【Python入門】データ管理の強力な味方！ set の使い方を機械学習講師が解説！

set とは？ Python のユニークなデータ構造を知ろう

set の基本概念と特徴

Python の set は、数学で扱う「集合」に似たデータ型で、特に以下の基本概念と特徴を持っています。

1. 重複しないデータ
   set は、重複する要素を持つことができません。リストやタプルと違って、同じ値が複数入っても 1 つにまとめられます。これにより、重複を自動的に排除したい場合に便利です。
2. 順序がない
   set の要素には順序がありません。リストのように要素の順番を気にしなくてもいいですが、インデックス（番号）でアクセスできないため、要素を取得する方法が少し違います。
3. 変更可能（ミュータブル）
   set の要素を追加したり削除したりできます。ただし、セットの中に入れる要素自体は変更できない（不変・イミュータブルな）データ型である必要があります。例えば、リスト（ミュータブル）は入れられませんが、タプル（イミュータブル）は入れることができます。（※リストやタプルについては、次節で説明しています。）

# 重複しないデータ
fruits = {"apple", "banana", "apple", "cherry"}
print(fruits) # 結果: {"apple", "banana", "cherry"}

list や tuple との違い

Python のデータ型である set 、 list 、 tuple にはそれぞれ異なる特徴と用途があります。以下に、 set と list 、 tuple の違いをまとめてみます。

1.重複の有無

• リスト（ list ）：重複した要素を持つことができます。例えば、 ［1, 2, 2, 3］ のように、同じ要素が複数回現れることが許されます。
• タプル（ tuple ）：リストと同様に、重複を許すデータ型です。例えば、 (1, 2, 2, 3) という形で重複が可能です。
• セット（ set ）：重複を許しません。 set に同じ要素が 2 つ以上入ることはなく、重複する要素は自動的に排除されます。例えば、 {1, 2, 2, 3} は実際には {1, 2, 3} として扱われます。

2.順序の有無

• リスト（ list ）：要素の順序が保持されます。リストに要素を追加した順番通りに保存され、アクセスもインデックス番号で行います。例えば、 my_list[0] でリストの最初の要素にアクセスできます。
• タプル（ tuple ）：タプルも要素の順序を保持します。インデックスを使ってmy_tuple[0]のようにアクセスできます。
• セット（ set ）：要素の順序は保証されません。 set の要素はランダムな順序で並ぶ可能性があるため、インデックスを使ったアクセスはできません。要素の順番が重要でない場合に使われます。
  

3.変更可能かどうか（ミュータブル/イミュータブル）

• リスト（ list ）：変更可能です（ミュータブル）。リストに要素を追加したり削除したり、特定の位置の要素を変更することができます。
• タプル（ tuple ）：変更不可能です（イミュータブル）。一度作成したタプルは変更できません。要素を追加したり削除したり、値を変更することはできません。
• セット（ set ）：変更可能です（ミュータブル）。要素の追加や削除が可能ですが、要素自体は変更不可能な（イミュータブル）オブジェクトである必要があります（数値や文字列など）。
  

4.使用目的やシチュエーション

• リスト（ list ）：順序が重要な場合や、データの追加や削除を頻繁に行う場面でよく使われます。例えば、順番に並んだタスクのリストや、注文の履歴などを扱うのに適しています。
• タプル（ tuple ）：変更する必要がないデータの集合を扱うときに使います。例えば、位置情報（緯度、経度のペア）や日付（年、月、日）など、一度設定したら変わらないものに適しています。
• set ：重複を排除したい場合や、順序が必要でないときに便利です。例えば、複数のデータセットの共通項や、ユニークな値だけを取り扱いたいときに有効です。
  

5.高速な集合演算

• セット（ set ）： set は、集合（数学的な意味での「集合」）の演算を高速に処理するのが特徴です。例えば、 2 つの set の和集合、積集合、差集合を簡単に求めることができます。 list や tuple ではこれを行うのは効率が悪い場合があります。

