科学電卓

1. アプリ概要

四則演算にsin・cos・tan・log・√を加えた科学電卓。ボタンレイアウトとmathモジュールを学べる。

このアプリはconvertersカテゴリの実践的なPythonアプリです。使用ライブラリは tkinter（標準ライブラリ）、難易度は ★★☆ です。

このアプリは「変換ツール」カテゴリです。形式変換ツールは入力・処理・出力の三層を明示的に書く好材料で、エラー入力の扱いやバリデーションの基本を体験できます。tkinter（標準ライブラリ） を活かして実装するこの構造は、他のアプリにも応用が効きます。

動かしながら読むことが理解の最短経路です。まずはコードをコピーして実行し、想定どおりに動くことを確認したうえで解説と照らし合わせてください。

カスタマイズでは「機能追加」「UI 改善」「エラー耐性」の三方向で考えると視野が広がります。練習問題にもそれぞれの方向の具体例を用意しています。

2. 機能一覧

• ループで生成するボタン群を on_button() に接続
• messagebox.showerror() によるダイアログ通知
• ウィンドウはタイトル「科学電卓」・サイズ 440x520 で起動

3. 事前準備・環境

Windows 11（実機）で起動と基本操作を確認しています（全機能の網羅テストではありません）。Linux Mint 22.3（仮想マシン）では起動と画面表示を確認しました。macOS は標準ライブラリの範囲で動作する想定ですが、未検証です。

• Python 3.10 以上
• OS: Windows 11（実機で起動・基本操作を確認）・Linux Mint 22.3（仮想マシンで起動・画面表示を確認）

4. 完全なソースコード

import tkinter as tk
from tkinter import ttk, messagebox
import math


class App076:
    """科学電卓"""

    def __init__(self, root):
        self.root = root
        self.root.title("科学電卓")
        self.root.geometry("440x520")
        self.root.configure(bg="#f8f9fc")
        self.expr = ""
        self.angle_mode = "DEG"  # DEG / RAD
        self._build_ui()

    def _build_ui(self):
        """UIを構築する"""
        title_frame = tk.Frame(self.root, bg="#3776ab", pady=10)
        title_frame.pack(fill=tk.X)
        tk.Label(
            title_frame, text="科学電卓",
            font=("Noto Sans JP", 14, "bold"),
            bg="#3776ab", fg="white"
        ).pack()

        # ディスプレイ
        self.display_var = tk.StringVar(value="0")
        disp = tk.Entry(
            self.root, textvariable=self.display_var, font=("Arial", 18),
            justify="right", bd=4, relief=tk.SUNKEN, state="readonly", readonlybackground="white"
        )
        disp.pack(fill=tk.X, padx=10, pady=8)

        # 角度モード切替
        mode_frame = tk.Frame(self.root, bg="#f8f9fc")
        mode_frame.pack(anchor="w", padx=12)
        self.mode_var = tk.StringVar(value="DEG")
        ttk.Radiobutton(mode_frame, text="DEG", variable=self.mode_var, value="DEG", command=self._set_mode).pack(side=tk.LEFT)
        ttk.Radiobutton(mode_frame, text="RAD", variable=self.mode_var, value="RAD", command=self._set_mode).pack(side=tk.LEFT)

        # ボタンレイアウト
        btn_frame = tk.Frame(self.root, bg="#f8f9fc")
        btn_frame.pack(fill=tk.BOTH, expand=True, padx=10, pady=8)

        layout = [
            ["sin", "cos", "tan", "log", "ln"],
            ["√", "x²", "(", ")", "π"],
            ["7", "8", "9", "/", "C"],
            ["4", "5", "6", "*", "←"],
            ["1", "2", "3", "-", "^"],
            ["0", ".", "=", "+", "e"],
        ]
        for r, row in enumerate(layout):
            for c, label in enumerate(row):
                btn = ttk.Button(btn_frame, text=label, command=lambda l=label: self.on_button(l))
                btn.grid(row=r, column=c, sticky="nsew", padx=2, pady=2)
            btn_frame.rowconfigure(r, weight=1)
        for c in range(5):
            btn_frame.columnconfigure(c, weight=1)

    def _set_mode(self):
        """角度モードを更新"""
        self.angle_mode = self.mode_var.get()

    def on_button(self, label):
        """ボタンに応じた処理"""
        if label == "C":
            self.expr = ""
        elif label == "←":
            self.expr = self.expr[:-1]
        elif label == "=":
            self._calculate()
            return
        elif label == "x²":
            self.expr += "**2"
        elif label == "√":
            self.expr += "sqrt("
        elif label == "^":
            self.expr += "**"
        elif label == "π":
            self.expr += "pi"
        elif label == "e":
            self.expr += "e"
        elif label == "ln":
            self.expr += "ln("
        elif label in ("sin", "cos", "tan", "log"):
            self.expr += f"{label}("
        else:
            self.expr += label
        self.display_var.set(self.expr or "0")

    def _calculate(self):
        """式を評価して結果を表示"""
        expr = self.expr
        if not expr:
            return
        try:
            result = self._safe_eval(expr)
            if isinstance(result, float) and result.is_integer():
                result = int(result)
            self.display_var.set(str(result))
            self.expr = str(result)
        except Exception as e:
            messagebox.showerror("エラー", f"計算できません: {e}")
            self.expr = ""
            self.display_var.set("0")

    def _safe_eval(self, expr):
        """限定スコープで式を評価する"""
        # 角度モードに応じた三角関数
        if self.angle_mode == "DEG":
            f_sin = lambda x: math.sin(math.radians(x))
            f_cos = lambda x: math.cos(math.radians(x))
            f_tan = lambda x: math.tan(math.radians(x))
        else:
            f_sin, f_cos, f_tan = math.sin, math.cos, math.tan

        names = {
            "__builtins__": {},
            "sin": f_sin, "cos": f_cos, "tan": f_tan,
            "log": math.log10, "ln": math.log,
            "sqrt": math.sqrt,
            "pi": math.pi, "e": math.e,
            "abs": abs, "pow": pow,
        }
        return eval(expr, names, {})


if __name__ == "__main__":
    root = tk.Tk()
    app = App076(root)
    root.mainloop()

