第9回アカデミックスキルII C言語(2) 変数の使い方と標準入力

1. このページの更新履歴
2. 円と球の公式を使って計算してみる(サンプルプログラム2-1)
3. sample2-1.cpp 解説
- 3.1. 算術演算ライブラリ <math.h> のインクルード
- 3.2. 演算子
4. 半径や円周率を変えてみる
5. 半径や円周率を変数を使って表現する(サンプルプログラム2-2)
6. sample2-2.cpp の解説
- 6.1. 変数の宣言
- 6.2. 変数の値を出力する
7. 標準入力から得られた値を使おう(サンプルプログラム2-3)
8. sample2-3.cpp の解説
- 8.1. C++ での標準入力
- 8.2. 半径と円周率を両方入力できるようにする
9. 「円筒」の表面積と体積を求めて表示させるプログラム
10. 「円錐」の表面積と体積を求めて表示させるプログラム

1 このページの更新履歴

2 円と球の公式を使って計算してみる(サンプルプログラム2-1)

ある半径に対して，円周の長さ，円の面積，球の表面積および体積を計算して表示させるプログラムを ~/cpp ディレクトリの下に sample2-1.cpp という名前で作り，コンパイル，実行してみよう．

Emacs を起動して ~/cpp/sample2-1.cpp というファイルを作成する(C-x C-f ~/cpp/sample2-1.cpp)
作成した sample2-1.cpp の中身を以下のように編集して保存する(C-x C-s)．なお，コピーした内容を Emacs バッファに貼り付けるには C-y.
コンパイルする Emacs 上で M-! (shell-command)とするか，端末上で(cd ~/cpp で ~/cpp ディレクトリに移動していた後で)以下を入力する
```
g++ sample2-1.cpp -o sample2-1.o
```

実行する端末や Emacs から sample2-1.o を実行してみよう．

./sample2-1.o

以下のような実行結果が表示されたかな？

     半径:12.34
     円周の長さ:77.4952
     円の面積:478.145
     球の表面積:1912.58
     球の体積:7867.09

3 `sample2-1.cpp` 解説

3.1 算術演算ライブラリ `<math.h>` のインクルード

3行目の

#include <math.h>

は，算術演算ライブラリを読み込んでいる．これにより, 12〜14行目で使う「べき乗関数」 pow(x,y) が利用できる．

3.2 演算子

11行目〜14行目は，乗算，除算，べき乗を使って，円周の長さ，円の面積，球の表面積および球の体積を，それぞれ，計算している．C++ には，標準で，以下のような基本的な算術演算子が用意されている．

演算子	意味	用例	評価結果( `int` 型)	評価結果( `double` 型)
`+`	加算	`123 + 45`	`168`	`168`
`-`	減算	`123 - 45`	`78`	`78`
`*`	乗算	`123 * 45`	`5535`	`5535`
`/`	除算	`123 / 45`	`2`	`2.73333`
`%`	剰余	`123 % 45`	`3`	エラー

さらに, <math.h> をインクルードすると, 以下のような算術演算子も利用可能になる．

演算子	意味	用例	結果
`pow`	べき乗	`pow(x, y)`	`x` の `y` 乗
`sqrt`	平方根	`sqrt(x)`	`x` の平方根
`exp`	指数	`exp(x)`	`x` の指数
`log`	自然対数	`log(x)`	`x` の指数
`sin, cos, tan`	三角関数	`sin(x), cos(x), tan(x)`	`x` の正弦，余弦，正接

4 半径や円周率を変えてみる

sample2-1.cpp を，以下のケースについて計算するように修正してみよう．

半径は 56.789 cm, 円周率は 3.141
半径は 43.21 cm, 円周率は 3.14159
半径は 3.14 cm, 円周率は 3.14

それぞれ, 以下のようなソースコードを書けばよさそうに思える．

しかし，この方法では，1., 2., 3. のそれぞれについて，ファイル内の全ての半径と円周率を修正しないといけない．特に， sample2-1-error3.cpp では 3.14 という値が半径なのか円周率なのか判らないため，このプログラムの「半径だけを 3.1 に修正」しようとするととても大変．このコードのようにたった16行程度なら可能かもしれないが，数百，数千行に渡るコードの中から修正すべきところを全部探すのは無理 (実際, 最初の2つのファイルには，それぞれ1つづつ間違いがある)．

5 半径や円周率を変数を使って表現する(サンプルプログラム2-2)

