LINQの拡張メソッド一覧と、ほぼ全部のサンプルを作ってみました。

C#のLINQメソッドは超便利!!、なんですが…肝心のAPIがわかりづらいです。
そこで、種類ごとにまとめて、簡単なサンプルを書いてみました。

• 結果の表示に、独自の拡張メソッド ToResult(this IEnumerable) を使用しています。このメソッドは、本文の最後に記載しています。
• サンプルコードのダウンロードはこちら。

要素の取得（単一）

メソッド名	機能
ElementAt ElementAtOrDefault	指定した位置(インデックス)にある要素を返します。
First FirstOrDefault	最初の要素を返します。
Last LastOrDefault	最後の要素を返します。
Single SingleOrDefault	唯一の要素を返します。該当する要素が複数ある場合、例外をスローします。

該当の要素がない場合は…
　「〜OrDefault」が付いていないメソッドは例外をスローします。
　「〜OrDefault」が付いたメソッドは型の規定値を返します。

var source = new[] { 10, 20, 30, 40 };

Console.WriteLine(source.ElementAt(1));
// -> 20

Console.WriteLine(source.ElementAtOrDefault(5));
// -> 0

Console.WriteLine(source.First());
// -> 10

Console.WriteLine(source.First(e => e > 15));
// -> 20

Console.WriteLine(source.Last());
// -> 40

Console.WriteLine(source.Last(e => e < 35));
// -> 30

try { 
    Console.WriteLine(source.Single());
} catch(Exception e) {
    Console.WriteLine(e);
}
// -> System.InvalidOperationException: Sequence contains more than one element (シーケンスに複数の要素が含まれています)

Console.WriteLine(source.Single(e => e > 35));
// -> 40

要素の取得（複数）

メソッド名	機能
Where	条件を満たす要素をすべて返します。
Distinct	重複を除いたシーケンスを返します。
Skip	先頭から指定された数の要素をスキップし、残りのシーケンスを返します。
SkipWhile	先頭から指定された条件を満たさなくなるまで要素をスキップし、残りのシーケンスを返します。
Take	先頭から指定された数の要素を返します。
TakeWhile	先頭から指定された条件を満たす要素を返します。

var source = new[] { 10, 10, 20, 30, 40 };

Console.WriteLine(source.Where(e => e > 15).ToResult());
// -> {20, 30, 40}

Console.WriteLine(source.Distinct().ToResult());
// -> {10, 20, 30, 40}

Console.WriteLine(source.Skip(3).ToResult());
// -> {30, 40}

Console.WriteLine(source.SkipWhile(e => e < 15).ToResult());
// -> {20, 30, 40}

Console.WriteLine(source.Take(3).ToResult());
// -> {10, 20, 30}

Console.WriteLine(source.TakeWhile(e => e < 15).ToResult());
// -> {10, 10}

集計

メソッド名	機能
Max	最大値を返します。
Min	最小値を返します。
Average	平均値を返します。
Sum	合計を返します。
Count	要素数を返します。
Aggregate	アキュムレータ関数で処理した結果を返します。

var source = new[] { 10, 20, 30, 40 };

Console.WriteLine(source.Max());
// -> 40

Console.WriteLine(source.Min());
// -> 10

Console.WriteLine(source.Average());
// -> 25

Console.WriteLine(source.Sum());
// -> 100

Console.WriteLine(source.Count());
// -> 4

Console.WriteLine(source.Aggregate((now, next) => now * next));
// -> 24000

// 参考：標本分散
double ave = source.Average();
Console.WriteLine(source.Sum(e => Math.Pow(e - ave, 2)) / source.Count());
// -> 125

判定

メソッド名	機能
All	すべての要素が条件を満たしてるか判定します。
Any	条件を満たす要素が含まれているか判定します。
Contains	指定した要素が含まれているかどうかを判定します。
SequenceEqual	2つのシーケンスが等しいかどうかを判定します。

var source = new[] { 10, 20, 30 };

Console.WriteLine(source.All(e => e > 15));
// -> False

Console.WriteLine(source.Any(e => e > 15));
// -> True

Console.WriteLine(source.Contains(20));
// -> True

Console.WriteLine(source.SequenceEqual(new[] { 10, 20, 30 }));
// -> True

集合

メソッド名	機能
Union	指定したシーケンスとの和集合を返します。
Except	指定したシーケンスとの差集合を返します。
Intersect	指定したシーケンスとの積集合を返します。

var first = new[] { 10, 20, 30, 40 };
var second = new[] { 60, 50, 40, 30 };