リスト（ list ）とタプル（ tuple ）、セット（ set ）の違い

set の作成方法

波括弧 {} を使った作成

波かっこ {} を使うと、簡単に set を作成することができます。波かっこの中に要素をコンマで区切って並べるだけです。

# 空でないsetを波かっこで作成
my_set = {1, 2, 3, 4}
print(my_set) # 結果: {1, 2, 3, 4}

# 重複した要素があっても、setでは重複が自動的に削除されます
my_set = {1, 2, 2, 3}
print(my_set) # 結果: {1, 2, 3}

set() 関数を使った作成

set() 関数を使うと、空の set を作成したり、リストやタプルなど他のデータ型を set に変換することができます。

# 空のsetを作成
empty_set = set()
print(empty_set) # 結果: set()

リストやタプルからの変換

set() 関数を使うと、リストやタプルなどのシーケンスから set を作成できます。これにより、リストやタプルの重複した要素を簡単に排除することができます。

リストから set 作成

my_list = [1, 2, 2, 3, 4]
my_set = set(my_list)
print(my_set) # 結果: {1, 2, 3, 4}

タプルから set 作成

my_tuple = (1, 2, 2, 3, 4)
my_set = set(my_tuple)
print(my_set) # 結果: {1, 2, 3, 4}

set の主要な操作

要素の追加（ add メソッド）

add() メソッドは、 set に新しい要素を 1 つ追加します。 list や tuple のように直接インデックスで追加するのではなく、集合に新しい要素を追加する形です。要素がすでにセットに含まれている場合は無視され、重複は発生しません。

my_set = {1, 2, 3}
my_set.add(4)
print(my_set) # 結果: {1, 2, 3, 4}

要素の削除（ remove , discard メソッド）

remove() メソッドは、 set から指定した要素を削除します。

my_set = {1, 2, 3}
my_set.remove(2)
print(my_set) # 結果: {1, 3}

もし指定した要素がセットに存在しない場合はエラー（ KeyError ）が発生します。

my_set.remove(4) # エラー: KeyError

discard() メソッドも set から要素を削除しますが、 remove() と違って、指定した要素が存在しなくてもエラーは発生しません。存在していれば削除し、存在しなければそのまま無視されます。

my_set = {1, 2, 3}
my_set.discard(2)
print(my_set)  # 結果: {1, 3}

my_set.discard(4)  # 存在しない要素を削除しようとしてもエラーは発生しない
print(my_set)  # 結果: {1, 3}

set の結合（ union メソッド）

union() メソッドは、 2 つ以上の set を結合して、新しいセットを作成します。結果として返されるセットには、すべての要素が含まれますが、重複した要素は 1 つだけ保持されます。

set1 = {1, 2, 3}
set2 = {3, 4, 5}
result_set = set1.union(set2)
print(result_set)  # 結果: {1, 2, 3, 4, 5}

result_set = set1 | set2
print(result_set)  # 結果: {1, 2, 3, 4, 5}

set の便利な使い方：重複排除

リストから重複を取り除く

リストには重複した要素が含まれることがありますが、 set を使うと重複を簡単に排除できます。 set は重複を許さないので、リストを set に変換することで重複した要素が自動的に削除されます。

# 重複を含むリスト
my_list = [1, 2, 2, 3, 4, 4, 5]

# リストをsetに変換して重複を排除
unique_set = set(my_list)

# 結果を再びリストに変換（元のリスト形式に戻す）
unique_list = list(unique_set)

print(unique_list)  # 結果: [1, 2, 3, 4, 5]

ユニークな値のカウント

set を使うと、リスト内のユニークな（重複しない）要素がいくつあるのかを簡単にカウントすることができます。 set の要素数がそのままユニークな要素の数を表します。

