Pythonでのdecimalモジュールの扱い方とは？演算誤差を防ぐためのdecimal

Python
プログラミング言語

公開日時: 2020-12-07 　更新日時: 2022-06-09

Pythonでのdecimalモジュールの扱い方とは？演算誤差を防ぐためのdecimal

この記事でわかること

システム エンジニア: decimaiモジュールとはどんな機能なのでしょうか？

プロジェクト マネージャー: 十進数の計算を行うためのモジュールです。実際に詳しくみていきましょう。

Pythonでのdecimalモジュールの扱い方とは？

今回は、Pythonでのdecimalモジュールの扱い方について説明します。

小数点を扱う場合、float型を使用します。
コンピュータは2進数で数値を扱うため、誤差が発生する場合があります。
これを防ぐために、Pythonではdecimalモジュールが用意されています。

ここでは、decimalモジュールの
・基本的な使い方
・演算
・FloatOperationのtrap
・精度の指定
・四捨五入（round）
・四捨五入（quantize）
について紹介します。

Pythonでのdecimalモジュールの扱い方に興味のある方はぜひご覧ください。

基本的な使い方

Pythonでのdecimalモジュールの基本的な使い方を紹介します。

decimalモジュールを使用するにはimportが必要です。

from decimal import Decimal

1	from decimal import Decimal

実際のソースコードを見てみましょう。

from decimal import Decimal

# floatの計算
f1 = 0.1
f2 = 0.2
f3 = f1 + f2

# decimalの計算
d1 = Decimal("0.1")
d2 = Decimal("0.2")
d3 = d1 + d2

print(f3) # 0.30000000000000004
print(d3) # 0.3
print(f3 == d3) # False

from decimal import Decimal

# floatの計算

f1 = 0.1

f2 = 0.2

f3 = f1 + f2

# decimalの計算

d1 = Decimal("0.1")

d2 = Decimal("0.2")

d3 = d1 + d2

print(f3) # 0.30000000000000004

print(d3) # 0.3

print(f3 == d3) # False

実行結果は以下のようになります。

0.30000000000000004
0.3
False

0.30000000000000004

0.3

False

float型で計算した場合は、誤差が生じています。
一方、decimalモジュールで計算した場合、誤差が生じていません。
Decimalクラスには、文字列を指定する必要があります。

このようにdecimalモジュールを使用します。

演算

Pythonでのdecimalモジュールを使った演算について紹介します。

実際のソースコードを見てみましょう。

from decimal import Decimal

d1 = Decimal("0.1")
d2 = Decimal("0.2")

print(d1 + d2) # 0.3
print(d1 - d2) # -0.1
print(d1 * d2) # 0.02
print(d1 / d2) # 0.5

from decimal import Decimal

d1 = Decimal("0.1")

d2 = Decimal("0.2")

print(d1 + d2) # 0.3

print(d1 - d2) # -0.1

print(d1 * d2) # 0.02

print(d1 / d2) # 0.5

実行結果は以下のようになります。

0.3
-0.1
0.02
0.5

0.3

-0.1

0.02

0.5

このように、誤差なく加減乗除の演算ができます。

FloatOperationのtrap

Decimalクラスには、文字列を指定する必要があります。
数値を指定してもエラーにはなりません。
演算結果はどのようになるのでしょうか。

実際のソースコードを見てみましょう。

from decimal import Decimal

d1 = Decimal(0.1)
d2 = Decimal(0.2)

print(d1 + d2) # 0.3000000000000000166533453694

from decimal import Decimal

d1 = Decimal(0.1)

d2 = Decimal(0.2)

print(d1 + d2) # 0.3000000000000000166533453694

実行結果は以下のようになります。

0.3000000000000000166533453694

1	0.3000000000000000166533453694

数値で指定すると、誤差が生じていることが分かります。

間違って数値で指定することを防ぐために、FloatOperationのtrapを有効にする方法があります。
実際のソースコードを見てみましょう。

from decimal import Decimal, getcontext, FloatOperation

# FloatOperationのtrapを有効にする
getcontext().traps[FloatOperation] = True

# float初期化で実行時エラー
d1 = Decimal(0.1)
# floatの演算で実行時エラー
d2 = Decimal(2) * 0.5

from decimal import Decimal, getcontext, FloatOperation

# FloatOperationのtrapを有効にする

getcontext().traps[FloatOperation] = True

# float初期化で実行時エラー

d1 = Decimal(0.1)

# floatの演算で実行時エラー

d2 = Decimal(2) * 0.5

実行結果は以下のようになります。

Traceback (most recent call last):
  File "Main.py", line 7, in <module>
    d1 = Decimal(0.1)
decimal.FloatOperation: [<class 'decimal.FloatOperation'>]

Traceback (most recent call last):

File "Main.py", line 7, in <module>

d1 = Decimal(0.1)

decimal.FloatOperation: [<class 'decimal.FloatOperation'>]

Decimalをfloatで初期化したり、Decimalをfloatで計算すると、実行時エラーが発生します。
このように、PythonではFloatOperationのtrapを有効にすることで、意図しない初期化や演算を防げます。

