#author("2016-10-26T08:01:42+09:00","","")
&size(24){表計算ソフトの応用};
*表計算ソフトの応用 [#o637a2a5]
**このページについて [#r9bd4dba]
まず、表計算ソフトで、できる限りのことをやってみましょう。 プログラムを作った方が、圧倒的に効率がいい場合もありますが、
プログラムを作ることができる環境にくらべて、表計算ソフトを使える環境のほうが圧倒的に多く、また、準備も楽なためです。
基本的にExcelを題材につかいますが、表計算ソフトとしての考え方はExcelでもOpenOffice calcでも、
演習室には入っていないものの三四郎などのソフトでも、変わりません。
ソフトの使い方（メニューの選び方）などは変わりますが、大差ありません。
なるべく、そういった部分に立ち入らないようにします。
#contents
**表計算ソフトの基礎 [#w62f26bb]
***表計算ソフト [#ie93e654]
表計算ソフト&br;
&ref(comp1_0.gif);&br;
表計算ソフト&br;
表計算ソフトはおおむね左図のような構成です。
縦横にマス目に区切られ、それぞれの枠内に値(数値、文字列)や式を書き込みます。
まさに「表」であって、その表に式を書き込めば「自動的に計算してくれる」便利な表として使うことができます。
また、グラフを自動で書かせたり、より複雑な統計処理を行う機能もあります。
表計算では、この枠１個を「セル」とよび、すべての処理の基本単位になります。
（これは予め用意された「変数」として機能します。）
一つのセルを特定して表記するために、縦方向（行方向）と横方向（列方向）に順番に(住所として)数字やアルファベットが割り当てられています。
一般的には、縦方向は数字が１〜、横方向はアルファベットでＡ〜(A,B..Z,AA,AB,..AZ,BA..)がついています。
これをつかって、「Ｄ３」のセル（左から４つめ、上から３つめ）というように指定します。
また、長方形状に複数を指定する場合は、「Ｂ３：Ｅ１０」のように「：」で対角のセルをつないで指定します。
***式の書き方 [#aef53977]
表計算はセルに式を入力して、はじめて「ただの表」ではなくなります。
式を入力するには
＝数式
という形で入れます。数値などの値はただ書き込みます。 すると、数式の値が計算されて、そのセルに表示されます。
（「＝」で始まる、式ではない表示内容（文字列）を書く場合は、「'＝..」と「'」を最初に入力する）
ここで、数式には、先ほどのセルを指定する「Ｄ３」などを使うことができます。
A B C
1 3 =A1+1(4)
2 10
ここで、セルＢ１に「＝Ａ１＋１」を入れると、Ｂ１の値は３＋１＝４となります。
この値はＡ１を書き換えると、自動的に計算→表示されます。
どこかでＢ１を使っていると、そこも引き続き計算されます。
さて、表計算ソフトが便利なのは、「数式のコピー」ができることです。
数式のコピーが値のコピーと違うところは、「式で参照しているセルも自動的に修正してくれる」ことです。
たとえば、Ｂ１の数式を、Ｂ２にコピーしてみます。すると、
A B C
1 3 =A1+1(4)
2 10 =A2+1(11)
と、Ｂ１では「Ａ１」だったところが、Ｂ２では「Ａ２」になります。 この時の書き換えルールは相対的な位置関係によります。
「Ｂ１にとって、Ａ１は左隣」だったので、Ｂ１の計算の仕方を「左隣に１を足す」と解釈し、Ｂ２に式をコピーするときにも「左隣に１を足す」、すなわち「Ａ２＋１」になります。
このように、式をコピーするときは、コピーする数式が使っている他のセルが、その式からみて左右にどれだけ、上下にどれだけ離れたところのものかという相対的な位置をそのままつかいます。
ただし、実際には、「常に特定のセルの値をつかいたい」こともあるわけで、そのときは「＄」をつけて「これはコピーするときにいじるな」という指示をだせます。
以下、実例で確認します。
実際に操作してみてください。
セル参照に絶対指定ない場合&br;
&ref(comp1_1.gif);&br;
セル参照に絶対指定ない場合&br;
ステップ１：入力 ※括弧内は表示される値
A B C
1 1
2 =A1+1(2)
3
ステップ２：Ａ２をＡ３にコピー →さらにＡ４〜にどばっとコピー
A B C
1 1
2 =A1+1(2)
3 =A2+1(3)
