Pythonユーザ向けC++言語クイック入門

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main関数

Python

def main():
    print('Python program')
if __name__ == '__main__':
    main()

Output

Python program

上から順番に実行される
この場合，if文が実行され，main関数が呼び出される

C++

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char** argv)
{
    cout << "C++ program" << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

C++ program

main関数から実行される
cin.get関数を呼び出しているのは，Enterキーを押すとプログラムが終了するようにしているためであり，即座に終了させたければcin.get関数は呼び出さなくていい

コメント

Python

def main():
    ''' コメント1行目
    コメント2行目 '''
    print('Python program') # コメント
if __name__=='__main__':
    main()

Output

Python program

'''と'''の間にあるものがコメント
#以降の行末までがコメント

C++

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char** argv)
{
    /* コメント1行目
    コメント2行目 */
    cout << "C++ program" << endl; // コメント
    cin.get();
    return 0;
}

Output

C++ program

/*と*/の間にあるものがコメント
//以降の行末までがコメント

セミコロン

Python

def main():
    print('Line1')
    print('Line2'); print('Line3')
    print(\
        'Line4'\
            )
if __name__=='__main__':
    main()

Output

Line1
Line2
Line3
Line4

1行に1つの命令
1行に複数の命令を書く場合はセミコロンで区切る
行をまたいで命令を書く場合は行末にバックスラッシュをつける

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << "Line1" << endl;
    cout << "Line2" << endl; cout << "Line3" << endl;
    cout
        << "Line4"
        << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

Line1
Line2
Line3
Line4

命令文はセミコロンで区切る
1行に複数の命令がある場合も，行をまたぐ場合も，いずれにせよセミコロンまでが1つの命令

コンソール出力と改行

Python

def main():
    print('Mc',end='')
    print('Donald')
    print()
    print('Line1\nLine2')
    print(2,'by',3,'is',2*3)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

McDonald

Line1
Line2
2 by 3 is 6

コンソール（コマンドプロンプトや端末（ターミナル）など）にテキストを出力するにはprint関数を使う
print関数は文字を出力して改行する
改行させたくない場合はendに''を指定する
\nは改行をあらわす

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << "Mc";
    cout << "Donald" << endl;
    cout << endl;
    cout << "Line1\nLine2\n";
    cout << 2 << " by " << 3 << " is " << 2 * 3 << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

McDonald

Line1
Line2
2 by 3 is 6

コンソール（コマンドプロンプトや端末（ターミナル）など）にテキストを出力するにはcoutにストリーム演算子<<で文字を流し込む
endlをcoutに流し込むと改行する
\nは改行をあらわす

raw文字列リテラル

Python

def main():
    print('directory\\file')
    print(r'directory\file')
if __name__=='__main__':
    main()

Output

directory\file
directory\file

\\で\を表す
r文字列は\がそのまま書ける

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << "directory\\file" << endl;
    cout << R"(directory\file)" << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

directory\file
director\file

\\で\を表す
R文字列の()で囲まれた範囲では\がそのまま書ける

ライブラリの読み込み

Python

import numpy as np
def main():
    print(np.random.randint(0,10))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

1

importでライブラリを読み込む
この場合，np.randomのnpはnumpyライブラリをあらわし，randomはそのライブラリの中に入っている

C++

#include <iostream>
#include <random>
int main(int argc, char** argv)
{
    std::random_device seed;
    std::mt19937 srand(seed());
    std::uniform_int_distribution<> rand(0, 9);
    std::cout << rand(srand) << std::endl;
    std::cin.get();
    return 0;
}

Output

6

#includeでライブラリを読み込む
この場合，std::mt19937のstdはC++標準ライブラリをあらわし，mt19937はそのライブラリの中に入っている

ネームスペースの省略

Python

from numpy.random import randint
def main():
    print(randint(0,10))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

9

ネームスペースnumpyを書くのを省略したい場合はfromを使ってimportをする
この場合，np.random.を付けることなくrandint関数を呼び出すことができる

C++

#include <iostream>
#include <random>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    random_device seed;
    mt19937 srand(seed());
    uniform_int_distribution<> rand(0, 9);
    cout << rand(srand) << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

9

ネームスペースstdを書くのを省略したい場合はusing namespaceを使う
この場合，std::を付けることなくmt19937クラスを利用することができる

乱数

Python

import random
import numpy as np
def main():
    for _ in range(0,100):
        print(random.randint(0,9), '', end='')
    print()
    for _ in range(0,100):
        print(np.random.randint(0,10), '', end='')
if __name__=='__main__':
    main()

Output

7 9 4 9 4 1 8 0 9 0 4 7 4 3 0 0 6 1 0 4 1 7 9 2 0 6 5 6 9 8 2 0 0 9 9 3 5 2 2 8 1 0 1 1 8 7 6 8 5 1 6 6 3 3 7 2 0 7 9 9 2 9 9 0 5 7 7 6 0 1 4 6 6 5 7 3 4 8 4 4 2 0 0 3 2 0 3 3 0 6 2 3 5 4 4 6 0 7 1 7
6 8 8 1 1 0 3 7 7 0 0 8 8 9 0 8 2 2 1 5 4 2 1 9 2 8 3 3 8 0 4 2 9 4 6 6 1 6 4 3 7 7 7 9 9 0 8 4 6 7 1 4 6 1 7 8 5 4 8 6 8 5 6 4 1 5 2 0 0 1 9 2 0 5 1 6 8 2 5 2 8 1 8 8 1 9 5 8 8 5 9 7 8 9 1 8 5 8 4 7

実行するたびに違う値になる
randomのrandintとnumpyのrandintは範囲の指定方法が違うので注意

C++

#include <iostream>
#include <random>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    random_device srand;
    mt19937 next(srand());
    uniform_int_distribution<> rand(0, 9);
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        cout << rand(next) << " ";
    cout << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

5 2 7 6 2 2 2 9 7 8 0 4 2 3 9 7 0 1 1 0 3 9 9 2 3 1 0 3 6 0 2 0 9 9 0 3 8 2 1 2 3 3 8 2 3 3 0 7 4 6 8 1 5 1 0 5 6 6 5 9 4 8 1 6 4 5 9 3 0 5 8 8 8 4 7 6 3 1 8 0 7 8 7 7 7 2 2 0 8 6 0 3 0 0 2 5 4 0 6 0

random_deviceは実行するたびに違う値になるので，それを乱数の種として使用する
乱数ジェネレータとしてはmt19937を使うのがオススメ

コマンドライン引数

Python

import sys
def main():
    print(sys.argv[1])
if __name__=='__main__':
    main()

Output

option

Command

python.exe myprogram.py option

コンソール（コマンドプロンプトや端末（ターミナル）など）でプログラムを実行する際，コマンドライン引数を設定することができるが，そのコマンドライン引数はargvで取得できる
argv[0]はプログラム名
argv[1]以降が引数

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << argv[1] << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

option

Command

MyProgram.exe option

コンソール（コマンドプロンプトや端末（ターミナル）など）でプログラムを実行する際，コマンドライン引数を設定することができるが，そのコマンドライン引数はargvで取得できる
argv[0]はプログラム名
argv[1]以降が引数
ちなみに，exeファイルにファイルをドラッグ＆ドロップした場合，argvにそのファイル名が入る
なお，引数の数はargcに入っている

データ型と変数の定義

Python

def main():
    a=200
    b=1000
    c=2.5
    d=2.5
    e='@'
    f='abc'
    g='xyz'
    h=True
    print(a,type(a))
    print(b,type(b))
    print(c,type(c))
    print(d,type(d))
    print(e,type(e))
    print(f,type(f))
    print(g,type(g))
    print(h,type(h))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

200 <class 'int'>
1000 <class 'int'>
2.5 <class 'float'>
2.5 <class 'float'>
@ <class 'str'>
abc <class 'str'>
xyz <class 'str'>
True <class 'bool'>

