【用語解説】有限オートマトンとは？

文字列の検索やプログラムの解析など、様々な場面で有限オートマトンが使われています。
あるルールに従って状態が変化していくシステム。

自動販売機は、お金を入れる(入力)→ボタンを押す(入力)→商品が出てくるのようなイメージです。
この一連の動作をモデル化するのが有限オートマトンです。

ここでは、「有限オートマトン」について、さらに詳しく解説いたします。

有限オートマトンの概要

有限オートマトン（Finite Automaton）は、コンピューターサイエンスやAIの分野でよく使われる理論的なモデルであり、特に形式言語や計算理論に関連しています。

これは、ある種の問題を解決するために使用される「状態」と「遷移」に基づいたシステムです。
有限オートマトンは、名前の通り、有限個の状態しか持たないため、計算の一部をシンプルに扱うことができます。

有限オートマトンは、以下の3つの要素から成り立っています。

有限オートマトンには主に2種類があります。

決定性有限オートマトン (DFA)
ある状態において、入力に対して次の状態が一意に決定されるオートマトンです。シンプルで直感的なモデルであり、特定の問題に対する効率的な解決策を提供します。

非決定性有限オートマトン (NFA)
ある状態において、同じ入力に対して複数の遷移先が存在する可能性があるオートマトンです。計算モデルとしてはDFAと同等の能力を持っていますが、実装の際にはやや複雑になります。

有限オートマトンは、次のような多くの応用例があります。

形式言語の認識
正規表現を使ったパターンマッチングや、プログラムの字句解析で使用されます。
テキストエディタの検索機能や、コンパイラがソースコードを解析する際に使われます。

ゲームAI
有限オートマトンを使って、ゲームのキャラクターの動作を管理することができます。
特定の入力（プレイヤーの動きなど）に対して、キャラクターが適切に反応するための遷移を定義します。

有限オートマトンはAIの複雑なモデルと比較すると、非常にシンプルなものです。

しかし、そのシンプルさゆえに、多くの基礎的な問題解決に役立っています。
言語処理や文字認識など、AIが関与する問題の一部を解決するために、有限オートマトンが活用されることがあります。

特に、有限オートマトンの概念は、AIの初期段階で用いられることが多く、複雑なAIアルゴリズムを理解するための基本的なステップとされています。

有限オートマトンは、状態遷移に基づいて動作するシンプルな計算モデルであり、形式言語の解析やゲームAIなど、さまざまな分野で広く応用されています。

AI分野においても、有限オートマトンは基本的な概念として多くの場面で利用されており、AI技術を学び始める人々にとって理解しやすいエントリーポイントとなります。