意思決定などに応用する学問です. 統計や機械学習・AIは明確に分割することができるものではなく,かなりの部分が共通しています. 特に皆さんがこの講義の先修科目である統計学入門で学んだ,初歩的な統計は,機械学習やAI,データサイエンス全般を学ぶ上で,前提知識となります.この他,どちらかに分類できるわけではない,モデリング,AI,シミュレーション,最適化,次元削減,など様々なトピックが含まれています.

この講義では,統計学入門で学んだ,可視化,数値化,検定,回帰などの統計学の手法をPCを使って行う他,統計学入門の範囲を超えたより発展的な手法に関しても学習します.

しかし,このようにデータサイエンスは非常に広範な学問なので,統計学入門のように個別の手法に関して,細かく理解することはせず,それぞれの概要と利用方に関してのみを扱います.

プログラミング言語の種類

データサイエンスは言葉の通り,データを扱います. 現在ではデータは基本的に,電子データとして収集,処理されるため,それらの編集,処理にはコンピュータを利用し,操作は基本的にはプログラムによってなされます. したがってプログラミングは,データサイエンスのための前提知識となります.

この講義では最終的には,学生それぞれに研究のためのプログラムを組んでもらいます. データサイエンスや統計でよく使われる言語は, Python, Julia, R, SPSS, matlab などいくつかありますが, この授業では, 現在世界的に広く使われており,習得も容易なPythonを利用します.

プログラミング言語には沢山の種類がありますが,言語によって機能や得意なことが異なります.

プログラミング言語は 実行方式, 書き方,検査の仕方などの特徴がそれぞれ異なり,大まかにはそれぞれ以下のような意味になります.

実行方式

プログラミング言語は,人間にとって理解しやすくデータ構造やアルゴリズムを記述するための手段です.しかし,コンピュータはプログラミング言語を直接理解することはできません.そのため,書かれたプログラムはコンピュータが解釈できる形式,すなわち0と1のビット列である機械語に翻訳される必要があります.この翻訳プロセスは,プログラムの実行方式を以下の二つに分ける要因となります.

この二つの実行方式は,プログラムの性質や用途に応じて選択されます.インタプリタ方式は開発の柔軟性が求められる場合に適しており,コンパイラ方式は性能が重視される場合に好まれます.プログラマはこれらの特性を理解し,それぞれの場面で最適な選択をすることが求められます.

書き方

プログラミングとは,基本的にコンピュータに対して実行してほしい命令を記述する作業です.現在主流のプログラミング言語には,大まかに手続き型言語と関数型言語の二つの記述方法が存在します.

近年では,手続き型言語にも関数型の構文が取り入れられるようになり,手続き型言語内で関数型風に記述することや,その逆も可能になっています.

これらの違いについて更に詳しく知りたい方は,別の講義資料で更に詳しく説明しています.

検査の仕方

プログラミングは,データ構造とアルゴリズムを使用して命令を記述する作業です.ここではデータ型の詳細に深くは触れませんが,あらゆるプログラミング言語において,データはコンピュータのメモリ上に数値の羅列として存在します.それらの数値に意味を与えることでデータ型が形成されます.

プログラムは実行時に,これらのデータ型が適切に使用されているかを検査します.主な検査方法には動的型付けと静的型付けがあります.動的型付けでは,プログラムの実行時にデータ型が決定され,静的型付けではコンパイル時にデータ型が固定されます.さらに,型付けには「弱い型付け」と「強い型付け」という区別も存在しますが,この講義ではその詳細には触れません.興味のある方は,このトピックについてさらに調査してみてください.

プログラミング言語は,このような区分や,それ以外の様々な機能によって,用途の向き不向きが決まります(大雑把な目安です).

ではこれらの特徴を踏まえて,Pythonとはどのような言語なのかを見てみましょう.

これらは,プログラミング言語の大きな分類からみたPythonですが, Python固有の特徴として以下のようなものがあります.

Pythonが教育用に良く使われるのは, インタプリタ方式の動的型付け言語であることから手軽に書けるだけではなく,もともと言語として簡単に書けるように作られていることが大きいです.

