هياكل البيانات والخوارزميات: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و6 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

نظرية البيانات

مبرهنة المصافحة
Σ deg(v) = 2|E|
البيانات التامة
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
البيان المنتظم
|E| = n·k/2
الشجرة والغابة
|E| = n − 1, |E| = n − c
أوراق الشجرة
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
أويلر
الدارة: كل الدرجات زوجية؛ المسار: درجتان فرديتان بالضبط
دارات هاملتون في Kn
(n − 1)!/2
تحديث ديكسترا
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
المسارات (walks) بطول L
(Mᴸ)ij

الطريقة

  1. اكتب درجة كل رأس؛ مجموع الدرجات يساوي ضعف عدد الحواف.
  2. في أسئلة أويلر، تحقّق من أن البيان متصل وعُدّ الرؤوس ذات الدرجة الفردية.
  3. للأشجار استخدم n − 1 حافة ومبرهنة المصافحة.
  4. في ديكسترا احتفظ بجدول للمسافات المؤقتة وثبّت في كل جولة أصغر رأس غير مثبّت.
  5. لإيجاد شجرة ممتدة دنيا، رتّب الحواف بحسب الوزن وتخطَّ كل حافة تُغلق دورة (كروسكال)، أو أنمِ شجرة واحدة انطلاقًا من رأس البداية (برايم).

2مسائل تدريبية

1.الخوارزميات والتعقيدمتوسطة

الحد الأدنى للفرز القائم على المقارنة في أسوأ الحالات هو:

  1. AΩ(n²)
  2. BΩ(n log n)
  3. CΩ(log n)
  4. DΩ(n)
2.الخوارزميات والتعقيدصعبة

يحقق ضرب كاراتسوبا T(n) = 3T(n/2) + O(n). ما حل هذه العلاقة؟

  1. AΘ(nlog₂ 3)، أي نحو n1,585
  2. BΘ(n log n)
  3. CΘ(n²)
  4. DΘ(n3)
3.هياكل البياناتمتوسطة

لعقدة في شجرة بحث ثنائية شجرة فرعية يمنى. أين يقع تاليها في الترتيب الوسطي (in-order successor)؟

  1. Aالعقدة الأقصى يسارًا في شجرتها الفرعية اليمنى
  2. Bابنها الأيمن، دائمًا
  3. Cالعقدة الأقصى يمينًا في شجرتها الفرعية اليسرى
  4. Dأبوها، دائمًا
4.هياكل البياناتصعبة

أي عبارة عن الفرز بالكومة (heapsort) صحيحة؟

  1. Aمستقر ويحتاج إلى ذاكرة إضافية O(n)
  2. Bيحتاج إلى شجرة بحث ثنائية بوصفها تخزينًا إضافيًا، فيستخدم O(n) ذاكرة إضافية
  3. Cيعمل في زمن O(n) على أي مدخل
  4. Dيفرز في المكان بزمن O(n log n) في أسوأ الحالات لكنه غير مستقر
5.نظرية البياناتمتوسطة

بيان متصل له 7 رؤوس و7 حافة. كم حافة k يجب حذفها لتبقى شجرة ممتدة؟

|V| = 7|E| = 7
k =
6.نظرية البياناتصعبة
ABCDEF

كم مسارًا (walk) بطول 3 يذهب من E إلى D؟ يجوز للمسار تكرار الرؤوس والحواف. سمِّ العدد N.

M = مصفوفة التجاورL = 3
N =

3المحاليل

1.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: B · Ω(n log n)

لماذا هذه هي الإجابة

يحتاج أي فرز بالمقارنة في أسوأ الحالات إلى log₂(n!) ≈ n log n مقارنة على الأقل. ويتخطى الفرز بالعدّ (Counting sort) هذا الحد لأنه لا يقارن.

الإجابة

B · Ω(n log n)
2.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: A · Θ(nlog₂ 3)، أي نحو n1,585

لماذا هذه هي الإجابة

بما أن log₂ 3 ≈ 1,585 > 1 فإن الأوراق تهيمن وفق النظرية الرئيسية، فيتفوق على طريقة الضرب المدرسية O(n²).

الإجابة

A · Θ(nlog₂ 3)، أي نحو n1,585
3.هياكل البيانات

الإجابة: A · العقدة الأقصى يسارًا في شجرتها الفرعية اليمنى

لماذا هذه هي الإجابة

كل المفاتيح الأكبر القريبة من العقدة في شجرتها الفرعية اليمنى، وأصغرها هو العقدة الأقصى يسارًا هناك.

الإجابة

A · العقدة الأقصى يسارًا في شجرتها الفرعية اليمنى
4.هياكل البيانات

الإجابة: D · يفرز في المكان بزمن O(n log n) في أسوأ الحالات لكنه غير مستقر

لماذا هذه هي الإجابة

يبني الفرز بالكومة كومة عظمى ويستخرج الأكبر n مرة داخل المصفوفة نفسها، والتبديلات عبر مسافات طويلة قد تغير ترتيب المفاتيح المتساوية.

الإجابة

D · يفرز في المكان بزمن O(n log n) في أسوأ الحالات لكنه غير مستقر
5.نظرية البيانات

الإجابة: k = 1

أويلر وهاملتون والأشجار: لبيان متصل دارة أويلر (كل حافة مرة واحدة، والعودة إلى البداية) عندما تكون لكل رأس درجة زوجية، ومسار أويلر ليس دارة عندما تكون لرأسين بالضبط درجة فردية؛ ويسير المسار عندئذ من أحد الرأسين الفرديين إلى الآخر. تزور دارة هاملتون كل رأس مرة واحدة؛ وفي Kn منها (n − 1)!/2. للشجرة على n رأسًا n − 1 حافة، ويحتفظ بيان متصل ذو m حافة بشجرة ممتدة بعد حذف m − n + 1 حافة.

حواف الشجرة الممتدة

7 − 1 = 6

الحواف المراد حذفها

k = 7 − 6 = 1

الإجابة

k = 1
6.نظرية البيانات

الإجابة: N = 7

الدرجات: درجة الرأس هي عدد الحواف التي تلتقي عنده. لكل حافة طرفان، فتساوي الدرجات مجتمعةً ضعف عدد الحواف: Σ deg(v) = 2|E| (مبرهنة المصافحة). وعدد الرؤوس ذات الدرجة الفردية زوجي إذن. للبيان Kn عدد n(n − 1)/2 حافة، وللبيان k-المنتظم على n رأسًا nk/2، وللشجرة على n رأسًا n − 1 حافة.

مصفوفة التجاور

A: 0 1 1 0 0 0
B: 1 0 1 1 1 0
C: 1 1 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 1 1
E: 0 1 1 1 0 1
F: 0 0 0 1 1 0

خطوة إضافية

(M³)ED = 2·0 + 2·1 + 1·0 + 2·0 + 4·1 + 1·1 = 7

الإجابة

N = 7

ExamProblems · examproblems.com/courses/data-structures-and-algorithms