変数の定義の際，データ型を書く必要はない
データ型をきちんと意識して実装すること
int型は整数の型で，表現できる数値に限界はない
float型は浮動小数点数の型で，64ビット（厳密には64ビットだと決まっているわけではないが）
str型は文字列の型
bool型はブール値の型

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    unsigned char a = 200;
    int b = 1000;
    float c = 2.5f;
    double d = 2.5;
    char e = '@';
    char f[4] = "abc";
    string g = "xyz";
    bool h = true;
    cout << (int)a << " " << typeid(a).name() << " " << sizeof(a) << endl;
    cout << b << " " << typeid(b).name() << " " << sizeof(b) << endl;
    cout << c << " " << typeid(c).name() << " " << sizeof(c) << endl;
    cout << d << " " << typeid(d).name() << " " << sizeof(d) << endl;
    cout << e << " " << typeid(e).name() << " " << sizeof(e) << endl;
    cout << f << " " << typeid(f).name() << " " << sizeof(f) << endl;
    cout << g << " " << typeid(g).name() << " " << sizeof(g) << endl;
    cout << h << " " << typeid(h).name() << " " << sizeof(h) << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

200 unsigned char 1
1000 int 4
2.5 float 4
2.5 double 8
@ char 1
abc char [4] 4
xyz class std::basic_string<char,struct std::char_traits<char>,class std::allocator<char> > 40
1 bool 1

変数の定義の際，データ型を書く必要がある
データ型をきちんと意識して実装すること
char型は整数の型で，8ビット
    (signed) charは-128～+127
    unsigned charは0～255
    unsignedは符号なし，省略した場合は符号つき
int型は整数の型で，32ビット（厳密には32ビットだと決まっているわけではないが）
float型は浮動小数点数の型で，32ビット
double型は浮動小数点数の型で，64ビット
char型は1文字の型で，文字はシングルクォーテーションであらわす
char型の配列は文字列の型で，文字列はダブルクォーテーションであらわす
    文字数+1のサイズのメモリ（配列の要素数）を確保しておく必要がある
string型は文字列の型
bool型はブール値の型

ビット演算

Python

def main():
    print(1|2|4|8|16|32|64|128)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

255

ビット演算のORは|
ビット演算のANDは&

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << (1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128) << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

255

ビット演算のORは|
ビット演算のANDは&

四則演算とインクリメント演算子

Python

def main():
    print(20%7)
    print(3**2)
    a=10
    a+=1
    a+=2
    print(a)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

6
9
13

割り算の余りを計算する演算子は%
**演算子で累乗（べき乗）を計算する
++という演算子はない

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << (20 % 7) << endl;
    cout << pow(3, 2) << endl;
    int a = 10;
    a++;
    a += 2;
    cout << a << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

6
9
13

割り算の余りを計算する演算子は%
pow関数で累乗（べき乗）を計算する
++というインクリメント演算子は1を足す演算子

整数の割り算

Python

def main():
    print(5//2)
    print(5/2)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

2
2.5

整数の割り算は//
浮動小数点数の割り算は/

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << (5 / 2) << endl;
    cout << (5.0 / 2.0) << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

2
2.5

5も2も整数なので5/2は整数同士の割り算
5.0も2.0も浮動小数点数なので5.0/2.0は浮動小数点数同士の割り算

指数記法

Python

def main():
    print(1e2)
    print(1e-2)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

100.0
0.01

1e2は1×102を表す
1e-2は1×10-2を表す

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << 1e2 << endl;
    cout << 1e-2 << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

100
0.01

1e2は1×10²を表す
1e-2は1×10^-2を表す

NaN

Python

import numpy as np
def main():
    a=1
    b=-1
    a=np.sqrt(a)
    b=np.sqrt(b)
    print(a)
    print(b)
    print(np.isnan(a))
    print(np.isnan(b))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

c:/!temp/pytest/myprogram.py:6: RuntimeWarning: invalid value encountered in sqrt
  b=np.sqrt(b)
1.0
nan
False
True

NaN (Not a Number)はisnan関数で調べる
NaNが原因のバグがある場合，NaNの発生箇所を探すのに役立つ
isnan関数は根本的な解決にはならない
    今回の場合，sqrtに負の値が入らないようなプログラムやデータにする
    sqrtに負の値が入る可能性がある仕様なら，sqrtを呼び出す前にsqrtの引数をif文などでチェックする
    sqrtを計算したあとで計算結果がNaNかチェックするのではなく，sqrtを計算する前に引数をチェックするプログラムを作る

C++

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    double a = 1.0;
    double b = -1.0;
    a = sqrt(a);
    b = sqrt(b);
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    if (isnan(a)) cout << "true" << endl;
    else cout << "false" << endl;
    if (isnan(b)) cout << "true" << endl;
    else cout << "false" << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

1
-nan(ind)
false
true

NaN (Not a Number)はisnan関数で調べる
NaNが原因のバグがある場合，NaNの発生箇所を探すのに役立つ
isnan関数は根本的な解決にはならない
    今回の場合，sqrtに負の値が入らないようなプログラムやデータにする
    sqrtに負の値が入る可能性がある仕様なら，sqrtを呼び出す前にsqrtの引数をif文などでチェックする
    sqrtを計算したあとで計算結果がNaNかチェックするのではなく，sqrtを計算する前に引数をチェックするプログラムを作る

タプル

Python

def main():
    a0=1
    a1='abc'
    a=(a0,a1)
    print(a[0])
    print(a[1])
    b0,b1=a
    print(b0)
    print(b1)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

1
abc
1
abc

タプル（組）はカンマで表す
    丸括弧で囲むのが普通
Pythonではタプルを多用する
タプルをそれぞれの要素に分解することもできる

C++

#include <iostream>
#include <tuple>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a0 = 1;
    string a1 = "abc";
    auto a = make_tuple(a0, a1);
    cout << get<0>(a) << endl;
    cout << get<1>(a) << endl;
    auto [b0, b1] = a;
    cout << b0 << endl;
    cout << b1 << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

1
abc
1
abc

タプル（組）が使えるライブラリもある
そのライブラリがタプルを使うことを前提としたライブラリならタプルを使ったほうがいい
    タプルをほとんど使わないライブラリだけを使うなら，タプルは使わないほうがいい
2つ組みのタプルとしてpairが用意されているライブラリもある
タプルをそれぞれの要素に分解することもできる

配列

Python

def main():
    a=[0,0]
    a[0]=10
    a[1]=20
    b=[2,3]
    b[0]=b[1]+1
    c=[[1,2],[3,4]]
    d=[0]*2
    d[0]=100
    d[1]=200
    print(a)
    print(b)
    print(c)
    print(d)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[10, 20]
[4, 3]
[[1, 2], [3, 4]]
[100, 200]

リスト

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a[2];
    a[0] = 10;
    a[1] = 20;
    int b[2] = { 2,3 };
    b[0] = b[1] + 1;
    int c[2][2] = { {1,2},{3,4} };
    int* d;
    d = new int[2];
    d[0] = 100;
    d[1] = 200;
    cout << a[0] << " " << a[1] << endl;
    cout << b[0] << " " << b[1] << endl;
    cout << c[0][0] << " " << c[0][1] << " " << c[1][0] << " " << c[1][1] << endl;
    cout << d[0] << " " << d[1] << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

10 20
4 3
1 2 3 4
100 200

配列
*のついた型はポインタ型と呼ばれる型
配列型もポインタ型
new演算子でメモリを確保できる

型変換

Python

def main():
    a=5
    b=2
    print(float(a)/float(b))
    c=[1,2]
    d=1.01
    print(c[int(d)])
if __name__=='__main__':
    main()