# 重複を含むリスト
my_list = [1, 2, 2, 3, 4, 4, 5]

# リストをsetに変換してユニークな要素のみを取得
unique_set = set(my_list)

# ユニークな要素の数を取得
unique_count = len(unique_set)

print(f"ユニークな要素の数: {unique_count}")  # 結果: ユニークな要素の数: 5

set の演算：数学的な集合操作を簡単に

和集合（ union ）

和集合は、 2 つ以上の set に含まれるすべての要素を結合し、重複を除いて 1 つのセットにまとめたものです。

# 2つのセットを作成
set1 = {1, 2, 3}
set2 = {3, 4, 5}

# 和集合を求める
union_set = set1.union(set2)

print(union_set)  # 結果: {1, 2, 3, 4, 5}

union_set = set1 | set2
print(union_set)  # 結果: {1, 2, 3, 4, 5}

差集合（ difference ）

差集合は、 1 つ目の set に含まれていて、 2 つ目の set には含まれていない要素だけを含む集合です。

# 2つのセットを作成
set1 = {1, 2, 3}
set2 = {3, 4, 5}

# 差集合を求める（set1 - set2）
difference_set = set1.difference(set2)

print(difference_set)  # 結果: {1, 2}

difference_set = set1 - set2
print(difference_set)  # 結果: {1, 2}

積集合（ intersection ）

積集合は、両方の set に共通して含まれている要素だけを含む集合です。

# 2つのセットを作成
set1 = {1, 2, 3}
set2 = {3, 4, 5}

# 積集合を求める
intersection_set = set1.intersection(set2)

print(intersection_set)  # 結果: {3}

intersection_set = set1 & set2
print(intersection_set)  # 結果: {3}

set を使った実践的な例：コードで学ぶ活用法

ユニークな単語の抽出

Python の set を使って、テキストからユニークな単語（重複しない単語）を抽出する実践的な例を紹介します。 set は重複を排除するデータ型なので、単語を重複なくリスト化したい場合に非常に便利です。

ステップ：

1. テキストを単語に分割する。
2. 単語を set に変換して、重複を排除する。
3. 必要に応じて、単語のリストに戻して表示する。

# テキスト
text = "Python is easy to learn. Python is powerful and fast."

# テキストを単語に分割 (スペースで分ける)
words = text.split()

# 小文字に変換して重複を無視する（"Python" と "python" を同じとみなす）
words = [word.lower().strip(".") for word in words]

# 単語のセットを作成して重複を排除
unique_words = set(words)

# 結果を表示
print(unique_words)    # 結果: {'learn', 'python', 'is', 'powerful', 'and', 'fast', 'easy', 'to'}

数字あてゲーム

Python の set を使って、簡単なゲームの例を作ってみましょう。ここでは、「数字当てゲーム」を紹介します。このゲームでは、プレイヤーが複数回入力した数字のうち、まだ出ていない数字を推測するゲームです。 set を使って、すでに入力された数字を管理し、重複しないように処理します。

ゲームのルール

1. プレイヤーは 1 から 10 までの数字を推測して入力します。
2. プレイヤーがすでに推測した数字は、 set を使って記録され、再度同じ数字を入力できないようにします。
3. プレイヤーがまだ入力していない数字を当てるまでゲームが続きます。

import random

# ゲームで使用するセット
all_numbers = set(range(1, 11))  # 1〜10までの数字のセット
guessed_numbers = set()  # プレイヤーが既に推測した数字を記録するセット

# ランダムにターゲット数字を選ぶ
target_number = random.choice(list(all_numbers))

print("1から10の数字を当ててください！")

# ゲームループ
while True:
    try:
        # ユーザーの入力を取得
        guess = int(input("数字を入力してください: "))

        # 入力が範囲外の場合のチェック
        if guess < 1 or guess > 10:
            print("1から10の数字を入力してください。")
            continue

        # 同じ数字を再入力していないかチェック
        if guess in guessed_numbers:
            print("その数字はもう推測しています！別の数字を選んでください。")
            continue

        # 新しい推測として記録
        guessed_numbers.add(guess)

        # 正解かどうかをチェック
        if guess == target_number:
            print(f"おめでとう！正解は {target_number} です！")
            break
        else:
            print("違います。もう一度試してください。")
            print(f"これまでに推測した数字: {guessed_numbers}")

    except ValueError:
        print("有効な数字を入力してください。")

