DIVE INTO CODE

プロのエンジニアになるために挑戦する人が、チャンスをつかめる場をつくる。

Python入門0 Google Colaboratoryの使い方

Python入門0 Google Colaboratoryの使い方


このテキストについて

テキストの目的

  • Google Colaboratoryを利用できるようになる

Pythonにはじめて挑戦している方へ

Pythonを動かすには準備が必要ですが、Google Colaboratoryを用いることでそれが簡単に行えます。

Pythonに慣れている方へ

Google Colaboratoryを使いこなすことで、クラウド環境ならではの便利さを得られます。なお、DIVERのPython入門教材はGoogle Colaboratory上での実行を想定して記述されています。

どのように学ぶか

Google Colaboratoryを使う手順を示しますので、自身のパソコンでも同じことを行ってください。


Google Colaboratoryとは何か

Google Colaboratory(以降Colab) とはGoogleが無料で提供する、クラウド上で実行できるJupyter Notebook環境 です。Googleが提供している代表的なサービスに、ワープロソフトのGoogleドキュメントやメールサービスのGmailなどありますが、そういったもののプログラミング版をイメージしてください。

このColabを使えば、難しい準備をせずにPythonを動かすことができます。

Jupyter Notebookとは?

Image from Gyazo

Jupyter NotebookはPythonコードの記述、実行、そして実行結果の表示までをノートブックと呼ばれる形式で行えるツールです。

コードとその実行結果を並べて表示し、さらにメモを加えて保存していけるため、プログラミングの学習に向いています。また、データ分析などの現場でも使われていますので、使いこなせるようになっておきたいツールです。

なお、ファイルを保存する際の拡張子はipynbですが、これはiPython Notebookというかつてのツール名の略です。開発が進む中でPython以外のプログラミング言語にも対応していったため、名称が変更されたという歴史があります。

クラウドとは?

インターネットを経由した先にあるコンピュータで動くサービスのことです。従来は複雑な処理を行う際、それに見合った高性能なコンピュータを手元に用意する必要がありましたが、それには多額の費用や手間がかかりました。クラウドサービスの登場により、手元には最低限の性能のパソコンやスマートフォンを用意するだけ複雑な処理が行えるようになりました。

通常のJupyter Notebookは自身のパソコン上などで処理を行いますが、ColabはGoogleのサーバー上で処理を行っています。高性能なコンピュータが利用できる上、パソコンへのJupyter Notebookのインストール作業などの手間も不要になります。

Colabでできること

Jupyter Notebookとして以下のようなことができます。

  • Pythonのコードを書ける
  • 書いたコードを実行できる
  • 実行した結果を表示できる
  • Markdown形式でメモが書ける
  • 上記を保存できる

これに加えて、クラウド故に以下のようなこともできます。

  • オンライン(Googleドライブ上)にノートブックを保存できる
  • ノートブックをインターネット経由で共有できる
  • Googleが提供するGPUで計算ができる

Markdown形式とは?

コンピュータ上で文章を記述するための形式のひとつです。箇条書きや強調、リンクなどを加えた文章を簡単に扱えます。例えばブログ記事の執筆に使われることも多いです。

Colabが向いていないこと

Jupyter Notebookはノートブック形式の特性上、大規模なソフトウェアの開発には向いていません。そういった場合は、他の方法でPythonを記述していきます。

また、Colabは12時間以上の実行が行えません。そういった場合は、手元のコンピュータ上で実行したり、他の有料クラウドサービスを利用したりすることになります。Pythonを使い始めた段階で数時間単位の処理を行うことはありませんので、当面は気にする必要はないでしょう。

Googleアカウントを用意する

Colabを使うためにはGoogleのアカウントでログインする必要があります。

アカウントを持っていない方は、以下のページから作成してください。費用はかかりません。

Google アカウントの作成

Colabのページを開く

ColabはパソコンのWebブラウザから開きます。WebブラウザはGoogle ChromeまたはFirefoxが公式にサポートされていますので、できるだけこれらを使うようにしてください。