5. コード解説

科学電卓のコードを、実際に書かれている実装に沿って解説します。

6. ステップバイステップガイド

このアプリをゼロから自分で作る手順を解説します。コードをコピーするだけでなく、実際に手順を追って自分で書いてみましょう。

1. 1
   ファイルを作成する

   新しいファイルを作成して app076.py と保存します。使うのは math・tkinter だけなので、追加インストールは不要です。

2. 2
   クラスの骨格を作る

   App076 クラスを定義し、__init__ と、末尾の root = tk.Tk() ～ mainloop() の最小構成を書いて、まず空のウィンドウが出ることを確認します。

3. 3
   ウィンドウを設定する

   title("科学電卓")・geometry("440x520")・configure(bg="#f8f9fc") をコンストラクタで設定します。

4. 4
   画面部品を並べる

   _build_ui() の中で、tk.Frame×3・tk.Label・tk.Entry・ttk.Radiobutton×2・ttk.Button（ループで生成） を作って配置します（掲載コードと同じ並び順で書くとレイアウトが一致します）。まず表示だけ確認しましょう。

5. 5
   イベントを接続する

   ループ生成のボタンは command=lambda l=label: self.on_button(l) の形で接続します。

6. 6
   中心になるメソッドを実装する

   アプリの本体である on_button()（26行）・_safe_eval()（19行）・_calculate()（15行） を実装します。

7. 7
   動作確認する

   python app076.py で起動し、各ボタンが反応することを確認します。

7. カスタマイズアイデア

基本機能を習得したら、以下のカスタマイズに挑戦してみましょう。

8. よくある問題と解決法

9. 練習問題

アプリの理解を深めるための練習問題です。気になるものから挑戦してみてください（課題3は定型の発展課題です）。このアプリは学習用のサンプルです。_safe_eval() は組み込み関数を空にしたうえで eval() を呼びますが、外部から受け取った文字列をそのまま渡す使い方は避けてください。

1. 課題1：= のあとの数字入力を新しい計算として始める

   1+2= と押して 3 が出たあと、続けて 9 を押すと表示は 39 になります。計算が終わったあとの数字入力は、新しい式の始まりとして扱うようにしましょう。

   期待結果：1+2= のあとに 9 を押すと、いまは 39。直したあとは 9 だけが表示される。結果に演算子を続ける使い方は残す。

   合格条件

   • 1+2= のあとに 9 を押すと表示が 9 になる
   • 1+2= のあとに +5= と押すと 8 が出る
   • C を押したあとの入力は今までどおり

   ヒント①（どこを触るか）: 触るのは3つのメソッドです。__init__() に self.just_calculated = False を1行足し、_calculate() で計算に成功したときに True にして、on_button() の先頭で判定します。_safe_eval() は触りません。
   ヒント②（使うもの）: on_button() の先頭で if self.just_calculated and (label.isdigit() or label == "."): と判定し、self.expr = "" に戻してからいつもの処理へ進みます。判定したらフラグは False に戻し、_calculate() が結果を入れた直後だけ True にします。
   つまずきやすい点: 数字以外まで巻き込むと、+ や = でも式が消えて、結果に続けた計算ができなくなります。label.isdigit() は 7 のような数字ボタンにだけ当てはまり、sin や x² では False です。フラグを戻し忘れると、2回目以降の入力が毎回リセットされます。

2. 課題2：閉じかっこの押し忘れを = のときに補う

   √ ボタンは sqrt( を入れるだけなので、閉じかっこは自分で押す必要があります。押し忘れたまま = を押すとエラーになるため、足りない分を自動で補いましょう。

   期待結果：√ 9 = の順に押すと、いまはエラーのダイアログが出て表示が 0 に戻る。補うようにすると 3 が表示される。

   合格条件

   • √ 9 = で 3 が表示される
   • ( 1 + 2 ) * 3 = は今までどおり 9 になる
   • 閉じかっこの方が多い式（1+2)）は、いままでどおりエラーになる

   ヒント①（どこを触るか）: 触るのは _calculate() の1か所です。expr = self.expr の直後、self._safe_eval(expr) に渡す前に補います。on_button() の √ の分岐（self.expr += "sqrt("）は触りません。
   ヒント②（使うもの）: missing = expr.count("(") - expr.count(")") で不足数を数え、if missing > 0: expr += ")" * missing と足します。書き換えるのはローカル変数の expr です。self.expr のほうは、計算に成功すると結果の文字列で上書きされます。
   つまずきやすい点: 数えずに常に ")" を1つ足すと、正しく閉じた式まで壊れてエラーになります。missing が負のとき（閉じかっこが多いとき）は補えないので、エラー表示に任せます。sin や log も同じ ( を使うため、この1か所でまとめて効きます。

3. 課題3：保存機能の追加

   処理結果をファイルに保存する機能を追加しましょう。