アルゴリズムの記事

意味を解説し、学び方と代表的なアルゴリズムを紹介:r000021003592 | PARAFT [パラフト]

2021.02.01

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アルゴリズムの記事2021.02.01

アルゴリズムとはなにか？

意味を解説し、学び方と代表的なアルゴリズムを紹介

皆さまのなかには、アルゴリズムという言葉を聞いた方もいるのではないでしょうか。難しい言葉と思われがちですが、アルゴリズムの考え方自体は日常生活でもよく用いられている、身近なものです。 効率の良いアルゴリズムは、パフォーマンスの良いプログラミングを行う上で欠かせません。本記事ではアルゴリズムの概要や重要な理由を述べた後、代表的なアルゴリズムを取り上げ解説します。

2021.02.01 文章／ PARAFT編集部

<h2>アルゴリズムとはなにか？わかりやすく解説</h2>

出典：写真素材、イラスト、ビデオ - iStock

アルゴリズムをよく知るためには、まずアルゴリズムとはなにかを知ることが重要です。アルゴリズムは、意外と身近なもの。どのようなものか、詳しく解説していきましょう。

アルゴリズムとは、課題の解決や物事を処理する手法

アルゴリズムとは課題や問題を解決し処理する、方法や手順を指します。システム開発でよく使われる用語ですが、この考え方は以下の通り、日々のビジネスや日常生活でも使われていることが特徴です。

仕事を進める手順を考える

Googleを使って、用語を検索する

お釣りの枚数を少なくするように、紙幣や硬貨の組み合わせを考える

料理の手順を考える

このようにアルゴリズムは意識する機会はあまりないものの、日常的に使われている身近なものといえます。

アルゴリズムを使った処理の一例

ここではアルゴリズムを身近に感じて頂く目的で、1から100までを足す場合を取り上げましょう。以下のとおり、さまざまな計算方法があります。

単純に1から100までを足して求める

両端どうし、端から2番目どうし・・・の順に足し合わせる

両端の数の合計となる101に100を掛けて、2で割る

どの方法でも、答えは5,050です。しかし解答にたどり着く手順や手間、所要時間は大きく異なります。これは3つの方法とも、アルゴリズムが異なるためです。

アルゴリズムには複数の選択肢がある場合も多い

上記の例で解説したとおり、同じ目的でも、複数のアルゴリズムを選べる場合が多いです。その場合は結果が同じであっても、プロセスは異なります。

どのアルゴリズムを選ぶかによって、解答を得るまでの時間や計算量が変わることに留意が必要です。次の章ではプログラミングを行なう際に、効率的なアルゴリズムを選ぶことが重要な理由を考えていきましょう。

<h2>プログラミングにアルゴリズムが重要な理由</h2>

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アルゴリズムは、プログラミングにおいて重要なポイントとなります。それはどのアルゴリズムを選ぶかにより、どれだけ効率的なシステムになるかどうかが変わるためです。

ここではアルゴリズムを学ぶ重要性と方法にも触れ、解説します。

効率的なシステムを作る上で重要

システムは、プログラミングによって記されたコードに従い動作します。もし効率の悪い処理手順を用いると、無駄なメモリと時間を要することになりかねません。

この結果、「豊富なスペックがある割には、思ったほどスピードが出ない」「パフォーマンスが低い」という指摘を受けるおそれがあります。加えて複雑な処理手順を採用すると、保守にも手間がかかるデメリットも見逃せません。

上記の事態を防ぐには、効率的なアルゴリズムに沿った実装が重要です。従って、プログラミングにとってアルゴリズムは重要といえます。

良いアルゴリズムとは、短時間かつ効率よく処理を行えるもの

それでは、良いアルゴリズムとはどのようなものでしょうか。良いアルゴリズムとは、以下の条件を備えたものを指します。

正確な結果が速く出ること

少ないメモリ容量で処理を行なえること

なるべく簡単、かつ効率的な方法を用いること

低いスペックでも問題なく処理でき、速く結果が出るアルゴリズムがベストといえるでしょう。

上記で示した3つのポイントは、アルゴリズムの効率の良さを表す『計算量』で表せます。計算量は大きく2つに分けられます。

時間計算量：計算に要する時間やステップ数を示す。処理速度に関係する

空間計算量：処理の実行に必要なメモリ容量を示す。領域計算量とも呼ばれる

但し時間計算量と領域計算量はトレードオフの関係にあるため、両方とも最善の方法を取ることはなかなか難しいもの。開発においては両者のバランスを取り、システムにとって最善のポイントを探すことが重要です。

アルゴリズムに関するスキルは、さまざまな方法で高められる

アルゴリズムに関するスキルは、さまざまな方法で高めることが可能です。その一例を、以下に挙げてみました。

本を読む

Webサイトのコンテンツを読む

パズルを解く（魔法陣など）

プログラミングの学習ソフトを使う（Scratchなど）

スクールで学ぶ

プログラミングスキルを判定するサービスを活用する（TOPSICなど）

アルゴリズムを学んだことがない方の場合は、小学生が読むような教材でも十分に役立ちます。またスクールやスキルの判定サービスを利用する場合は、第三者からのアドバイスを受けられるメリットは見逃せません。

このように、アルゴリズムはさまざまな方法で学べます。あなたに合った方法を選び、スキルを高めましょう。

<h2>プログラミングでよく使われるアルゴリズムを紹介</h2>

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プログラミングでよく使われるアルゴリズムを知っておくことは、良いシステムを開発するために欠かせません。

