Pythonの基礎 - タプルの作成と操作

概要

タプルとは、リストと同様に様々なデータの要素を格納して管理することができる。
リストと異なるのは、タプルは要素を後で追加・削除・変更することができないというのが特徴である。これをイミュータブル (不変) と呼ぶ。

タプルはイミュータブルであるため、以下に示すような特徴がある。

• ハッシュ可能であり、辞書のキーや集合の要素として使用できる。
• リストよりもメモリ効率が良い。
• 関数の戻り値として複数の値を返す際によく使用される。
• データの整合性を保証したい場合に適している。

タプルの定義

タプルを作成するには丸括弧 () を使用し、カンマで要素を区切る。

タプル名 = (要素1, 要素2, 要素3, ...)

また、空のタプルを作成するには、丸括弧 () のみで宣言する。

 t1 = (1, 3, 5, 3, 7, 5)
 t2 = 2, 7, 8, 3, 9, 1
 t3 = ()
 
 print(t1)
 print(t2)
 print(t3)
 
 # 出力
 (1, 3, 5, 3, 7, 5)
 (2, 7, 8, 3, 9, 1)
 ()

タプルの両端の丸括弧は省略できる。(ただし、空のタプルは除く)

タプルも要素にインデックスが割り当てられている。
このインデックスを使用して、要素を抽出・スライスすることができる。

 t = (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100)
 print(t[2])
 print(t[3:8])
 
 # 出力
 30
 (40, 50, 60, 70, 80)

負のインデックスを使用して、末尾から要素にアクセスすることもできる。

 t = (10, 20, 30, 40, 50)
 print(t[-1])   # 末尾の要素
 print(t[-2])   # 末尾から2番目の要素
 print(t[-3:])  # 末尾から3つの要素
 
 # 出力
 50
 40
 (30, 40, 50)

要素が1つだけのタプルを作成する場合、後ろにカンマを付けることでタプルと認識する。

 x = (200,)
 y = 300,
 z = (400)  # これはタプルではなく整数
 
 print(x)
 print(type(x))
 print(y)
 print(type(y))
 print(z)
 print(type(z))
 
 # 出力
 (200,)
 <class 'tuple'>
 (300,)
 <class 'tuple'>
 400
 <class 'int'>

タプルのメソッドと操作

タプルのメソッド (index関数とcount関数)

タプルには、index 関数 と count 関数がある。

index 関数は、指定した要素が最初に出現するインデックスを返す。
count 関数は、指定した要素がタプル内に何回出現するかを返す。

 t = (1, 2, 4, 6, 8, 5, 2, 7, 4, 4)
 print(t.index(2))  # 整数値2が最初に出現するインデックス
 print(t.count(4))  # 整数値4の出現回数
 
 # 出力
 1
 3

index 関数は、要素が見つからない場合に、ValueError 例外を発生させる。

 t = (1, 2, 3)
 # t.index(99)  # ValueError: tuple.index(x): x not in tuple

タプルの結合

タプルは要素の操作はできないが、タプル同士の結合を行うことができる。
以下の例では、2つのタプルのそれぞれの要素が、1つのタプルの要素として結合されている。

 t1 = (1, 2, 3)
 t2 = (10, 20, 30)
 print(t1 + t2)
 
 # 出力
 (1, 2, 3, 10, 20, 30)

タプルの繰り返し

* 演算子を使用して、タプルの要素を繰り返すことができる。

 t = (1, 2, 3)
 print(t * 3)

# 出力
(1, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2, 3)

タプルの要素としてリストを持つ場合

タプルの要素はリストを持つことができる。
タプルの要素としてリストを変更することはできないが、リストの中の要素の変更はすることができる。

 t = ([2, 4, 6], [1, 3, 5])
 # t[0] = 100  # TypeError: 'tuple' object does not support item assignment
 t[1][0] = 100
 print(t)

