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Yudong Jin
2026-03-30 07:30:15 +08:00
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commit d7b2277d2b
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@@ -1,51 +1,51 @@
# スタック
<u>スタック</u>は、後入先出LIFOの原則に従う線形データ構造です。
<u>スタックstack</u>は、後入先出しの論理に従う線形データ構造です。
スタックをテーブル上の皿の山に例えることができます。底の皿にアクセスするには、まず上の皿を取り除く必要があります。皿を様々な種類の要素(整数、文字、オブジェクトなど)に置き換えることで、スタックと呼ばれるデータ構造を得ることができます。
スタックは机の上に積まれた皿の山にたとえられます。1回に1枚の皿しか動かせないとすると、いちばん下の皿を取り出すには、上にある皿を順番にどかす必要があります。この皿をさまざまな型の要素(整数、文字、オブジェクトなど)に置き換えたものが、スタックというデータ構造す。
下図に示すように、要素の山の上を「スタックトップ」、下を「スタックボトム」と呼びます。スタックトップに要素を追加する操作を「プッシュ」、トップ要素を削除する操作を「ポップ」と呼びます。
下図ように、積み重なった要素の上を「スタックトップ」、下を「スタックボトム」と呼びます。要素をスタックトップに追加する操作を「プッシュ」、スタックトップ要素を削除する操作を「ポップ」と呼びます。
![スタックの後入先出ルール](stack.assets/stack_operations.png)
![スタックの後入先出しの規則](stack.assets/stack_operations.png)
## スタックの一般的な操作
## スタックの基本操作
スタックの一般的な操作を下表に示します。具体的なメソッド名は使用するプログラミング言語によって異なります。ここでは、例として`push()``pop()``peek()`を使用します。
スタックの基本操作を以下の表に示します。具体的なメソッド名は使用するプログラミング言語によって異なります。ここでは、一般的な `push()``pop()``peek()` を例に挙げます。
<p align="center"> 表 <id> &nbsp; スタック操作効率 </p>
<p align="center"> 表 <id> &nbsp; スタック操作効率 </p>
| メソッド | 説明 | 時間計算量 |
| -------- | ----------------------------------------------- | --------------- |
| `push()` | 要素をスタックにプッシュ(トップに追加) | $O(1)$ |
| `pop()` | スタックからトップ要素をポップ | $O(1)$ |
| `peek()` | スタックトップ要素にアクセス | $O(1)$ |
| メソッド | 説明 | 時間計算量 |
| -------- | ---------------------- | ---------- |
| `push()` | 要素をプッシュする(スタックトップに追加) | $O(1)$ |
| `pop()` | スタックトップ要素をポップする | $O(1)$ |
| `peek()` | スタックトップ要素にアクセスする | $O(1)$ |
通常、プログラミング言語に組み込まれているスタッククラスを直接使用できます。ただし、一部の言語では具体的にスタッククラスを提供していない場合があります。これらの場合、言語の「配列」または「連結リスト」をスタックとして使用し、プログラムでスタックロジックに関連しない操作を無視できます。
通常、プログラミング言語に組み込まれているスタッククラスをそのまま利用できます。ただし、専用のスタッククラスが用意されていない言語もあります。その場合は、その言語の「配列」「連結リスト」をスタックとして用い、プログラムのロジック上でスタックに無関係な操作を無視ます。
=== "Python"
```python title="stack.py"
# スタックを初期化
# Pythonには組み込みのスタッククラスがないため、listをスタックとして使用
# Python には組み込みのスタッククラスがないため、list をスタックとして使用できる
stack: list[int] = []
# 要素をスタックにプッシュ
# 要素をプッシュ
stack.append(1)
stack.append(3)
stack.append(2)
stack.append(5)
stack.append(4)
# スタックトップ要素にアクセス
# スタックトップ要素にアクセス
peek: int = stack[-1]
# スタックから要素をポップ
# 要素をポップ
pop: int = stack.pop()
# スタックの長さを取得
size: int = len(stack)
# スタックが空かどうかチェック
# 空かどうかを判定
is_empty: bool = len(stack) == 0
```
@@ -55,23 +55,23 @@
/* スタックを初期化 */
stack<int> stack;
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
int top = stack.top();
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
stack.pop(); // 戻り値なし
/* スタックの長さを取得 */
int size = stack.size();
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
bool empty = stack.empty();
```
@@ -81,23 +81,23 @@
/* スタックを初期化 */
Stack<Integer> stack = new Stack<>();
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
int peek = stack.peek();
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
int pop = stack.pop();
/* スタックの長さを取得 */
int size = stack.size();
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
boolean isEmpty = stack.isEmpty();
```
@@ -107,23 +107,23 @@
/* スタックを初期化 */
Stack<int> stack = new();
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.Push(1);
stack.Push(3);
stack.Push(2);
stack.Push(5);
stack.Push(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
int peek = stack.Peek();
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
int pop = stack.Pop();
/* スタックの長さを取得 */
int size = stack.Count;
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
bool isEmpty = stack.Count == 0;
```
@@ -131,27 +131,27 @@
```go title="stack_test.go"
/* スタックを初期化 */
// Goでは、Sliceをスタックとして使用することが推奨されます
// Go では、Slice をスタックとして使うのが一般的
var stack []int
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack = append(stack, 1)
stack = append(stack, 3)
stack = append(stack, 2)
stack = append(stack, 5)
stack = append(stack, 4)
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
peek := stack[len(stack)-1]
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
pop := stack[len(stack)-1]
stack = stack[:len(stack)-1]
/* スタックの長さを取得 */
size := len(stack)
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
isEmpty := len(stack) == 0
```
@@ -159,26 +159,26 @@
```swift title="stack.swift"
/* スタックを初期化 */
// Swiftには組み込みのスタッククラスがないため、Arrayをスタックとして使用
// Swift には組み込みのスタッククラスがないため、Array をスタックとして使用できる
var stack: [Int] = []
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.append(1)
stack.append(3)
stack.append(2)
stack.append(5)
stack.append(4)
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
let peek = stack.last!
