10日で覚えるPythonDay 5: 関数
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Day 5: 関数

今日学ぶこと

  • 関数の定義と呼び出し
  • 引数（位置引数、キーワード引数、デフォルト値）
  • 戻り値
  • スコープ（変数の有効範囲）
  • ラムダ関数
  • デコレータの基礎

関数とは？

関数は、特定の処理をまとめた再利用可能なコードブロックです。

flowchart LR
    subgraph Function["関数"]
        I["入力（引数）"] --> P["処理"]
        P --> O["出力（戻り値）"]
    end

    style Function fill:#3b82f6,color:#fff
    style I fill:#22c55e,color:#fff
    style P fill:#8b5cf6,color:#fff
    style O fill:#f59e0b,color:#fff

なぜ関数を使うのか？

メリット 説明
再利用性 同じコードを何度も書かなくてよい
可読性 コードが整理され、理解しやすくなる
保守性 修正箇所が1か所で済む
テスト容易性 個別にテストできる

関数の定義と呼び出し

基本構文

def 関数名(引数):
    """ドキュメンテーション文字列"""
    処理
    return 戻り値

シンプルな例

# 関数の定義
def greet():
    print("Hello, World!")

# 関数の呼び出し
greet()  # Hello, World!

引数を持つ関数

def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

greet("Taro")    # Hello, Taro!
greet("Hanako")  # Hello, Hanako!

戻り値を持つ関数

def add(a, b):
    return a + b

result = add(3, 5)
print(result)  # 8

# returnがない場合はNoneが返る
def no_return():
    print("処理を実行")

result = no_return()  # 処理を実行
print(result)         # None

引数の種類

位置引数

引数は順番通りに渡されます：

def describe_person(name, age, city):
    print(f"{name}は{age}歳で、{city}に住んでいます。")

describe_person("Taro", 25, "Tokyo")
# Taroは25歳で、Tokyoに住んでいます。

キーワード引数

引数名を指定して渡すことができます：

describe_person(name="Hanako", city="Osaka", age=30)
# Hanakoは30歳で、Osakaに住んでいます。

# 位置引数とキーワード引数の混合（位置引数が先）
describe_person("Jiro", age=20, city="Nagoya")

デフォルト引数

引数にデフォルト値を設定できます：

def greet(name, greeting="Hello"):
    print(f"{greeting}, {name}!")

greet("Taro")            # Hello, Taro!
greet("Taro", "Hi")      # Hi, Taro!
greet("Taro", greeting="Good morning")  # Good morning, Taro!

注意: デフォルト引数は、デフォルトなし引数の後に置く必要があります。

# 正しい
def func(a, b, c=10):
    pass

# エラー
# def func(a, b=10, c):  # SyntaxError
#     pass

可変長引数 (*args)

任意の数の位置引数を受け取ります：

def sum_all(*numbers):
    total = 0
    for n in numbers:
        total += n
    return total

print(sum_all(1, 2, 3))        # 6
print(sum_all(1, 2, 3, 4, 5))  # 15

可変長キーワード引数 (**kwargs)

任意の数のキーワード引数を受け取ります：

def print_info(**kwargs):
    for key, value in kwargs.items():
        print(f"{key}: {value}")

print_info(name="Taro", age=25, city="Tokyo")
# name: Taro
# age: 25
# city: Tokyo

引数の組み合わせ

def example(a, b, *args, **kwargs):
    print(f"a: {a}")
    print(f"b: {b}")
    print(f"args: {args}")
    print(f"kwargs: {kwargs}")

example(1, 2, 3, 4, 5, x=10, y=20)
# a: 1
# b: 2
# args: (3, 4, 5)
# kwargs: {'x': 10, 'y': 20}

戻り値

単一の値を返す

def square(n):
    return n ** 2

result = square(5)
print(result)  # 25

複数の値を返す

タプルとして返されます：

def min_max(numbers):
    return min(numbers), max(numbers)

minimum, maximum = min_max([3, 1, 4, 1, 5, 9])
print(minimum)  # 1
print(maximum)  # 9

早期リターン

条件によって早く終了することができます：

def divide(a, b):
    if b == 0:
        return None  # ゼロ除算を防ぐ
    return a / b

print(divide(10, 2))  # 5.0
print(divide(10, 0))  # None

スコープ

変数が有効な範囲を「スコープ」と呼びます。

flowchart TB
    subgraph Global["グローバルスコープ"]
        G["global_var = 'global'"]
        subgraph Local["ローカルスコープ (関数内)"]
            L["local_var = 'local'"]
        end
    end

    style Global fill:#3b82f6,color:#fff
    style Local fill:#8b5cf6,color:#fff

ローカル変数とグローバル変数

global_var = "グローバル"

def example():
    local_var = "ローカル"
    print(global_var)  # グローバル変数にはアクセス可能
    print(local_var)   # ローカル変数

example()
# print(local_var)  # エラー！関数外からはアクセス不可

global キーワード

グローバル変数を関数内で変更する場合：

counter = 0

def increment():
    global counter
    counter += 1

increment()
increment()
print(counter)  # 2

注意: global の多用は避けましょう。代わりに戻り値を使うほうがよいです。

# 推奨される方法
def increment(counter):
    return counter + 1

counter = 0
counter = increment(counter)
counter = increment(counter)
print(counter)  # 2

