Javaで行列の最初と最後の列要素を入れ替える方法をわかりやすく解説

はじめに

この記事では、Javaを使って、行列（マトリックス）の各行について「最初の列」と「最後の列」の要素を入れ替える方法を解説します。

行列とは、要素を行と列の2次元構造で配置したデータ形式のことです。m行n列の行列は「m × n 行列」と呼ばれ、個々の要素は a[i][j] のように表記します。これは「要素aがi行目・j列目に存在する」ことを意味します。

処理内容の確認

たとえば、次のような4×4の行列を用意したとします。

定義された行列：
4 5 6 7
1 7 3 4
11 12 13 14
23 24 25 50

各行の最初と最後の要素を入れ替えると、結果は次のようになります。

要素を入れ替えた後の行列：
7 5 6 4
4 7 3 1
14 12 13 11
50 24 25 23

アルゴリズム

ステップ1 - 処理を開始する
ステップ2 - 整数型の2次元配列 input_matrix と、整数値 matrix_length を宣言する
ステップ3 - 行列の値を定義する
ステップ4 - forループで各行を走査し、一時変数（temp）を使って先頭列と最終列の要素を入れ替える
ステップ5 - 結果を表示する
ステップ6 - 処理を終了する

例1：mainメソッド内にすべての処理を記述する場合

まずは、行列の定義から結果の出力まで、すべての処理をmainメソッド内にまとめて記述するシンプルな例です。

public class MatrixSwap {
    static void swap(int input_matrix[][]) {
    }
    public static void main(String args[]) {
        int input_matrix[][] = {
            { 4, 5, 6, 7 },
            { 1, 7, 3, 4 },
            { 11, 12, 13, 14 },
            { 23, 24, 25, 50 }
        };
        System.out.println("The matrix is defined as: ");
        for (int i = 0; i < input_matrix.length; i++) {
            for (int j = 0; j < input_matrix[0].length; j++)
                System.out.print(input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.println();
        }
        int matrix_length = input_matrix.length;
        for (int i = 0; i < input_matrix[0].length; i++) {
            int temp = input_matrix[i][0];
            input_matrix[i][0] = input_matrix[i][matrix_length - 1];
            input_matrix[i][matrix_length - 1] = temp;
        }
        System.out.println("
The matrix after swapping the elements: ");
        for (int i = 0; i < matrix_length; i++) {
            for (int j = 0; j < input_matrix[0].length; j++)
                System.out.print(input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.println();
        }
    }
}

実行結果

The matrix is defined as:
4 5 6 7
1 7 3 4
11 12 13 14
23 24 25 50

The matrix after swapping the elements:
7 5 6 4
4 7 3 1
14 12 13 11
50 24 25 23

例2：オブジェクト指向スタイルでメソッドに分割する場合

次に、入れ替え処理をswap()メソッドとして独立させ、オブジェクト指向プログラミング（OOP）の考え方に沿って再利用しやすくした例です。mainメソッドからはswap()を呼び出すだけで同じ処理が実行できます。

public class MatrixSwap {
    static void swap(int input_matrix[][]) {
        int matrix_length = input_matrix.length;
        for (int i = 0; i < input_matrix[0].length; i++) {
            int temp = input_matrix[i][0];
            input_matrix[i][0] = input_matrix[i][matrix_length - 1];
            input_matrix[i][matrix_length - 1] = temp;
        }
        System.out.println("
The matrix after swapping the elements: ");
        for (int i = 0; i < matrix_length; i++) {
            for (int j = 0; j < input_matrix[0].length; j++)
                System.out.print(input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.println();
        }
    }
    public static void main(String args[]) {
        int input_matrix[][] = {
            { 4, 5, 6, 7 },
            { 1, 7, 3, 4 },
            { 11, 12, 13, 14 },
            { 23, 24, 25, 50 }
        };
        System.out.println("The matrix is defined as: ");
        for (int i = 0; i < input_matrix.length; i++) {
            for (int j = 0; j < input_matrix[0].length; j++)
                System.out.print(input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.println();
        }
        swap(input_matrix);
    }
}

実行結果

The matrix is defined as:
4 5 6 7
1 7 3 4
11 12 13 14
23 24 25 50

The matrix after swapping the elements:
7 5 6 4
4 7 3 1
14 12 13 11
50 24 25 23

コードのポイント

• 一時変数tempの役割： 値を直接代入すると、先に上書きした側の元の値が失われてしまいます。そのため、tempに退避させてから入れ替えるのが基本手順です。
• lengthの意味： input_matrix.length は行数、input_matrix[0].length は列数を表します。
• 注意点： 本サンプルは行数と列数が同じ4×4の正方行列を前提としています。行数と列数が異なる長方形の行列を扱う場合は、ループ条件を input_matrix.length（行数）に合わせるなど、添字範囲に十分注意してください。
• 計算量： 各行につき定数回の操作で済むため、時間計算量はO(n)、追加のメモリは一時変数1つだけのO(1)で非常に効率的です。