# 出力
([2, 4, 6], [100, 3, 5])

tuple関数でtuple型に変換する

tuple 関数を使用すると、他のイテラブルなデータ型からタプルを作成することができる。

 # リストからタプルへの変換
 lang = ["Python", "JavaScript", "Swift"]
 print(tuple(lang))
 
 # 文字列からタプルへの変換
 s = "Hello"
 print(tuple(s))
 
 # rangeからタプルへの変換
 r = range(5)
 print(tuple(r))

# 出力
('Python', 'JavaScript', 'Swift')
('H', 'e', 'l', 'l', 'o')
(0, 1, 2, 3, 4)

組み込み関数との併用

タプルは、様々な組み込み関数と併用することができる。

len関数

len 関数は、タプルの要素数を返す。

 t = (10, 20, 30, 40, 50)
 print(len(t))

# 出力
5

max関数とmin関数

max 関数 と min 関数は、タプルの要素の最大値と最小値を返す。

 t = (10, 50, 30, 20, 40)
 print(max(t))
 print(min(t))

# 出力
50
10

sum関数

sum 関数は、タプルの数値要素の合計を返す。

 t = (10, 20, 30, 40, 50)
 print(sum(t))

# 出力
150

sorted関数

sorted 関数は、タプルの要素をソートしたリストを返す。(タプルではなくリストが返される)

 t = (30, 10, 50, 20, 40)
 print(sorted(t))
 print(tuple(sorted(t)))  # タプルとして取得する場合

# 出力
[10, 20, 30, 40, 50]
(10, 20, 30, 40, 50)

in演算子

in 演算子を使用して、タプル内に特定の要素が含まれているかを確認できる。

 t = ("Python", "JavaScript", "Swift")
 print("Python" in t)
 print("Java" in t)
 print("Java" not in t)

# 出力
True
False
True

タプルのアンパッキング

タプルを使用すれば、複数の変数に1文で値を渡すことができる。

以下の例では、3つの値を持ったタプルと3つの変数を用意して、タプルを代入している。
変数のそれぞれの位置とタプルの値が対応しているのが分かる。(これをタプルのアンパックと呼ぶ)

いくつでも対応させることができるが、変数が多くなると可読性が落ちる。

 lang = ("Python", "JavaScript", "Swift")
 Py, JS, Sw = lang
 print(Py)
 print(JS)
 print(Sw)

# 出力
Python
JavaScript
Swift

アスタリスクを使用したアンパッキング

アスタリスク * を変数の前に付けることで、残りの要素をリストとして受け取ることができる。

 t = (1, 2, 3, 4, 5)
 first, *rest = t
 print(first)
 print(rest)
 
 *start, last = t
 print(start)
 print(last)
 
 first, *middle, last = t
 print(first)
 print(middle)
 print(last)

# 出力
1
[2, 3, 4, 5]
[1, 2, 3, 4]
5
1
[2, 3, 4]
5

変数の値の交換

タプルのアンパッキングを利用して、変数の値を簡単に交換することができる。

 a = 10
 b = 20
 a, b = b, a
 print(a)
 print(b)

# 出力
20
10

関数の戻り値としてのタプル

関数から複数の値を返す場合、タプルがよく使用される。

 def get_min_max(numbers):
    return min(numbers), max(numbers)
 
 result = get_min_max([3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6])
 print(result)
 
 min_val, max_val = get_min_max([3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6])
 print(min_val)
 print(max_val)

# 出力
(1, 9)
1
9

タプルの比較

タプルは辞書順 (レキシコグラフィック順序) で比較される。
最初の要素から順に比較し、異なる要素が見つかった時点で比較結果が決まる。

 print((1, 2, 3) < (1, 2, 4))
 print((1, 2, 3) < (1, 3, 2))
 print((1, 2) < (1, 2, 0))
 print((1, 2, 3) == (1, 2, 3))

# 出力
True
True
True
True

辞書のキーとしてのタプル

タプルはイミュータブル (不変) であるため、ハッシュ可能である。
これにより、タプルは辞書のキーや集合の要素として使用することができる。

リストはミュータブルであるため、辞書のキーとして使用できない。

 # タプルを辞書のキーとして使用
 location = {
    (35.6762, 139.6503): "Tokyo",
    (40.7128, -74.0060): "New York",
    (51.5074, -0.1278): "London"
 }
 
 print(location[(35.6762, 139.6503)])