Console.WriteLine(first.Union(second).ToResult());
// -> {10, 20, 30, 40, 60, 50}

Console.WriteLine(first.Except(second).ToResult());
// -> {10, 20}

Console.WriteLine(first.Intersect(second).ToResult());
// -> {30, 40}

ソート

メソッド名	機能
OrderBy	昇順にソートしたシーケンスを返します。
OrderByDescending	降順にソートしたシーケンスを返します。
ThenBy	ソートしたシーケンスに対し、キーが等しい要素同士を昇順にソートしたシーケンスを返します。
ThenByDescending	ソートしたシーケンスに対し、キーが等しい要素同士を降順にソートしたシーケンスを返します。
Reverse	逆順にソートしたシーケンスを返します。

var source = new[] {
    new{Name = "A", Value = 20},
    new{Name = "B", Value = 10},
    new{Name = "C", Value = 20},
    new{Name = "D", Value = 30},
};

Console.WriteLine(source.OrderBy(e => e.Value).ToResult());
// -> {{ Name = B, Value = 10 },
//     { Name = A, Value = 20 },
//     { Name = C, Value = 20 }, 
//     { Name = D, Value = 30 }}

Console.WriteLine(source.OrderByDescending(e => e.Value).ToResult());
// -> {{ Name = D, Value = 30 },
//     { Name = A, Value = 20 },
//     { Name = C, Value = 20 },
//     { Name = B, Value = 10 }}

Console.WriteLine(source.OrderBy(e => e.Value)
                        .ThenBy(e => e.Name).ToResult());
// -> {{ Name = B, Value = 10 },
//     { Name = A, Value = 20 },
//     { Name = C, Value = 20 }, 
//     { Name = D, Value = 30 }}

Console.WriteLine(source.OrderBy(e => e.Value)
                        .ThenByDescending(e => e.Name).ToResult());
// -> {{ Name = B, Value = 10 },
//     { Name = C, Value = 20 },
//     { Name = A, Value = 20 }, 
//     { Name = D, Value = 30 }}

Console.WriteLine(source.Reverse().ToResult());
// -> {{ Name = D, Value = 30 },
//     { Name = C, Value = 20 },
//     { Name = B, Value = 10 }, 
//     { Name = A, Value = 20 }}

射影

メソッド名	機能
Select	1つの要素を単一の要素に射影します。
SelectMany	1つの要素から複数の要素に射影します。その結果を1つのシーケンスとして返します。
GroupBy	指定のキーで要素をグループ化します。その "キーとグループ" のシーケンスを返します。

var source = new[] {
    new{ Name = "A", Value = 20 },
    new{ Name = "B", Value = 10 },
    new{ Name = "C", Value = 20 },
    new{ Name = "D", Value = 30 },
};

Console.WriteLine(source.Select(e => e.Name).ToResult());
// -> { A, B, C, D }

Console.WriteLine(source.SelectMany(e => new object[] { e.Name, e.Value }).ToResult());
// -> { A, 20, B, 10, C, 20, D, 30 }

Console.WriteLine(source.GroupBy(e => e.Value).ToResult());
// -> { Key = 20, Element = { { Name = A, Value = 20 }, { Name = C, Value = 20 } },
//      Key = 10, Element = { { Name = B, Value = 10 } },
//      Key = 30, Element = { { Name = D, Value = 30 } } }

結合

メソッド名	機能
Join	内部結合を行ったシーケンスを返します。
GroupJoin	左外部結合を行って指定のキーでグループ化します。その "キーとグループ" のシーケンスを返します。
Concat	２つのシーケンスを連結します。 （Unionは同じ要素を一つにまとめますが、Concatは元の要素をすべて返します。）
DefaultIfEmpty	シーケンスを返します。シーケンスが空なら、規定値もしくは任意の要素を返します。
Zip	指定した関数で、2つのシーケンスを1つのシーケンスにマージします。

var outer = new[] {
    new{ Name = "A", Value = 10 },
    new{ Name = "B", Value = 20 },
    new{ Name = "C", Value = 30 },
};

var inner = new[] {
    new{ Name = "X", Value = 20 },
    new{ Name = "Y", Value = 30 },
    new{ Name = "Z", Value = 30 }
};

var empty = new int[0];

