第64回システム制御情報学会にて発表． 出典: 上田隆一: PythonとJupyter Notebookを利用した教科書「詳解確率ロボティクス」の企画と執筆, 第64回システム制御情報学会研究発表講演予稿集, pp.146-149, オンライン開催, 2020.

1. PythonとJupyter Notebookを利用した
教科書「詳解確率ロボティクス」の
企画と執筆
千葉工業大学 上田 隆一
@ryuichiueda
第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20）

2. 確率ロボティクス
• 確率・統計を駆使したアルゴリズムで自律ロボットを
動かす研究分野
• 実世界の不確かさを克服するため
実用的な移動ロボット、
自動運転車を実現するために
重要な分野
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 2

3. 発表者と確率ロボティクス
• RoboCup（ロボットサッカー）のために勉強
（2000年、学部４年～）
• ロボットを動かすために必須
• 当時最先端と知らぬまま勉強
（機械学習という言葉すら知らなかった）
• リーグに同分野の世界的な研究者がたくさん
• 教科書が出たので翻訳
• 大学を辞めて研究を中断するので恩返しに
• 日本に定着するだろう
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 3
自分の予想よりは学ぶ人は増えず

4. 確率ロボティクスの学習は大変
• ロボットを動かさないと必要性を実感できない
• しかし、動かす機会が少ない
• 動かすには準備とメンテナンス、公道利用の許諾などが必要
• シミュレータもバージョンアップ地獄
• 必要な知識が多い
• 制御、ベイズ統計学、情報理論、信号処理、画像処理、
プログラミング言語、ミドルウェア、クラウド・・・
• ハードを作る場合はさらに
学習するだけでも準備が
大変な上に敷居が高い 公道や通行人のいる環境
で実験できるのは年数回
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 4

5. どうすれば敷居が下がるのか
• 千葉工大で講義を持ったときに考え出す
• 2015年～
• 個人的な状況
• 研究者復帰までサラリーマン経験
• 「シェル芸」というシェルワンライナー普及活動
• 大学とは全く異なる方法での活動
• オープンソース文化に触れる
• オープンソース文化
• ソフトがタダで使えるという単純な話ではない
• （いろいろ書くことがあるが）一言でいうと、
「知識と道具は上から授けるものではなくシェアするもの」
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 5
最近のシェル芸界隈の事件

6. 先行事例: Atsushi Sakaiさんのブログ
• 次の3つが簡潔に掲載されておりとても分かりやすい
• サンプルコード
• コードを動かしたシミュレーションの動画
• 解説
• 発表者もサラリーマン生活で
完全忘却していたのでお世話に
• 硬い教科書よりも入り口として有効
• 「知識のシェア」
• 大学にいたままだと素直にそう思えなかったかも
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 6
講義に取り入れたい

7. Jupyter Notebook + GitHub の利用（2017年）
• Jupyter Notebookで講義資料作成
• Pythonでアルゴリズムを記述
• 3要素（解説・コード・デモ）を配置
• GitHubに作りながら公開
• さっさと世に出す・隠さない
• 次のような流れを90分で繰り返す
1. ノートの資料を読んで解説
2. コードを動かして見せる
3. コードを書いてもらう
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 7
資料とコードを一体化 画像を出力

8. 講義の評価
• 評価
• 学生からはそこそこの評価
• 大学のFD委員会からも事例の紹介を依頼される
• 自己評価: あまり手応えなし
• ノートで講義はしにくい
• 手を動かしてもらうには時間が短すぎる
• 毎年同じ話をするのは非効率
• 講義の進め方がアドホックで方法論として弱い
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 8
自宅で勉強して、講義でコードを書いてほしい
（つまり反転授業を目指す）