上述の半径や円周率のように，「何度も使う数値」や「何らかの意味がある数値」をシステマティックに取り扱うには，変数を使うのが一般的．

~/cpp/sample2-2.cpp というファイルを作り，その中に以下のソースコードを書き込んでコンパイル，実行してみよう．

6 `sample2-2.cpp` の解説

6.1 変数の宣言

8〜9行目：

double r = 12.34;    // 半径
double pi = 3.14;    // 円周率

は，それぞれ，倍精度実数(double)型の変数として r と pi の2つを宣言し，それぞれを 12.34 と 3.14 という値で 初期化 している．半径や円周率を変えたい場合は，これらの数値を修正するだけで，それ以外の部分には手をつける必要がない．

変数を宣言するには，

変数の型 変数名;

というセンテンスを用いる. n個の変数を同時に宣言する場合は，

変数の型 変数名1, 変数名2, ..., 変数名n;

のようにコンマで区切る．

宣言と同時に変数を 初期化 するには, = を使って

変数の型 変数名 = 値;
変数の型 変数名1 = 値1, 変数名2 = 値2, ..., 変数名n = 値n;

とする．「値」の部分は 3.14 のような定数でもよいし，既に定義された変数でもよい．例えば，

int a = 123;                  // 整数型変数 a を定義し, 123 で初期化
int b = a;                    // 変数型変数 b を定義し, a の値で初期化

とした場合, a の値も b の値も 123 となる．

一度宣言した変数に値を代入するには，

変数名 = 値;

というセンテンスを用いる. もともと値が格納されている変数に，値を代入すると，古い値は新しい値によって上書きされる．例えば，

int a = 123, b;                 // 整数型の変数 a, b を定義し, a の値を 123 で初期化
b = a;                          // b に a の値を代入する(bの値は 123 となる)
a = 456;                        // a に 456 を代入(古い値 456 は失われる)

とした場合, a の値は 456 となるが, b の値は 123 のままである．

変数の名前は，

半角英字(大文字と小文字は区別される)
半角数字(ただし，変数名の先頭には使えない)
半角アンダーバー(_)

の組み合わせで構成される．ただし，以下のようないくつかの単語には予め役割が与えられている(予約語 と呼ばれる)ため，変数名として使うことはできない(一部または全部を大文字とすればその限りではない)．


alignas, alignof, and, and_eq, asm, auto, bitand, bitor, bool, break, case, catch, char, char16_t, char32_t, class, compl, const, constexpr, const_cast, continue, decltype, default, delete, do, double, dynamic_cast, else, enum, explicit, export, extern, false, float, for, friend, goto, if, inline, int, long, mutable, namespace, new, noexcept, not, not_eq, nullptr, operator, or, or_eq, private, protected, public, register, reinterpret_cast, return, short, signed, sizeof, static, static_assert, static_cast, struct, switch, template, this, thread_local, throw, true, try, typedef, typeid, typename, union, unsigned, using, virtual, void, volatile, wchar_t, while, xor, xor_eq

変数の型には，整数型(int), 単精度実数型(float), 倍精度実数型(double), 文字型(char)などがある．本講義で主に用いるのは, 整数型(int) と 倍精度実数(double) だ．

変数には，宣言された時に指定された型の値しか格納できない. int 型の変数は 3.14 という「実数」を格納できないし， double 型の変数は 3 という「整数」を格納できない． C++では，宣言時の型と異なる型が代入された時には 暗黙の型変換 が行なわれる．例えば，

int 型の変数 a に実数 3.14 を代入する(int a=3.14)と, 実数 3.14 が整数 3 に変換された上で a に代入される(int a=3と同じ)．
double 型の変数 b に整数 3 を代入する(double b = 3)と, 整数 3 が倍精度実数 3.00000000... に変換された上で b に代入される(double b = 3.0と同じ)．

といった変換が行なわれる．暗黙の型変換は，直感に反しないように設計されているが，どのような処理が行なわれているかを正確に把握するまでは，無闇に使わない方がよい．

6.2 変数の値を出力する

変数を使わないコード sample2-1.cpp の 10〜14行目：

cout << "半径: " << 12.34 << " 円周率: " << 3.14 << endl;
cout << "円周の長さ:" << 2.0 * 3.14 * 12.34 << endl;
cout << "円の面積:" << 3.14 * pow(12.34, 2.0) << endl; // pow(x,y) は x の y 乗を返す
cout << "球の表面積:" << 4.0 * 3.14 * pow(12.34, 2.0) << endl;
cout << "球の体積:" << 4.0/3.0 * 3.14 * pow(12.34, 3.0) << endl;

に対して，変数を使ったコード sample2-2.cpp の 11〜15行目：

cout << "半径: " << r << " 円周率: " << pi << endl; // 半径と円周率を表示
cout << "円周の長さ:" << 2.0 * pi * r << endl;      // 円周率×直径
cout << "円の面積:" << pi * pow(r, 2.0) << endl;    // 円周率×半径の2乗
cout << "球の表面積:" << 4.0 * pi * pow(r, 2.0) << endl; // 4×円周率×半径の2乗
cout << "球の体積:" << 4.0/3.0 * pi * pow(r, 3.0) << endl; // 4/3×円周率×半径の3乗

では，半径の数値(12.34)の代わりに r を，円周率の数値(3.14)の代わりに pi を使っている．こうすることで，以下のようなメリットがある：

半径や円周率が代わっても, 計算部分はまったく 変更する必要がない.
公式の表現に近い表現を使うことができ，コードが 読み易くなる.