# 出力
Tokyo

複数のキーを組み合わせて辞書にアクセスする場合にも便利である。

 # 複合キーとしての使用例
 sales = {
    ("2024", "Q1"): 1000,
    ("2024", "Q2"): 1500,
    ("2024", "Q3"): 1200,
    ("2024", "Q4"): 1800
 }
 
 print(sales["2024", "Q2"])  # 丸括弧は省略可能

# 出力
1500

ただし、タプルの要素にリスト等のミュータブルなオブジェクトが含まれている場合は、ハッシュ可能ではなくなるため、辞書のキーとして使用できない。

 # タプルの要素にリストが含まれている場合
 t = ([1, 2], [3, 4])
 # d = {t: "value"}  # TypeError: unhashable type: 'list'

名前付きタプル (namedtuple)

collections モジュールの namedtuple を使用すると、フィールド名でアクセスできるタプルを作成することができる。
通常のタプルはインデックスでしか要素にアクセスできないが、名前付きタプルは属性名でアクセスできるため、コードの可読性が向上する。

基本的な使い方

 from collections import namedtuple
 
 # 名前付きタプルの定義
 Point = namedtuple('Point', ['x', 'y'])
 
 # インスタンスの作成
 p = Point(10, 20)
 
 # フィールド名でアクセス
 print(p.x)
 print(p.y)
 
 # インデックスでもアクセス可能
 print(p[0])
 print(p[1])

# 出力
10
20
10
20

フィールド名の指定方法

フィールド名は、リスト、タプル、またはスペース区切りの文字列で指定できる。

 from collections import namedtuple
 
 # リストで指定
 Point1 = namedtuple('Point1', ['x', 'y'])
 
 # タプルで指定
 Point2 = namedtuple('Point2', ('x', 'y'))
 
 # スペース区切りの文字列で指定
 Point3 = namedtuple('Point3', 'x y')
 
 # カンマ区切りの文字列で指定
 Point4 = namedtuple('Point4', 'x, y')

名前付きタプルのメソッド

名前付きタプルには、いくつかの便利なメソッドがある。

_asdict メソッドは、名前付きタプルを辞書として返す。

 from collections import namedtuple
 
 Person = namedtuple('Person', ['name', 'age', 'city'])
 p = Person('Alice', 30, 'Tokyo')
 
 print(p._asdict())

# 出力
{'name': 'Alice', 'age': 30, 'city': 'Tokyo'}

_replace メソッドは、指定したフィールドの値を置き換えた新しい名前付きタプルを返す。(元のタプルは変更されない)

 from collections import namedtuple
 
 Person = namedtuple('Person', ['name', 'age', 'city'])
 p1 = Person('Alice', 30, 'Tokyo')
 p2 = p1._replace(age=31)
 
 print(p1)
 print(p2)

# 出力
Person(name='Alice', age=30, city='Tokyo')
Person(name='Alice', age=31, city='Tokyo')

_fields 属性は、フィールド名のタプルを返す。

 from collections import namedtuple
 
 Person = namedtuple('Person', ['name', 'age', 'city'])
 print(Person._fields)

# 出力
('name', 'age', 'city')

typing.NamedTupleを使用した型ヒント付きの名前付きタプル

Python 3.6以降では、typing.NamedTuple を使用して、型ヒント付きの名前付きタプルを定義できる。

 from typing import NamedTuple
 
 class Point(NamedTuple):
    x: float
    y: float
    label: str = "origin"  # デフォルト値を設定可能
 
 p = Point(1.0, 2.0)
 print(p)
 print(p.label)

# 出力
Point(x=1.0, y=2.0, label='origin')
origin

タプルとリストの使い分け

タプルとリストは似ているが、それぞれ適した用途がある。

タプルとリストの比較

特徴	タプル	リスト
変更可能性	イミュータブル (変更不可)	ミュータブル (変更可能)
メモリ効率	より効率的	やや非効率
辞書のキー	使用可能	使用不可
用途	固定データ、座標、レコード	動的なコレクション

タプルを使用すべき場面

• データが変更されるべきではない場合
• 辞書のキーや集合の要素として使用する場合
• 関数から複数の値を返す場合
• メモリ効率が重要な場合

リストを使用すべき場面

• データの追加、削除、変更が必要な場合
• 同種のデータのコレクションを扱う場合
• 順序付きのデータを動的に操作する場合