入力・出力・状態｜論理・アルゴリズム・情報の基礎

このページはプロモーション（広告）を含みます。

論理・アルゴリズム・情報の基礎（初級・読む25分＋演習35分）

この授業のゴール

• 手順を「入力・処理・出力」に分け、各部分の型（整数・文字列・リストなど）を言える
• 状態（呼び出しをまたいで残る値）と副作用（戻り値以外の変化）が、同じ入力でも結果を変える例を示せる
• 引数を書き換える関数と、書き換えずに新しい値を返す関数の違いを、実行結果で確かめられる
• 0と欠損（None）を区別し、集計結果にどう影響するかを数値で説明できる

仕事でどう使うか

「同じデータを入れたのに、昨日と今日で結果が違う」という問い合わせは、実務で最も多いものの1つです。原因の多くは、手順が入力以外の何か（前回の実行で残った値、書き換えられたデータ）に影響されていることです。入力・出力・状態を区別できると、再現できない不具合を整理できます。

この授業のゴールは、手順を見たときに、「この結果は入力だけで決まるのか、それとも状態に左右されるのか」を問えるようになることです。

前提

次の言葉と操作を使います。不安があれば先に戻ってください。

• 変数と代入、型（int、str、list、bool）→ 変数と代入、数値・文字列・真偽値
• 手順・分岐・繰り返しと追跡表 → 手順・分岐・繰り返し
• 欠損（値がない・不明）と0は別物であること → 数値・カテゴリ・日時・欠損
• 関数の書き方（def、引数、return）は、この授業で使いながら説明します。詳しくは 「関数と引数」（有料版） と 「戻り値と副作用」（有料版） で学びます。

コードは、画面内の 実行 ボタンで動かせます。実行前に結果を予想してください。

身近な状況：同じ3,000円の買い物なのに、2回目は500円高い

ネットショップが、「500円引きクーポン」を1人1回だけ使えるようにしました。担当者が次のプログラムを書きました。

used_coupon = False          # クーポンを使ったか（この値は、関数の外に残る）

def price_with_coupon(price):
    global used_coupon       # 関数の外の変数 used_coupon を書き換える宣言
    if not used_coupon:
        used_coupon = True
        return price - 500
    return price

print(price_with_coupon(3000))
print(price_with_coupon(3000))

1回目は2,500円、2回目は3,000円になります。入力はどちらも3,000円で同じなのに、出力が違います。理由は、関数の外にある used_coupon という値が、1回目の呼び出しで書き換えられ、2回目に影響したからです。

「1人1回」という仕様どおりに動いているなら、これは正しい動作です。しかし、この関数をテストするときや、別の人の注文に使うときは、前に誰が使ったかによって結果が変わってしまいます。同じ入力に同じ出力を返す関数ではないため、結果の再現も確認もしにくくなります。

この授業では、手順の中の「入力」「出力」「状態」を分けて見る方法を学びます。

直感的な説明：自動販売機は、お金・商品・在庫で動く

自動販売機で考えます。

• 入力：投入したお金と、押したボタン。
• 出力：出てくる飲み物と、お釣り。
• 状態：機械の中に残っているもの。在庫、投入済みの金額、お釣り用の硬貨の枚数。

同じ入力（120円を入れて、お茶のボタンを押す）でも、在庫が0なら飲み物は出ません。出力は、入力だけでなく状態にも左右されます。そして、1回買うと在庫が1本減ります。出力のほかに、状態も変わります。

プログラムの関数にも、2種類があります。

• 状態を持たない関数：同じ入力には、いつでも同じ出力を返す。計算機のようなもの。
• 状態を持つ手順：過去の呼び出しの結果が残り、同じ入力でも出力が変わる。自動販売機のようなもの。

状態を持つこと自体は悪くありません。注文の受付から配送までの流れは、状態の変化そのものです。大切なのは、状態がどこにあり、何が書き換えるのかを説明できることです。

たとえ話の限界：自動販売機の状態は目に見えますが、プログラムの状態（変数、書き換えられたリスト）は見えません。見えないものは、追跡表のように書き出して確かめます。