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
let pop = stack.removeLast()
/* スタックの長さを取得 */
let size = stack.count
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
let isEmpty = stack.isEmpty
```
@@ -186,26 +186,26 @@
```javascript title="stack.js"
/* スタックを初期化 */
// JavaScriptには組み込みのスタッククラスがないため、Arrayをスタックとして使用
// JavaScript には組み込みのスタッククラスがないため、Array をスタックとして使用できる
const stack = [];
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
const peek = stack[stack.length-1];
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
const pop = stack.pop();
/* スタックの長さを取得 */
const size = stack.length;
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
const is_empty = stack.length === 0;
```
@@ -213,26 +213,26 @@
```typescript title="stack.ts"
/* スタックを初期化 */
// TypeScriptには組み込みのスタッククラスがないため、Arrayをスタックとして使用
// TypeScript には組み込みのスタッククラスがないため、Array をスタックとして使用できる
const stack: number[] = [];
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
const peek = stack[stack.length - 1];
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
const pop = stack.pop();
/* スタックの長さを取得 */
const size = stack.length;
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
const is_empty = stack.length === 0;
```
@@ -240,26 +240,26 @@
```dart title="stack.dart"
/* スタックを初期化 */
// Dartには組み込みのスタッククラスがないため、Listをスタックとして使用
// Dart には組み込みのスタッククラスがないため、List をスタックとして使用できる
List<int> stack = [];
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.add(1);
stack.add(3);
stack.add(2);
stack.add(5);
stack.add(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
int peek = stack.last;
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
int pop = stack.removeLast();
/* スタックの長さを取得 */
int size = stack.length;
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
bool isEmpty = stack.isEmpty;
```
@@ -267,55 +267,106 @@
```rust title="stack.rs"
/* スタックを初期化 */
// Vecをスタックとして使用
// Vec をスタックとして使用する
let mut stack: Vec<i32> = Vec::new();
/* 要素をスタックにプッシュ */
/* 要素をプッシュ */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* スタックトップ要素にアクセス */
/* スタックトップ要素にアクセス */
let top = stack.last().unwrap();
/* スタックから要素をポップ */
/* 要素をポップ */
let pop = stack.pop().unwrap();
/* スタックの長さを取得 */
let size = stack.len();
/* スタックが空かどうかチェック */
/* 空かどうかを判定 */
let is_empty = stack.is_empty();
```
=== "C"
```c title="stack.c"
// Cは組み込みのスタックを提供していません
// Cは組み込みのスタックがない
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="stack.kt"
/* スタックを初期化 */
val stack = Stack<Int>()
/* 要素をプッシュ */
stack.push(1)
stack.push(3)
stack.push(2)
stack.push(5)
stack.push(4)
/* スタックトップの要素にアクセス */
val peek = stack.peek()
/* 要素をポップ */
val pop = stack.pop()
/* スタックの長さを取得 */
val size = stack.size
/* 空かどうかを判定 */
val isEmpty = stack.isEmpty()
```
=== "Ruby"
```ruby title="stack.rb"
# スタックを初期化
# Ruby には組み込みのスタッククラスがないため、Array をスタックとして使用できる
stack = []
# 要素をプッシュ
stack << 1
stack << 3
stack << 2
stack << 5
stack << 4
# スタックトップの要素にアクセス
peek = stack.last
# 要素をポップ
pop = stack.pop
# スタックの長さを取得
size = stack.length
# 空かどうかを判定
is_empty = stack.empty?