コピーは二つの方法があります。
1.コピーしたいセル(範囲を選択して)でCtrl-C(Controlキーを押しながらc)→コピーしたい先にいってCtrl-V。
2.ある数式を下方向、もしくは右方向にどばっと増やしたい場合には、
まず、該当する数式を左端もしくは上端に含むように範囲を選択
メニュー→編集→フィル→下方向/右方向へコピー を選択（もしくはCtrl-D/Ctrl-R）
します。なれると、後者の方が使いやすくなるとおもいます。
ここでいう「範囲」の指定とは、複数のセルを長方形の形（縦○個×横○個）まとめて選んで捜査の対象とする方法です。
その方法は
1.マウスでドラッグする
2.Shiftキーを押しながらカーソルを操作する
で行います。選んだところは見た目わかります。 なれると、キーボードの方が楽になります。
さきほどのメニュー選択も実は「Alt+E → I → R, D」とキーボードで操作できます。 表計算ソフトはキーボードで式を入力したりもするので、キーボード操作になれておくと操作が早くなります。マウスを使うと、持ち替えなければならないので。
なお、以上の操作は連番や一定間隔で数列を作るときに頻繁に使う手順です。
ステップ３：Ｂ１を入力、Ｂ２以下にコピー
A B C
1 1 =A1*10(10)
2 =A1+1(2) =A2*10(20)
3 =A2+1(3) =A3*10(30)
ステップ４：Ｂ１〜Ｂ？？ をまとめて、Ｃ１〜、 Ｄ１〜に横にコピー
A B C
1 1 =A1*10(10) =B1*10(100)
2 =A1+1(2) =A2*10(20) =B2*10(200)
3 =A2+1(3) =A3*10(30) =B3*10(300)
同じく、方法としては、「Ｂを範囲指定の上Ctrl-C、Ｃ１でCtrl-V」と「Ｂ〜Ｄで範囲指定して右にフィル(Alt+E, I, R / Ctrl-R)」があります。
ここで、右にコピーしたときに、Ｂ列ではＡを参照していたのが、Ｃ列ではＢを参照するようになることに注意してください。
以上、適宜操作すると、右図のような結果になります。
***絶対参照 [#z7f1a7c6]
ここまでは「式をコピーすると、参照先も相対的な位置関係で補正する」でした。
しかし、特定の数値、たとえば、なんらかの数値変換をするときの変換係数など「すべての計算で同じ値を使う」という場合には、絶対的な参照が必要です。
この場合、セルを表す「Ｄ３」などに「＄」をつけます。
列(横)方向を絶対指定＝常に特定の列を参照&br;
&ref(comp1_2.gif);&br;
列(横)方向を絶対指定＝常に特定の列を参照&br;
１：「＄Ｄ３」型
「Ｄ」の前に＄をつけています。
A B C
1 1 =$A1*10 =$A1*10
2 =A1+1 =$A2*10 =$A2*10
3 =A2+1 =$A3*10 =$A3*10
この場合、コピーすると、
•横方向（Ａ〜）については、修正しない。「＄Ａ」はいくらコピーしても「＄Ａ」のまま。
•縦方向（１〜）については、相対的に修正。
となります。
この形は、わりとつかいます。
行(縦)方向を絶対指定＝常に特定の行を参照&br;
&ref(comp1_3.gif);&br;
行(縦)方向を絶対指定＝常に特定の行を参照&br;
２：「Ｄ＄３」型
「３」の前につけています。
A B C
1 1 =A$1*10 =B$1*10
2 =A1+1 =A$1*10 =B$1*10
3 =A2+1 =A$1*10 =B$1*10
この場合は先ほどとは逆に、行方向（１〜）の指定は変わりません。
行列(縦横)ともに＝特定のセルを参照&br;
&ref(comp1_4.gif);&br;
行列(縦横)ともに＝特定のセルを参照&br;
３：「＄Ｄ＄３」型
A B C
1 1 =$A$1*10 =$A$1*10
2 =A1+1 =$A$1*10 =$A$1*10
3 =A2+1 =$A$1*10 =$A$1*10
式をコピーしても、参照先は変わりません。
特定の定数を指定する場合などによく使います。
以上の「＄」の指定も重要なテクニックですので、覚えておきましょう。
**単純な計算と関数のグラフ [#h724ade2]
ここでは、簡単なグラフを書いてみます。
簡単とはいえ、工学部で表計算をつかう理由はデータの処理や数式の確認であって、使い道としては重要です。
***普通のｙ＝ｆ（ｘ）なグラフ [#z856b28e]
普通のy=f(x)型のグラフを書いてみます。
