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

ماذا يقيس التحليل المستهلَك (amortised)؟

  1. Aكلفة أغلى عملية منفردة في أي موضع من السلسلة
  2. Bكلفة الخوارزمية على أفضل مدخل
  3. Cمتوسط الكلفة لكل عملية على أسوأ سلسلة من العمليات
  4. Dالكلفة المتوقعة على مدخلات عشوائية
2.الخوارزميات والتعقيدصعبة

أي عبارة صحيحة عن اختيار العنصر الأصغر رقم k في مصفوفة غير مرتبة؟

  1. Aيعمل Quickselect في زمن متوقع O(n)، وتضمن طريقة وسيط الوسائط O(n) في أسوأ الحالات
  2. Bيحتاج الاختيار دائمًا إلى Ω(n log n) لأنه يتطلب الفرز
  3. Cالاختيار ممكن فقط في O(n²)
  4. Dيعمل Quickselect في O(log n) في أسوأ الحالات لأنه يعود على جانب واحد فقط من المحور
3.هياكل البياناتمتوسطة

جدول تجزئة حجمه 7 يستخدم h(k) = k mod 7 والتقصّي الخطي (linear probing). بعد إدراج 10، أين يُخزَّن 17؟

  1. Aالفهرس 3
  2. Bالفهرس 4
  3. Cالفهرس 0
  4. Dالفهرس 6
4.هياكل البياناتصعبة

في شجرة البحث الثنائية ذات الجذر 50، والشجرة الفرعية اليسرى 30 (ابناها 20 و40)، واليمنى 70 (ابناها 60 و80)، حُذف الجذر باستخدام تاليه في الترتيب الوسطي. أي مفتاح يصبح الجذر الجديد؟

  1. A40
  2. B80
  3. C70
  4. D60
5.نظرية البياناتمتوسطة

بيان متصل له 13 رؤوس و14 حافة. كم حافة k يجب حذفها لتبقى شجرة ممتدة؟

|V| = 13|E| = 14
k =
6.نظرية البياناتصعبة
18151761321919ABCDEFG

جد الوزن الكلي W لشجرة ممتدة دنيا في البيان الموزون.

|V| = 7|E| = 9
W =

3المحاليل

1.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: C · متوسط الكلفة لكل عملية على أسوأ سلسلة من العمليات

لماذا هذه هي الإجابة

يوزع التحليل المستهلَك كلفة العمليات الغالية النادرة على كثير من العمليات الرخيصة، فيعطي متوسطًا مضمونًا لأي سلسلة.

الإجابة

C · متوسط الكلفة لكل عملية على أسوأ سلسلة من العمليات
2.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: A · يعمل Quickselect في زمن متوقع O(n)، وتضمن طريقة وسيط الوسائط O(n) في أسوأ الحالات

لماذا هذه هي الإجابة

العمل المتوقع لـ Quickselect هو n + n/2 + n/4 + ... = O(n) مع محاور عشوائية، واختيار المحور وسيطًا للوسائط يجعل أسوأ الحالات خطيًا.

الإجابة

A · يعمل Quickselect في زمن متوقع O(n)، وتضمن طريقة وسيط الوسائط O(n) في أسوأ الحالات
3.هياكل البيانات

الإجابة: B · الفهرس 4

لماذا هذه هي الإجابة

10 mod 7 = 3 و17 mod 7 = 3، والفهرس 3 مشغول، فيجرّب التقصّي الخطي الخانة التالية، أي الفهرس 4.

الإجابة

B · الفهرس 4
4.هياكل البيانات

الإجابة: D · 60

لماذا هذه هي الإجابة

العقدة الأقصى يسارًا في الشجرة الفرعية اليمنى هي 60، فتحل محل 50 ويُزال موضعها القديم، واستخدام السابق سيعطي 40.

الإجابة

D · 60
5.نظرية البيانات

الإجابة: k = 2

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

13 − 1 = 12

الحواف المراد حذفها

k = 14 − 12 = 2

الإجابة

k = 2
6.نظرية البيانات

الإجابة: W = 51

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

GD (1): خذ
DF (2): خذ
CE (6): خذ
GE (9): خذ
DE (13): تخطَّ، تُغلق دورة
BC (15): خذ
BD (17): تخطَّ، تُغلق دورة
AB (18): خذ

الوزن الكلي

W = 1 + 2 + 6 + 9 + 15 + 18 = 51

الإجابة

W = 51

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