Javaで球体を表現するBallクラスの作り方⚽

はじめに (対象読者・この記事でわかること)

この記事は、Javaでオブジェクト指向プログラミングを学びたい初学者〜中級者の方を対象にしています。特に、数学的なオブジェクト（今回は球体）をクラスとして表現したい方におすすめです。

この記事を読むことで、Javaで球体を表現するためのBallクラスの設計・実装方法がわかります。加えて、球体の体積・表面積を計算するメソッドの実装や、オブジェクト指向の基本概念（カプセル化・情報隠蔽）を実践的に学べます。3Dグラフィックスやシミュレーション入門の第一歩としても活用できます。

前提知識

この記事を読み進める上で、以下の知識があるとスムーズです。 - Javaの基本的な文法（クラス・メソッド・変数） - オブジェクト指向プログラミングの基本概念（クラスとインスタンス） - 数学：円周率πと半径を使った球体の体積・表面積の公式

Javaで球体を表現する意義

ゲーム開発、3Dモデリング、物理シミュレーションなどでは、球体は最も基本的かつ重要な幾何学的オブジェクトです。Javaで球体を扱う際、単に半径を保持するだけでなく、体積計算、衝突判定、可視化など多岐にわたる処理が必要になります。

これらを毎回個別に実装していては、コードの重複・保守性の低下・バグの温床となります。そこで、球体を一つの「オブジェクト」としてまとめたBallクラスを作成することで、再利用可能で拡張性の高いプログラム構造を実現できます。

また、Ballクラスを通じて、カプセル化（データと処理を一つにまとめる）、情報隠蔽（外部からの直接アクセスを制限する）、コネクション（不変条件を保つ）など、オブジェクト指向の重要な概念を実践的に学べます。

Ballクラスの設計と実装

ここでは、段階的にBallクラスを構築していきます。まずは最小限の機能から始め、徐々に拡張していきましょう。

ステップ1：基本構造とフィールドの定義

まず、球体を表現するために必要な最小限の情報は「半径」と「中心座標」です。2次元・3次元に応じて座標の数は変わりますが、ここでは3次元を前提に進めます。

Java

public class Ball {
    private double radius;          // 半径
    private double x, y, z;         // 中心座標

    // 定数
    private static final double MIN_RADIUS = 0.0;
    private static final double DEFAULT_RADIUS = 1.0;

    // コンストラクタ
    public Ball(double radius, double x, double y, double z) {
        setRadius(radius);  // バリデーション付き
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.z = z;
    }

    // デフォルトコンストラクタ
    public Ball() {
        this(DEFAULT_RADIUS, 0.0, 0.0, 0.0);
    }
}

ポイントは、フィールドをすべてprivateにして外部からの直接アクセスを禁止することです。これにより、Ballクラス内部の実装を自由に変更できるようになります（情報隠蔽）。

ステップ2：ゲッター・セッターとバリデーション

次に、各フィールドに安全にアクセスするためのメソッドを実装します。特に、半径に負の値を設定できないようバリデーションを加えます。

Java

public class Ball {
    // 省略：フィールドとコンストラクタ

    // === 半径関連 ===
    public double getRadius() {
        return radius;
    }

    public void setRadius(double radius) {
        if (radius < MIN_RADIUS) {
            throw new IllegalArgumentException(
                "半径は" + MIN_RADIUS + "以上である必要があります。入力値：" + radius
            );
        }
        this.radius = radius;
    }

    // === 座標関連 ===
    public double getX() { return x; }
    public double getY() { return y; }
    public double getZ() { return z; }

    public void setPosition(double x, double y, double z) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.z = z;
    }

    public void move(double dx, double dy, double dz) {
        this.x += dx;
        this.y += dy;
        this.z += dz;
    }
}

setRadiusで例外をスローすることで、Ballオブジェクトが常に有効な状態（半径0以上）を保っています。これを「不変条件を守る」といいます。

ステップ3：体積・表面積の計算メソッド

球体の体積と表面積を返すメソッドを追加しましょう。数学的な公式をプログラムに落とし込む典型的な例です。

Java

public class Ball {
    // 省略：フィールド・コンストラクタ・ゲッター・セッター

    /**
     * 球体の体積を返す
     * 公式：V = 4/3 * π * r^3
     */
    public double getVolume() {
        return (4.0 / 3.0) * Math.PI * Math.pow(radius, 3);
    }

    /**
     * 球体の表面積を返す
     * 公式：S = 4 * π * r^2
     */
    public double getSurfaceArea() {
        return 4.0 * Math.PI * radius * radius;
    }
}

Math.PIで円周率、Math.powで累乗計算を行っています。メソッド名にgetを付けることで、「この値を取得するだけで副作用はない」という意図を明確にしています。

