大気科学演習１

シェルスクリプト

• 全部の問題を解かなければならないというものではありません．
• とばしてもよいと思う問題には「＃」を付けています．
• 難しいと思う問題には「％」を付けています．
• かなり難しい問題も混ざっています．
• できる人はいろいろやってみてください．
• それ以外の人は，できる範囲でやってみてください．

練習問題２ー１

FizzBuzz (フィズバズ)

• 数字を１から順番に１ずつ増やしていく
  • ３の倍数は「Fizz」と表示
  • ５の倍数で「Buzz」と表示
  • ３と５両方の倍数は「FizzBuzz」と表示
  • ３の倍数でも５の倍数でもないときは数字を表示

以下のような感じで表示されたらよい．

1 
2 
Fizz
4
Buzz
Fizz
7 
8 
Fizz
Buzz
11
Fizz
13
14 
FizzBuzz
16
...

とりあえず，20くらいまで表示してみる．

ヒント１

• 最初は1から20の数字を順番に表示してみる
  • while を使えばよい
  • for を使ってもできる
• 次に，3の倍数のとき Fizz と言わせる
  • if を使う
  • i が3で割り切れるかどうかの判定は，$(( i % 3 )) を使う

ヒント２

• $(( i % 3 )) は変数 i を 3 で割った余り
  • 変数 i が 3 の倍数なら，3 で割り切れる(余りは 0)
  • 変数 i が 3 の倍数でないなら，3 で割り切れない(余りは 0 にならない)
• 3 の倍数のとき Fizz と言わせる

if [ $(( i % 3 )) -eq 0 ]; then
    echo Fizz
fi

ヒント３

• 3の倍数かどうかの次は，5の倍数であるかどうかで分ける
  • 3の倍数 かつ 5の倍数　　　　　　　FizzBuzz
  • 3の倍数 かつ 5の倍数でない　　　　Fizz
  • 3の倍数でない かつ 5の倍数　　　　Buzz
  • 3の倍数でない かつ 5の倍数でない　数字

ヒント４

3の倍数かどうかで場合分けした後，5の倍数かどうかで場合分けする場合

if [ $(( i%3 )) -eq 0 ]; then
    if [ $(( i%5 )) -eq 0 ]; then
        echo FizzBuzz
    else
        echo Fizz
    fi
else
    if [ $(( i%5 )) -eq 0 ]; then
        echo Buzz
    else
        echo $i
    fi
fi

if [ $(( i%5 )) -eq 0 ]; then が２回出てきてダサいけど，ちゃんと動作する．

やり方はいろいろ

• 3 の倍数でも 5 の倍数でもないときに数字をつぶやく

if [ $(( ( i % 3 )*( i % 5 ) )) -ne 0 ]; then
    echo $i
fi

これを使うと，

#!/bin/bash
i=0
while [ $i -lt 20 ]; do
  i=$(( i + 1 ))
  if [ $(( ( i % 3 ) )) -eq 0 ]; then
      echo -n Fizz
  fi
  if [ $(( ( i % 5 ) )) -eq 0 ]; then
      echo -n Buzz
  fi
  if [ $(( ( i % 3 )*( i % 5 ) )) -ne 0 ]; then
      echo -n $i
  fi
  echo
done

ゆっくりにする

もっとたくさん，たとえば100まで表示してみることにする． 普通にスクリプトを書くと一瞬で100まで表示されてしまう． あんまり速いと楽しくないので，sleep というコマンドを使ってみる． sleep は後ろに数字をひとつ書いて使う． 後ろに書いた数字の秒数だけ，処理を停止する． 例えば，

sleep 2

とすると，2秒間停止する(2秒も停止させたら鬱陶しくなるので数字は適当に調整しましょう)．

＃練習問題２ー１a

世界のナベアツ

３の倍数と３のつく数字ではアホになる．

1 
2 
AHO
4
5
AHO
7 
8 
AHO
10
11
AHO
AHO
14
AHO
16
...

