python3でのbytes型の中で.decode('utf-8')を指定してもエラーになる

python3では

• b'～'にASCII文字以外を含めることはできません。
• str→bytes はencode/bytes→strはencodeを使います。

C:\Windows\system32>python
Python 3.5.2 |Anaconda 4.2.0 (64-bit)| (default, Jul  5 2016, 11:41:13) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import sys
>>> sys.stdin.encoding
'cp932'
>>> sys.stdout.encoding
'cp932'
>>> sys.getdefaultencoding()
'utf-8'
>>> ai = 'あい'
>>> type(ai)
<class 'str'>

# b'～'にASCII文字以外を含めることはできない。b'ab'などはOK。
>>> ai = b'あい'
  File "<stdin>", line 1
SyntaxError: bytes can only contain ASCII literal characters.

# str型(=UNICODE文字列)からutf-8エンコード（表現）されたbytes型を得る。
>>> ai = 'あい'
>>> ai_utf8 = ai.encode('utf-8')
>>> ai_utf8
b'\xe3\x81\x82\xe3\x81\x84'
>>> type(ai_utf8)
<class 'bytes'>

# str型(=UNICODE文字列)からcp932エンコード（表現）されたbytes型を得る。
>>> ai_sjis = ai.encode('cp932')
>>> ai_sjis
b'\x82\xa0\x82\xa2'
>>> type(ai_sjis)
<class 'bytes'>

# utf-8エンコード（表現）されたbytes型からstr型(=UNICODE文字列)を得る（デコードする）。
# 引数なしだとbyte型のエンコード（表現）はdefaultencoding（＝utf-8）とみなして処理される。
>>> ai_str = ai_utf8.decode()
>>> ai_str
'あい'
>>> type(ai_str)
<class 'str'>

# cp932エンコード（表現）されたbytes型からstr型(=UNICODE文字列)を得る（デコードする）。
# utf-8ではないのにutf-8とみなしてデコードしようとしてエラー
>>> ai_str = ai_sjis.decode()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'utf-8' codec can't decode byte 0x82 in position 0: invalid start byte

# 明示的にbyte型のエンコード（表現）を指定してデコードする。
>>> ai_str = ai_sjis.decode('cp932')
>>> ai_str
'あい'
>>> type(ai_str)
<class 'str'>

以下、本筋とは離れた内容になるため、参考程度にお読みください。

シェル（ターミナル）とpythonの標準入力の文字コードが異なる場合

ちなみにWin10+Anacondaの対話環境でPYTHONIOENCODING環境変数を利用してみましたが
コマンドプロンプト上（cp932）とpython実行環境（utf-8）の文字コード不整合のためか、下記のようにエラーになりますね。

C:\Windows\system32>chcp
現在のコード ページ: 932

C:\Windows\system32>set PYTHONIOENCODING=utf-8
C:\Windows\system32>echo %PYTHONIOENCODING%
utf-8

C:\Windows\system32>python
Python 3.5.2 |Anaconda 4.2.0 (64-bit)| (default, Jul  5 2016, 11:41:13) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import sys
>>> sys.stdin.encoding
'utf-8'
>>> sys.stdout.encoding
'utf-8'
>>> ai = 'あい'
  File "<stdin>", line 0

    ^
SyntaxError: 'utf-8' codec can't decode byte 0x82 in position 6: invalid start byte

コマンドプロンプトのコードページを65001(UTF-8)にしてみると…

C:\Windows\system32>set PYTYONIOENCODING=utf-8
C:\Windows\system32>echo %PYTHONIOENCODING%
utf-8
C:\Windows\system32>chcp
Active code page: 65001

C:\Windows\system32>python
Python 3.5.2 |Anaconda 4.2.0 (64-bit)| (default, Jul  5 2016, 11:41:13) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import sys
>>> sys.stdin.encoding
'utf-8'
>>> sys.stdout.encoding
'utf-8'
>>> sys.getdefaultencoding()
'utf-8'
>>> ai = 'ab'
>>> ai
'ab'

# ↓ IMEが立ち上がらないのでコピーペーストで入力
>>> ai = 'あい'

# ↑ pytyon.exeが異常終了？してコマンドプロンプトに戻る…
# 何らかのエラーメッセージを出力しているのかもしれないが文字コード不整合のため表示されていない？
C:\Windows\system32>

b'あい'.decode('cp932')

で、どうですか？

(Windowsと合わない説明を修正しました)

コマンドプロンプトで端末の文字コードをUTF-8にするには、次のようにします。

> chcp 65001

Pythonの入出力の文字コードを変えるには、Pythonを起動する前にPYTHONIOENCODING環境変数を設定します。

> PYTHONIOENCODING=utf-8
> python ...
...

ちなみに、上記の方法だと標準入出力の全部 (sys.stdin.encoding、sys.stdout.encoding、sys.stderr.encoding) が変わります。どれか一つだけ (たとえばsys.stdout.encodingだけ) 変える場合は、

import codecs
import sys

# Python 2.x
sys.stdout = codecs.getwriter("utf-8")(sys.stdout)
print u'あい' # bytes型ではだめ

# Python 3.x
sys.stdout = codecs.getwriter("utf-8")(sys.stdout.detach())
print('あい')

(追記)

Python 3では、文字列に特定の文字コードが指定されることはありません。Python内部では、文字データはすべてユニコードで扱われます。

文字データを実際にファイルに保存したり通信回線で送ったりするときは、バイトデータに変換してやる必要があります。つまり、Pythonの外部では文字はバイト型のデータで表されます。文字とバイトの間の変換ルールを文字コードと言います。文字コードには「UTF-8」や「CP932」などのいろいろな種類があります。

sys.stdout.encodingを変えるということは、print()で文字を出力するときにどの文字コードのバイトデータにするかを変える、ということです。出力先の端末 (画面) で想定している文字コードと違えば、正しく表示されません。例えば、端末の文字コードがUTF-8のときにsys.stdout.encodingをCP932にすれば、表示されるものは文字化けします。