また, 統計,データサイエンス分野のライブラリが充実しており, これによって誰でも簡単に複雑な統計処理やデータサイエンスの技法が利用できることで,Pythonが広く普及しています.

簡単 → 教育用に → 多くの人が使う → ライブラリが充実 → もっと多くの人が使う

という流れがPythonの最大の強みと言えるでしょう.

実際にPythonはユーザー数が増え続けており,プログラムの共有サイトGitHubにおける2023年のすべての言語のなかで2番目にユーザ数が多い言語となっています. Top 10 Programming languages on GitHub

授業準備

この講義では,プログラムを自分で作成し,様々な演習をこなしてもらいますが,その前段階として,いくつかの準備が必要となります. 非常に基礎的な内容なので, 問題のない人は飛ばしましょう.

環境構築

自身の環境(PC)でプログラムが動くようにすることを環境構築といいます. Python自分のPCで動くように設定をしましょう.

Pythonの環境構築に関して説明します.Pythonを動かす方法は沢山あります.一つのソフトの中でプログラムの編集から実行まで全て完結するIDE(統合開発環境)やブラウザ上でSaaSを通じて実行する方法もありますが,ここではCLIを利用して実行する方法を準備します.Windowsを所有している学生が多いと思われるので,Windowsを前提に説明します. それ以外のOSの方は分からなければ教員に聞いて下さい.

Pythonの環境構築には,公式のインストーラー,pyenv,poetry等いくつかの手法がありますが,現在は uvを利用してpythonのversionやライブラリ,仮想環境をアプリケーションごとに分ける方法が主流です.

本講義では, uvを利用するため,以下uv環境の構築を行います. 既にuvがインストールされている人は,この以下のステップは飛ばして下さい.

現状の開発環境の削除

uvはpyenvはその他のpython環境と併用可能ですが,混乱のもととなるので異なる環境は一度整理しておきましょう. Terminalを開いて, python --versionと入力しましょう. すでにpython が入っている場合は,Pythonのversion情報が表示されます.

> python --version
Python 3.11.9

Pythonがインストールされていない場合は以下のような表示になります.

> python --version
fha : The term 'python' is not recognized as the name of a cmdlet, function, script file, or operable program. Check the s
pelling of the name, or if a path was included, verify that the path is correct and try again.
At line:1 char:1

この講義では,昨年までpyenvを利用していました. Python の version情報が表示された場合は, pyenv --version と入力してすでにpyenvが入っていないか確認してください.

> pyenv --version
pyenv 3.1.1

pyenvのversion情報が表示された人 は, 以下の手順でpyenvをアンインストールして下さい.

1. pyenv でインストールした Python を削除

pyenv versionsでインストール済みの Pythonを確認

> pyenv versions
* 3.11.9 (set by C:\Users\akagi\.pyenv\pyenv-win\version)
  anaconda

インストールされている全てのpythonを pyenv uninstallで順にuninstallして下さい.

> pyenv uninstall 3.11.9
pyenv: Successfully uninstalled 3.11.9
> pyenv uninstall anaconda
pyenv: Successfully uninstalled anaconda
> pyenv versions
>

2. pyenv-win 本体を削除

Remove-Item -Recurse -Force "$env:USERPROFILE\.pyenv"コマンドでpyenvをuninstallしましょう.

Remove-Item -Recurse -Force "$env:USERPROFILE\.pyenv"
> pyenv
pyenv : The term 'pyenv' is not recognized as the name of a cmdlet, function, script file, or operable program. Check t
he spelling of the name, or if a path was included, verify that the path is correct and try again.
At line:1 char:1
+ pyenv
+ ~~~~~
    + CategoryInfo          : ObjectNotFound: (pyenv:String) [], CommandNotFoundException
    + FullyQualifiedErrorId : CommandNotFoundException

3. 環境変数を削除

設定 > 検索窓に環境変数と入力 > ｢システム環境変数の編集｣ > 環境変数、ユーザー環境変数から以下を削除します。

PYENV PYENV_HOME PYENV_ROOT

4. Terminal を再起動して確認

pyenv --versionで｢認識されていない」旨のエラーが出れば削除完了です.

> pyenv --version
pyenv : The term 'pyenv' is not recognized as the name of a cmdlet, function, script file, or operable program. Check t
he spelling of the name, or if a path was included, verify that the path is correct and try again.
At line:1 char:1
+ pyenv --version
+ ~~~~~
    + CategoryInfo          : ObjectNotFound: (pyenv:String) [], CommandNotFoundException
    + FullyQualifiedErrorId : CommandNotFoundException