ｙ＝２ｘ＋３のグラフ&br;
&ref(thumbFH_comp1_g1.gif);&br;
ｙ＝２ｘ＋３のグラフ&br;
範囲の選択&br;
&ref(thumbFH_comp1_g1_s1.gif);&br;
範囲の選択&br;
グラフの種類選択&br;
&ref(thumbFH_comp1_g1_s2.gif);&br;
グラフの種類選択&br;
A B C
1 No x y
2 1 -10 =2*B2+3
3 =A1+1 =B2+1 ↓
4 ↓ ↓ ↓
手順：
1.Ａ列に通し番号をつくっておく。
[A2]=1, [A3]=A2+1 を下コピー
表を必ず左上から使うわけではないため、「データがいくつか」「何番目か」をわかりやすくするために、つくっておくとよい。
2.Ｂ列にＸをつくる。
ここでは、−１０〜１０を１刻みでつくっておく。
[B2]=-10, [B3]=B2+1 （この+1が刻み）
これをコピーして合計２１個にしておくと、＋１０までになる。
3.Ｃ列にＹをつくる。
[C2]=2*B2(すなわちX)+3, 下コピー
これで、Ｂ列のＸに対応したＹの値が求まる。
4.Ｂ列Ｃ列の数値の範囲を選択する。
操作：Ｂ２にカーソル→Shift押しながらＣ２２まで移動 すると、右図のように選択される。
※右図にはあるものの、まだ手元にグラフはない。
5.グラフをつくる。
操作：メニュー→挿入→グラフ
すると右のようなダイアログボックスが表示されるので、 ''散布図'' を選択する。
一般に、こういうグラフやデータを表すときは、散布図を使用する。その他は、どちらかというとビジネス的な使い道。 散布図には５種類形式があり、点のみ、点の有無、曲線でつなぐ、直線でつなぐが異なる。
本来、なにを意図して線を引くかを考えた上で形式を選ぶが、今回は点のみが妥当。 つながりをみたいときは「点＋直線」「直線のみ」が無難。
中段の「曲線でつなぐ」は、グラフ化する点の配置によって思わぬ蛇行をすることがあるので要注意。
6.適当に移動する。
という手順で、ｙ＝２ｘ＋３のグラフができます。
これをやってみましょう。
さくっと終わって暇だ、という場合は、ｙ＝ｘ＊ｘなど、ｙ＝ｌｏｇ（ｘ）などその他の関数を試してみましょう。
２１個の点でよければ、いまのままＣ列の式だけ差し替えれば、またＢ列のＸの範囲や刻みを変えればすぐにグラフにも反映されます。
***ｙ＝ｓｉｎ（ｘ）のグラフ [#oa6316f7]
ｙ＝ｓｉｎ（ｘ）のグラフ&br;
&ref(thumbFH_comp1_g2.gif);&br;
ｙ＝ｓｉｎ（ｘ）のグラフ&br;
ｙ＝ｓｉｎ（ｘ）、ｃｏｓ（ｘ）のグラフ&br;
&ref(thumbFH_comp1_g2_sc.gif);&br;
ｙ＝ｓｉｎ（ｘ）、ｃｏｓ（ｘ）のグラフ&br;
もちろん、先ほどの方法で問題なくグラフにできます。
しかし、三角関数など、「π」が重要な横軸をもつグラフの場合は、ｘ軸の刻みもπを元に作った方が見栄えがよくなることがあります。 そのほか、刻みを調整したい場合など、直接ｘを作るよりも「○番目のｘを式で決める」という使い方が便利なことがあります。
そこで、図ではＢ列に「ｉ」という本来は必要のない値（中間変数、内部変数）をつくり、それでｘを作っています。
A B C D
1 No i x y
2 1 0 =B2/10*PI() =SIN(C2)
3 =A1+1 =B2+1 ↓ ↓
4 ↓ ↓ ↓ ↓
ここで出てきた「Pi()」は「π」の値を常にもつ関数、「SIN()」文字通りsin関数です。
数表ができたら、同じようにグラフをつくってみてください。 これをやってみて、余裕がある場合は、SINの右に=COS(x)をつくってみましょう。
３列まとめて選択してグラフをつくると、同時に表示されます。
***縦横比が重要なグラフ [#qa444588]
x=cos(t), y=sin(t)のグラフ&br;
&ref(thumbFH_comp1_g3.gif);&br;
x=cos(t), y=sin(t)のグラフ&br;
グラフオプション&br;
&ref(comp1_g3_s1.gif);&br;
グラフオプション&br;
目盛線の設定&br;
&ref(thumbFH_comp1_g3_s2.gif);&br;
目盛線の設定&br;
軸の書式設定&br;
&ref(comp1_g3_s3.gif);&br;