Webブラウザで検索エンジンを開き、「google colab」のように検索してください。

Image from Gyazo

そして、以下のページを選んでください。

Image from Gyazo

または、以下のURLをクリックしてください。

https://colab.research.google.com/

「Colaboratory へようこそ」というタイトルの ノートブック がColabで開かれます。

Image from Gyazo

*パソコンの設定によっては表示される言語が異なりますが、サービスは同一です。

新しいノートブックを作る

新しいノートブックを作成します。

画面左上「ファイル」の中から「Python3の新しいノートブック」を選びます。

Image from Gyazo

この先はGoogleアカウントにログインしている必要があります。まだログインしていない方は、画面に表示される手順に従ってください。

Image from Gyazo

ログインできている場合、新しいノートブックが作られます。

Image from Gyazo

左上にはUntitled1.ipynbというファイル名が表示されています。区別しやすい名前に変更しておきましょう。変更する場合は、ファイル名が表示されている箇所を選択します。または、「ファイル」の中から「名前を変更」を選びます。

Image from Gyazo

新しい名前を入力したら他の箇所を選んだり、エンターキーを押すことで確定されます。

Image from Gyazo

変更を保存するには、「ファイル」の中から「保存」を選びます。キーボードのCtrl+Sを押すことでも保存することができます。今後作業をしていく際は、随時保存しておくようにしましょう。

Image from Gyazo

以前作成したノートブックを開く

以前作成したノートブックを開きたい場合は、「ファイル」の中から「ノートブックを開く…」を選びます。

後日作業を再開したい場合などは、はじめと同じように「Colaboratory へようこそ」のページへ行き、そこからこの手順を踏むことになります。

Image from Gyazo

「最近」タブの中に先ほど作成したノートブックが表示されています。これを選択すればノートブックを開くことができます。

Image from Gyazo

少し前作ったノートブックの場合は「最近」タブには表示されないかもしれません。その際は、「GOOGLEドライブ」タブを選択します。自身のGoogleアカウントで保存されているノートブックの一覧が表示されます。「ノートブックを絞り込む」からファイル名で検索することもできます。

Googleドライブからノートブックを操作する

作成したノートブックはGooleのオンラインストレージサービスであるGoogleドライブ上に保存されています。Googleドライブの画面からはダウンロードや削除が簡単に行えます。

Googleドライブのマイドライブを開きます。

マイドライブ - Google ドライブ

ノートブックを作成している場合、マイドライブの中に「Colab Notebooks」というフォルダが作られていますので、これを開きます。

Image from Gyazo

先ほど作成したノートブックが表示されています。

Image from Gyazo

このノートブックを右クリックすると、「ダウンロード」「削除」などの項目が現れます。

Image from Gyazo

今後は必要に応じてこれらの操作を使っていきます。こちらの画面の「アプリで開く」から「Colaboratory」を選ぶことでも以前作成したノートブックを開くことができます。

ノートブックを使う

Pythonコードの記述と実行を行う

四角く囲われ、文字が入力できる場所を セル と呼びます。このセルにPythonコードを入力していきます。

以下のサンプルコードをセルに入力してみます。

1
print("Hello, World!")

『「Hello World!」と表示する』というプログラムです。

Image from Gyazo

入力後、キーボードの「Shift + Enter」を押すことで実行できます。上部のRunボタンを押しても同様です。「ctrl + Enter」を使うと、実行した後に次のセルにカーソルが移動しません。

Image from Gyazo

出力結果がセルの下に出ます。正しく「Hello World!」と表示されました。

複数行のコードも実行可能です。次のセルに以下のサンプルコードを入力してみます。

1
2
print("Hello, Colab!")
print("Hello, Python!")

Image from Gyazo

2行に別れて「Hello, Colab!」と「Hello, Python!」と表示されました。

セルの削除

セルの右側の点を選ぶと、セルに対する操作が選択できます。

Image from Gyazo

この中の「セルを削除」を選ぶとセルを消すことができます。

セルの追加

上部の「コード」を押すと、選択しているセルの下に新しいセルが追加されます。

Image from Gyazo

Markdownの記述

Pythonのコードの他に、 Markdown記法 によって文章を書くことができます。

上部の「テキスト」を押すと、Markdown記法を書くための新しいセルが作られます。

このセルに入力された文字はPythonコードではなくMarkdownだと認識されます。

Markdown記法の詳細はここでは扱いませんが、例えば以下のサンプルを入力してどういったものか確認してみます。

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
# 見出し1

Markdown記法で見やすく文章を書くことができます。

## 見出し2

**強調**

数式を書くこともできます。

$$
y=2x+1
$$

Pythonコードを書く時はコードブロックを使います。

```python
print("Hello, World!")
```

- 箇条書き
- 箇条書き
  - 箇条書き

> 引用文

Image from Gyazo

右側には実行した後のプレビューが表示されています。

Image from Gyazo

実行すると、強調や箇条書きを含む文章として表示されます。この機能を使い、Pythonコードの説明を書くなどすると見やすいノートブックになっていきます。単純な文章を入力するだけであればMarkdown記法を覚えていなくても問題ありませんので、まずは簡単なメモを残すところからはじめましょう。