Output

2.5
2

floatやintなどと書くことによりデータ型を変換できる
プログラムの意図をよく考え，適切にデータ型を変換して実装すること

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a = 5;
    int b = 2;
    cout << (double)a / (double)b << endl;
    int c[2] = { 1,2 };
    double d = 1.01;
    cout << c[(int)d] << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

2.5
2

doubleやintなどと書くことによりデータ型を変換できる
プログラムの意図をよく考え，適切にデータ型を変換して実装すること

文字列の連結

Python

def main():
    a='a'
    b='b'
    c=0
    print(a+b)
    print(a+str(c)+'c')
if __name__=='__main__':
    main()

Output

ab
a0c

文字列同士は+演算子で連結できる
数値はstr型への型変換で文字列に変換する

C++

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    string a = "a";
    string b = "b";
    int c = 0;
    cout << (a + b) << endl;
    cout << (a + to_string(c) + "c") << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

ab
a0c

文字列同士は+演算子で連結できる
数値はto_string関数で文字列に変換する

書式付き文字列

Python

def main():
    y=1234
    m=5
    d=6
    a=f'{y:4d}/{m:2d}/{d:2d}'
    b='{0:04d}/{1:02d}/{2:02d}'.format(y,m,d)
    c='{0:d}/{1:d}/{2:d}'.format(y,m,d)
    print(a)
    print(b)
    print(c)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

1234/ 5/ 6
1234/05/06
1234/5/6

format関数で文字列を整形できる
f文字列で文字列を整形できる

C++

#include <iostream>
#include <format>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int y = 1234;
    int m = 5;
    int d = 6;
    int n = snprintf(nullptr, 0, "%4d/%2d/%2d", y, m, d);
    char* s = new char[n + 1];
    snprintf(s, n + 1, "%4d/%2d/%2d", y, m, d);
    string a = s;
    string b = format("{0:04d}/{1:02d}/{2:02d}", y, m, d);
    string c = format("{0:d}/{1:d}/{2:d}", y, m, d);
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << c << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

1234/ 5/ 6
1234/05/06
1234/5/6

format関数で文字列を整形できる
なお，format関数は最新のC++の機能であり，コンパイラによっては使用できない
format関数が使えない場合，snprintf関数を代わりに使う

標準入力

Python

def main():
    print('文字を入力してください')
    s=input()
    print("入力した文字は'"+s+"'です")
    print('整数を入力してください')
    i=int(input())
    print("入力した整数は'"+str(i)+"'です")
    print('実数を入力してください')
    f=float(input())
    print("入力した実数は'"+str(f)+"'です")
    print('Enterキーを押してください')
    input()
if __name__=='__main__':
    main()

Output

文字を入力してください
abc
入力した文字は'abc'です
整数を入力してください
10
入力した整数は'10'です
実数を入力してください
1.5
入力した実数は'1.5'です
Enterキーを押してください

コンソールからの文字入力にはinput関数を使う

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    string s;
    cout << "文字を入力してください" << endl;
    cin >> s;
    cout << "入力した文字は'" << s << "'です" << endl;
    int i;
    cout << "整数を入力してください" << endl;
    cin >> i;
    cout << "入力した整数は'" << i << "'です" << endl;
    double d;
    cout << "実数を入力してください" << endl;
    cin >> d;
    cout << "入力した実数は'" << d << "'です" << endl;
    cin.ignore();
    cout << "Enterキーを押してください" << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

文字を入力してください
abc
入力した文字は'abc'です
整数を入力してください
10
入力した整数は'10'です
実数を入力してください
1.5
入力した実数は'1.5'です
Enterキーを押してください

コンソールからの文字入力はcinから変数にストリーム演算子>>で流し込む

while文

Python

def main():
    a=0
    while True:
        print(a)
        a+=1
        if a>=10:
            break
if __name__=='__main__':
    main()

Output

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

while文の範囲はインデントで表す
for文やif文なども同様

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a = 0;
    while (true) {
        cout << a << endl;
        a++;
        if (a >= 10)break;
    }
    cin.get();
    return 0;
}

Output

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

while文の範囲は{と}で囲まれた範囲
命令文1行だけの場合は{と}で囲まなくてもよい
for文やif文なども同様

if文

Python

def main():
    a,b,c=1,2,3
    if a==0:
        print('a==0')
    elif a==1:
        print('a==1')
    else:
        print('a==?')
    if a==1 and b!=1:
        print('a==1 and b!=1')
    if not a==2 or b==2:
        print('not a==2 or b==2')
    if not (a==2 or b==2):
        print('not (a==2 or b==2)')
    if a<b and b<c:
        print('a<b and b<c')
    if c>b>a:
        print('c>b>a')
if __name__=='__main__':
    main()

Output

a==1
a==1 and b!=1
not a==2 or b==2
a<b and b<c
c>b>a

elifはelse ifの略
andやorやnotや==や!=や<や>や<=や>=などを論理演算子として使う
c>b>aのように演算子を複数つなげて使うことができる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a = 1, b = 2, c = 3;
    if (a == 0)cout << "a==0" << endl;
    else if (a == 1)cout << "a==1" << endl;
    else cout << "a==?" << endl;
    if (a == 1 && b != 1)cout << "a==1&&b!=1" << endl;
    if (!(a == 2) || b == 2)cout << "!(a==2)||b==2" << endl;
    if (!(a == 2 || b == 2))cout << "!(a==2||b==2)" << endl;
    if (a < b && b < c)cout << "a<b&&b<c" << endl;
    if (c > b > a)cout << "c>b>a" << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

a==1
a==1&&b!=1
!(a==2)||b==2
a<b&&b<c

elifに相当するのがelse if
&&や||や!や==や!=や<や>や<=や>=などを論理演算子として使う
c>b>aのように演算子を複数つなげて使うことはできない
    この場合c>b&&b>aのようにする

三項演算子

Python

def main():
    a=7
    b='even' if a%2==0 else 'odd'
    print(b)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

odd

命令文の途中のif文
(真の場合) if (条件) else (偽の場合)

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a = 7;
    string b = (a % 2 == 0) ? "even" : "odd";
    cout << b << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

odd

3項演算子
(条件) ? (真の場合) : (偽の場合)

リストとソートとメディアン

Python

def main():
    a=[]
    a.append(30)
    a.append(40)
    a.append(20)
    a.append(10)
    a.append(50)
    print(a)
    a.sort()
    print(a)
    print('メディアンは',a[len(a)//2])
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[30, 40, 20, 10, 50]
[10, 20, 30, 40, 50]
メディアンは 30

appendでリストに追加する
sort関数でソートする
len関数で長さを取得する

C++

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    vector<int> a;
    a.push_back(30);
    a.push_back(40);
    a.push_back(20);
    a.push_back(10);
    a.push_back(50);
    cout << a[0] << " " << a[1] << " " << a[2] << " " << a[3] << " " << a[4] << endl;
    sort(a.begin(), a.end());
    cout << a[0] << " " << a[1] << " " << a[2] << " " << a[3] << " " << a[4] << endl;
    cout << "メディアンは" << a[a.size() / 2] << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

30 40 20 10 50
10 20 30 40 50
メディアンは30

vectorはリスト（vectorはリストではなく動的配列と呼ばれるのが普通）
    <int>のように要素のデータ型を指定する
push_backでリストに追加する
sort関数でソートする
size関数で長さを取得する

メディアン

Python

import numpy as np
def main():
    a=[30,40,20,10,50]
    print(a)
    print('メディアンは',np.median(a))
    print(a)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[30, 40, 20, 10, 50]
メディアンは 30.0
[30, 40, 20, 10, 50]

メディアンを計算するだけならmedianのほうが速い
    ソートはO(NlogN)だが選択はO(N)
元のリストはソートされない

C++

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    vector<int> a = { 30,40,20,10,50 };
    for (int x : a)cout << x << " ";
    cout << endl;
    nth_element(a.begin(), a.begin() + a.size() / 2, a.end());
    cout << "メディアンは" << a[a.size() / 2] << endl;
    for (int x : a)cout << x << " ";
    cout << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