ヒント

変数 text に文字列 word が含まれるかどうか調べる

if [ $( echo $text | grep $word ) ]; then
    echo 'found'
  else
    echo 'not found'
fi

＃練習問題２ー２

月の日数を答える

• 年と月を入力すると，その月の日数を表示する　（例：1502年1月 -> 31日，1585年4月 -> 30日）
  • 閏年を考慮する
  • 存在しない月が入力されたときの処理をちゃんとする

ヒント

• 入力された年と月を読み込んで，それぞれを変数 year と month に代入する

echo Enter year
read year
echo Enter month 
read month

• 入力された月が 1-12 月の間でない場合は終了する

if [ $month -lt 1 ]; then
    echo $month is invalid
    exit
fi
if [ $month -gt 12 ]; then
    echo $month is invalid
    exit
fi

• 入力された月に合わせて日数を表示する
  • ２月以外は年をみなくてもよい
  • ２月は年をみて閏年であるかどうかを判定する

グレゴリオ暦

• 4で割り切れる年は閏年
• ただし，100で割り切れるが400で割り切れない年は平年とする

グレゴリウス13世

Gregorius XIII, 1502年1月7日 - 1585年4月10日． 第226代ローマ教皇(在位：1572年-1585年)． 1582年にグレゴリオ暦を採用．

グレゴリウス13世（Wikipedia）

＃％練習問題２ー２a

曜日判定

• 年月日を入力すると，曜日を表示する
  • 閏年を考慮する
  • 存在しない年月日が入力されたときの処理をちゃんとする

cal コマンド

カレンダーを表示する cal というコマンドがあるので，それを使って正しく曜日判定できているかどうか確認することができる．使い方は，

$ cal 12 1867
   December 1867      
Su Mo Tu We Th Fr Sa  
 1  2  3  4  5  6  7  
 8  9 10 11 12 13 14  
15 16 17 18 19 20 21  
22 23 24 25 26 27 28  
29 30 31              

坂本龍馬が暗殺された1867年12月10日は火曜日(当時は曜日とか使ってないので曜日がわかっても意味ないけど)．

＃％練習問題２ー２b

カレンダー

• 年月を入力すると，カレンダーを表示する
  • 存在しない年月日が入力されたときの処理をちゃんとする

---------------------------
2020.10
---------------------------
Sun Mon Tue Wed Thu Fri Sat
                      1   2
  3   4   5   6   7   8   9
 10  11  12  13  14  15  16
 17  18  19  20  21  22  23
 24  25  26  27  28  29  30
 31
---------------------------

余談

毎月22日はショートケーキの日．

練習問題２ー３

素数判定

• 入力された数字が素数であるかどうか判定する
• 知らない人はいないと思うけど，念のため　素数（Wikipedia）

ヒント１

• 数 n が素数であるなら，それは 1 と n 以外では割り切れない
  • 1 で割り切れることは自明
  • n で割り切れることも自明
  • n+1 以上の数で割り切れないことも自明
  • すなわち，2 から n-1 の間にある数で割り切れないことを示せばよい
• 2 から n-1 の間にある数で割り切れるかどうか，ひとつずつ調べたらよい
  • ちょっと頭を使ったら，2 から n-1 の間にある全ての数について調べる必要はないとわかる
  • が，調べてはいけないということではない
• 「頭良さそうなスクリプト」を書こうとして書けないよりは，「無駄が多くてダサいけど動くスクリプト」を書く方がよい

ヒント２

• 2 から n-1 までの数字を順番に表示する（練習問題１−１）

i=2
while [ $i -le $(( n - 1 )) ]; do
    echo $i
    i=$(( i + 1 ))
done

ヒント３

• 2 から n-1 までの数字で順番に n を割り算した余りを表示する

i=2
while [ $i -le $(( n - 1 )) ]; do
    echo $(( n % i ))
    i=$(( i + 1 ))
done

ヒント４

• n が素数なら，ヒント３で表示された数字の中に 0 はない
• n が素数でないなら，ヒント３で表示された数字の中に 0 がある

＃練習問題２ー３a

素数探索

• 入力された数字よりも小さい素数を全て表示する

ヒント

• 少ない計算量で素数を探索する方法というものは存在しているが，そういう頭のいいスクリプトを書かなければならないということは全くありません
• まずは，無駄が多くてもよいので，正しく動作するスクリプトを書くのがよいです
  • もちろん，書ける人は最初から賢いスクリプトを書いてもよいです
• 正しく動作するスクリプトが書けたら，無駄がないか考えて，無駄があれば修正する方法を考えましょう
• いちおう参考までに
  • エラトステネスの篩（Wikipedia）