ここでは、3種類のアルゴリズムを取り上げます。それぞれどのようなものがあるか、詳しく解説していきましょう。

ソートアルゴリズムで、目的に合わせてデータを並べ替える

ソートアルゴリズムとはデータを昇順や降順など、事前に決められたルールに沿ってデータを整列させる方法です。目的に合わせデータを見やすく並べ替えることができ、データを探しやすくするメリットがあります。

ここでは主な3つのソートアルゴリズムを取り上げ、解説していきましょう。

バブルソート

マージソート

クイックソート

バブルソート

バブルソートとは隣り合う2つの値を比較し、以下の操作を行なう手法を指します。

順番に並んでいるなら、そのまま保持

順番通りでないなら入れ替える

操作はどちらかの端から行ない、順番通りに並べ替えられるまで続けます。操作を進めるうちに整列された箇所が増えるため、計算回数はデータの個数の2乗が最大です。

バブルソートはわかりやすい整列方法である一方、この後に述べる『マージソート』や『クイックソート』より効率が悪いことはデメリットに挙げられます。

マージソート

マージソートはデータをいったん1つずつの要素に分解し、整列させる過程で順序を考慮し並べ替える手法です。代表的な手順は、以下の通りとなります。

1．2つの要素からなる配列をつくり、順序を考慮して並べる

2．1．の配列を2つ組み合わせ、順序を考慮しつつ4つの要素からなる配列をつくる

3．2．と同じ要領で配列の要素数を増やし、整列したデータを完成させる

要素の数が増えても、処理時間があまり増えないことが大きな特徴です。

クイックソート

クイックソートは、整列の際に『ピボット』と呼ばれる基準値を選定することが特徴です。基準値をもとに、以下の手順でソートを行ないます。

1．ピボットを選定する

2．データをピボットより大きいか小さいかにより、2つのグループに分ける

3．それぞれのグループでピボットを選定し、2番の作業を行なう。この手順を、データが整列するまで繰り返す

クイックソートの速度は、どのデータをピボットとするかに影響を受けます。しかし、バブルソートよりは高速で処理できるケースが多いでしょう。

探索アルゴリズムを活用し、必要なデータを効率よく見つける

データが大量になると、目的のデータを見つけるスピードがシステム全体のパフォーマンスに直結します。探索アルゴリズムは、必要なデータを効率よく見つけるうえで重要です。

ここでは代表的な探索アルゴリズムとして、線形探索や二分探索、ハッシュ探索を取り上げます。

線形探索

線形探索（リニアサーチ）とは先頭から順にデータをチェックし、目的の情報を見つける方法です。

目的の情報がデータの最後にある場合に、最も計算時間が長くなります。例えば128個のデータから探す場合、最大で128回の探索が必要です。

二分探索

二分探索（バイナリサーチ）とはデータを2つのグループに分けて、目的の値が含まれるグループを探す探索方法となります。判別には、大小関係を用いる場合が多いです。この作業を繰り返してグループを小さくし、目的の値を見つけます。

二分探索を有効に使うためには、事前にデータがソートされていないと効率よく探せません。一方で探索回数は線形探索よりも大幅に少なくなり、効率的な探索を実現できます。

ハッシュ探索

ハッシュ探索とはハッシュ値を用いてデータが格納されている場所を参照し、スピーディーに探索する方法です。

事前にハッシュ関数を用いてハッシュ値を計算し、ハッシュ値とデータの組み合わせを保管している必要があります。そのぶんスピードは速く、1回の探索で目的のデータを探し出せる点は大きなメリットです。

情報の保護に用いられる暗号アルゴリズムは、2種類ある

暗号アルゴリズムはしかるべき人だけが重要な情報にアクセスできる仕組みをつくる上で、欠かせないアルゴリズムです。大きく「共通鍵暗号」と「公開鍵暗号」の2種類に分けられますから、それぞれ詳しく解説していきましょう。

共通鍵暗号

共通鍵暗号とは、情報を暗号にする「暗号化」と元に戻す「複合化」の手順で、同一の鍵（秘密鍵）を使う方法を指します。特徴は以下の通りです。

処理速度は速い

通信を行なう相手の数だけ、秘密鍵が必要

秘密鍵は盗み見されないよう、安全に保管する必要がある

スピードはある一方で、管理が複雑になりがちなことには注意が必要です。代表的な共通鍵暗号方式には、AESやRC4などが挙げられます。

公開鍵暗号

公開鍵暗号は、暗号化と複合化で別の鍵を使う方式です。暗号化には一般に公開されている『公開鍵』、復号化にはデータの受信者だけが持っている『秘密鍵』を使います。もし公開鍵が盗まれても、秘密鍵がなければデータを解読できないため安全です。

秘密鍵は1個で済む一方で、処理速度は共通鍵暗号方式と比べて遅くなります。代表的な共通鍵暗号方式には、RSAが挙げられます。

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編集部チーム

PARAFT編集部

同じ処理を行なわせる場合でも、アルゴリズムの選び方により処理スピードや計算量が大きく異なることがおわかり頂けたことでしょう。効率的かつ良質なシステムを作るためには、アルゴリズムを知ることが欠かせません。またセキュリティに配慮したシステムを作る上でも、アルゴリズムの役割は重要です。アルゴリズムはさまざまな方法で学べますから、代表的なアルゴリズムを学んだ上でプログラミングに活かすことをお勧めします。フリーランス専門のエージェントPROsheetの活用 IT系の職種としてフリーランスになる人は、PROsheetなどの専門のエージェントを活用することで、フリーランスとしてのスタートアップをサポートしてもらうことができます。案件の獲得方法やご稼働後のサポートを受けることができます。特にIT系の職種の案件が多くなっており、活用することで得られるメリットはたくさんあるので、まずは下記URLから登録面談にてお気軽にご相談ください。 PROsheetの会員登録ページへ飛びます