30 40 20 10 50
メディアンは30
10 20 30 40 50

メディアンを計算するだけならnth_elementのほうが速い
    ソートはO(NlogN)だが選択はO(N)
元のリストは，メディアンだけは正しくソートされるが，他の数値は正しくソートされるとは限らない
    nth_elementはメディアンを計算するのに使い，ソートするのには使わない

for文

Python

def main():
    data=[10,20,30,40,50]
    sum=0
    for val in data:
        sum+=val
    print(sum)
    sum=0
    for i in range(0,5):
        sum+=data[i]
    print(sum)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

150
150

Pythonのfor文は全てrange-based for文（foreach文）

C++

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    vector<int> data = { 10,20,30,40,50 };
    int sum = 0;
    for (int val : data)sum += val;
    cout << sum << endl;
    sum = 0;
    for (int i = 0; i < 5; i++)sum += data[i];
    cout << sum << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

150
150

range-based for文（foreach文）はfor(要素 : コレクション)のように書く
for(式1 ; 式2 ; 式3)のようなfor文も使える
    ループに入る前に式1が実行される
    ループの冒頭で式2が評価され，真ならループの中を実行，偽ならループを抜ける
    ループの最後で式3が実行される

enumerate

Python

def main():
    data=[10,30,50,40,20]
    maxval=0
    maxinx=0
    for i, val in enumerate(data):
        if val>maxval:
            maxval=val
            maxinx=i
    print(data)
    print(maxval)
    print(maxinx)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[10, 30, 50, 40, 20]
50
2

enumerateがある

C++

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    vector<int> data = { 10,30,50,40,20 };
    int maxval = 0;
    int maxinx = 0;
    for (int i = 0; i < data.size(); i++) {
        int val = data[i];
        if (val > maxval) {
            maxval = val;
            maxinx = i;
        }
        cout << data[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    cout << maxval << endl;
    cout << maxinx << endl;
    cout << endl;
    maxval = 0;
    maxinx = 0;
    int i;
    vector<int>::iterator val;
    for (i = 0, val = data.begin(); val != data.end(); i++, val++) {
        if (*val > maxval) {
            maxval = *val;
            maxinx = i;
        }
        cout << *val << " ";
    }
    cout << endl;
    cout << maxval << endl;
    cout << maxinx << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

10 30 50 40 20
50
2

10 30 50 40 20
50
2

enumerateはない

リスト内包表記

Python

def main():
    a=[2,4,8]
    a=[256/b for b in a]
    print(a)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[128.0, 64.0, 32.0]

リスト内包表記が使える

C++

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    int a[] = { 2,4,8 };
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        a[i] = 256 / a[i];
    }
    for (int i = 0; i < 3; i++)cout << a[i] << " ";
    cout << endl;
    vector<int> aa = { 2,4,8 };
    for (int& bb : aa) {
        bb = 256 / bb;
    }
    for (int cc : aa)cout << cc << " ";
    cout << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

128 64 32
128 64 32

リスト内包表記は使えない

関数

Python

def myfunc(a,b,c):
    a+=1
    b+=1
    c[0]+=1
    c[1]+=1
    return str(a)+'+'+str(b)+'='+str(a+b)
def main():
    x=1
    y=2
    z=[3,4]
    w=myfunc(x,y,z)
    print(x)
    print(y)
    print(z)
    print(w)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

1
2
[4, 5]
2+3=5

関数の挙動は一般的なプログラミング言語と同じ
関数の中の変数の値が関数の外まで影響するのかしないのかよく考えながら実装すること

C++

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
string myfunc(int a, int b, int* c) {
    a++;
    b++;
    c[0]++;
    c[1]++;
    return to_string(a) + "+" + to_string(b) + "=" + to_string(a + b);
}
int main(int argc, char** argv)
{
    int x = 1;
    int y = 2;
    int z[2] = { 3,4 };
    string w = myfunc(x, y, z);
    cout << x << endl;
    cout << y << endl;
    cout << z[0] << " " << z[1] << endl;
    cout << w << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

1
2
4 5
2+3=5

関数の挙動は一般的なプログラミング言語と同じ
関数の中の変数の値が関数の外まで影響するのかしないのかよく考えながら実装すること

参照渡し

Python

def myfunc(a,b,c,d):
    a=10
    b[0]=20
    c=[30,40]
    d[0]=[50,60]
    e=[70,80]
    return e
def main():
    a=1
    b=[2]
    c=[3,4]
    d=[[5,6]]
    e=[7,8]
    e=myfunc(a,b,c,d)
    print(a)
    print(b)
    print(c)
    print(d)
    print(e)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

1
[20]
[3, 4]
[[50, 60]]
[70, 80]

Pythonの関数の引数は全て参照渡しと言われているが，値渡しに相当する機能があるので注意が必要

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int* myfunc(int a, int& b, int* c, int*& d) {
    a = 10;
    b = 20;
    int* cc = new int[2]{ 30,40 };
    c = cc;
    int* dd = new int[2]{ 50,60 };
    d = dd;
    int* ee = new int[2]{ 70,80 };
    return ee;
}
int main(int argc, char** argv)
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c[2] = { 3,4 };
    int* d = new int[2]{ 5,6 };
    int* e = new int[2]{ 7,8 };
    e = myfunc(a, b, c, d);
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << c[0] << " " << c[1] << endl;
    cout << d[0] << " " << d[1] << endl;
    cout << e[0] << " " << e[1] << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

1
20
3 4
50 60
70 80

関数の引数における参照渡しは&を使う
aはint型の値渡し，bはint型の参照渡し
    aの内容は関数の外まで影響しない
    bの内容は関数の外まで影響する
cはint*型の値渡し，dはint*型の参照渡し
    cの内容は関数の外まで影響しない
    dの内容は関数の外まで影響する

ローカル変数とグローバル変数

Python

a=1
def myfunc1(a):
    a=2
def myfunc2():
    a=3
def myfunc3():
    global a
    a=4
def main():
    global a
    print(a)
    a=5
    print(a)
    myfunc1(a)
    print(a)
    myfunc2()
    print(a)
    myfunc3()
    print(a)
    while True:
        a=6
        break
    print(a)
    while True:
        a=7
        break
    print(a)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

1
5
5
5
4
6
7

globalと指定された変数はグローバル変数として使うことができる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
int a = 1;
void myfunc1(int a) {
    a = 2;
}
void myfunc2() {
    int a = 3;
}
void myfunc3() {
    a = 4;
}
int main(int argc, char** argv)
{
    cout << a << endl;
    a = 5;
    cout << a << endl;
    myfunc1(a);
    cout << a << endl;
    myfunc2();
    cout << a << endl;
    myfunc3();
    cout << a << endl;
    while (true) {
        int a = 6;
        break;
    }
    cout << a << endl;
    while (true) {
        a = 7;
        break;
    }
    cout << a << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

1
5
5
5
4
4
7

関数内で定義しなかった変数はグローバル変数を使う

クラス

Python

import numpy as np
class player:
    def __init__(self,l):
        self.life=l
    def damage(self,d):
        self.life-=d
def main():
    hero=player(100)
    for _ in range(0,5):
        d=np.random.randint(0,20)
        print('life='+str(hero.life)
        +' damage='+str(d),end='')
        hero.damage(d)
        print(' life='+str(hero.life))
if __name__ == '__main__':
    main()

Output

life=100 damage=16 life=84
life=84 damage=11 life=73
life=73 damage=3 life=70
life=70 damage=15 life=55
life=55 damage=0 life=55