python --version

pyenvのversion情報が表示されないが 公式インストーラーによって pythonがインストールされている人は以下の手順でPythonを削除しましょう.

uvのインストール

uvのinstallationページに従ってuvをinstallします. windowsの人はwindowsを選択して,Powershellで powershell -ExecutionPolicy ByPass -c "irm https://astral.sh/uv/install.ps1 | iex" を実行しましょう. 以下のように表示されればinstall終了です.

> powershell -ExecutionPolicy ByPass -c "irm https://astral.sh/uv/install.ps1 | iex"
downloading uv 0.11.7 (aarch64-pc-windows-msvc)
installing to C:\Users\akagi\.local\bin
  uv.exe
  uvx.exe
  uvw.exe
everything's installed!

uv --version で uvの現行のversion情報を確認し, uv self updateで最新版にupdateしておきましょう.

> uv --version
uv 0.11.7 (9d177269e 2026-04-15 aarch64-pc-windows-msvc)
> uv self update
info: Checking for updates...
success: You're already on version v0.11.7 of uv (the latest version).

uvはプロジェクト(フォルダ)毎に異なるpythonのversion,ライブラリなどを導入し,依存関係を自動で解消してくれます. また,uvが管理するPythonをシステムにインストールすることも可能です.

uv python install [version] を実行すると,指定したバージョンのPythonがuv管理下にインストールされます. --default オプションを付けると,python や python3 コマンドでも呼び出せるようにシンボリックリンクが作成されます.

> uv python install 3.11.9 --default
warning: The `--default` option is experimental and may change without warning. Pass `--preview-features python-install-default` to disable this warning
Installed Python 3.11.9 in 137ms
 + cpython-3.11.9-windows-x86_64-none (python.exe, python3.exe)

installされたpythonはpythonで呼び出せます. >>>が表示されたら exit()と入力して閉じましょう.

> python
Python 3.11.9 (main, Aug 14 2024, 04:18:20) [MSC v.1929 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>>

Hello World

初めて作成するプログラムとして標準出力(PowerShellなどの画面)にHello Worldと出力するだけのプログラムを作成してみます.

PowerShellを開いて,自分の作業用ディレクトリに移動します.

> chcp 65001
> cd Documents/Programs/Python/slds

uv init [新規フォルダ名] でプロジェクトを作成することが出来ます. uv init -p [python version] [新規フォルダ名]で使用するpythonを指定できます.

ここでは 3.11.9を使用し hello-worldというプロジェクトを作成してみましょう.

=> uv init -p 3.11.9 hello-world
Initialized project `hello-world` at `C:\Users\akagi\Documents\Programs\slds\hello-world`

作成したプロジェクトのディレクトリに移動します.

> cd .\hello-world\
>

uv initによりプロジェクトに必要ないくつかのファイルが生成されています.

• .python-version: このプロジェクトで使用するPythonのバージョン
• main.py: サンプルのPythonスクリプト
• pyproject.toml: プロジェクトの設定ファイル. uv add で追加したパッケージの情報などが記録される
• README.md: プロジェクトの説明ファイル

この他, uv run を初めて実行すると .venv/ (仮想環境) と uv.lock (依存関係のロックファイル) が自動で作成されます.

> ls


    Directory: C:\Users\akagi\Documents\Programs\slds\hello-world


Mode                 LastWriteTime         Length Name
----                 -------------         ------ ----
-a----        2026/04/20     14:10              7 .python-version
-a----        2026/04/20     14:10             89 main.py
-a----        2026/04/20     14:10            159 pyproject.toml
-a----        2026/04/20     14:10              0 README.md

テキストエディタで新しいファイルを開き,タブからFile > save asの順にクリックし作業するプロジェクト(hello-world)にhello.pyという名前で保存しましょう.

