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

كم مقارنة تقريبًا يحتاجها البحث الثنائي في أسوأ الحالات على مصفوفة مرتبة من 1,000,000 عنصر؟

  1. Aنحو 100
  2. Bنحو 500,000
  3. Cنحو 1,000
  4. Dنحو 20
2.الخوارزميات والتعقيدصعبة

كيف تُقارَن n! و2ⁿ عندما تكون n كبيرة؟

  1. An! هي O(n²)
  2. Bتنموان بالمعدل نفسه
  3. C2ⁿ تنمو أسرع من n!
  4. Dn! تنمو أسرع من 2ⁿ
3.هياكل البياناتمتوسطة

تكون شجرة البادئات (trie) فعّالة بشكل خاص في:

  1. Aعمليات البحث بالبادئة مثل الإكمال التلقائي
  2. Bفرز الأعداد
  3. Cتخزين المصفوفات
  4. Dإيجاد أقصر المسارات
4.هياكل البياناتصعبة

لماذا تُستخدم أشجار B في قواعد البيانات وأنظمة الملفات؟

  1. Aتستخدم ذاكرة أقل من أي مصفوفة، فيتسع الفهرس كله دائمًا في الذاكرة الرئيسية
  2. Bلا تحتاج إلى إعادة توازن
  3. Cتخزّن البيانات غير مرتبة
  4. Dمعامل التفرع العالي يبقي الشجرة ضحلة، فيقلّل من قراءات القرص البطيئة
5.نظرية البياناتمتوسطة

بيان متصل له 14 رؤوس و22 حافة. كم حافة k يجب حذفها لتبقى شجرة ممتدة؟

|V| = 14|E| = 22
k =
6.نظرية البياناتصعبة
4691871915ABCDE

جد الوزن الكلي W لشجرة ممتدة دنيا في البيان الموزون.

|V| = 5|E| = 7
W =

3المحاليل

1.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: D · نحو 20

لماذا هذه هي الإجابة

220 ≈ 1,048,576، فبعد نحو 20 تنصيفًا لا يبقى إلا عنصر واحد.

الإجابة

D · نحو 20
2.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: D · n! تنمو أسرع من 2ⁿ

لماذا هذه هي الإجابة

عندما n ≥ 4 تتجاوز n! قيمة 2ⁿ، وتنمو النسبة بلا حد لأن كل عامل إضافي في n! أكبر من 2.

الإجابة

D · n! تنمو أسرع من 2ⁿ
3.هياكل البيانات

الإجابة: A · عمليات البحث بالبادئة مثل الإكمال التلقائي

لماذا هذه هي الإجابة

تخزّن trie السلاسل حرفًا حرفًا على طول المسارات، لذا يستغرق البحث واستعلامات البادئة زمنًا يتناسب مع طول المفتاح.

الإجابة

A · عمليات البحث بالبادئة مثل الإكمال التلقائي
4.هياكل البيانات

الإجابة: D · معامل التفرع العالي يبقي الشجرة ضحلة، فيقلّل من قراءات القرص البطيئة

لماذا هذه هي الإجابة

تخزّن أشجار B مفاتيح كثيرة في كل عقدة، فيكون الارتفاع صغيرًا ويلزم عدد قليل من قراءات الكتل لكل بحث؛ كما تربط أشجار B+ الأوراق لعمليات مسح النطاقات.

الإجابة

D · معامل التفرع العالي يبقي الشجرة ضحلة، فيقلّل من قراءات القرص البطيئة
5.نظرية البيانات

الإجابة: k = 9

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

14 − 1 = 13

الحواف المراد حذفها

k = 22 − 13 = 9

الإجابة

k = 9
6.نظرية البيانات

الإجابة: W = 35

أقصر المسارات والأشجار الممتدة: تثبّت خوارزمية ديكسترا رأسًا واحدًا في كل جولة: الرأس غير المثبّت ذا أصغر مسافة مؤقتة. تصبح مسافته نهائية، ويأخذ كل جار v القيمة d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). تبني خوارزمية كروسكال شجرة ممتدة دنيا بأخذ الحواف من الأخف إلى الأثقل وتخطّي كل حافة تُغلق دورة؛ وتنمّي خوارزمية برايم شجرة واحدة من رأس البداية بإضافة أخف حافة تغادرها دائمًا. وللشجرة الممتدة على n رأسًا n − 1 حافة.

خوارزمية كروسكال

AB (4): خذ
AC (6): خذ
CE (7): خذ
BC (9): تخطَّ، تُغلق دورة
BE (15): تخطَّ، تُغلق دورة
BD (18): خذ

الوزن الكلي

W = 4 + 6 + 7 + 18 = 35

الإجابة

W = 35

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