たかが数千行ごときのプログラムにオブジェクト指向プログラミングをするほどのこともないので解説は省略します

C++

#include <iostream>
#include <string>
#include <random>
using namespace std;
class player {
public:
    int life = 0;
    player(int l) {
        life = l;
    }
    void damage(int d) {
        life -= d;
    }
};
int main(int argc, char** argv)
{
    random_device srand;
    mt19937 next(srand());
    uniform_int_distribution<> rand(0, 19);
    player hero(100);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int d = rand(next);
        cout << "life=" + to_string(hero.life)
            + " damage=" + to_string(d);
        hero.damage(d);
        cout << " life=" + to_string(hero.life) << endl;
    }
    cin.get();
    return 0;
}

Output

life=100 damage=10 life=90
life=90 damage=3 life=87
life=87 damage=12 life=75
life=75 damage=13 life=62
life=62 damage=4 life=58

たかが数千行ごときのプログラムにオブジェクト指向プログラミングをするほどのこともないので解説は省略します

クラス

Python

class card:
    def __init__(self,n):
        self.name=n
    def __repr__(self):
        return self.name

class item(card):
    def __init__(self,n,e):
        super().__init__(n)
        self.energy=e
    def __repr__(self):
        return self.name+'('+str(self.energy)+')'

class idol(card):
    def __init__(self,n,s):
        super().__init__(n)
        self.stamina=s
    def __repr__(self):
        return self.name+'('+str(self.stamina)+')'
    def charge(self,i):
        self.stamina+=i.energy

def main():
    cards=[idol('Anzu Futaba',100),item('Candy',10)]
    print(cards)
    cards[0].charge(cards[1])
    cards.remove(cards[1])
    print(cards)

if __name__ == '__main__':
    main()

Output

[Anzu Futaba(100), Candy(10)]
[Anzu Futaba(110)]

たかが数千行ごときのプログラムにオブジェクト指向プログラミングをするほどのこともないので解説は省略します

C++

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class card {
public:
    string name;
    int stamina = 0;
    int energy = 0;
    card(string n) {
        name = n;
    }
    virtual string tostring() {
        return name;
    }
    virtual void charge(card* i) {
    }
};
class item :public card {
public:
    item(string n, int e) : card(n) {
        this->energy = e;
    }
    string tostring() override {
        return this->name + "(" + to_string(this->energy) + ")";
    }
};
class idol : public card {
public:
    idol(string n, int s) : card(n) {
        this->stamina = s;
    }
    string tostring() override {
        return this->name + "(" + to_string(this->stamina) + ")";
    }
    void charge(card* i) override {
        this->stamina += i->energy;
    }
};
int main(int argc, char** argv)
{
    vector<card*> cards = { new idol("Anzu Futaba", 100), new item("Candy", 10) };
    for (card* c : cards)cout << c->tostring() << " ";
    cout << endl;
    cards[0]->charge(cards[1]);
    cards.erase(cards.begin() + 1);
    for (card* c : cards)cout << c->tostring() << " ";
    cout << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

Anzu Futaba(100) Candy(10)
Anzu Futaba(110)

たかが数千行ごときのプログラムにオブジェクト指向プログラミングをするほどのこともないので解説は省略します

ラムダ式や演算子のオーバーロード

Python

def addfunc(a):
    return lambda b: a+b
class addclass:
    def __init__(self,d):
        self.e=d
    def __call__(self,f):
        return self.e+f
def main():
    print(addfunc(1)(2))
    print(addclass(1)(2))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

3
3

関数に引数を2つ与えるときはfunc(value1,value2)のように呼び出すから，func(value1)(value2)はバグだ，みたいに思ってしまうことも多いだろう
いまどきのプログラミング言語は機能が豊富で，ありとあらゆるプログラムが書けるので，常識にとらわれてはいけない
そのライブラリの使用方法や関数の定義などをよく理解して実装しよう
この授業ではラムダ式や独自クラスを使わずに実装できるのでこのソースコードの解説はしない

C++

#include <iostream>
using namespace std;
auto addfunc(int a) {
    return [a](int b) { return a + b; };
}
class addclass {
    int result = 0;
public:
    addclass operator()(int val) {
        this->result += val;
        return *this;
    }
    operator int() {
        return result;
    }
};
int main() {
    cout << addfunc(1)(2) << endl;
    addclass add;
    cout << add(1)(2) << endl;
    return 0;
}

Output

3
3

関数に引数を2つ与えるときはfunc(value1,value2)のように呼び出すから，func(value1)(value2)はバグだ，みたいに思ってしまうことも多いだろう
いまどきのプログラミング言語は機能が豊富で，ありとあらゆるプログラムが書けるので，常識にとらわれてはいけない
そのライブラリの使用方法や関数の定義などをよく理解して実装しよう
この授業ではラムダ式や独自クラスを使わずに実装できるのでこのソースコードの解説はしない

ジェネレータ・イテレータ

Python

def week():
    week=['mon','tue','wed','thu','fri','sat','sun']
    while True:
        for s in week:
            yield s
def main():
    generator=week()
    for _ in range(0,30):
        print(next(generator))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue

この授業ではジェネレータを使わずに実装できるので解説はしない

C++

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <vector>
using namespace std;

template <typename T>
struct generator {
    struct promise_type {
        T value_;
        auto get_return_object()
        {
            return generator{ *this };
        };
        auto initial_suspend()
        {
            return suspend_always{};
        }
        auto final_suspend() noexcept
        {
            return suspend_always{};
        }
        auto yield_value(T v)
        {
            value_ = v;
            return suspend_always{};
        }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() { terminate(); }
    };
    using coro_handle = coroutine_handle<promise_type>;
    struct iterator {
        coro_handle coro_;
        bool done_;
        iterator& operator++()
        {
            coro_.resume();
            done_ = coro_.done();
            return *this;
        }
        bool operator!=(const iterator& rhs) const
        {
            return done_ != rhs.done_;
        }
        T operator*() const
        {
            return coro_.promise().value_;
        }
    };
    ~generator()
    {
        if (coro_)
            coro_.destroy();
    }
    generator(generator const&) = delete;
    generator(generator&& rhs) noexcept
        : coro_(exchange(rhs.coro_, nullptr)) {}
    iterator begin()
    {
        coro_.resume();
        return { coro_, coro_.done() };
    }
    iterator end()
    {
        return { {}, true };
    }
private:
    explicit generator(promise_type& p)
        : coro_(coro_handle::from_promise(p)) {}
    coro_handle coro_;
};

generator<string> week()
{
    vector<string> week = { "mon","tue","wed","thu","fri","sat","sun" };
    while (true) {
        for (string s : week) {
            co_yield s;
        }
    }
}

int main()
{
    generator<string> g = week();
    int i = 0;
    for (auto s:g) {
        cout << s << endl;
        i++;
        if (i == 30)break;
    }
}

Output

mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue
wed
thu
fri
sat
sun
mon
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wed
thu
fri
sat
sun
mon
tue

この授業ではジェネレータを使わずに実装できるので解説はしない
C++のこのプログラムはあまり参考にしなくていい

アサート

Python

def func(a,b):
    assert abs(b)>1e-15, '第2引数がゼロだよ'
    return a/b
def main():
    a=0
    b=1
    print(func(a,b))
    print(func(b,a))
if __name__=='__main__':
    main()

Output

0.0
Traceback (most recent call last):
  File "c:/!temp/pytest/myprogram.py", line 10, in <module>
    main()
  File "c:/!temp/pytest/myprogram.py", line 8, in main
    print(func(b,a))
  File "c:/!temp/pytest/myprogram.py", line 2, in func
    assert abs(b)>1e-15, '第2引数がゼロだよ'
AssertionError: 第2引数がゼロだよ

学生のみなさんは自分でアサーションを設置したりしないようなので，アサーションについては知らなくてOKです

C++

#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;
double func(double a, double b)
{
    assert(abs(b) > 1e-15);
    return a / b;
}
int main(int argc, char** argv)
{
    double a = 0.0;
    double b = 1.0;
    cout << func(a, b) << endl;
    cout << func(b, a) << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