正確な定義：入力・出力・状態・副作用・純粋関数

用語を、正確に定義します。

• 入力：手順が受け取る値。関数では引数（ひきすう）。型（int、str、list など）を決めておく。
• 出力：手順が返す値。関数では戻り値（return で返す値）。return を書かない関数は None（何もない、という特別な値）を返す。
• 状態：手順の呼び出しをまたいで残る値。関数の外にある変数、リスト、ファイル、データベースの内容など。
• 副作用：戻り値以外に起きる変化。引数として渡されたリストを書き換える、画面に print する、外部の変数を書き換える、ファイルに書く、など。
• 純粋関数：同じ入力には必ず同じ出力を返し、副作用がない関数。状態に依存しないので、検査ケースで確かめやすい。

print と return の違いを、実行して確認します。print は画面に文字を出す副作用で、値を返しません。

def double_print(x):
    print(x * 2)

def double_return(x):
    return x * 2

a = double_print(5)
b = double_return(5)
print('a =', a, type(a).__name__)
print('b =', b, type(b).__name__)

a は None（型名 NoneType）、b は10（型名 int）です。double_print の結果は、画面に出ただけで、変数に入っていません。続けて a + 1 を計算すると、エラーになります。

0と欠損（None）の区別：0は「0という値がある」、None は「値がない・わからない」です。たとえば売上が「0円」の日と「入力されていない」日は別の意味なので、計算でも区別します。

手順を設計するときの整理表を作ると、見落としが減ります。

段階付き例題：ポイントカードを、書き換えずに更新する

問題：ポイントカードがあり、購入金額100円ごとに1ポイントが付きます（100円未満は切り捨て）。関数 add_points(card, amount) を作り、元のカードを書き換えずに、新しいカードを返してください。

ステップ1：入力と出力を決める。入力：card（辞書：owner は str、points は int）、amount（int：購入額・円）。出力：更新後の新しいカード（辞書）。

ステップ2：計算式を決める。付与ポイントは、amount を100で割った商です。Python では amount // 100 と書き、小数点以下を切り捨てた整数になります。たとえば 1250 // 100 は12、99 // 100 は0です。

ステップ3：書き換えずに返す。dict(card) で辞書のコピーを作り、コピーのほうの points を更新して返します。

def add_points(card, amount):
    new_card = dict(card)                          # コピーを作る
    new_card['points'] = card['points'] + amount // 100
    return new_card

card0 = {'owner': 'A', 'points': 20}
card1 = add_points(card0, 1250)
card2 = add_points(card1, 99)
print(card0)
print(card1)
print(card2)

ステップ4：追跡表で確認する。

card0 は20のまま変わりません。入力を書き換えていないので、card0 をもう一度使って別の計算をしても、結果が変わりません。

ステップ5：意味を言葉に戻す。「99円の買い物ではポイントが付かない」「元のカードは、更新の記録を残すため変えない」という2つの文が、出力と一致しています。状態の変化を、「古い状態から新しい状態を作る」形で書くと、各時点の状態が全部残り、後から追跡できます。

操作して理解する：注文の状態遷移を表にして、許されない出来事を見つける

注文には状態（ordered：注文済み、paid：支払済み、shipped：発送済み、delivered：配達済み、cancelled：取消、refunded：返金済み）があり、出来事（pay：支払い、ship：発送、deliver：配達、cancel：取消、refund：返金）で状態が変わります。許される組み合わせを表（辞書）にすると、許されない出来事を見つけられます。

TRANSITIONS = {
    ('ordered', 'pay'): 'paid',
    ('ordered', 'cancel'): 'cancelled',
    ('paid', 'ship'): 'shipped',
    ('paid', 'refund'): 'refunded',
    ('shipped', 'deliver'): 'delivered',
}

def next_status(status, event):
    return TRANSITIONS.get((status, event))     # 表に無い組み合わせは None

status = 'ordered'
for event in ['pay', 'ship', 'deliver', 'cancel']:
    new = next_status(status, event)
    print(f'{status:10} --{event}--> {new}')
    if new is not None:
        status = new
print('最終状態:', status)

実行する前に、最後の cancel がどうなるかを予想してください。答え：配達済み（delivered）の注文は、取消の出来事を受け付ける行が表に無いので、None が返り、状態は変わりません。最終状態は delivered です。

次に、自分で書き換えてみましょう。

1. イベントを ['pay', 'refund', 'ship'] にすると、最終状態は何ですか。
2. 表に ('shipped', 'refund'): 'refunded' を加えると、配送中の返金も扱えます。この変更で、何が起きやすくなるか考えてください。