ステップ4：他のBallオブジェクトとの関係メソッド

2つの球体の「中心間距離」や「重なり（衝突）判定」はよく使う処理です。Ballクラス内部に実装しておくと便利です。

Java

public class Ball {
    // 省略：フィールド・コンストラクタ・ゲッター・セッター・体積表面積

    /**
     * 他のBallとの中心間距離を返す
     */
    public double distanceTo(Ball other) {
        double dx = this.x - other.x;
        double dy = this.y - other.y;
        double dz = this.z - other.z;
        return Math.sqrt(dx*dx + dy*dy + dz*dz);
    }

    /**
     * 他のBallと衝突しているか（重なっているか）判定
     * 中心間距離が両半径の和より小さい＝衝突
     */
    public boolean isCollidingWith(Ball other) {
        double distance = this.distanceTo(other);
        return distance < (this.radius + other.radius);
    }

    /**
     * 他のBallを完全に内包しているか
     */
    public boolean contains(Ball other) {
        double distance = this.distanceTo(other);
        // 中心間距離 + 相手半径 < 自分半径 なら内包
        return (distance + other.radius) < this.radius;
    }
}

このようにBallクラス内部に「球体同士の関係性」を記述することで、利用側は個別に距離計算や不等式を書く必要がなくなり、コードが読みやすくなります。

ステップ5：toString・equals・hashCodeのオーバーライド

Javaでは、オブジェクトの文字列表現・等価性・ハッシュ値を適切にオーバーライドしておくことで、デバッグやコレクション利用が楽になります。

Java

public class Ball {
    // 省略：上記までの実装

    @Override
    public String toString() {
        return String.format(
            "Ball(r=%.2f, center=(%.2f,%.2f,%.2f))", 
            radius, x, y, z
        );
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (!(obj instanceof Ball)) return false;
        Ball other = (Ball) obj;
        return Double.compare(radius, other.radius) == 0 &&
               Double.compare(x, other.x) == 0 &&
               Double.compare(y, other.y) == 0 &&
               Double.compare(z, other.z) == 0;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(radius, x, y, z);
    }
}

toStringを実装しておけば、System.out.println(ball);のように即座に内容を確認できます。equals・hashCodeを揃えて実装しておけば、List#containsやHashMapのキーとしても正しく動作します。

ハマった点やエラー解決

1. 浮動小数点の誤差で衝突判定が不安定になる - 現象：中心間距離と半径の和を==で比較すると、わずかな誤差で判定が反転 - 原因：浮動小数は正確に表現できない - 解決：Math.abs(distance - (r1+r2)) < 1e-9のように誤差を許容する

2. 半径0の球体を許可すべきか - 検討：数学的には半径0の球は「点」であり、体積・表面積も0で整合性が取れる - 結論：ドメインによります。物理シミュレーションなら0は許可（質点として扱う）、レンダリング用途なら0は非表示とするため許可してよい

3. 性能面での懸念 - 球体が何千もあるシミュレーションでは、毎フレームdistanceTo→sqrtがボトルネックになる - 改善：衝突判定のみなら比較の対象を二乗にしてsqrtを回避できる java public boolean isCollidingWith(Ball other) { double dx = this.x - other.x; double dy = this.y - other.y; double dz = this.z - other.z; double rSum = this.radius + other.radius; return (dx*dx + dy*dy + dz*dz) < (rSum*rSum); }

解決策

上記のように、浮動小数の比較には誤差許容を設け、パフォーマンスが重要な箇所では平方根を避ける工夫をするとよいです。また、不変条件（半径>=0）を守るため、セッターで例外をスローする実装を徹底しましょう。

まとめ

本記事では、Javaで球体を表現するBallクラスを設計・実装しました。フィールドのカプセル化、バリデーション付きセッター、体積・表面積・衝突判定メソッド、そして有用なオーバーライドメソッドを段階的に導入することで、安全で再利用しやすいクラスが完成しました。

• カプセル化：データと処理を一つにまとめ、外部からの直接アクセスを禁止
• 不変条件：半径0以上というルールを守ることで、Ballオブジェクトが常に有効
• 拡張性：距離計算・衝突判定を内包しているため、ゲーム・シミュレーションに直結

このBallクラスをベースに、質量・速度・色・テクスチャなどを追加すれば、より実用的な3Dオブジェクトへと発展させられます。次回は、Ballオブジェクトを複数扱う「ボウリングシミュレーション」を作ってみたいと思います。

参考資料

• Java 公式ドキュメント：Mathクラス
• 3D Math Primer for Graphics and Game Development
• Effective Java 第3版