0
Assertion failed: abs(b) > 1e-15, file C:\!temp\新しいフォルダー\PhotometricStereo\PhotometricStereo\PhotometricStereo.cpp, line 6

学生のみなさんは自分でアサーションを設置したりしないようなので，アサーションについては知らなくてOKです

行列の生成

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.zeros((3,2),dtype=np.float64)
    a[1,0]=1
    print(a)
    rows,cols=a.shape
    print('行の数は',rows,'で列の数は',cols)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[0. 0.]
 [1. 0.]
 [0. 0.]]
行の数は 3 で列の数は 2

numpyのzerosでゼロで初期化された行列を作成することができる
引数で行列の行と列を指定する
dtypeで要素のデータ型を指定する
例えば，np.float64で64ビット浮動小数点数を表し，np.uint8で8ビット符号なし整数を表す
shapeを使うと行列の行数と列数を取得できる
[行番号,列番号]で要素にアクセスする

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat a = Mat::zeros(3, 2, CV_64F);
    a.at<double>(1, 0) = 1.0;
    cout << a << endl;
    cout << "行の数は" << a.rows << "で列の数は" << a.cols << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[0, 0;
 1, 0;
 0, 0]
行の数は3で列の数は2

OpenCVのMat::zerosでゼロで初期化された行列を作成することができる
引数で行列の行と列を指定する
引数で要素のデータ型を指定する
例えば，CV_64Fで64ビット浮動小数点数を表し，CV_8Uで8ビット符号なし整数を表す
rowsとcolsを使うと行列の行数と列数を取得できる
at<要素のデータ型>(行番号,列番号)で要素にアクセスする

行列の初期値とかけ算

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.array([[1,2],[2,4]],dtype=np.float64)
    b=np.array([[3],[1]],dtype=np.float64)
    c=a@b
    print(a)
    print(b)
    print(c)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[1. 2.]
 [2. 4.]]
[[3.]
 [1.]]
[[ 5.]
 [10.]]

np.arrayでリストをnumpy行列に変換できる
行列同士のかけ算は@を使う

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat a = (Mat_<double>(2, 2) << 1, 2, 2, 4);
    Mat b = (Mat_<double>(2, 1) << 3, 1);
    Mat c = a * b;
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << c << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[1, 2;
 2, 4]
[3;
 1]
[5;
 10]

Mat_<データ型>(行,列)にストリーム演算子<<で値を流し込むことで，その数値の行列を作成できる
行列同士のかけ算は*を使う

スライス（部分行列）

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.array([[0,1,2,3,4],[5,6,7,8,9]],
    dtype=np.float64)
    b=a[:,1:4]
    print(a)
    print(b)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[0. 1. 2. 3. 4.]
 [5. 6. 7. 8. 9.]]
[[1. 2. 3.]
 [6. 7. 8.]]

スライス（部分行列）
:は全ての行を表す
1:4は1列目以上4列目未満を表す
    ただし左端を0列目とする

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat a = (Mat_<double>(2, 5) <<
        0, 1, 2, 3, 4,
        5, 6, 7, 8, 9);
    Mat b = a(Range::all(), Range(1, 4));
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[0, 1, 2, 3, 4;
 5, 6, 7, 8, 9]
[1, 2, 3;
 6, 7, 8]

スライス（部分行列）
Range::all()は全ての行を表す
Range(1,4)は1列目以上4列目未満を表す
    ただし左端を0列目とする

逆行列

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.array([[2,0],[0,2]],dtype=np.float64)
    b=np.linalg.inv(a)
    c=a@b
    print(a)
    print(b)
    print(c)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[2. 0.]
 [0. 2.]]
[[0.5 0. ]
 [0. 0.5]]
[[1. 0.]
 [0. 1.]]

numpyのlinalgのinvで逆行列を計算できる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat a = (Mat_<double>(2, 2) << 2, 0, 0, 2);
    Mat b = a.inv();
    Mat c = a * b;
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << c << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[2, 0;
 0, 2]
[0.5, 0;
 0, 0.5]
[1, 0;
 0, 1]

OpenCVのMatのinvで逆行列を計算できる

連立線形方程式

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.array([[1,2],[2,3]],dtype=np.float64)
    b=np.array([[2],[2]],dtype=np.float64)
    x=np.linalg.solve(a,b)
    print(a)
    print(b)
    print(x)
    print('連立線形方程式')
    print(a[0,0],'x +',a[0,1],'y =',b[0,0])
    print(a[1,0],'x +',a[1,1],'y =',b[1,0])
    print('の解は')
    print('x =',x[0,0])
    print('y =',x[1,0])
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[1. 2.]
[2. 3.]]
[[2.]
[2.]]
[[-2.]
[ 2.]]
連立線形方程式
1.0 x + 2.0 y = 2.0
2.0 x + 3.0 y = 2.0
の解は
x = -2.0
y = 2.0

solve関数により連立線形方程式Ax=bの問題を解くことができる
Aとbが入力でxを求めたい問題
Aが行列でxとbがベクトル
Aの逆行列をbにかける関数

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat a = (Mat_<double>(2, 2) << 1, 2, 2, 3);
    Mat b = (Mat_<double>(2, 1) << 2, 2);
    Mat x;
    solve(a, b, x);
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << x << endl;
    cout << "連立線形方程式" << endl;
    cout << a.at<double>(0, 0) << "x+" << a.at<double>(0, 1) << "y=" << b.at<double>(0, 0) << endl;
    cout << a.at<double>(1, 0) << "x+" << a.at<double>(1, 1) << "y=" << b.at<double>(1, 0) << endl;
    cout << "の解は" << endl;
    cout << "x=" << x.at<double>(0, 0) << ", y=" << x.at<double>(1, 0) << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[1, 2;
2, 3]
[2;
2]
[-2;
2]
連立線形方程式
1x+2y=2
2x+3y=2
の解は
x=-2, y=2

solve関数により連立線形方程式Ax=bの問題を解くことができる
Aとbが入力でxを求めたい問題
Aが行列でxとbがベクトル
Aの逆行列をbにかける関数

行列の深いコピー

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.ones((2,1),dtype=np.float64)
    b=a
    c=a.copy()
    a[0,0]=2
    b[0,0]=3
    c[0,0]=4
    print(a)
    print(b)
    print(c)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[3.]
 [1.]]
[[3.]
 [1.]]
[[4.]
 [1.]]

b=aのように書くと参照が代入されてしまう
    bを変えるとaも同じように変わり，aを変えるとbも同じように変わる
    aもbも同じ実体を指している
c=a.copy()のように複製を作ってから代入すれば，aとcは別々の行列になる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat a = Mat::ones(2, 1, CV_64F);
    Mat b = a;
    Mat c = a.clone();
    a.at<double>(0, 0) = 2;
    b.at<double>(0, 0) = 3;
    c.at<double>(0, 0) = 4;
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << c << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[3;
 1]
[3;
 1]
[4;
 1]

b=aのように書くと参照が代入されてしまう
    bを変えるとaも同じように変わり，aを変えるとbも同じように変わる
    aもbも同じ実体を指している
c=a.clone()のように複製を作ってから代入すれば，aとcは別々の行列になる

特異値分解

Python

import numpy as np
def main():
    a=np.array([[1,0],[0,2]],dtype=np.float64)
    u,w,vt=np.linalg.svd(a,full_matrices=False)
    print('特異値分解の結果')
    print('A =',a)
    print('U =',u)
    print('W =',w)
    print('V^T =',vt)
    w=np.diag(w)
    check=u@w@vt
    print('U W V^T =',check)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

特異値分解の結果
A = [[1. 0.]
 [0. 2.]]
U = [[0. 1.]
 [1. 0.]]
W = [2. 1.]
V^T = [[0. 1.]
 [1. 0.]]
U W V^T = [[1. 0.]
 [0. 2.]]