9. 自習用ノートブックの作成
• ９０分の講義用ではなく、もっと詳細な資料を作成
• 説明もコードも詳細に
• コードについてはクラスにまとめる
• 上から下に手続き的に進むコードには限界
• コードの順序が説明の順序に
合わなくなり、説明をpdfに分離
• Jupyter Notebookの良さがなくなりいまいち
• pdfからコードを見に行くのが面倒
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 9
自習用ノートブック（失敗作）
コ
ー
ド
が
肥
大
化

10. 書籍化
• 次のように改善すれば読むのが面倒にならない
• Jupyter Notebook: 動くコードを掲載
• ドキュメント: 説明の下に動くコードを抜粋して掲載
• オープンなテキストにするか書籍化するか
• これはプロに編集してもらったほうがいい
• かなりの作業量なので印税はほしい
• コードだけオープンに
• Twitterで打診
• 翌日講談社さんから連絡
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 10
書籍の形式

11. できた書籍: 詳解確率ロボティクス
• 2019年10月出版
• 現在3刷
• 好評いただいております
• Amazonの評価
• ☆4.4 / 16件
• レビューのあるものはすべて☆5
（2020年5月20日現在）
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 11

12. 詳解確率ロボティクスの構成
• 12章構成
• ひとつの章でひとつのアルゴリズム、
あるいは問題を扱う
• 各章では数式を導出してコードに
するという繰り返し
• コードは図番をつけず、
本文の流れの中に掲載
• コードにはGitHub上のノートブックの
セル番号を明記
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 12
コード
図
コード
本文
数式

13. Jupyter NotebookとGitHubの役割
• コードの閲覧場所
• 書籍から参照される
• コードの書き始めから完成に向かって番号
• 動作確認用
• 番号が途中のものは、途中までちゃんと
動くように配慮
• シミュレータ
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 13

14. Pythonである理由
• 疑似コードの代わりにしやすい
• 主観だが、カッコがないのが重要
• ただし、数式の記号がそのまま使えないのは欠点
• ライブラリ
• numpy, scipy.stats
• matplotlib, nbagg
• SymPyも使ってみたい
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 14

15. 苦労した点1:コードをどう掲載するか
• 一行一行が長い
• 二つ方法がある
• スクリーンショット: 解像度に問題
• 文字で渡して編集してもらう: 見た目が変わる
• 最終的にスクリーンショット方式で
• Macで高解像度のものを撮影
• サイズを揃えること、コードに
変更があるときの差し替えに苦労
• 文字の大きさはギリギリ
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 15
コードと本文の字の大きさの違い（これはKindle版）

16. 苦労した点2: 気力が持たない
• この問題については出版社側で楽にしていただいた
• 事前に制約があまりないことを伝えられる
• ページ数
• カラーの色数
• 締め切りが一度延長
• FastSLAM2.0、変分推論の部分を書かずに提出
→「せっかくだから書きましょう」と編集担当の横山さんに勧められ1か月延長
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 16

17. 出版後の作業
• 教科書だけあっても反転授業にはならない
• コロナのこともあり、現在撮影中
• 講義で流すビデオではない
• あとは講義の中で出す課題を
準備すれば完成
• Jupyter Notebookで穴埋め問題
• 後期の講義に間に合わせる予定
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 17
講義ビデオ
聞く、読む、（コードを）書く、動かす、
考える、と様々な学習手段を提供

18. まとめ
• 詳解確率ロボティクス
• 書いたのは1年弱だが構想や試作に3年
• 簡単ではないですが、自身の経験が踏み台になることを希望
• あまり言わないようにしているが、「上から授ける」に猛烈に反発して執筆
• 自身のシェル芸を通じたコミュニティー活動の経験から
• 学会も元来、コミュニティーなのに（以下略）
• 講義というものを再定義したい
• Jupyter Notebookを用いた講義
• 講義で話ながら使う場合は、コードが少なくて済むなら有効
• 後期の講義に向け、ノートブックで問題を作る予定
2020/5/20 11:00 第64回システム制御情報学会研究発表講演会（SCI'20） 18