コードの説明

• all_numbers セット： 1 から 10 までの数字を持つセットです。ゲームの範囲を定義しています。
• guessed_numbers セット：プレイヤーがすでに推測した数字を記録するためのセットです。重複する推測を防ぎます。
• random.choice() ： all_numbers からランダムに 1 つの数字を選び、プレイヤーが当てるべきターゲット数字を設定します。
• while True ループ：プレイヤーが正しい数字を当てるまでゲームが繰り返されます。
• 入力チェック：プレイヤーが 1 から 10 の範囲外の数字を入力した場合や、すでに入力した数字を再度入力した場合は警告メッセージが表示され、再入力を求められます。

こちらの数字あてゲームでは、 random モジュールが出てきていますが、 Python の random モジュールの使い方については、以下の記事を参考にしてみてください！

2024年9月5日

【Python 入門】ランダムな小数・整数を生成するためのPython randomモジュールの使い方

プレイの流れ

1. プログラムが「 1 から 10 の数字を当ててください！」と表示。
2. プレイヤーが数字を入力。
3. すでに推測した数字であれば、「その数字はもう推測しています！」と表示し、再入力を促す。
4. プレイヤーが正解すれば「おめでとう！正解は XX です！」と表示してゲーム終了。

set の注意点

Python の set は便利なデータ型ですが、使う際にはいくつかの注意点があります。これらのポイントを理解しておくと、思わぬエラーやパフォーマンス問題を避けることができます。 set を使用するときの重要な注意点をわかりやすく説明します。

要素の順序は保持されない

set は順序のないデータ型です。つまり、セット内の要素の順番は保証されません。要素を追加した順番通りには表示されないことが多いです。

重複した要素は自動的に排除される

set は重複する要素を持てません。もし同じ要素を 2 回追加しても、セットには 1 つだけしか残りません。

ミュータブルなオブジェクト（変更可能なオブジェクト）はセットに追加できない

set には変更可能なデータ型（リストなど）を要素として追加することができません。これは、 set がデータの一意性を保証するために、要素が変更されると一意性の管理が難しくなるからです。

要素のインデックスアクセスができない

set は順序がないため、インデックスを使って要素にアクセスすることができません。リストのように my_set[0] のように使おうとするとエラーになります。

集合演算に対する注意

set では、和集合、積集合、差集合などの集合演算が可能です。ただし、元のセットに影響を与えず、新しいセットを作成する場合は、 union() や intersection() のようなメソッドを使います。演算子（ | , & , - ）を使うと、結果が新しいセットとして返されますが、元のセットは変更されません。

set1 = {1, 2, 3}
set2 = {3, 4, 5}

# 新しいセットが返され、元のセットはそのまま
result_set = set1 | set2  # 和集合
print(result_set)  # 結果: {1, 2, 3, 4, 5}
print(set1)  # 元のセット: {1, 2, 3}

まとめ

最後までお読みいただき、ありがとうございました。
ここまで set の基本概念と特徴から、 set を使った実践的な例や注意点について学んできました。

ぜひ、ご自身でもサンプルの Python コードを Google Colaboratory 等にコピーしてみて、どのように動作するのか確認してみてください。
Google Colaboratory の使い方については、以下の記事を参考にしてみてください。

2021年7月13日

【Colab 入門】Google Colaboratory とは？使い方・メリットを徹底解説！

次のステップ：さらなる Python スキル向上のために

ここまで、 Python の set について学んできましたが、いかがでしたでしょうか？

さらに Python を学んでみたいという方は、ぜひキカガクの無料コースの受講をおすすめします！

また、今後 AI が必須のリテラシーとなる昨今、機械学習に興味のお持ちの方は、キカガクの長期コースの受講もおすすめです！
2024 年 10 月より、給付金が増えたことで、さらに受講しやすくなりました！