.pyはPythonプログラムの拡張子です.

それ以降は Ctrl + sなどで上書き保存可能です.

lsコマンドでファイルがあるか確認しましょう.

> ls


    Directory: C:\Users\akagi\Documents\Programs\slds\hello-world


Mode                 LastWriteTime         Length Name
----                 -------------         ------ ----
-a----        2026/04/20     14:10              7 .python-version
-a----        2026/04/20     14:11             20 hello.py
-a----        2026/04/20     14:10             89 main.py
-a----        2026/04/20     14:10            159 pyproject.toml
-a----        2026/04/20     14:10              0 README.md

確認できたらhello.pyに以下の2行を書き足して上書き保存します.

print("Hello World!")

保存できたらuv run hello.pyコマンドでプログラムを実行します. uv run は仮想環境の作成・パッケージの同期を自動で行ったうえでスクリプトを実行するため,仮想環境を手動で有効化(activate)する必要はありません.

標準出力にHello World!と表示されれば成功です.

> uv run .\hello.py
Hello World!

ここまでで，皆さんはPCでプログラムを書く準備が整いました． あとはプログラムの書き方を学習すれば自身の環境で開発が行なえます． 以降特定のプログラムを作成する場合は研究単位,演習単位(章毎など)でプロジェクトを作成して,実行するようにして下さい.

プログラミングの勉強の仕方

プログラミング言語は,文字通り言語です. 英語などと同じ様に,使わないと身につきません.なので,大事なことは勉強するより使うことです.

英語の勉強で,一つひとつ文法を覚えることは大切かもしれませんが,実際に英文を書いたり,会話しないと使えるようにはなりません. プログラミングの学習で,学習用の資料や教科書を一つ一つ読んだり,ノートに書き写す人がたまにいますが,かなり効率が悪い方法です. 何も分からなくてもいいので,取り敢えずプログラムを書いて実行するようにしましょう. 資料に載っている例はすべて,実際に書いて実行してみましょう.

一番いい方法は,何も分からなくても取り敢えず,プログラムをつかってしてみたいことを実行することです.1からすべての構文などを覚えようとしないで,自分がやりたい,しなければならないことを,書き始めましょう. 分からないところだけを調べれば十分です.

その際に,新しく知ったことは,メモなどして,あとで参照できるようにしておきましょう. その資料が後々役に立ちます.

プログラミングは,すべて暗記する必要はありません. 覚えていなくても,それの調べ方や載っている資料を知っていれば十分です. 何回も使う機能であれば自然に覚えます.

ただし, Pythonは非常に多くの人が利用しているので,みなさんがこの講義で習うレベルのことは検索すれば既に,完成したプログラムを参考にすることができます. また,ChatGPTなどの生成AIを利用すれば,皆さんの書いたプログラムよりかなりできの良いものをすぐに得ることができます. それらを見て勉強することは大切ですが,ただ,只管コピペしたり,生成AIの結果を利用しているだけでは,全く身につきません. 検索して出てきたコードや,生成AIによるコードを利用しても構いませんが, それをただ貼り付けるのではなく,自分で読んで,理解するようにしましょう.

知らない部分,自分では書けない部分が見つかったらそれを理解するように勉強しましょう. ChatGPTに質問しても構いません. ただ,聞いたことを説明できるようにしましょう.

自分で説明できないものを使えるのはせいぜい学校の課題くらいです. 仕事や研究では,中身の良く分からないコードは利用できません. 最低限自分で理解したものだけを利用してください.

講義では,結果があっていればよいだけではなく,なぜそのように書いたのか,どのような意味か,なぜこうなるのかなどを皆さんに聞きますので,理解に務めるようにしましょう.

# hello.py を以下のように書き換え, 実行する
print("Hello Python!")
print("こんにちは, Python の世界へ")

$ python hello.py
Hello Python!
こんにちは, Python の世界へ