特異値分解SVDの引数としてfull_matricesにFalseを指定すること
    Trueにして呼び出す意味はない
numpyのlinalgのsvdの引数として分解したい行列を指定する
計算結果はU,W,V^Tの順番に返ってくる
VではなくV^Tで返ってくる
Wは行列形式ではなく，対角成分のみのベクトル形式で返ってくる
diag関数で対角行列に変換できる

C++

#include <iostream>
#include <intrin.h>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    _mm_setcsr(_mm_getcsr() | 0x8040);
    Mat a = (Mat_<double>(2, 2) << 1, 0, 0, 2);
    SVD svd(a);
    cout << "特異値分解の結果" << endl;
    cout << "A=" << a << endl;
    cout << "U=" << svd.u << endl;
    cout << "W=" << svd.w << endl;
    cout << "V^T=" << svd.vt << endl;
    Mat w = Mat::diag(svd.w);
    Mat check = svd.u * w * svd.vt;
    cout << "U W V^T = " << check << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

特異値分解の結果
A=[1, 0;
 0, 2]
U=[0, 1;
 1, 0]
W=[2;
 1]
V^T=[0, 1;
 1, 0]
U W V^T = [1, 0;
 0, 2]

_mm_setcsr(_mm_getcsr()|0x8040);は「おまじない」として呼ぶ
    これを呼ぶと速くなるが，よく分からなければ消してよい
特異値分解SVDクラスのコンストラクタとして分解したい行列を指定する
メンバ変数としてU,W,V^Tを取得できる
VではなくV^Tの形式
Wは行列形式ではなく，対角成分のみのベクトル形式で返ってくる
diag関数で対角行列に変換できる

アスキーファイル

Python

def main():
    output=['This is','a pen']
    output=[s+'\n' for s in output]
    with open('text.txt',mode='w') as f:
        f.writelines(output)
    with open('text.txt',mode='r') as f:
        input=f.readlines()
    input=[s.replace('\n','') for s in input]
    print(input)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

['This is', 'a pen']

text.txt

This is
a pen

open関数でファイルを開くことができる
withの範囲内でファイルが開かれていて，withの範囲外に出るとファイルは閉じられる
open関数のmodeに，ファイルを読むモードか書くモードかを指定する
writelines関数でリスト内の文字列を出力できる
    改行は出力されないので，改行コードをリスト内に入れておく
readlines関数でテキストファイルの全ての行をリストに読み込む
    改行コードが付いているので，邪魔なら取り除く

C++

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    vector<string> output = { "This is","a pen" };
    ofstream ofs;
    ofs.open("text.txt", ios::out | ios::trunc);
    for (string item : output)ofs << item << endl;
    ofs.close();
    vector<string> input;
    ifstream ifs;
    ifs.open("text.txt", ios::in);
    while (!ifs.eof()) {
        string item;
        getline(ifs, item);
        input.push_back(item);
    }
    ifs.close();
    for (string item : input)cout << item << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

This is
a pen

text.txt

This is
a pen

open関数でファイルを開くことができる
最後にclose関数でファイルを閉じること
open関数の引数に，ファイルを入力するモードか出力するモードかを指定する
ofstreamオブジェクトに流し込むことで，リスト内の文字列を出力できる
getline関数でテキストファイルの全ての行をリストに読み込む

バイナリファイル

Python

import numpy as np
def main():
    output=np.array([[1,2],[3,4],[5,6]],dtype=np.float64)
    with open('binary.bin',mode='wb') as f:
        output.astype(np.float32).tofile(f)
    with open('binary.bin',mode='rb') as f:
        input=np.fromfile(f,dtype=np.float32)
    input=input.astype(np.float64).reshape((3,2))
    print(input)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[1. 2.]
 [3. 4.]
 [5. 6.]]

binary.bin

00 00 80 3F 00 00 00 40
00 00 40 40 00 00 80 40
00 00 A0 40 00 00 C0 40
という16進数の24バイトのファイル

32ビット浮動小数点数の生データ

C++

#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat output = (Mat_<double>(3, 2) << 1, 2, 3, 4, 5, 6);
    ofstream ofs;
    ofs.open("binary.bin", ios::out | ios::trunc | ios::binary);
    for (int i = 0; i < output.rows; i++) {
        for (int j = 0; j < output.cols; j++) {
            float val;
            val = (float)output.at<double>(i, j);
            ofs.write((char*)&val, sizeof(float));
        }
    }
    ofs.close();
    Mat input = Mat::zeros(3, 2, CV_64F);
    ifstream ifs;
    ifs.open("binary.bin", ios::in | ios::binary);
    for (int i = 0; i < input.rows; i++) {
        for (int j = 0; j < input.cols; j++) {
            float val;
            ifs.read((char*)&val, sizeof(float));
            input.at<double>(i, j) = val;
        }
    }
    ifs.close();
    cout << input << endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Output

[1, 2;
 3, 4;
 5, 6]

binary.bin

00 00 80 3F 00 00 00 40
00 00 40 40 00 00 80 40
00 00 A0 40 00 00 C0 40
という16進数の24バイトのファイル

32ビット浮動小数点数の生データ

numpy行列ファイル

Python

import numpy as np
def main():
    output=np.array([[1,2],[3,4],[5,6]],dtype=np.float64)
    np.save('datafile',output)
    input=np.load('datafile.npy')
    print(input)
if __name__=='__main__':
    main()

Output

[[1. 2.]
 [3. 4.]
 [5. 6.]]

Output file

datafile.npy

numpy行列ファイル形式で入出力する場合はload/save関数を使う
基本的に他のプログラミング言語ではnumpy行列ファイルの読み書きはできない

ディレクトリ

Python

import os
def main():
    if os.path.exists('directory'):
        print('既にあります')
    else:
        print('ディレクトリを作成します')
        os.mkdir('directory')
if __name__=='__main__':
    main()

Output

ディレクトリを作成します

Created directory

directory

osのpathのexistsでディレクトリが存在するか確認できる
osのmkdirでディレクトリを作成できる

C++

#include <iostream>
#include <filesystem>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
    if (filesystem::exists("directory")) {
        cout << "既にあります" << endl;
    }
    else {
        cout << "ディレクトリを作成します" << endl;
        filesystem::create_directory("directory");
    }
    cin.get();
    return 0;
}

Output

ディレクトリを作成します

Created directory

directory

filesystemのexistsでディレクトリが存在するか確認できる
filesystemのcreate_directoryでディレクトリを作成できる
filesystemは比較的新しいC++の機能なので，コンパイラによっては使用できない
filesystemが使えない場合はsys/stat.hやdirect.hに入っている関数を使う

モノクロ画像

Python

import cv2
def main():
    input=cv2.imread('input.bmp',cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    if input is None:
        print('ファイルを読み込めません')
        return
    rows,cols=input.shape
    output=input.copy()
    for y in range(0,rows):
        for x in range(0,cols):
            sum=0
            num=0
            for yy in range(y-1,y+2):
                for xx in range(x-1,x+2):
                    if yy>=0 and xx>=0 and yy<rows and xx<cols:
                        sum+=input[yy,xx]
                        num+=1
            output[y,x]=sum/num
    cv2.imwrite('output.bmp',output)
    cv2.imshow('OpenCV program', output)
    cv2.waitKey()
    cv2.destroyAllWindows()
if __name__=='__main__':
    main()

