هياكل البيانات والخوارزميات: حزمة المراجعة المكثفة

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

مسائل جديدة العودة 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(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,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 K_n: (n − 1)!/2
تحديث ديكسترا: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
المسارات (walks) بطول L: (Mᴸ)_ij

الطريقة

اكتب درجة كل رأس؛ مجموع الدرجات يساوي ضعف عدد الحواف.
في أسئلة أويلر، تحقّق من أن البيان متصل وعُدّ الرؤوس ذات الدرجة الفردية.
للأشجار استخدم n − 1 حافة ومبرهنة المصافحة.
في ديكسترا احتفظ بجدول للمسافات المؤقتة وثبّت في كل جولة أصغر رأس غير مثبّت.
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:

AΩ(n log n)
BΩ(n)
CΩ(log n)
DΩ(n²)

2.الخوارزميات والتعقيدصعبة

أي عبارة عن ترميز o الصغير صحيحة؟

An = o(n)، لأن كل دالة هي o صغير لنفسها
Bn = o(n²)، لكن n ليست o(n)
Cn² = o(n)
D2n = o(n)، لأن 2n تنمو ببطء

3.هياكل البياناتمتوسطة

كم ذاكرة تستخدم قائمة التجاور لمخطط فيه V رأسًا وE حافة؟

AO(V²)
BO(V + E)
CO(V × E)
DO(E²)

4.هياكل البياناتصعبة

أي ضمان تعطيه قواعد الشجرة الحمراء-السوداء بشأن ارتفاع شجرة فيها n مفتاحًا؟

Aالارتفاع لا يتجاوز log₂ n + 1
Bالارتفاع لا يتجاوز n / 2
Cالارتفاع لا يتجاوز 2 log₂(n + 1)
Dالارتفاع log₂ n بالضبط

5.نظرية البياناتمتوسطة

لشجرة 3 رؤوس من الدرجة 3, 2 رؤوس من الدرجة 2، وكل رؤوسها الأخرى أوراق (درجة 1). كم ورقة L لها؟

3 × deg 32 × deg 2

L =

6.نظرية البياناتصعبة

كم مسارًا مغلقًا (closed walk) بطول 3 يبدأ وينتهي عند B؟ يجوز للمسار تكرار الرؤوس والحواف. سمِّ العدد N.

M = مصفوفة التجاورL = 3

N =

3المحاليل

1.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: A · 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

A · Ω(n log n)

2.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: B · n = o(n²)، لكن n ليست o(n)

لماذا هذه هي الإجابة

f = o(g) تعني أن f(n) / g(n) تؤول إلى 0، وn / n² تؤول إلى 0، لكن n / n = 1 لا تؤول إليه.

الإجابة

B · n = o(n²)، لكن n ليست o(n)

3.هياكل البيانات

الإجابة: B · O(V + E)

لماذا هذه هي الإجابة

لكل رأس قائمة، وتظهر كل حافة مرة (موجّه) أو مرتين (غير موجّه)، فيكون المجموع O(V + E).

الإجابة

B · O(V + E)

4.هياكل البيانات

الإجابة: C · الارتفاع لا يتجاوز 2 log₂(n + 1)

لماذا هذه هي الإجابة

لكل مسار العدد نفسه من العقد السوداء، والعقد الحمراء لا تتجاور، فيكون أطول مسار ضعف أقصرها على الأكثر، فيكون الارتفاع O(log n).

الإجابة

C · الارتفاع لا يتجاوز 2 log₂(n + 1)

5.نظرية البيانات

الإجابة: L = 5

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 K_n 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.

مبرهنة المصافحة لشجرة

L + 13 = 2(L + 5) − 2

L = 5

الإجابة

L = 5

اختصار: L = 2 + Σ (d − 2) على الرؤوس ذات الدرجة d ≥ 3.

6.نظرية البيانات

الإجابة: N = 2

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 K_n 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 0 1 1 0

C: 1 0 0 0 0 0

D: 0 1 0 0 1 1

E: 0 1 0 1 0 1

F: 0 0 0 1 1 0

خطوة إضافية

(M³)_BB = 0·1 + 3·0 + 1·0 + 1·1 + 1·1 + 2·0 = 2

الإجابة

N = 2

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