Console.WriteLine(outer.Join(
    inner,
    o => o.Value,
    i => i.Value,
    (o, i) => new {
        oName = o.Name,
        oValue = o.Value,
        iName = i.Name,
        iValue = i.Value 
    }
).ToResult());
// -> {{ oName = B, oValue = 20, iName = X, iValue = 20 },
//     { oName = C, oValue = 30, iName = Y, iValue = 30 },
//     { oName = C, oValue = 30, iName = Z, iValue = 30 }}

Console.WriteLine(outer.GroupJoin(
    inner,
    o => o.Value,
    i => i.Value,
    (o, i) => new {
        Name = o.Name,
        Value = o.Value,
        Group = i.Select( i => i.Name ).ToResult() 
    }
).ToResult());
// -> {{ Name = A, Value = 10, Group = {} },
//     { Name = B, Value = 20, Group = { X } },
//     { Name = C, Value = 30, Group = { Y, Z } }}

Console.WriteLine(outer.Concat(inner).ToResult());
// -> {{ Name = A, Value = 10 },
//     { Name = B, Value = 20 },
//     { Name = C, Value = 30 },
//     { Name = X, Value = 20 },
//     { Name = Y, Value = 30 },
//     { Name = Z, Value = 30 }}

Console.WriteLine(empty.DefaultIfEmpty().ToResult());
// -> { 0 }

Console.WriteLine(outer.Zip(inner, (o, i) => o.Name + "&" + i.Name).ToResult());
// -> { A&X, B&Y, C&Z }

変換

メソッド名	機能
OfType	各要素を指定した型に変換します。 キャストできない要素は除外します。
Cast	各要素を指定した型に変換します。 キャストできない要素が含まれていた場合、例外をスローします。
ToArray	配列を作成します。
ToDictionary	連想配列(ディクショナリ)を作成します。
ToList	リストを生成します。
ToLookup	キーコレクション*1を生成します。
AsEnumerable	IEnumerable を返します。*2

var mixed = new object[] { "A", "B", 1, 2 };

var source = new[] {
    new{ Name = "A", Value = 20 },
    new{ Name = "B", Value = 10 },
    new{ Name = "C", Value = 20 },
    new{ Name = "D", Value = 30 },
};

Console.WriteLine(mixed.OfType<string>().ToResult());
// -> { A, B }

try
{
    Console.WriteLine(mixed.Cast<string>().ToResult());
}
catch (Exception e)
{
    Console.WriteLine(e);
}
// -> System.InvalidCastException: 型 'System.Int32' のオブジェクトを型 'System.String' にキャストできません。
// (Unable to cast object of type 'System.Int32' to type 'System.String'.)

Console.WriteLine(source.ToArray().ToResult());
// -> {{ Name = A, Value = 20 },
//     { Name = B, Value = 10 },
//     { Name = C, Value = 20 },
//     { Name = D, Value = 30 }}

Console.WriteLine(source.ToDictionary(x => x.Name, x => x.Value).ToResult());
// -> { [A, 20], [B, 10], [C, 20], [D, 30] }

Console.WriteLine(source.ToLookup(x => x.Value, x => x.Name).ToResult());
// -> { Key = 20, Element = { A, C },
//      Key = 10, Element = { B },
//      Key = 30, Element = { D } }

補足 - 結果表示用の拡張メソッド

static String ToResult<TSource>(this IEnumerable<TSource> source)
{
    return "{" + string.Join(", ", source) + "}";
}

static String ToResult<TKey, TSource>(this IEnumerable<IGrouping<TKey, TSource>> source)
{
    return source.Select(group => string.Format("Key={0}, Source={1}", group.Key, group.ToResult())).ToResult();
}

*1:1対多のディクショナリ。例えば、〜.ToLookup()["hoge"] と実行すると、"hoge" に紐付く要素の集合（IEnumerable）が返ってきます。

*2:IEnumerable と同じ名前のメソッドがクラス内に定義されている場合に使います。そのままだと、クラス内のメソッドが優先的に選択されて、IEnumerable の拡張メソッドが呼びだせないためです。