Pythonの変数とデータ型を理解する｜数値・文字列・真偽値・演算子の基本

Pythonで計算やデータ処理を行うには、「値を変数へ入れる」「値の種類を区別する」「演算子で処理する」という3つの基本を理解する必要があります。

たとえば、油圧シリンダの理論推力を計算するときは、圧力や受圧面積を数値として保持し、それらを掛け合わせて結果を求めます。

pressure_mpa = 14.0
area_mm2 = 1000.0
force_n = pressure_mpa * area_mm2

print(force_n)

実行結果です。

14000.0

短いコードですが、ここには変数、代入、浮動小数点数、乗算というPythonの重要な要素が含まれています。

今日の到達点

この記事を読み終えると、次のことができるようになります。

• 変数と値の関係を説明できる
• int、float、str、bool、Noneを使い分けられる
• type()で値の型を確認できる
• 四則演算、比較演算、論理演算を使える
• 演算子の優先順位による計算結果の違いを理解できる
• 浮動小数点数を完全に正確な小数だと思い込まずに扱える
• 工学計算の変数名へ単位を明示できる

変数は値に付ける名前

変数は、プログラムで扱う値を参照するための名前です。

pressure_mpa = 14.0

このコードでは、pressure_mpaという変数名へ14.0という値を代入しています。

=は数学の等号ではなく、右側の値を左側の変数名へ代入する演算子です。

変数名 = 値

代入後は、変数名を使って値を参照できます。

pressure_mpa = 14.0

print(pressure_mpa)

実行結果です。

14.0

変数の値は後から変更できます。

pressure_mpa = 14.0
pressure_mpa = 16.0

print(pressure_mpa)

実行結果です。

16.0

2回目の代入によって、pressure_mpaが参照する値が更新されています。

変数名の付け方

変数名は、値の意味が分かるように付けます。

悪い例です。

a = 14.0
b = 1000.0
c = a * b

計算自体はできますが、a、b、cが何を意味するのか分かりません。

改善例です。

pressure_mpa = 14.0
area_mm2 = 1000.0
force_n = pressure_mpa * area_mm2

この書き方なら、それぞれが圧力、面積、推力であることが分かります。

工学計算では、変数名に単位を含める方法が有効です。

• pressure_mpa：圧力 MPa
• bore_mm：シリンダ内径 mm
• area_mm2：面積 mm²
• flow_l_min：流量 L/min
• force_n：力 N

Pythonの変数自体には物理単位を自動判定する機能がありません。14という値だけでは、14 Paなのか14 MPaなのか判断できないため、名前やデータ構造で単位を明示します。

変数名には一般的に、小文字の英単語をアンダースコアでつなぐsnake_caseを使用します。

cylinder_bore_mm = 80.0
working_pressure_mpa = 14.0

Pythonの基本データ型

データ型は、値の種類と、その値に対して行える操作を表します。

今回扱う基本型は次の5つです。

Python公式ドキュメントでは、主要な組み込み型として数値、シーケンス、マッピングなどが定義されています。Pythonの組み込み型で詳細を確認できます。

int：整数

intは、小数部分を持たない整数を表す型です。

part_count = 12
retry_count = 3
temperature_c = -10

型はtype()で確認できます。

part_count = 12

print(type(part_count))

実行結果です。

<class 'int'>

Pythonの整数は、利用可能なメモリの範囲内で任意の大きさを扱えます。固定された32ビット整数のように、常に一定の最大値で打ち切られる型ではありません。Pythonの数値型にも、整数は無制限の精度を持つと記載されています。

ただし、非常に大きな整数ほどメモリと計算時間を使用します。

float：浮動小数点数

floatは、小数を含む数値を扱う型です。

pressure_mpa = 14.0
bore_mm = 80.5
efficiency = 0.92

print(type(pressure_mpa))

実行結果です。

<class 'float'>

14はintですが、14.0はfloatです。

print(type(14))
print(type(14.0))

実行結果です。

<class 'int'>
<class 'float'>

整数と浮動小数点数を一緒に計算すると、通常は浮動小数点数の結果になります。

result = 10 + 2.5

print(result)
print(type(result))

実行結果です。

12.5
<class 'float'>

str：文字列

strは文字列を表す型です。文字列は、単一引用符または二重引用符で囲みます。

part_name = "Hydraulic cylinder"
status = 'ready'

print(type(part_name))

実行結果です。

<class 'str'>

数字のように見えても、引用符で囲まれていれば文字列です。

pressure_text = "14"
pressure_number = 14

この2つは別の型です。

print(type(pressure_text))
print(type(pressure_number))

実行結果です。

<class 'str'>
<class 'int'>

型の違いを無視すると、意図しない結果になります。

print("14" * 2)
print(14 * 2)

実行結果です。

1414
28

文字列の"14"を2回繰り返す処理と、整数の14を2倍する処理は同じではありません。

bool：真偽値

boolは、条件が成立しているかどうかを表します。

値は次の2つだけです。

True
False

先頭は大文字です。trueやfalseではありません。

is_checked = True
is_over_limit = False

print(type(is_checked))

