ソートアルゴリズムとは?基本、種類、学習方法を丁寧に解説します

2024.05.31
アルゴリズム-ソート

「ソートアルゴリズムを使いこなしたいけど、よくわからない」
「ソートアルゴリズムの計算量や特徴が知りたい」

と思うことはありませんか?

ソートアルゴリズムを学習しようとしても、どこから始めて良いかで迷ってしまいますよね。

では、ソートアルゴリズムの学習方法はどのようなものがあるのでしょうか?

そこで今回は、

  • ソートアルゴリズムとは?
  • ソートアルゴリズムの種類や特徴
  • ソートアルゴリズムの学習できるサイト3選
  • ソートアルゴリズム学習におすすめの本3選

について詳しく解説します。

この記事を見ればソートアルゴリズムの基本や学習方法が理解できます。

ぜひ最後まで読んでみてくださいね。

ソートアルゴリズムとは

アルゴリズムの概念

ソートアルゴリズムは、データを整理・並び替えするためのアルゴリズムです。

機械学習で扱う大量のデータを、一定の規則に従って整列させるときなどに使われます。

長年の研究からさまざまな手法が発表されてきました。

それぞれの特徴を理解することで、場面ごとに最善の方法を選べるようになります。

本記事を通じて代表的なものを見ていきましょう。

こちらでは、ソートアルゴリズムの種類と特徴を見ていきます。

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ソートアルゴリズムの種類・特徴

アルゴリズムのアイコン

ソートリズムの種類は全部で6種類になります。

  1. バブルソート
  2. クイックソート
  3. マージソート
  4. 選択ソート
  5. 挿入ソート
  6. ヒープソート

それぞれの特徴をご紹介していきます。

1.バブルソート

バブルソートとは、隣同士の値を比較、必要があれば入れ替え、を繰り返して整列させる方法です。

例えば、(1,4,3,2)という配列をバブルソートで並び替えてみます。

  • (1,4)を比較し、正しい配列なのでそのまま (1,4,3,2)
  • (4,3)を比較し、入れ替え (1,4,3,2) → (1,3,4,2)
  • (4,2)を比較し、入れ替え (1,3,4,2) → (1,3,2,4)
  • 4を一番大きい数と見なし、4とそれ以外を分ける (1,3,2)、(4)
  • (1,3,2)で同様のことを繰り返す

以上がバブルソートによる整列方法です。

バブルソートにおける計算回数は、O(n^2)となります。

2.クイックソート

クイックソートとは、基準値を設けて、基準値より大きいブロックと小さいブロックに分けて並び替えるという処理を繰り返すことで整列させる方法です。

例えば、(3,5,9,8,1,7,2,4,6)という配列をクイックソートを使い並び替えてみます。

基準値を末尾の6とすると下記のようになります。

  • 6より大きい、小さいブロックに分割される (3,5,1,2,4), 6, (9,8,7)
  • 小さいブロック、大きいブロックそれぞれで同じことを繰り返す (3,1,2), 4,5,6,7,(9,8)
  • これを繰り返していきます (1,2,3,4,5,6,7,8,9)

クイックソートは、外部のメモリ領域を使用せず完結するため、スピードが速い特徴があります。

計算回数は、O(n log n)と表すことができます。

3.マージソート

マージソートとは、対象のデータを分割し、分割後の小さいブロック内で整列、再度統合することで全てを整列させる方法です。

例えば、(3,5,9,8,1,7,2,10,4,6)という配列でマージソートを使うと、下記の通りになります。

  • 最小まで分割する ((3), (5),(9),(8),(1),(7),(2),(10),(4),(6))
  • 並び替えをしながら統合します ((3,5), (8,9),(1,7),(2,10),(4,6))
  • 更に並び替えをしながら統合を繰り返します((3,5,8,9),(1,2,7,10),(4,6))
  • (1,2,3,5,7,8,9,10),(4,6)
  • (1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)

マージソートは、外部メモリを利用する方法で、計算回数は、O(n log n)で表せます。

4.選択ソート

選択ソートとは、データ内の最小値(最大値)の値を見つけて、左から順番に並び替えるという方法です。

例えば、(3,4,1,2)という配列で選択ソートを使うと下記の通りです。

  • 最小の数値と1番目の要素を入れ替えます (3,4,1,2) → (1,4,3,2)
  • 1番目は最小値で確定し、2番目以降で同じ作業を繰り返します (1,4,3,2) → (1,2,3,4)
  • 3番目以降、4番目以降と繰り返していきます