精度の指定

Pythonでのdecimalモジュールを使った、精度を指定した演算について紹介します。

実際のソースコードを見てみましょう。

from decimal import Decimal, getcontext

# 文字列ではなく、floatを指定
d1 = Decimal(0.1)
d2 = Decimal(0.2)

print(d1 + d2) # 0.3000000000000000166533453694

# 精度の指定
getcontext().prec = 5
print(d1 + d2) # 0.30000

from decimal import Decimal, getcontext

# 文字列ではなく、floatを指定

d1 = Decimal(0.1)

d2 = Decimal(0.2)

print(d1 + d2) # 0.3000000000000000166533453694

# 精度の指定

getcontext().prec = 5

print(d1 + d2) # 0.30000

実行結果は以下のようになります。

0.3000000000000000166533453694
0.30000

1 2	0.3000000000000000166533453694 0.30000

「getcontext().prec」で精度を指定することで、演算結果が指定精度で出力されていることが分かります。
このように、Pythonでは精度を指定した演算ができます。

四捨五入（round）

Pythonでのdecimalモジュールを使った丸めについて紹介します。
組み込み関数のroundメソッドを使用します。

実際のソースコードを見てみましょう。

f = 123.456

print(round(f))     # 123
print(round(f, 1))  # 123.5
print(round(f, 2))  # 123.46
print(round(f, 3))  # 123.456
print(round(f, 0))  # 123.0
print(round(f, -1)) # 120.0
print(round(f, -2)) # 100.0

f = 123.456

print(round(f)) # 123

print(round(f, 1)) # 123.5

print(round(f, 2)) # 123.46

print(round(f, 3)) # 123.456

print(round(f, 0)) # 123.0

print(round(f, -1)) # 120.0

print(round(f, -2)) # 100.0

実行結果は以下のようになります。

123

123.5

123.46

123.456

123.0

120.0

100.0

小数を任意の桁数で四捨五入したり、整数を任意の桁数で四捨五入したりできます。
このように、組み込み関数のroundメソッドで四捨五入できます。

四捨五入（quantize）

Pythonでのdecimalモジュールを使った丸めについて、もう一つの方法を紹介します。
decimal標準ライブラリのquantizeメソッドを使用します。

実際のソースコードを見てみましょう。

from decimal import *

d1 = Decimal("123.456")
print(d1.quantize(Decimal("0"),rounding=ROUND_HALF_UP))     # 123
# 小数部の四捨五入
print(d1.quantize(Decimal("0.1"),rounding=ROUND_HALF_UP))   # 123.5
print(d1.quantize(Decimal("0.01"),rounding=ROUND_HALF_UP))  # 123.46
print(d1.quantize(Decimal("0.001"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 123.456
# 整数部の四捨五入
print(d1.quantize(Decimal("1E1"),rounding=ROUND_HALF_UP))   # 1.2E+2
print(d1.quantize(Decimal("1E2"),rounding=ROUND_HALF_UP))   # 1E+2
print(d1.quantize(Decimal("1E3"),rounding=ROUND_HALF_UP))   # 0E+3
# 整数部の四捨五入(intにして見やすく)
print(int(d1.quantize(Decimal("1E1"),rounding=ROUND_HALF_UP)))   # 120
print(int(d1.quantize(Decimal("1E2"),rounding=ROUND_HALF_UP)))   # 100
print(int(d1.quantize(Decimal("1E3"),rounding=ROUND_HALF_UP)))   # 0

from decimal import *

d1 = Decimal("123.456")

print(d1.quantize(Decimal("0"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 123

# 小数部の四捨五入

print(d1.quantize(Decimal("0.1"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 123.5

print(d1.quantize(Decimal("0.01"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 123.46

print(d1.quantize(Decimal("0.001"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 123.456

# 整数部の四捨五入

print(d1.quantize(Decimal("1E1"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 1.2E+2

print(d1.quantize(Decimal("1E2"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 1E+2

print(d1.quantize(Decimal("1E3"),rounding=ROUND_HALF_UP)) # 0E+3

# 整数部の四捨五入(intにして見やすく)

print(int(d1.quantize(Decimal("1E1"),rounding=ROUND_HALF_UP))) # 120

print(int(d1.quantize(Decimal("1E2"),rounding=ROUND_HALF_UP))) # 100

print(int(d1.quantize(Decimal("1E3"),rounding=ROUND_HALF_UP))) # 0

実行結果は以下のようになります。

123

123.5

123.46

123.456

1.2E+2

1E+2

0E+3

120

100

整数部の四捨五入は少し特殊です。
このように、Pythonではquantizeメソッドで四捨五入できます。

システム エンジニア: 精度を指定できるということは、小数点も定義できるいうことでしょうか？

プロジェクト マネージャー: そうです。文字列として定義することで誤差の発生も防ぐことができます。

まとめ

Pythonでのdecimalモジュールの扱い方について説明しました。
基本的な使い方だけでなく、演算精度の指定方法や四捨五入の方法なども紹介しました。
ぜひご自身でソースコードを書いて、理解を深めてください。

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