答えは、(1) refunded（paid→refunded の後、ship は表に無いので無視される）、(2) 発送済みの商品の返金を許すと、商品の回収という別の業務が必要になる。状態遷移の表は、業務ルールそのものです。

注意：None を返して「許されない」を表す設計では、呼び出す側が None の確認を忘れて status = next_status(status, event) と書くと、状態が None に上書きされて失われます。上のコードのように確認しても、許されない出来事は黙って無視されるだけなので、気づきにくくなります。実務では、許されない出来事をエラーにして止めるか、ログに残す設計がよく使われます。

発展：状態を隠す設計・再現性・欠損の扱い

状態を引数に出す：関数が外部の変数に依存する代わりに、状態を引数と戻り値で受け渡す設計にすると、同じ入力に同じ出力を返す純粋な関数になります。例題の add_points がその形です。テストは簡単になりますが、状態の受け渡しを呼び出す側が管理する必要があります。

乱数の状態：乱数（ランダムな値）を使う手順では、乱数生成器が内部に状態を持ちます。同じ結果を再現するには、シード（乱数の出発点）を固定します。機械学習や統計の実験では、シードを記録しておくことが再現性の基本です。

ノートブックの隠れた状態：ノートブックは、セルの実行順序によって変数が残ります。セルを飛ばして実行したり、上のセルを書き換えたのに下のセルを再実行しなかったりすると、画面に見える順序と実行の順序が食い違います。結果を共有する前に、最初から全セルを順に実行し直して、同じ結果になるか確認します。

欠損の扱いは仕様で決める：欠損を0として扱うか、除いて計算するか、別の値で埋めるかは、指標の定義で決めます。どれを選んでも、選んだ理由と影響を記録してください。欠損を0にすると平均が下がることは、このあとの失敗3で確かめます。

同時実行：同じ状態を複数の処理が同時に書き換えると、順序によって結果が変わります。この授業の範囲を超えますが、業務システムで「二重登録」「在庫のずれ」が起きる原因の代表例です。

よくある失敗

失敗1：引数のリストを書き換えてしまい、2回目の結果が変わる

消費税10%を加える関数を、引数のリストを直接書き換える形で書いた例です。

def add_tax_wrong(prices):
    for i in range(len(prices)):
        prices[i] = prices[i] * 110 // 100     # 引数のリストを直接書き換える
    return prices

def add_tax_right(prices):
    return [p * 110 // 100 for p in prices]    # 新しいリストを作る

cart = [1000, 2000]
print(add_tax_wrong(cart))
print(add_tax_wrong(cart))
print('cart =', cart)

cart2 = [1000, 2000]
print(add_tax_right(cart2))
print(add_tax_right(cart2))
print('cart2 =', cart2)

誤った関数は、1回目が [1100, 2200]、同じ cart で2回目を呼ぶと [1210, 2420] になります。税込みが二重にかかり、cart 自体も書き換わっています。正しい関数は、何回呼んでも [1100, 2200] で、cart2 は元のままです。

直し方：入力のリストは書き換えず、新しいリストを作って返す。関数の中で prices[i] = ... や prices.append(...)、prices.sort() のような書き換えを見つけたら、引数を壊していないか確認します。

失敗2：デフォルト引数のリストが、呼び出しをまたいで共有される

cart=[] をデフォルト値にした関数は、予想外の状態を持ちます。

def add_item(item, cart=[]):
    cart.append(item)
    return cart

def add_item_right(item, cart=None):
    if cart is None:
        cart = []
    cart.append(item)
    return cart

print(add_item('りんご'))
print(add_item('みかん'))
print(add_item_right('りんご'))
print(add_item_right('みかん'))

誤った関数は、1回目は ['りんご']、2回目は ['りんご', 'みかん'] になります。2回目の呼び出しで cart を渡していないのに、1回目のりんごが残っているためです。デフォルト値のリストは、関数を定義したときに1度だけ作られ、以後の呼び出しで共有されます。

直し方：デフォルト値は None にし、関数の中で if cart is None: cart = [] と、呼び出しごとに新しいリストを作ります。詳しくは 「デフォルト引数」（有料版） で扱います。