```
??? pythontutor "実行の可視化"
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20%23%20Python%20%E6%B2%A1%E6%9C%89%E5%86%85%E7%BD%AE%E7%9A%84%E6%A0%88%E7%B1%BB%EF%BC%8C%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E6%8A%8A%20list%20%E5%BD%93%E4%BD%9C%E6%A0%88%E6%9D%A5%E4%BD%BF%E7%94%A8%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.append%281%29%0A%20%20%20%20stack.append%283%29%0A%20%20%20%20stack.append%282%29%0A%20%20%20%20stack.append%285%29%0A%20%20%20%20stack.append%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack%5B-1%5D%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len%28stack%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20len%28stack%29%20%3D%3D%200%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&cumulative=false&curInstr=2&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
## スタックの実装
スタックがどのように動作するかをより深く理解するために、自分でスタッククラスを実装してみましょう。
スタックの動作の仕組みをより深く理解するために、自分でスタッククラスを実装してみましょう。
スタックは後入先出の原則に従うため、スタックトップでのみ要素を追加または削除できます。しかし、配列連結リストの両方は任意の位置で要素を追加・削除できるため、**スタックは制限された配列または連結リストと見なすことができます**言い換えれば、配列や連結リストの特定の無関係な操作を「蔽」して、外部の動作をスタックの特性に合わせることができます。
スタックは後入先出の原則に従うため、要素の追加や削除はスタックトップでしか行えません。一方、配列連結リストは任意の位置で要素を追加・削除できます。**つまり、スタックは制限付きの配列または連結リストとみなせます** 言い換えると、配列や連結リストのうち無関係な操作を「蔽」することで、外から見た振る舞いをスタックの特性に合わせられます。
### 連結リストベースの実装
### 連結リストによる実装
連結リストを使用してスタックを実装する場合、リストのヘッドノードをスタックトップ、テールノードをスタックボトムと考えることができます。
連結リストスタックを実装する場合、連結リストの先頭ノードをスタックトップ、末尾ノードをスタックボトムとみなせます。
下図に示すように、プッシュ操作では、単に連結リストのヘッドに要素を挿入します。このノード挿入方法は「ヘッド挿入」として知られています。ポップ操作では、リストからヘッドノードを削除するだけです。
下図ように、プッシュ操作では要素を連結リストの先頭に挿入するだけでよく、このノード挿入方法は「頭部挿入」と呼ばれます。ポップ操作では、先頭ノードを連結リストから削除するだけです。
=== "LinkedListStack"
![連結リストによるスタック実装のプッシュポップ操作](stack.assets/linkedlist_stack_step1.png)
![連結リストによるスタック実装のプッシュポップ操作](stack.assets/linkedlist_stack_step1.png)
=== "push()"
![linkedlist_stack_push](stack.assets/linkedlist_stack_step2_push.png)
@@ -323,18 +374,18 @@
=== "pop()"
![linkedlist_stack_pop](stack.assets/linkedlist_stack_step3_pop.png)
以下は、連結リストに基づくスタック実装のサンプルコードです:
以下は、連結リストによってスタック実装したコードです:
```src
[file]{linkedlist_stack}-[class]{linked_list_stack}-[func]{}
```
### 配列ベースの実装
### 配列による実装
配列を使用してスタックを実装する場合、配列の末尾をスタックトップと考えることができます。下図に示すように、プッシュとポップ操作は、それぞれ配列末尾の要素追加と削除に対応し、どちら時間計算量$O(1)$です。
配列スタックを実装する場合、配列の末尾をスタックトップとして扱えます。下図ように、プッシュとポップそれぞれ配列末尾の要素追加と削除に対応し、どちら時間計算量$O(1)$ です。
=== "ArrayStack"
![配列によるスタック実装のプッシュポップ操作](stack.assets/array_stack_step1.png)
![配列によるスタック実装のプッシュポップ操作](stack.assets/array_stack_step1.png)
=== "push()"
![array_stack_push](stack.assets/array_stack_step2_push.png)