実行結果です。

<class 'bool'>

比較演算の結果もboolになります。

pressure_mpa = 14.0
is_over_limit = pressure_mpa > 16.0

print(is_over_limit)

実行結果です。

False

Pythonではboolは整数型のサブタイプですが、実務コードではTrueを1、Falseを0の代用品として乱用せず、判定結果として扱う方が意味を明確にできます。Pythonのbool型では、真偽値がTrueとFalseの2つであることが定義されています。

None：値がないことを表す

Noneは「0」や空文字列ではなく、値が設定されていない、該当する値がないといった状態を表す特別なオブジェクトです。

measured_pressure_mpa = None

print(type(measured_pressure_mpa))

実行結果です。

<class 'NoneType'>

たとえば、まだ圧力を測定していない状態を0.0で表すと、「測定した結果が0 MPaだった」のか「未測定なのか」を区別できません。

measured_pressure_mpa = None

このようにNoneを使えば、未測定であることを明確にできます。

Noneかどうかは、通常is Noneで確認します。

if measured_pressure_mpa is None:
    print("Pressure has not been measured.")

Python公式ドキュメントでは、Noneは組み込み名であり、単一のnullオブジェクトであると定義されています。Null Objectを参照してください。

四則演算と数値演算子

Pythonの代表的な数値演算子は次のとおりです。

一度に確認してみます。

print(17 / 3)
print(17 // 3)
print(17 % 3)
print(2 ** 5)

実行結果です。

5.666666666666667
5
2
32

/による除算は、整数同士でもfloatを返します。

print(10 / 2)
print(type(10 / 2))

実行結果です。

5.0
<class 'float'>

//は単純に小数点以下を削除する演算ではなく、負の無限大方向へ切り下げます。

print(5 // 2)
print(-5 // 2)

実行結果です。

2
-3

-5 / 2は-2.5なので、負の無限大方向へ切り下げると-3になります。この挙動はPythonの数値演算に定義されています。

比較演算子

比較演算子は、2つの値を比較してTrueまたはFalseを返します。

pressure_mpa = 14.0

print(pressure_mpa == 14.0)
print(pressure_mpa != 10.0)
print(pressure_mpa <= 16.0)

実行結果です。

True
True
True

代入は=、等しいかどうかの比較は==です。

pressure_mpa = 14.0
is_equal = pressure_mpa == 14.0

Pythonでは比較を連結して書けます。

pressure_mpa = 14.0
is_in_range = 10.0 <= pressure_mpa <= 16.0

print(is_in_range)

実行結果です。

True

これは圧力が10 MPa以上かつ16 MPa以下であることを表します。

論理演算子

複数の条件を組み合わせるには、論理演算子を使います。

pressure_mpa = 14.0
is_checked = True

can_operate = is_checked and pressure_mpa <= 16.0

print(can_operate)

実行結果です。

True

andとorは短絡評価を行います。andは左側が偽なら右側を評価せず、orは左側が真なら右側を評価しません。PythonのBoolean演算に、この動作が定義されています。

演算子の優先順位

演算子には計算される順番があります。

result = 10 + 2 * 3

print(result)

実行結果です。

16

乗算が加算より先に行われるため、計算は次の順番です。

10 + (2 × 3) = 16

先に加算したい場合は括弧を使います。

result = (10 + 2) * 3

print(result)

実行結果です。

36

入門段階で覚えておきたい主な優先順位は、上から順に次のとおりです。

1. 括弧 ()
2. べき乗 **
3. 単項演算 +x、-x
4. 乗除算 *、/、//、%
5. 加減算 +、-
6. 比較演算
7. not
8. and
9. or

完全な一覧はPythonの演算子優先順位で確認できます。

複雑な式では、優先順位を暗記して短く書くより、括弧で意図を明示する方が安全です。

force_n = pressure_mpa * (math.pi * bore_mm ** 2 / 4)

工学計算の例：シリンダの理論推力

シリンダ内径80 mm、圧力14 MPaとして、押し側の理論推力を求めます。

受圧面積は次の式です。$$A=\frac{\pi D^2}{4}$$

理論推力は次の式です。$$F=pA$$

ここで、

• $D$：シリンダ内径 mm
• $A$：受圧面積 mm²
• $p$：圧力 MPa
• $F$：理論推力 N

とします。

$1\ \mathrm{MPa}=1\ \mathrm{N/mm^2}$なので、MPaとmm²を掛けるとNになります。

import math

bore_mm = 80.0
pressure_mpa = 14.0

area_mm2 = math.pi * bore_mm ** 2 / 4
force_n = pressure_mpa * area_mm2
force_kn = force_n / 1000

print(f"Area: {area_mm2:.3f} mm²")
print(f"Force: {force_n:.3f} N")
print(f"Force: {force_kn:.3f} kN")

実行結果です。

Area: 5026.548 mm²
Force: 70371.675 N
Force: 70.372 kN

このコードは実行確認済みです。

これは摩擦、圧力損失、背圧、安全率などを含まない理論値です。実機の設計値として使用する場合は、それらの条件を別途扱う必要があります。

floatは小数を完全に表せるとは限らない

コンピュータのfloatは、多くの小数を2進数の有限桁で近似して保持します。

そのため、次の計算結果は見た目どおりの0.3になりません。

result = 0.1 + 0.1 + 0.1

print(result)
print(result == 0.3)