＃練習問題２ー３b

素因数分解

• 入力された数字を素因数分解する
• 知らない人はいないと思うけど，念のため　素因数分解（Wikipedia）

＃％練習問題２ー４

スクリプトに引数 m を渡して，次の数列を計算させる \[ X_{0} = X_{1} = \cdots = X_{m-2} = 0, \ X_{m-1} = 1 \] \[ X_{n+m} = X_n + X_{n+1} + \cdots + X_{n+m-1} \ \ \text{for} \ \ n \ge 0 \]

練習問題２ー５

アメダスのデータから年平均気温を計算する．

• 岡山で観測された気温のデータは以下のディレクトリにある

/home/atmos/ipesc/sample/amedas

• データは年ごとに分けられている
  • ファイル名に入っている４桁の数字が年を表す
• cat や less を使って中を見たら，「,」で区切られたファイルであるとわかる
• 日付，日平均気温，日最高気温，日最低気温，以上４つが書かれている

ヒント

• シェルスクリプトでファイルを１行ずつ読み込む方法はシェルスクリプトを書いてみる3に書いてある
• 日平均気温の年平均を計算するなら，「,」で区切られた２列目の数字の平均を計算したらよい
• 「,」で区切られた文字列が格納されている変数 x から，２列目を取り出して変数 y に格納する
  • 以下には awk というコマンドを使って２列目を取り出す方法を書いたが，他のコマンドを使ってもできるし，他のコマンドを使ってもよい
  • ２列目を取り出すだけなら，２つ目のパイプ「|」の後に書いた awk '{print $1}' は不要なのだが，データに付いている品質管理の記号を取り除くために書いてある
    • 2021年とか2019年のデータには記号が付いているものがあるので，探してみるといいかも

y=$( echo $x | awk -F ',' '{print $2}' | awk '{print $1}' )

• 小数の演算は bc コマンドを使ってください
  • １行目は，変数 x と変数 y を足して変数 z に格納する
  • ２行目は，変数 sum を変数 num で割り算して，変数 average に格納する
    • scale は小数点以下の桁数を指定する
    • scale で指定しないとき，割り算は小数点以下を表示しない

z=$( echo "$x + $y" | bc )
average=$( echo "scale=2; $sum / $num" | bc )

欠測

1945年の６月と７月の気温は欠測になっている． 1945年のデータを処理するためには，欠測の場合の処理を入れる必要がある．

答え合わせ

2018 16.32
2019 16.58
2020 16.56
2021 16.46
2022 16.49

＃練習問題２ー５ａ

アメダスのデータから日最高気温の年平均を計算する．

ヒント

• 日最高気温は「,」で区切られた３列目

答え合わせ

2018 21.58
2019 21.82
2020 21.91
2021 21.84
2022 21.93

＃練習問題２ー５ｂ

アメダスのデータから日最低気温の年平均を計算する．

ヒント

• 日最低気温は「,」で区切られた４列目

答え合わせ

2017 11.22
2018 11.80
2019 12.04
2020 11.98
2021 11.81
2022 11.84

＃練習問題２ー５ｃ

1891年から2021年までの期間について，岡山の年平均気温を計算する．

ヒント

• 年を変数にして，年を１つずつ増やしながら，年平均気温の計算を繰り返したらよい
• 1945年は欠測があってちょっと面倒なので，1945年以外が処理できたらよいものとする
  • 余裕がある人は欠測のあるデータも処理できるようにする

ヒント２

• 1891年から2020年まで，データファイルを順番に指定する

DATADIR=/home/atmos/ipesc/sample/amedas
for YYYY in $( seq 1891 2020 ); do
   DATAFILE=${DATADIR}/Okayama_Okayama_${YYYY}.csv
done

答え合わせ

• 年平均気温　　　　/home/atmos/ipesc/sample/amedas/Tave.dat
• 年平均日最高気温　/home/atmos/ipesc/sample/amedas/Tmax.dat
• 年平均日最低気温　/home/atmos/ipesc/sample/amedas/Tmin.dat