Pythonにはじめて挑戦している方へ

ここまでの内容だけでColabでPythonを使いはじめることが可能です。この後は多少のプログラミング知識を前提としている部分を含みながら、もう少し細かいColabの使い方を学んでいきます。早くPythonを動かしてみたいという場合は、一旦読み飛ばしてしまっても構いません。

変数の中身を表示する

Jupyter Notebookには変数名だけで実行すると、その中身が確認できる機能があります。

Image from Gyazo

この変数numにはひとつ前のセルで計算したnum = 3 + 5の結果がそのまま残っており、それが表示されました。

複数の変数を記述した場合は、最後のものが表示されます。

実行の順番について

プログラムは上から順番に実行されていくものですが、以下の例ではnum = 3 + 5より上のセルでnumを実行しても8が出力されます。

Image from Gyazo

これは、セルは上下順番に関係なく実行する順番を変えられるためです。

セルの左側に表示されている数字が実行された順番になります。[5]のnumは[3]のnum = 3 + 5よりも後に実行されたため、8が出力されました。

リセットする

全ての実行をリセットしたい場合は、「ランタイム」の中から「すべてのランタイムをリセット…」を選びます。セルに入力されたコードと出力の表示はそのままですが、変数などはリセットされます。

Image from Gyazo

Colabの各種機能について

ノートブックを共有する

Colabではオンライン上でノートブックを共有することができます。

画面右上の「共有」を選びます。

Image from Gyazo

「共有可能なリンクを取得」を選ぶと、ノートブックのURLがコピーされます。

Image from Gyazo

このURLをメールなどで伝えれば、作成したノートブックを他の人が開くことができます。

共有の際は「編集可」「コメント可」「閲覧可」を選ぶことができます。見てもらいたいだけの場合は「閲覧可」を選ぶなど、状況に応じて使い分けましょう。

ファイルのアップロード

Colab上のプログラムで画像やテキストファイルを読み込みたい場合は、ファイルをアップロードする必要があります。

画面左の「>」ボタンを押します。

Image from Gyazo

出てきたメニューから、「ファイル」を選びます。

Image from Gyazo

ここでGoogleのストレージに対してアップロードが行えます。書き出したファイルのダウンロードもこちらから行えます。

ノートブックのアップロード

手元のパソコンに保存されているノートブックをColabで開くこともできます。

「ファイル」の中の「ノートブックをアップロード…」を選びます。そして、「ファイルを選択」からパソコン内のノートブックを選び開きます。

Colabでは通常のJupyter Notebookで作成したノートブックが利用できます。また、その逆も可能です。

GPUを使う

Pythonの簡単なプログラムを使う上ではGPUを使うことはありません。こちらはGPUが必要な時に確認してください。

ノートブックを開いた段階では、計算処理はGoogleが提供するコンピュータのCPUを使って行われます。ColabではGPUを使うこともできますので、その変更の仕方を見ていきます。

「ランタイム」の中から「ランタイムのタイプを変更」を選びます。

Image from Gyazo

ハードウェアアクセラレータが「None」になっています。この状態ではCPUのみが使われます。

Image from Gyazo

ここをGPUに変更し、保存を選ぶことでGPUを使うことができます。

Image from Gyazo

ここではさらにTPUを選ぶこともできます。TPUはGoogleが開発した機械学習に特化したプロセッサです。

これらの操作は「編集」の中から「ノートブックの設定」を選ぶことでも行えます。

参考文献

Colaboratory – Google

The Jupyter Notebook — Jupyter Notebook 5.7.8 documentation

What is cloud computing?  |  Google Cloud

Markdownとは · 日本語Markdownユーザー会

カウンセリングを開催中

プロのエンジニアになるために挑戦する人を応援します.

カウンセリングはこちら