実行結果です。

0.30000000000000004
False

これはPython固有の不具合ではありません。0.1を有限桁の2進小数で正確に表現できないことによるものです。Python公式チュートリアルの浮動小数点解説では、0.1が内部的には最も近い2進分数として保存されることが説明されています。

近似値同士を比較するときは、完全一致ではなくmath.isclose()を使えます。

import math

result = 0.1 + 0.1 + 0.1

print(math.isclose(result, 0.3))

実行結果です。

True

ただし、許容誤差は用途によって異なります。寸法、圧力、流量、金額をすべて同じ許容誤差で比較してよいわけではありません。

工学計算では、次を明確にします。

• 入力値の有効桁数
• 計測精度
• 許容差
• 比較に使う絶対誤差または相対誤差
• 表示時に丸める桁数

表示を丸めることと、内部の値が正確になることは別です。

value = 0.1 + 0.1 + 0.1

print(f"{value:.2f}")

出力は0.30になりますが、内部値そのものを10進小数へ変換したわけではありません。

金額など10進表現の正確さが必要な用途では、標準ライブラリのdecimal.Decimalを検討します。一般的な工学計算ではfloatが十分な場合も多いものの、誤差の存在を理解して使用する必要があります。

型の違いによる代表的な失敗

文字列と数値を直接加算する

pressure_text = "14"
result = pressure_text + 2

このコードはTypeErrorになります。strとintをそのまま加算できないためです。

数値として扱うなら、用途に応じて変換します。

pressure_text = "14"
pressure_mpa = float(pressure_text)
result = pressure_mpa + 2

print(result)

実行結果です。

16.0

入力された文字列を無条件に変換すると、不正な入力で例外が発生します。入力検証と例外処理は後続の記事で詳しく扱います。

単位の異なる値をそのまま加算する

次の式はPython上では実行できますが、物理的には不適切です。

length_mm = 100
length_m = 2

total = length_mm + length_m

Pythonは変数名を見て単位変換をしてくれません。どちらかの単位へそろえてから計算します。

length_mm = 100
length_m = 2

total_mm = length_mm + length_m * 1000

print(total_mm)

実行結果です。

2100

「エラーが出ない」ことは、「計算が物理的に正しい」ことを意味しません。

Noneを数値として計算する

measured_pressure_mpa = None
result = measured_pressure_mpa * 1000

未測定値を数値として使おうとしているため、TypeErrorになります。

計算前に状態を確認します。

if measured_pressure_mpa is None:
    print("Measurement is required.")

実務での設計ルール

Pythonで工学データを扱うときは、次のルールが役立ちます。

• 意味の分かる変数名を使う
• 数値の単位を変数名で明示する
• 未取得値と実測値0を区別する
• 中間計算では早すぎる丸めを避ける
• 出力時の表示桁数と計算精度を分ける
• floatの完全一致を安易に判定条件へ使わない
• 複雑な式では括弧で計算順序を明示する
• コードが動くかだけでなく、数式と単位が妥当か確認する

これらは、コードを設計知識として再利用するための基礎になります。

練習問題

型を予想する

次の値の型を予想してください。

value_a = 25
value_b = 25.0
value_c = "25"
value_d = False
value_e = None

解答例です。

print(type(value_a))
print(type(value_b))
print(type(value_c))
print(type(value_d))
print(type(value_e))

実行結果です。

<class 'int'>
<class 'float'>
<class 'str'>
<class 'bool'>
<class 'NoneType'>

流量を秒単位へ変換する

流量60 L/minをL/sへ変換してください。

解答例です。

flow_l_min = 60.0
flow_l_s = flow_l_min / 60

print(flow_l_s)

実行結果です。

1.0

許容範囲を判定する

圧力14 MPaが、許容範囲10 MPa以上16 MPa以下に入っているか判定してください。

解答例です。

pressure_mpa = 14.0
is_in_range = 10.0 <= pressure_mpa <= 16.0

print(is_in_range)

実行結果です。

True

まとめ

Pythonでは、値の種類によって実行できる処理が変わります。

• intは整数を表す
• floatは浮動小数点数を表す
• strは文字列を表す
• boolはTrueまたはFalseを表す
• Noneは値がない状態を表す
• type()で値の型を確認できる
• 四則演算に加えて、切り下げ除算、余り、べき乗を使用できる
• 比較演算と論理演算の結果は条件判定に利用できる
• 括弧を使うと計算の意図を明確にできる
• floatには2進表現に由来する近似誤差がある
• 工学計算では変数名、単位、数式、許容誤差をセットで管理する

単に数値を計算するだけなら短いコードで済みます。しかし、そのコードを再利用可能な計算ロジックにするには、値の意味、型、単位、未入力状態、誤差まで区別する必要があります。

参考情報

• Python組み込み型
• Pythonの式
• 浮動小数点演算：問題と制約