失敗3：欠損（None）を0として扱い、平均が下がる

3日間の売上のうち、2日目は「入力されていない」（欠損）です。これを0にして平均を出した例です。

sales = [1000, None, 3000]       # None は「未入力」を表す
as_zero = [0 if v is None else v for v in sales]
print('欠損を0として平均:', round(sum(as_zero) / len(as_zero), 1))
known = [v for v in sales if v is not None]
print('欠損を除いて平均  :', round(sum(known) / len(known), 1))

欠損を0にすると、平均は1,333.3円。除いて計算すると2,000円です。実際に売上が0円だった日ならば、0を含めるのが正しいのですが、単に未入力だった日を0にすると、平均を実際より低く見せてしまいます。

直し方：0と欠損の意味を、データ辞書や指標の定義で決める。欠損を除く場合は、除いた件数も一緒に報告する（3件中2件で計算した、と書く）。

まとめ

• 手順は入力・出力・状態に分けて見る。同じ入力で出力が変わるなら、状態や副作用を疑う。
• 副作用（引数の書き換え、画面表示、外部変数の更新）を意識する。入力は書き換えず、新しい値を返す設計だと検査しやすい。
• print は画面に出すだけで、return が値を返す。return が無い関数は None を返す。
• 0と欠損は別物。欠損を0にすると平均が下がる。扱い方は指標の定義で決め、除いた件数も報告する。

用語

状態（state）

手順の呼び出しをまたいで残る値。外部の変数、リスト、ファイル、データベースの内容など。

副作用（side effect）

戻り値以外に起きる変化。引数の書き換え、画面への出力、外部の変数の更新など。

純粋関数（pure function）

同じ入力に必ず同じ出力を返し、副作用がない関数。

戻り値（return value）

関数が return で呼び出し元に返す値。return が無ければ None。

状態遷移（state transition）

出来事（イベント）によって、状態が別の状態に変わること。許される組み合わせを表で表す。

よくある質問

状態を持つ手順は避けるべきですか？

避ける必要はありません。注文の流れや在庫など、業務は状態の変化そのものです。大切なのは、状態がどこにあり、何がそれを書き換えるのかを説明でき、検査できることです。計算部分は純粋な関数にして、状態の更新は少数の場所にまとめると管理しやすくなります。

副作用は、すべて悪いものですか？

いいえ。画面への表示、ファイルへの保存、データベースの更新は、副作用がなければ成り立たない仕事です。問題になるのは、意図せず呼び出し元のデータが書き換わる場合です。副作用がある処理は、名前や説明で明示し、計算の部分と分けて書きます。

リストを書き換える `sort()` と、新しいリストを返す `sorted()` は、どう使い分けますか？

list.sort() は元のリストを並べ替え、None を返します。sorted(list) は元を変えず、並べ替えた新しいリストを返します。元の順序をあとで使うなら sorted を使います。x = x.sort() と書くと、x が None になる誤りが典型です。

0と欠損は、実務でどう区別して記録しますか？

データ辞書に「0は〜を意味する」「空欄は未入力を意味する」と書きます。システムによっては、欠損が空文字や -1 や 9999 のような特別な値で入ることがあります。集計の前に、値の分布を見て、特別な値が混じっていないか確認します。

ノートブックで結果が再現しないとき、何を確認しますか？

まず、カーネルを再起動して全セルを上から順に実行し直します。次に、乱数のシードが固定されているか、読み込むデータが同じか、ライブラリの版が同じかを確認します。セルの実行順や、前の実行で残った変数が原因のことが多いです。

状態遷移の表は、どこで使われますか？

注文、申請、チケットなど、状態が変わる業務で使います。状態の一覧と、許される出来事の組み合わせを表にすると、要件定義でのレビューが簡単になり、実装やテストの確認項目にもなります。許されない組み合わせの扱い（エラーか、無視か）も決めておきます。

確認問題

次に学ぶこと

次は 2進数・ビット・容量 で、コンピュータが値を2進数（0と1）で持つしくみと、容量の見積もりを学びます。この授業の「型」と「0と欠損」の話が、そのまま活きます。

関数の戻り値と副作用は 「戻り値と副作用」（有料版）、デフォルト引数の落とし穴は 「デフォルト引数」（有料版） で詳しく扱います。この授業の確認問題だけでモジュールの習得とはしません。ON06 の総合テストと、会員割引の条件を表で検証する自力課題で判定します。