画像を読み込んで何らかの処理をして画像を出力するサンプルソースコード
imread関数に読み込む画像ファイル名と，グレースケールとして読み込むかカラーとして読み込むかを指定する
shapeにより画像の行数と列数が分かる
モノクロ画像の画素(x,y)のデータは[y,x]の添え字で指定する
カラー画像のRGBは[y,x,2],[y,x,1],[y,x,0]の添え字で指定する
imwriteで画像ファイルを出力，imshowで画像をウィンドウ表示，waitKeyでキーが押されるまで待機，destroyAllWindowsでウィンドウを閉じる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat input = imread("input.bmp", IMREAD_GRAYSCALE);
    if (input.empty()) {
        cout << "ファイルを読み込めません" << endl;
        return 1;
    }
    Mat output = input.clone();
    for (int y = 0; y < input.rows; y++) {
        for (int x = 0; x < input.cols; x++) {
            double sum = 0.0;
            int num = 0;
            for (int yy = y - 1; yy <= y + 1; yy++) {
                for (int xx = x - 1; xx <= x + 1; xx++) {
                    if (yy >= 0 && xx >= 0 && yy < input.rows && xx < input.cols) {
                        sum += (double)input.at<unsigned char>(yy, xx);
                        num++;
                    }
                }
            }
            output.at<unsigned char>(y, x) = (unsigned char)(sum / (double)num);
        }
    }
    imwrite("output.bmp", output);
    imshow("OpenCV program", output);
    waitKey();
    destroyAllWindows();
    return 0;
}

画像を読み込んで何らかの処理をして画像を出力するサンプルソースコード
imread関数に読み込む画像ファイル名と，グレースケールとして読み込むかカラーとして読み込むかを指定する
rowsとcolsにより画像の行数と列数が分かる
モノクロ画像の画素(x,y)のデータはat<uchar>(y,x)で指定する
カラー画像のRGBはat<Vec3b>(y,x)[2], at<Vec3b>(y,x)[1], at<Vec3b>(y,x)[0] で指定する
    なお，Vec3bは3チャンネルのucharを表す型である
imwriteで画像ファイルを出力，imshowで画像をウィンドウ表示，waitKeyでキーが押されるまで待機，destroyAllWindowsでウィンドウを閉じる

カラー画像

Python

import cv2
def main():
    input=cv2.imread('input.bmp',cv2.IMREAD_COLOR)
    if input is None:
        print('ファイルを読み込めません')
        return
    rows,cols,_=input.shape
    output=input.copy()
    for y in range(0,rows):
        for x in range(0,cols):
            r=input[y,x,2]
            g=input[y,x,1]
            b=input[y,x,0]
            output[y,x,2]=0.9*r
            output[y,x,1]=0.7*g
            output[y,x,0]=0.4*b
    cv2.imwrite('output.bmp',output)
    cv2.imshow('OpenCV program', output)
    cv2.waitKey()
    cv2.destroyAllWindows()
if __name__=='__main__':
    main()

画像を読み込んで何らかの処理をして画像を出力するサンプルソースコード
imread関数に読み込む画像ファイル名と，グレースケールとして読み込むかカラーとして読み込むかを指定する
shapeにより画像の行数と列数が分かる
モノクロ画像の画素(x,y)のデータは[y,x]の添え字で指定する
カラー画像のRGBは[y,x,2],[y,x,1],[y,x,0]の添え字で指定する
imwriteで画像ファイルを出力，imshowで画像をウィンドウ表示，waitKeyでキーが押されるまで待機，destroyAllWindowsでウィンドウを閉じる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat input = imread("input.bmp", IMREAD_COLOR);
    if (input.empty()) {
        cout << "ファイルを読み込めません" << endl;
        return 1;
    }
    Mat output = input.clone();
    for (int y = 0; y < input.rows; y++) {
        for (int x = 0; x < input.cols; x++) {
            unsigned char r = input.at<Vec3b>(y, x)[2];
            unsigned char g = input.at<Vec3b>(y, x)[1];
            unsigned char b = input.at<Vec3b>(y, x)[0];
            output.at<Vec3b>(y, x)[2] = (unsigned char)(0.9 * (double)r);
            output.at<Vec3b>(y, x)[1] = (unsigned char)(0.7 * (double)g);
            output.at<Vec3b>(y, x)[0] = (unsigned char)(0.4 * (double)b);
        }
    }
    imwrite("output.bmp", output);
    imshow("OpenCV program", output);
    waitKey();
    destroyAllWindows();
    return 0;
}

画像を読み込んで何らかの処理をして画像を出力するサンプルソースコード
imread関数に読み込む画像ファイル名と，グレースケールとして読み込むかカラーとして読み込むかを指定する
rowsとcolsにより画像の行数と列数が分かる
モノクロ画像の画素(x,y)のデータはat<uchar>(y,x)で指定する
カラー画像のRGBはat<Vec3b>(y,x)[2], at<Vec3b>(y,x)[1], at<Vec3b>(y,x)[0] で指定する
    なお，Vec3bは3チャンネルのucharを表す型である
imwriteで画像ファイルを出力，imshowで画像をウィンドウ表示，waitKeyでキーが押されるまで待機，destroyAllWindowsでウィンドウを閉じる

mergeとsplit

Python

import numpy as np
import cv2
def main():
    a0=np.array([
        [111,121,131,141,151],
        [211,221,231,241,251],
        [311,321,331,341,351],
        [411,421,431,441,451]],
        dtype=np.int32)
    a1=np.array([
        [112,122,132,142,152],
        [212,222,232,242,252],
        [312,322,332,342,352],
        [412,422,432,442,452]],
        dtype=np.int32)
    a2=np.array([
        [113,123,133,143,153],
        [213,223,233,243,253],
        [313,323,333,343,353],
        [413,423,433,443,453]],
        dtype=np.int32)

    a=cv2.merge((a0,a1,a2))
    print('a=',a)
    print(a.shape)
    b=cv2.split(a)
    print('b0=',b[0])
    print('b1=',b[1])
    print('b2=',b[2])
    print(b[0].shape)

    a=np.stack([a0,a1,a2],axis=2)
    print('a=',a)
    print(a.shape)
    b0=a[:,:,0]
    b1=a[:,:,1]
    b2=a[:,:,2]
    b0=b0.reshape(a.shape[0],a.shape[1])
    b1=b1.reshape(a.shape[0],a.shape[1])
    b2=b2.reshape(a.shape[0],a.shape[1])
    print('b0=',b0)
    print('b1=',b1)
    print('b2=',b2)
    print(b0.shape)

if __name__=='__main__':
    main()

Output

(skipped)
(4, 5, 3)
(skipped)
(4, 5)

mergeで3枚のモノクロ画像を1枚の3チャンネル画像にする
splitで1枚の3チャンネル画像を3枚のモノクロ画像にする
stackで3枚の画像を1枚にすることもできる
スライスで1枚の画像を3枚にすることできる

C++

#include <iostream>
using namespace std;
#include <opencv2/opencv.hpp>
using namespace cv;
int main(int argc, char** argv)
{
    Mat aa[3];
    aa[0] = (Mat_<int>(4, 5) <<
        111, 121, 131, 141, 151,
        211, 221, 231, 241, 251,
        311, 321, 331, 341, 351,
        411, 421, 431, 441, 451);
    aa[1] = (Mat_<int>(4, 5) <<
        112, 122, 132, 142, 152,
        212, 222, 232, 242, 252,
        312, 322, 332, 342, 352,
        412, 422, 432, 442, 452);
    aa[2] = (Mat_<int>(4, 5) <<
        113, 123, 133, 143, 153,
        213, 223, 233, 243, 253,
        313, 323, 333, 343, 353,
        413, 423, 433, 443, 453);

    Mat a;
    merge(aa, 3, a);
    cout << "a=" << a << endl;
    cout << a.rows << " " << a.cols << " " << a.channels() << endl;
    Mat b[3];
    split(a, b);
    cout << "b0=" << b[0] << endl;
    cout << "b1=" << b[1] << endl;
    cout << "b2=" << b[2] << endl;
    cout << b[0].rows << " " << b[0].cols << " " << b[0].channels() << endl;

    return 0;
}

Output

(skipped)
4 5 3
(skipped)
4 5 1

mergeで3枚のモノクロ画像を1枚の3チャンネル画像にする
splitで1枚の3チャンネル画像を3枚のモノクロ画像にする

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