ドキュメンテーション文字列（Docstring）

関数の説明を記述します：

def calculate_area(width, height):
    """
    長方形の面積を計算します。

    Args:
        width: 幅
        height: 高さ

    Returns:
        面積（width * height）
    """
    return width * height

# ドキュメントを確認
print(calculate_area.__doc__)
help(calculate_area)

ラムダ関数

短い無名関数を定義できます：

# 通常の関数
def square(x):
    return x ** 2

# ラムダ関数
square = lambda x: x ** 2

print(square(5))  # 25

ラムダの活用例

# ソートのキーとして
students = [
    {"name": "Taro", "score": 80},
    {"name": "Hanako", "score": 95},
    {"name": "Jiro", "score": 70}
]

# スコアでソート
students.sort(key=lambda x: x["score"])
print(students)

# filter()と組み合わせ
numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
even = list(filter(lambda x: x % 2 == 0, numbers))
print(even)  # [2, 4, 6, 8, 10]

# map()と組み合わせ
squares = list(map(lambda x: x ** 2, numbers))
print(squares)  # [1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100]

関数の引数としての関数

Pythonでは、関数を他の関数の引数として渡せます：

def apply_operation(x, y, operation):
    return operation(x, y)

def add(a, b):
    return a + b

def multiply(a, b):
    return a * b

print(apply_operation(5, 3, add))       # 8
print(apply_operation(5, 3, multiply))  # 15

デコレータ

関数の機能を拡張する仕組みです：

def log_decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        print(f"関数 {func.__name__} を呼び出します")
        result = func(*args, **kwargs)
        print(f"関数 {func.__name__} が完了しました")
        return result
    return wrapper

@log_decorator
def greet(name):
    print(f"Hello, {name}!")

greet("Taro")
# 関数 greet を呼び出します
# Hello, Taro!
# 関数 greet が完了しました

実用的なデコレータ例：実行時間計測

import time

def timer(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start = time.time()
        result = func(*args, **kwargs)
        end = time.time()
        print(f"{func.__name__}: {end - start:.4f}秒")
        return result
    return wrapper

@timer
def slow_function():
    time.sleep(1)
    return "完了"

slow_function()  # slow_function: 1.00XX秒

再帰関数

自分自身を呼び出す関数です：

def factorial(n):
    if n <= 1:
        return 1
    return n * factorial(n - 1)

print(factorial(5))  # 120 (5 * 4 * 3 * 2 * 1)

flowchart TB
    A["factorial(5)"] --> B["5 * factorial(4)"]
    B --> C["4 * factorial(3)"]
    C --> D["3 * factorial(2)"]
    D --> E["2 * factorial(1)"]
    E --> F["1"]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style F fill:#22c55e,color:#fff

フィボナッチ数列

def fibonacci(n):
    if n <= 1:
        return n
    return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)

for i in range(10):
    print(fibonacci(i), end=" ")
# 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

注意: 再帰にはデフォルトで約1000回の制限があります。深い再帰は避けるか、ループに置き換えましょう。

まとめ

概念 説明 例
def 関数を定義 def func():
return 値を返す return result
位置引数 順番で渡す func(1, 2, 3)
キーワード引数 名前で渡す func(a=1, b=2)
デフォルト引数 デフォルト値 def func(x=10):
*args 可変長位置引数 def func(*args):
**kwargs 可変長キーワード引数 def func(**kwargs):
lambda 無名関数 lambda x: x * 2

重要ポイント

  1. 関数はコードの再利用性と可読性を高める
  2. 引数のデフォルト値は関数定義時に一度だけ評価される
  3. ローカル変数は関数内でのみ有効
  4. global の使用は最小限に抑える
  5. ラムダは短い処理に使い、複雑な処理には通常の関数を使う

練習問題

問題1: 基本

2つの数値を受け取り、大きい方を返す関数 max_of_two(a, b) を作成してください。

問題2: リスト操作

リストを受け取り、偶数のみを含む新しいリストを返す関数 filter_even(numbers) を作成してください。

チャレンジ問題

任意の数の引数を受け取り、それらの平均値を返す関数 average(*args) を作成してください。引数が0個の場合は None を返してください。

参考リンク

次回予告: Day 6では「オブジェクト指向プログラミング」について学びます。クラスとオブジェクトの世界へ！