練習問題２ー６

/home/atmos/ipesc/sample/number/pi100000.txt には円周率の100,000桁が書かれている．0から9の各数字の出現頻度を調べよ．

• 円周率のソース

ヒント

• まずはファイル pi100000.txt の中身を確認する．１行に１つ，数字が書いてあるとわかる．
• シェルスクリプトでファイルを１行ずつ読み込む方法はシェルスクリプトを書いてみる3に書いてある．
• 各数字の出現数を格納する変数を用意する．0から9まで，数字は10個あるので変数も10個用意する．
  • ここは配列を使うのが簡単であるのだが，配列の使い方は授業で教えていない．
    • まあ，10個くらいなら配列を使わないでもなんとかなる．
    • 配列を使いたいという人は調べてみてください．
  • 出現数を数える前に，各変数を0にセットすること．

ヒント２(こっちの方が簡単)

• ファイルを１行ずつ読み込まないでも数えることはできる．
• 例えば，ファイルを読み出す回数を１回でなく10回にする．
  • 0 を数えるために１回読み出し，1 を数えるために１回読み出し，．．．
• 数えるときは，grep を使ってから wc -l を使う．
  • grep が何であるかはテキストに書いてあるけど，テキストを見るより検索する方が早いかも

ファインマン・ポイント

円周率の小数点以下762桁目から767桁目は「9」が6個連続して並ぶ．これをファインマン・ポイントと呼ぶらしい．リチャード・ファインマンが円周率をこの桁まで暗記したいと言った，とされているためだが，ファインマンがそう言ったかどうかは明らかではないらしい．

ランダム性

円周率の各桁の数字はランダムに現れているように見えるが，乱数列であるとは証明されていない．乱数列であるなら，各数字が出現する確率は等しい．

• 出現頻度から出現確率を(区間)推定してみる

＃練習問題２ー６a

/home/atmos/ipesc/sample/number/e.txt にはネイピア数の50,000桁が書かれている．0から9の各数字の出現頻度を調べよ．

• ネイピア数のソース

ヒント

• まずはファイル e.txt の中身を確認する．
  • １行に２つ，数字が書いてあるとわかる．
  • １列目が桁数，２列目が数字．
  • ここで必要なのは２列目．
  • ２列目だけ抜き出すなら

$ cut -d ' ' -f 2 /home/atmos/ipesc/sample/number/e.txt

ネイピア数

自然対数の底． 円周率と同格の偉さの数学定数だと思うのだが，円周率に比べると人気がないような気がする？ (数学定数の「偉さ」とかいう基準が意味不明ではあるが)

＃％練習問題２ー７

文書中で使用されている各アルファベットの使用回数を数える．

• 以下のテキストについて数えてみる．

/home/atmos/ipesc/sample/text/My_favorite_things.txt
/home/atmos/ipesc/sample/text/Hotel_Mauna_Kea.txt
/home/atmos/ipesc/sample/text/Potential_Vorticity.txt
/home/atmos/ipesc/sample/text/Lorem_ipsum.txt
/home/atmos/ipesc/sample/text/Pangram.txt

ヒント

• 変数 char に a から z までを一字ずつ代入して反復する

for char in {a..z}; do
  echo $char
done

• 置換(sed)

infile という名前のファイルに中にある Win を Mac に置き換える

$ sed -e "s/Win/Mac/g" infile

以下のようにすれば削除になる

$ sed -e "s/Win//g" infile

入力はパイプで流し込むことも可

$ cat infile | sed -e "s/Win/Mac/g"

[a-z] は a から z までのいずれかの文字

$ sed -e "s/[a-z]/X/g" infile

[^a-z] は a から z までのいずれかの文字以外

$ sed -e "s/[^a-z]/X/g" infile

• 変数の大文字を小文字に変換する

$ echo ${word,,}

あるいは

$ echo ${word} | tr A-Z a-z

• 文字数を数える(wc -m)
  • infile という名前のファイルの中にある文字数を数える
  • 入力はパイプで流し込むことも可

$ wc -m infile
$ cat infile | wc -m

余談

エドガー・アラン・ポーの有名な小説．下のリンク先を見るとネタバレしちゃうので，これから小説を読むつもりの人は考えてからクリックしてください．

• 黄金虫