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

تكون البرمجة الديناميكية مفيدة عندما تحتوي المسألة على:

Aحلقة واحدة
Bمدخلات عشوائية فقط
Cلا مسائل فرعية على الإطلاق، فيمكن حلها في خطوة واحدة
Dمسائل فرعية متداخلة وبنية فرعية مثلى

2.الخوارزميات والتعقيدصعبة

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

AΘ(n log n)
BΘ(n²)
CΘ(n^{log₂ 3})، أي نحو n^1,585
DΘ(n³)

3.هياكل البياناتمتوسطة

في كومة ثنائية مخزّنة في مصفوفة تبدأ من الفهرس 0، أين أبو العقدة ذات الفهرس i؟

Aفي الفهرس i − 1
Bفي الفهرس ⌊i / 2⌋ + 1
Cفي الفهرس ⌊(i − 1) / 2⌋
Dفي الفهرس 2i + 1

4.هياكل البياناتصعبة

ما زمن تنفيذ البحث بالعرض أولًا على مخطط فيه V رأسًا مخزّن بمصفوفة تجاور؟

AO(V²)
BO(V)
CO(V + E)
DO(E log V)

5.نظرية البياناتمتوسطة

بيان متصل له 6 رؤوس و12 حافة. كم حافة k يجب حذفها لتبقى شجرة ممتدة؟

|V| = 6|E| = 12

k =

6.نظرية البياناتصعبة

كم مسارًا مغلقًا (closed walk) بطول 2 يبدأ وينتهي عند B؟ يجوز للمسار تكرار الرؤوس والحواف. سمِّ العدد N.

M = مصفوفة التجاورL = 2

N =

3المحاليل

1.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: D · مسائل فرعية متداخلة وبنية فرعية مثلى

لماذا هذه هي الإجابة

تخزين نتائج المسائل الفرعية المتداخلة (التذكير memoisation أو الجدولة tabulation) يتجنب العمل المكرر، فيحوّل الخوارزميات الأسّية إلى خوارزميات كثيرة الحدود.

الإجابة

D · مسائل فرعية متداخلة وبنية فرعية مثلى

2.الخوارزميات والتعقيد

الإجابة: C · Θ(n^{log₂ 3})، أي نحو n^1,585

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

C · Θ(n^{log₂ 3})، أي نحو n^1,585

3.هياكل البيانات

الإجابة: C · في الفهرس ⌊(i − 1) / 2⌋

لماذا هذه هي الإجابة

ابنا i في 2i + 1 و2i + 2، فيكون أبو i في ⌊(i − 1) / 2⌋، ومع الفهرسة من 1 يكون ⌊i / 2⌋.

الإجابة

C · في الفهرس ⌊(i − 1) / 2⌋

4.هياكل البيانات

الإجابة: A · O(V²)

لماذا هذه هي الإجابة

يمسح كل رأس من الرؤوس V صفًا من V مدخلًا، فيكون الزمن O(V²)، ومع قوائم التجاور يكون BFS في O(V + E).

الإجابة

A · O(V²)

5.نظرية البيانات

الإجابة: k = 7

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.

حواف الشجرة الممتدة

6 − 1 = 5

الحواف المراد حذفها

k = 12 − 5 = 7

الإجابة

k = 7

6.نظرية البيانات

الإجابة: N = 3

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 1 0 1 0

C: 1 1 0 0 1 0

D: 0 0 0 0 0 1

E: 0 1 1 0 0 1

F: 0 0 0 1 1 0

الجيران المشتركون

(M²)_BB = 1·1 + 0·0 + 1·1 + 0·0 + 1·1 + 0·0 = 3

الإجابة

N = 3

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