@@ -342,7 +393,7 @@
=== "pop()"
![array_stack_pop](stack.assets/array_stack_step3_pop.png)
スタックにプッシュされる要素が継続的に増加する可能性があるため、動的配列を使用でき、配列拡張を自で処理する必要がありません。以下はサンプルコードです:
プッシュされる要素は際限なく増える可能性があるため、動的配列を使えば、配列拡張を自で処理する必要がありません。以下にコード例を示します:
```src
[file]{array_stack}-[class]{array_stack}-[func]{}
@@ -350,30 +401,30 @@
## 2つの実装の比較
**サポートされる操作**
**対応する操作**
両方の実装、スタック定義されたすべての操作をサポートします。配列実装はさらにランダムアクセスをサポートしますが、これはスタック定義範囲を超えており、一般的には使用されません。
どちらの実装、スタック定義に含まれる各種操作をサポートします。配列ベースの実装はランダムアクセスも可能ですが、これはスタック定義範囲を超えているため、通常は利用しません。
**時間効率**
配列ベースの実装では、プッシュとポップ操作の両方が事前に割り当てられた連続メモリで発生し、良好なキャッシュ局所性があるため効率が高くなります。しかし、プッシュ操作が配列容量を超える場合、リサイズメカニズムがトリガーされ、そのプッシュ操作の時間計算量は$O(n)$になります。
配列ベースの実装では、プッシュとポップの両方があらかじめ確保された連続メモリ上で行われるため、キャッシュ局所性が高く、効率に優れます。ただし、プッシュ時に配列容量を超えると拡張処理が発生し、その1回のプッシュの時間計算量は $O(n)$ になります。
連結リスト実装では、リスト拡張非常に柔軟で、配列拡張のような効率低下の問題はありません。しかし、プッシュ操作にはノードオブジェクトの初期化とポインタの更が必要ため、効率は比較的低くなります。プッシュされる要素がすでにノードオブジェクトの場合、初期化ステップをスキップでき、効率が向上します。
連結リストベースの実装では、サイズ拡張非常に柔軟であり、前述のような配列拡張による効率低下はありません。ただし、プッシュにはノードオブジェクトの初期化とポインタの更が必要になるため、効率は相対的に低くなります。もっとも、プッシュる要素自体がノードオブジェクトであれば、初期化の手間を省けるため、効率を高められます。
したがって、プッシュとポップ操作の要素が`int``double`などの基本データ型場合、以下の結論を導くことができます
以上を踏まえると、プッシュおよびポップの対象が `int``double` のような基本データ型である場合、の結論が得られます
- 配列ベースのスタック実装は拡張時に効率が低下しますが、拡張は低頻度操作であるため、平均効率は高くなります。
- 連結リストベースのスタック実装はより安定した効率パフォーマンスを提供ます。
- 配列ベースのスタックは拡張時に効率が低下しますが、拡張は低頻度操作であるため、平均効率はより高くなります。
- 連結リストベースのスタックはより安定した効率を提供できます。
**空間効率**
リストを初期化する、システムは「初期容量」を割り当てますが、こは実際の必要量を超える可能性があります。さらに、拡張メカニズムは通常、定の係数2倍などで容量を増加させ、これも実際の必要量を超える可能性があります。したがって、**配列ベースのスタックは一部の空間を無駄にする可能性があります**
リストを初期化するとき、システムは「初期容量」を割り当てますが、この容量は実際の必要量を上回ることがあります。また、拡張は通常、定の倍率たとえば2倍で行われるため、拡張後の容量も実際の必要量を超える可能性があります。したがって、**配列ベースのスタックは一定のメモリ浪費を招く可能性があります**
しかし、連結リストノードはポインタを格納するための追加空間が必要なため、**連結リストノードが占有する空間は比較的大きくなります**
一方で、連結リストノードはポインタを追加で保持する必要があるため、**連結リストノードは相対的に大きな領域を占有します**
まとめると、どちらの実装がよりメモリ効率的かを単純に断することはできません。特定の状況に基づく分析が必要です。
以上より、どちらの実装がよりメモリかを単純に断することはできず、具体的な状況に応じて分析する必要があります。
## スタックの典型的な応用
- **ブラウザ戻ると進む、ソフトウェアの元に戻すとやり直し**。新しいWebページを開くたびに、ブラウザは前のページをスタックにプッシュ、戻る操作(本質的にはポップ操作)を通じて前のページに戻ることができます。戻ると進むの両方をサポートするには、2つのスタックが連携して動作する必要があります。
- **プログラムのメモリ管理**。関数呼び出されるたびに、システムはスタックトップにスタックフレームを追加し関数のコンテキスト情報を記録します。再帰関数では、下方向の再帰フェーズはスタックへのプッシュを続け、上方向のバックトラッキングフェーズはスタックからのポップを続けます。
- **ブラウザにおける戻ると進む、ソフトウェアにおける取り消しとやり直し**。新しいWebページを開くたびに、ブラウザは前のページをスタックにプッシュするため、戻る操作によって前のページに戻れます。戻る操作は実際にはポップに相当します。戻ると進むを同時にサポートするには、2つのスタックを組み合わせて実現する必要があります。
- **プログラムのメモリ管理**。関数呼び出たびに、システムはスタックトップにスタックフレームを追加し関数のコンテキスト情報を記録します。再帰関数では、下向きに再帰していく段階でプッシュが繰り返され、上向きにバックトラックする段階でポップが繰り返されます。