Pythonの基礎・制御構文で図形を描いてみよう

制御構文とは

プログラムの実装には 「繰り返し」や「条件分岐」と呼ばれる制御が用いられ， これらを記述するための命令文が 制御構文 です． Pythonでは，「繰り返し」を記述するための命令文が for文であり， 「条件分岐」を記述するための命令文が if文 です． Turtleグラフィックスに制御構文を組み合わせることで， より複雑な図形を描画することが可能です． ここでは，渦巻状の図形や円の描画に挑戦してみましょう．

Google Colaboratory

下記のリンクをクリックして，Colabにアクセスしましょう．

Google Colaboratory

Colabにアクセスしたら，大学のGmailアカウント（@g.sugiyama-u.ac.jp）でログインしていることを確認してください． 次に，ノートブック（ファイル）を新規作成し，ノートブックの名前を chapter2.ipynb に変更しましょう．

加えて，前回と同様に，ColabTurtleとインストールしておきます． このとき，算術計算のためのライブラリである math も追加しておきます．

!pip install ColabTurtle
from ColabTurtle.Turtle import *
import math

for文で繰り返し

for文の記述方法

for文は特定の処理を指定した回数だけ繰り返したいときに用います． このとき，繰り返しの対象となる処理は，forの位置から，字下げ する必要があります． Colabで字下げするには，キーボードの Tabキー を押します．

for i in range(繰り返す回数):
	繰り返す対象となる処理

for文を利用した描画

ここでは，亀を$50$だけ直進させる処理（forward(50））を，10回繰り返します． この結果，亀は初期値の座標$(100, 250)$から$500$だけ右に移動した座標$(600, 250)$に移動します．

initializeTurtle()

penup()

goto(100, 250)
right(90)

pendown()

for i in range(10):
  forward(50)

penup()

for文で用いられるiは，繰り返しの回数を表し，ここでは，$0$から$9$まで変化します． そこで，このiを利用して，亀の進む距離を変化させます． 亀の進む距離はdistanceという変数に代入（値を設定すること）します． 変数とは数値や文字を記録する箱のことであり，ここでは次のように処理しています． これは，distanceという変数に，$10 \times (i+1)$の値を代入することを意味しています． iは$0$から$9$まで変化するため， distanceは$10$から$100$まで変化することになります． この結果，亀は初期値の座標$(100, 250)$から$550$だけ右に移動した座標$(650, 250)$に移動します．

distance = 10 * (i+1)

initializeTurtle()

penup()

goto(100, 250)
right(90)

pendown()

for i in range(10):
  distance = 10 * (i+1)
  forward(distance)

penup()

渦巻状の図形の描画

for文を利用して，渦巻状の図形を描いてみましょう． ここでは，亀を進行方向に直進させて，右向きに$90$度回転させる処理を，20回繰り返しています． このとき，亀の進む距離は$20$から$400$まで変化させています． この結果，渦巻状の図形を描くことになります．

initializeTurtle()

penup()

goto(400, 250)
right(90)

pendown()

for i in range(20):
  distance = 20 * (i+1)
  forward(distance)
  right(90)

penup()

円の描画

for文を利用して，円を描いてみましょう． ここでは，iは角度を表し，$0$度から$359$度まで変化させています． Pythonでは，角度はラジアン角で表すため，次の式で変換し，rに代入しています．

r = 2 * math.pi * (i / 360)

上記の式をmath.radians()関数で表すこともできます．

r = math.radians(i)

円のX座標は，中心のX座標（center_x）と，半径（radius）に余弦（cos）をかけ合わせた値の和となります． 同様に，円のY座標は，中心のY座標（center_y）と，半径（radius）に正弦（sin）をかけ合わせた値の和となります．

x = center_x + radius * math.cos(r)
y = center_y + radius * math.sin(r)

算出された座標$(x,y)$にgotoで亀を移動させることで円を描きます（亀の向きは関係ない）． ここで，speedは亀の動きが更新される速さです． 各自の環境に合わせ適宜調整してください．

center_x = 400
center_y = 250
radius = 200

initializeTurtle()
speed(10)
penup()

for i in range(360):
  r = math.radians(i)
  x = center_x + radius * math.cos(r)
  y = center_y + radius * math.sin(r)
  goto(x, y)
  pendown()

penup()

if文で条件分岐

if文の記述方法

if文は条件に応じて，実行したい処理を選択するときに用います． 条件は，次の表に示す比較演算子と呼ばれる記号を用いて 条件式と呼ばれる形式で記述します． 条件式の結果は，必ずTrue（真）またはFalse（偽）のいずれかの値となります．

if文は条件式を用いて次のように記述します． 条件式がTrueのときだけ，対象となる処理は実行されます． また，対象の処理は，ifの位置から，字下げ する必要があります．

if(条件式):
	条件式がTrueのとき実行される処理

次の記述のようにelseを利用して，条件式がFalseの場合にも，特定の処理を実行することができます． 条件式はTrueまたはFalseの2値のため，いずれかの処理が必ず実行されることに注意してください．

if(条件式):
	条件式がTrueのとき実行される処理
else:
	条件式がFalseのとき実行される処理

次の記述のようにelifを利用して，複数の条件式を設定して分岐を増やすことができます． このとき，elseは省略することもできます．

if(条件式1):
	条件式1がTrueのとき実行される処理
elif(条件式2):
	条件式2がTrueのとき実行される処理
else:
	いずれの条件式も満たさないとき実行される処理

if文を利用した描画

if文を利用して，円に色を設定してみましょう． ここでは，亀のX座標（getx）を条件式に用いています（Y座標を取得するにはgety）． $x$座標が$400$以上のときは赤色． $x$座標が$400$より小さいときは青色で描画しています．

center_x = 400
center_y = 250
radius = 200

initializeTurtle()
speed(10)
penup()

for i in range(360):

  if(getx() >= 400):
    color("red")
  else:
    color("blue")

  r = math.radians(i)
  x = center_x + radius * math.cos(r)
  y = center_y + radius * math.sin(r)
  goto(x, y)
  pendown()

penup()

if文を利用して，渦巻状の図形に色を設定してみましょう． ここでは，亀の進行方向（heading）を条件式に用いています． 進行方向が上（$270$度）のとき黄色． 進行方向が右（$0$度）のとき赤色． 進行方向が下（$90$度）のとき青色． 進行方向が左（$180$度）のとき緑色で描画しています．

まずは，heading()が亀の進行方向を表していることを確認してみましょう．

initializeTurtle()

print(heading()) # 上

right(90)
print(heading()) # 右

right(90)
print(heading()) # 下

right(90)
print(heading()) # 左

270
0
90
180

それでは，亀の進行方向に応じて色を変えてみます．

penup()

goto(400, 250)
right(90)

pendown()

for i in range(20):

  if(heading() == 0):
    color("red")
  elif(heading() == 90):
    color("blue")
  elif(heading() == 180):
    color("green")
  elif(heading() == 270):
    color("yellow")

  distance = 20 * (i+1)
  forward(distance)
  right(90)

penup()

課題

下図を参考に渦巻状の三角形の図形を描いてください． また，進行方向を条件に赤色，青色，緑色に直線を塗り分けてください．

課題が完成したら，Google Colaboratoryで作成した chapter2.ipynb を保存し， 共有用のリンク と ノートブック（.ipynb） をダウンロードして提出してください． 提出の前に必ず下記の設定を行ってください．

• ノートブックの設定で「セルの出力を除外する」のチェックを外す
• ノートブックの変更内容を保存して固定
• 共有設定で「学校法人椙山女学園大学」を「閲覧者」に設定

参考図書