Week 2: データ構造の基礎¶

1. 変数とデータ型¶

1.1 変数の概念¶

変数は、プログラム内でデータを格納し、操作するための名前付きの記憶領域です。

例（Python）:

x = 5  # 整数型の変数
name = "Alice"  # 文字列型の変数

1.2 基本的なデータ型¶

整数型（Integer）: 全ての整数例: -3, 0, 42
浮動小数点型（Float）: 小数を含む数値例: 3.14, -0.001, 2.0
文字列型（String）: テキストデータ例: "Hello, World!", 'Python'
ブール型（Boolean）: 真偽値例: True, False
None型（Python特有）: 値が存在しないことを示す例: None

基本的なデータ型の表¶

データ型	例	メモリサイズ	説明
整数型（Integer）	-3, 0, 42	通常4バイト	全ての整数
浮動小数点型（Float）	3.14, -0.001, 2.0	通常8バイト	小数を含む数値
文字列型（String）	"Hello, World!", 'Python'	可変（1文字あたり1〜4バイト）	テキストデータ
ブール型（Boolean）	True, False	1バイト	真偽値
None型（Python特有）	None	0バイト	値が存在しないことを示す

補足説明¶

整数型：コンピュータのアーキテクチャによっては8バイトの場合もあります。
浮動小数点型：精度の違いにより、4バイト（単精度）の場合もあります。
文字列型：使用される文字エンコーディング（UTF-8, UTF-16など）によってサイズが変わります。
ブール型：言語や実装によっては1ビットで表現される場合もありますが、多くの場合1バイト使用します。
None型：Pythonの特殊な型で、他の言語ではnullやNULLとして知られることもあります。

1.3 型変換¶

データ型間の変換を行う操作。

例（Python）:

x = 5
y = float(x)  # 整数から浮動小数点数へ変換
z = str(x)    # 整数から文字列へ変換

2. 配列とリスト¶

2.1 配列¶

固定長の同じデータ型の要素の集合。

特徴:

サイズが固定
連続したメモリ領域に格納
インデックスによる高速アクセス

例（C言語）:

int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

2.2 リスト¶

可変長の要素の集合。多くの高級言語で使用される。

特徴:

サイズが可変
異なるデータ型の要素を格納可能（言語による）
動的なメモリ割り当て

例（Python）:

fruits = ["apple", "banana", "cherry"]
fruits.append("date")  # リストに要素を追加

2.3 配列とリストの操作¶

要素の追加、削除
要素へのアクセス
要素の検索
リストのソート

例（Python）:

numbers = [1, 3, 5, 2, 4]
numbers.sort()  # リストをソート
print(numbers)  # 出力: [1, 2, 3, 4, 5]

3. スタックとキュー¶

3.1 スタック¶

後入れ先出し（LIFO: Last In, First Out）のデータ構造。

主な操作:

push: 要素を追加
pop: 最後に追加された要素を取り出す

例（Python でのスタックの実装）:

class Stack:
    def __init__(self):
        self.items = []

    def push(self, item):
        self.items.append(item)

    def pop(self):
        return self.items.pop()

    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0

3.2 キュー¶

先入れ先出し（FIFO: First In, First Out）のデータ構造。

主な操作:

enqueue: 要素を追加
dequeue: 最初に追加された要素を取り出す

例（Python でのキューの実装）:

from collections import deque

class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = deque()

    def enqueue(self, item):
        self.items.append(item)

    def dequeue(self):
        return self.items.popleft()

    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0

4. 実践演習¶

4.1 リスト操作の演習¶

タスク: 以下の操作を行うPythonプログラムを作成してください。

空のリストを作成
リストに数字を5つ追加
リストの3番目の要素を出力
リストを逆順にソート
リストの最初の要素を削除
現在のリストを出力

4.2 スタックを使用した演習¶

タスク: スタックを使用して、括弧のバランスをチェックするプログラムを作成してください。入力文字列に含まれる括弧 '(', ')', '{', '}', '[', ']' のバランスが取れているかを確認します。

例:

"((()))" → バランスが取れている
"({[]})" → バランスが取れている
"({[}])" → バランスが取れていない

4.3 キューを使用した演習¶

タスク: キューを使用して、印刷ジョブのシミュレーターを作成してください。

ユーザーから印刷ジョブ（文書名）を入力として受け取る
ジョブをキューに追加
定期的に（例: 3秒ごとに）キューから1つのジョブを取り出し、「印刷中」と表示
キューが空になるまで続ける

5. まとめと次週への橋渡し¶

Week 2では、プログラミングの基礎となる重要なデータ構造について学びました。変数とデータ型の概念、配列とリスト、スタックとキューの特性と使用方法を理解することで、より効率的なプログラムを設計し実装する基礎が身につきました。

次週（Week 3）では、これらのデータ構造を活用した基本的なアルゴリズムについて学びます。探索アルゴリズム（線形探索、二分探索）やソートアルゴリズム（バブルソート、選択ソート、挿入ソート）、そして再帰の概念を学ぶことで、より複雑な問題解決に取り組む準備を整えます。

準備として、今週学んだデータ構造を使ったプログラムを自分で書いてみると良いでしょう。特に、リスト操作やスタック、キューの基本的な実装を復習しておくことをお勧めします。