Javaで行列の要素を1つずつ回転させるプログラムの作成方法

本記事では、行列（マトリックス）の要素を回転させる方法を、Javaのサンプルコードとともにわかりやすく解説します。行列とは、要素を行と列の形式で表現したデータ構造のことです。行列の回転とは、行列内の各要素の位置を右方向（または左方向）へ1つずつシフトする操作を指します。

入力と出力のイメージ

まず、具体的な処理内容を例で確認しましょう。

入力（元の行列）：

The matrix is defined as
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16

出力（1回回転後の行列）：

The matrix after one rotation:
5 1 2 3
9 10 6 4
13 11 7 8
14 15 16 12

ご覧のとおり、各行・各列の要素が時計回りに1つずつ移動しています。この処理は、行列を「リング状の層（外周→内周）」に分け、各層の要素を順番にシフトしていくことで実現できます。

アルゴリズム

回転処理は、以下の手順で実装します。

ステップ1 - 処理開始
ステップ2 - 整数型の行列 input_matrix を宣言し、row（行）、column（列）、previous（前の値）、current（現在の値）の変数を用意する
ステップ3 - 行列の値を定義する
ステップ4 - whileループで行列の各層を外側から走査し、複数のforループを組み合わせて各要素を1つ右へシフトしながら保存する
ステップ5 - 結果を表示する
ステップ6 - 処理終了

例1：mainメソッド内で完結させるパターン

この例では、行列の定義から回転処理、結果の表示までの一連の流れを、すべて main メソッド内に直接記述しています。

public class RotateMatrix {
    static int Rows = 4;
    static int Columns = 4;
    public static void main(String[] args) {
        int input_matrix[][] = {
            {1, 2, 3, 4},
            {5, 6, 7, 8},
            {9, 10, 11, 12},
            {13, 14, 15, 16}
        };
        System.out.println("The input_matrix is defined as ");
        for (int i = 0; i < Rows; i++) {
            for (int j = 0; j < Columns; j++)
            System.out.print( input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.print("\n");
        }
        int m = Rows, n = Columns;
        int row = 0, column = 0;
        int previous, current;
        while (row < m && column < n) {
            if (row + 1 == m || column + 1 == n)
               break;
            previous = input_matrix[row + 1][column];
            for (int i = column; i < n; i++) {
                current = input_matrix[row][i];
                input_matrix[row][i] = previous;
                previous = current;
            }
            row++;
            for (int i = row; i < m; i++) {
                current = input_matrix[i][n-1];
                input_matrix[i][n-1] = previous;
                previous = current;
            }
            n--;
            if (row < m) {
                for (int i = n-1; i >= column; i--) {
                    current = input_matrix[m-1][i];
                    input_matrix[m-1][i] = previous;
                    previous = current;
                }
            }
            m--;
            if (column < n) {
                for (int i = m-1; i >= row; i--) {
                    current = input_matrix[i][column];
                    input_matrix[i][column] = previous;
                    previous = current;
                }
            }
            column++;
        }
        System.out.println("\nThe input_matrix after one rotation: ");
        for (int i = 0; i < Rows; i++) {
            for (int j = 0; j < Columns; j++)
            System.out.print( input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.print("\n");
        }
    }
}

実行結果

The input_matrix is defined as
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16

The input_matrix after one rotation:
5 1 2 3
9 10 6 4
13 11 7 8
14 15 16 12

例2：回転処理をメソッド化したパターン

こちらの例では、回転ロジックを Rotate_matrix という独立したメソッドに切り出しています。あらかじめ定義された行列を受け取り、回転後の結果をコンソールに出力します。処理を部品化することで、コードの再利用性と可読性が向上します。

public class RotateMatrix {
    static int Rows = 4;
    static int Columns = 4;
    static void Rotate_matrix(int m,
    int n, int matrix[][]) {
        int row = 0, column = 0;
        int previous, current;
        while (row < m && column < n) {
            if (row + 1 == m || column + 1 == n)
               break;
            previous = matrix[row + 1][column];
            for (int i = column; i < n; i++) {
                current = matrix[row][i];
                matrix[row][i] = previous;
                previous = current;
            }
            row++;
            for (int i = row; i < m; i++) {
                current = matrix[i][n-1];
                matrix[i][n-1] = previous;
                previous = current;
            }
            n--;
            if (row < m) {
                for (int i = n-1; i >= column; i--) {
                    current = matrix[m-1][i];
                    matrix[m-1][i] = previous;
                    previous = current;
                }
            }
            m--;
            if (column < n) {
                for (int i = m-1; i >= row; i--) {
                    current = matrix[i][column];
                    matrix[i][column] = previous;
                    previous = current;
                }
            }
            column++;
        }
        System.out.println("\nThe matrix after one rotation: ");
        for (int i = 0; i < Rows; i++) {
            for (int j = 0; j < Columns; j++)
            System.out.print( matrix[i][j] + " ");
            System.out.print("\n");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        int input_matrix[][] = {
            {1, 2, 3, 4},
            {5, 6, 7, 8},
            {9, 10, 11, 12},
            {13, 14, 15, 16}
        };
        System.out.println("The matrix is defined as ");
        for (int i = 0; i < Rows; i++) {
            for (int j = 0; j < Columns; j++)
            System.out.print( input_matrix[i][j] + " ");
            System.out.print("\n");
        }
        Rotate_matrix(Rows, Columns, input_matrix);
    }
}

実行結果

The matrix is defined as
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16

The matrix after one rotation:
5 1 2 3
9 10 6 4
13 11 7 8
14 15 16 12

まとめ

行列の回転は、外周から順に「上辺→右辺→下辺→左辺」の要素を循環的に入れ替えることで実現できます。実装のポイントは以下のとおりです。

• whileループで行列のリング（層）を外側から内側へ縮小しながら処理する
• previous / current の2つの変数を使い、要素の値を失わないように受け渡す
• 境界条件（row + 1 == m など）の判定により、1行・1列のみのケースを安全にスキップする

この手法は時間計算量 O(m×n)、追加の記憶領域は O(1) で済むため、サイズの大きい行列でも効率的に動作します。ぜひ実際にコードを動かして、挙動を確認してみてください。