軸の書式設定&br;
軸の固定化&br;
&ref(thumbFH_comp1_g3_s4.gif);&br;
軸の固定化&br;
ここでは、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn1.gif);&br;
で表されるグラフを書いてみます。
これは&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn2.gif);&br;
なので、半径１の円です。
A B C D E
1 No i t x y
2 1 0 =B2/10*PI() =COS(C2) =SIN(C2)
3 =A1+1 =B2+1 ↓ ↓ ↓
4 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
数表の作り方は似ています。先ほどのグラフでｘだったところが、ｔに代わり、ｘ、ｙがCOS, SINになっただけです。
ただ、そのまま、ｘｙを選んでグラフにすると、楕円が表示されます。
座標軸をみると、ちゃんと１を通っていますが、座標軸の比率が１：１でないため、楕円になります。
こういう「平面であること」「形をみたい」が重要なグラフの場合、この軸比が重要です。
そこで、調整します。
単純には、グラフそのものサイズを変えてしまい、見た目で軸の長さが同じになるようにします。
ただ、ｘ軸は目盛だけ、ｙ軸は線と、そもそも見た目が異なり、調整しにくいので、統一します。
右の２つめの図のように、グラフのブロック内のグラフの書かれていない白地のところで右クリックをします。
そのなかに「グラフオプション」があるので選びます。
そのなかの「目盛線」タブを選んで、ｘ軸の目盛線にもチェックをいれます。
今回は、これで目盛線が正方形になるようにグラフのサイズを修正すればＯＫです。
しかし、表示する関数によっては、そもそも、縦軸、横軸の目盛の間隔が異なったり、値を変えたときにかってに軸の目盛がかわったりして「おせっかい」に悩まされることがあります。
この場合、軸を固定します。
右４番目の図のように、グラフの軸のうえで右クリックすると、「軸の書式設定」が現れます。
ここで、「目盛」タブをひらき、「自動」のチェックを外し、右に好きな値を設定します。
さしあたり、Ｘ軸とＹ軸で「目盛間隔」が一致していればよいでしょう。
以上のような操作により、関数や数値で規定されたものの形が、わかりやすく図示できるようになります。
これは特に、計算で設計したり、シミュレーション結果をグラフで表示するときに、座標として「ｘｙ」が出てくるならば必須の操作といえます。
**合計を求める計算 [#mda18e47]
***数列とΣと＋＝ [#ocfa81df]
コンピュータで処理する対象は、上の例のように、基本的には数字たくさんです。
大量の数値といっても、だいたいは「同じ性質」「同じ意味」をもった数値のセットです。 たとえば、直前の放物運動は「時刻ｔ」「座標ｘ」「座標ｙ」が連続的にあります。
（他に初速のような単品の数値は、全体を調整する値：パラメータとして存在する）
このような数値の連なりが「数列」です。
数列というと、高校で習う漸化式がどうこう、等比数列、等差数列などがありますが、あれは特殊な部類で、我々が使うものは「実際のデータ」としての数列が一般的です。
さて、その数列の計算で、ここまでの例は数列の個々の数値から別の数値を計算し、別の数列を１対１で作り出すというものでしたが、数列ごとに計算が必要な場合があります。
その例が「合計」とか「平均」のたぐいです。
こういった、数列の計算について、今後使う表記を明示しておきます。
&br;
•&ref(spreadsheet_bhtml_eqn4.gif);&br;
数列は「同じ性質」のものが複数ある、という考えのため、文字で表すときはすべてを同じ文字で、ただし「添え字」をつけて表記します(添え字は整数で、一般に正です)。
数学的には前者の下付け文字で表すことが一般ですが、コンピュータのプログラミング言語での表記で一般的な「[]」による表記もよく使われます。
添え字はたいていは連番ですが、１から始まる場合、ゼロから始まる場合など定まってはいません。 不特定の一つを表すときに"i"などの文字を使います。
•&ref(spreadsheet_bhtml_eqn5.gif);&br;
数列の合計を表すときには、記号Σを使用します。