計算回数は、o(n^2)とバブルソートと同じですが、交換回数が少ないため、バブルソートよりも高速という特徴があります。

5.挿入ソート

挿入ソートとは、左から順番に要素を比較しながら入れ替えていく方法です。

例えば、(4,3,1,2,5)という配列で挿入ソートを使い並び替えると下記の通りです。

  • 左の2つを比較して並び替える (3,4,1,2,5)
  • 左の2つと3つ目を比較して並び替える (1,3,4,2,5)
  • 左の3つと4つ目を比較して並び替える (1,2,3,4,5)
  • 必要な分だけ繰り返す

計算回数は、最大でn(n-1)/2となります。

6.ヒープソート

ヒープソートとは、ヒープ構造という二分木の一種を構築して並べ替えをおこなう方法です。

例えば、(4,3,1,2,5)という配列でヒープソートを使い並び替えると下記の通りです。

  • 親ノードがいずれのこの子ノードよりも大きくなるように調整しながら、データを一つずつ二分木に登録する
  • 子ノードの中で一番小さいデータを取り出して、配列の先頭に並べる
  • 残ったノードで一番小さいデータを取り出して、次に並べる
  • これを繰り返す

計算回数は、O(n log n)となり、高速処理であることが特徴の方法です。

アルゴリズム-種類アルゴリズムの代表的な10種類を解説|知っておきたい知識や学習方法も紹介

ソートアルゴリズムが学習できる無料サイト3選

パソコンとスマホ

アルゴリズムは頭で覚えるよりも繰り返し手を動かしながら学習する方が身につきます

無料で学習できるサイトをご紹介しますので、本記事を読み終わりましたらぜひ学習を始めてみてください。

  1. アルゴロジック
  2. VISUALGO
  3. アルゴリズム専門講座

それぞれ簡単に解説していきます。

1.アルゴロジック

https://algo.jeita.or.jp/

ゲーム感覚でプログラミングを体験できるWeb上でできるゲームソフトになります。

楽しみながら、プログラミング、アルゴリズムに触れてみたい方におすすめです。

2.VISUALGO

https://visualgo.net/ja

全て英語で記載されていますが、よりアルゴリズムに特化した学習サイトです。

英語に触れながら学習していきたい方におすすめです。

3.アルゴリズム専門講座

https://ja.coursera.org/specializations/algorithms

Stanford大学が提供しているCourseraのアルゴリズム専門講座です。

トライアルなども随時できるので、無料で始められるのがおすすめのポイントです。

ただし、コースを本格的に受講するとなると月額費用などが都度かかりますので、確認が必要になります。

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ソートアルゴリズム学習におすすめの本3選

本を虫眼鏡で見る人

手を動かすのも良いけど、やっぱりっと知識をつけたいという方向けにおすすめの本を3つご紹介します。

  1. アルゴリズムイントロダクション
  2. データ構造とアルゴリズム
  3. アルゴリズムクイックリフェレンス

それぞれの概要だけご説明していきます。

1.アルゴリズムイントロダクション

MIT(マサチューセッツ工科大学)でのアルゴリズム教育用に作られた教科書です。

改善を重ねて第3版となっており、アルゴリズムを学ぶ方定番の書籍です。

2.入門 データ構造とアルゴリズム

出版社は、さまざまなプログラミング本を手がけるオライリージャパンです。

実例豊富なデータ構造とアルゴリズムを解説し、基本を押さえつつ、実践向けにも多くの情報が盛り込まれています

3.アルゴリズムクイックリファレンス

出版社は、上に同じくオライリージャパンです。

こちらはより実践的側面を重視したアルゴリズム辞典とも呼べる書籍となります。

色々な言語での実例付きで、どのようなアルゴリズムを使うべきか、それぞれの実装方法などを解説している本になります。

まとめ:ソートアルゴリズムを覚えて、アルゴリズムへの理解を深めよう

本記事では、ソートアルゴリズムの基本や学習方法について解説してきました。

  • ソートアルゴリズムとは、データを並び替えるアルゴリズム
  • ソートアルゴリズムは特徴ごとに全6種類
  • ソートアルゴリズムの学習できるサイトはほぼすべて無料で利用可能
  • ソートアルゴリズム学習本はもっと知識をつけたい方におすすめ

ソートアルゴリズムは最初はとっつきにくいですが、覚えることでアルゴリズムへの理解が深まります

無料の学習サイトで試したり、本も呼んでみたり、繰り返し触れてみることが大切です。

ぜひご紹介したサイトや本にも取り組みながら、アルゴリズムへの理解を深めていきましょう。

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