これらの点は，単にコーディングを容易にするだけでなく， ソースコードの保守 を確実に行う上でも，極めて重要である．

7 標準入力から得られた値を使おう(サンプルプログラム2-3)

変数を使うことで，半径を色々変えて円周長，円の面積，球の表面積，球の体積を計算してみたい場合でも，ソースコードの中で，その変数に与える値の部分を修正するだけで対応できる．しかし，計算すべき半径が 100通りある場合，それぞれに対してソースファイルを作ってコンパイル+実行しなければならない．そこで, プログラムの実行中にユーザーが半径を入力 できるようにしてみよう．

~/cpp/sample2-3.cpp というファイルを作り，その中に以下のソースコードを書き込んでコンパイル，実行してみよう．

こうすれば，半径が 12.34 でも 567.89 でも 3.14 でも，プログラムそのものを一切修正することなく計算できる．

8 `sample2-3.cpp` の解説

8.1 C++ での標準入力

C++ でプログラム実行中にキーボードから値を入力させるには，標準入力ストリームを用いる．
標準入力ストリームは std::cin という名前で <iostream> ライブラリ内に定義されている．
入力ストリームから変数に値を渡すには，入力演算子 >> を用いて，
```
  入力ストリーム >> 変数
```
とする．
sample2-3.cpp の12行目：
```
cin >> r;                   // 標準入力 cin から半径を得る
```
では，標準入力 cin (4行目で名前空間を宣言してるので std:: は省略可能)から，半径を表す変数 r に値を渡している．

8.2 半径と円周率を両方入力できるようにする

sample2-3.cpp の11〜12行目を

cout << "半径と円周率を入力して下さい: ";
cin >> r >> pi;               // 標準入力 cin から半径を得る

と修正すれば，半径に続けて円周率も入力できるようになる．キーボードから複数の値を入力する場合は，スペースもしくは改行で区切る．

9 「円筒」の表面積と体積を求めて表示させるプログラム

sample2-3.cpp をベースにして, 円筒の「底面の半径」と「高さ」を入力させ，その表面積と体積を表示させるプログラムを作ってみよう．ヒントは以下の通り：

円筒の体積は「底面の面積」×「高さ」に等しい．
円筒の表面積は「底面の面積」 × 2 + 「側面の面積」に等しい．
円筒の「側面の面積」は「底面の円周長」×「高さ」に等しい．

簡単すぎる？じゃぁ, 円錐ではどうだろう？

10 「円錐」の表面積と体積を求めて表示させるプログラム

円錐の「底面の半径」と「高さ」を入力させ，その表面積と体積を表示させるプログラムを作ってみよう．まずは ヒント無し で作ってみよう!

ヒントを見るには↓にスクロール．

円錐の体積は「底面の面積」×「高さ」÷3 に等しい．
円錐の表面積は「底面の面積」+「側面の面積」に等しい．
円錐の側面は扇形になり，その半径は「底面の半径」と「高さ」の 二乗和平方根 に，中心角は「底面の円周」÷「扇形の半径」に，面積は「中心角」×「半径の二乗」÷2に等しい．
C++ で 平方根 を表現するには, <math.h> ライブラリに含まれる sqrt 関数を使う. sqrt(x) は x の平方根を返す．

例えば，円周率, 底面の半径，円錐の高さ，円錐の側面(扇形)の半径, 中心角および面積を，それぞれ，

double pi;                      // 円周率
double r, h;                    // 底面の半径, 円錐の高さ
double R, theta, S;             // 側面(扇形)の半径, 中心角, 面積

と定義しておいた場合，円錐の側面の扇形の半径, 中心角および面積は以下のように計算できる(ハズ)：

R = sqrt( pow(r,2.0) + pow(h, 2.0)); // 側面(扇形)の半径は
                                     // 「底面の半径」と「円錐の高さ」の二乗和平方根に等しい
theta = 2.0 * pi * r / R; // 側面(扇形)の中心角は「底面の円周」÷「側面の半径」に等しい
S = theta * pow(R,2.0)  / 2.0; // 側面(扇形)の面積は「中心角」×「半径の二乗」÷ 2に等しい

第9回 アカデミックスキルII C言語(2) 変数の使い方と標準入力

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