Σの下と上には、「どこからどこまで足すか」が示されます。
下の「ｉ＝１」は「ｉを順番に変えていくこと」「ｉを１から順に増やすこと」を示しています。
上の「ｎ」は「（下で指定されているｉを）ｎまで増やすこと」を示します。
一つ目の例は、併せて「数列aiをa1からanまで全部加える」という意味になります。
二つ目、三つ目の例も１〜ｎですが、「aiの関数」(たとえば、ai×５＋３みたいな)の和、そもそも数列自体をその場でｉをもとに関数で作ってしまう場合(例：2i-1はi=1,2,3に対して1,3,5となり奇数になる)です。
ともかく、Σの下でどの文字で順番を表すか、下と上でどこからどこまでかを明示します。
なお、「aiを1からnまで加えたもの」は新たに「s1=a1, s2=a1+a2...」と別の数列になります。 たいてい必要なのは「n個の合計」とかですが。
※下にｉとだけ書くような場合があり、その場合は具体的な計算ではなく、「合計をもとめるという発想」のみを主張。
実際の使い方をあげると、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn6.gif);&br;
はn個の数値a1〜anの平均の計算を表します。
-----
さて、実際に合計値を求めるには、どうすればいいかというと、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn7.gif);&br;
をいきなり数式としてコンピュータに与えて計算するほか、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn8.gif);&br;
と書き換えることで、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn9.gif);&br;
となり、最初以外を&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn10.gif);&br;
という１種類の式の繰り返しに置き換えることができます。
最初の直接的な式は「１００個の合計」といわれたら１００項入力しなければならず、苦痛でありミスも起きます。
しかし、書き換えた方法は式は１本、あとはコンピュータに「１００回繰り返せ」というだけで、同じ式で１０００回でも計算できます。「繰り返す」はコンピュータが得意な方法なので、こういう書き換えは非常に重要です。
実際、「プログラムを作る」という場合、させたいことをいかに「単純な指示の繰り返し」に置き換えられるかが、実際の作業を簡単に、かつトラブルなくこなすことにつながります。
-----
この計算をもう少し見直します。
最終的にSnだけ必要という場合、途中のSiはいりません。ので、これを数列として「とっておく」必要はありません。&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn11.gif);&br;
そこで&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn12.gif);&br;
と書き換えてしまいます。その繰り返す数式&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn12.gif);&br;
は等式としてみたときには明らかに変ですが、「代入の＝」と考えれば、「Ｓにaiを加えてものをＳに入れる」
という意味です。が、これは普段の言葉では単純に、
「Ｓにaiを加える」
といいます。数学的には特別の表記はありませんが、コンピュータの世界ではしばしば、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn13.gif);&br;
と「＋＝」を使います。（−＝、＊＝、／＝なども同様に存在）
**表計算での合計の求め方 [#va4a8085]
Si=S(i-1)+ai&br;
&ref(comp2_1.gif);&br;
Si=S(i-1)+ai&br;
i, i*i, i*i*iを加えていく&br;
&ref(comp2_2.gif);&br;
i, i*i, i*i*iを加えていく&br;
表計算ソフトでの合計の求め方は、ほぼ、上の説明をそのまま、シート上に作ります。
A B C D
1 i ai Si
2 1 (a1の値) =B2(a1相当)
3 =A2+1 (a2の値) =C2(S1相当)+B3(a2相当)
4 ↓ (a3の値) ↓
aiの値は実際のデータの場合もあれば、何らかのiによる数値の場合もあるでしょう。
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn21.gif);(１から順に足していく)
という場合は、
A B C D
1 i ai Si
2 1 =A2 =B2(=a1)
3 =A2+1 =A3 =C2(=S1)+B3(a2)
4 ↓ ↓ ↓
で、式をコピーした数だけ合計が求まります。aiが10のところ(１１行目)には、Siは55(=1+2+..10)になっているはずです。
これをもとに、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn22.gif);(１から順に２乗で足していく)
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn23.gif);(１から順に３乗で足していく)
を試してみましょう。
人によっては「1+...n」が「n(n+1)/2」になることを覚えているかもしれませんが、忘れてしまっても、表計算ソフトがあれば、数百くらいまでは式のコピーで一気にいけます。
**最小２乗法 [#rfefeecd]
合計計算の最後に最小２乗法の計算をしてみます。
最小２乗法は、
(xi,yi)の組のデータから y=ax+bの関係を探す
などを行う計算法です。３年生の学生実験の最初にも原理を含めてやりますが、ここでは原理抜きに計算だけしてみましょう。
具体的には、以下の計算をします。&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn25.gif);&br;
ただし、ｎはデータの個数で、すべてのΣは「対象となるすべてのデータに対して」なので、略しています。
(※Dは最終的には不要な値。ただ、a,bで共通に分母になるのであえて別に計算した方がわかりやすい)。
この式を計算するためには、&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn27.gif);
の４つの合計値が必要です。
そこで、表計算で計算する方針としては、
1.データは縦方向に並べる。
2.xi,yiの組を用意する。
3.その横にxi*xiとxi*yiを計算する
4.sum()をつかって合計を求める
5.D,a,bを求める。
とします。
最小二乗法の計算例&br;
&ref(thumbFH_comp2_lms1.gif);&br;
最小二乗法の計算例&br;
A B C D E F
1 No xi yi xi*xi xi*yi
2 1 x1の値 y1の値 =B2*B2 =B2*C2 1
3 =A2+1 x2の値 y2の値 ↓ ↓ ↓
4 ↓ ： ： ↓ ↓ ↓
： ： ： ： ： ： ：
11 (n) xnの値 ynの値 ↓(=xn*xn) ↓(=xn*yn) 1
12 =sum(B2:B11) → → → →(=sum(F2:F11)
13 D ※１
14 a ※２
15 b ※３
※１＝F12*D12-B12*B12
※２＝(F12*E12-B12*C12)/B13
※３＝(D12*C12-B12*E12)/B13
最後の計算式が多少やっかいですが、大部分は式のコピーですみます。
基本的に、先の数式、手順の通りですが、Ｆ列に「１」だけを足し続ける変な列があります。これは&br;
&ref(spreadsheet_bhtml_eqn28.gif);&br;
という当たり前の計算をしています。 この妙な式には意味があります。
多くの場合、最小２乗法を使おうという場合はデータの数は予めわからないことがあり、実験の結果などとして、ｎ個のデータが得られます。 そこで、「ｎ」を求めるため、与えられるxやyと同じ数だけ「１を加える」ことでｎを得ています。
同じｎはこの計算表ではA11のところにも現れていますのでこれを使うことも可能ですが、D,a,bの計算で一つだけ11行の数字を使うよりは、すべて12行目の値だけで計算できた方が美しいと思いませんか？
実際問題としては、データを追加したりするときのリスクは、この方法で求めたｎのほうが安全と考えられます。
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