Algorithmen und Datenstrukturen: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 6 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Graphentheorie

Handschlaglemma
Σ deg(v) = 2|E|
Vollständige Graphen
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Regulärer Graph
|E| = n·k/2
Baum und Wald
|E| = n − 1, |E| = n − c
Blätter eines Baums
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
Kreis: alle Grade gerade; Weg: genau 2 ungerade Grade
Hamilton-Kreise in Kn
(n − 1)!/2
Dijkstra-Aktualisierung
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Wege der Länge L
(Mᴸ)ij

Methode

  1. Schreibe den Grad jedes Knotens auf; die Grade summieren sich zum Doppelten der Kantenzahl.
  2. Prüfe bei Euler-Aufgaben, ob der Graph zusammenhängend ist, und zähle die Knoten mit ungeradem Grad.
  3. Verwende bei Bäumen n − 1 Kanten und das Handschlaglemma.
  4. Führe bei Dijkstra eine Tabelle der vorläufigen Abstände und schließe in jeder Runde den kleinsten noch offenen Knoten ab.
  5. Sortiere für einen minimalen aufspannenden Baum die Kanten nach Gewicht und überspringe jede Kante, die einen Kreis schließt (Kruskal), oder lass einen Baum von einem Startknoten aus wachsen (Prim).

2Übungsaufgaben

1.Algorithmen & KomplexitätMittel

Welche Laufzeit hat LSD-Radixsort für n ganze Zahlen mit d Ziffern zur Basis k?

  1. AO(n log n)
  2. BO(n²)
  3. CO(dn log k)
  4. DO(d(n + k))
2.Algorithmen & KomplexitätSchwer

Worin unterscheidet sich ein unentscheidbares Problem von einem praktisch unlösbaren (intractable)?

  1. AEin unentscheidbares Problem hat keinen Algorithmus für alle Eingaben; ein praktisch unlösbares hat einen, der aber zu langsam ist
  2. BPraktisch unlösbare Probleme können von keinem Algorithmus gelöst werden, unentscheidbare brauchen nur exponentielle Zeit
  3. CBeides bedeutet, dass es für das Problem überhaupt keinen Algorithmus gibt
  4. DUnentscheidbare Probleme liegen in NP, praktisch unlösbare in P
3.DatenstrukturenMittel

Wie lange dauert es, mit einer Adjazenzmatrix zu prüfen, ob die Kante (u, v) existiert?

  1. AO(1)
  2. BO(log V)
  3. CO(V)
  4. DO(E)
4.DatenstrukturenSchwer

Ein Objekt wird als Schlüssel in einer Hashmap gespeichert, danach wird ein Feld geändert, das in seine Hashfunktion eingeht. Was ist die wahrscheinliche Folge?

  1. ADie Map verschiebt den Schlüssel automatisch in seinen neuen Bucket
  2. BNichts ändert sich, weil der Hash eines Schlüssels nur einmal beim Programmstart berechnet wird
  3. CDie Suche nach dem Objekt kann fehlschlagen, weil es im Bucket seines alten Hashs liegt
  4. DDie Map wirft im Moment der Feldänderung einen Fehler
5.GraphentheorieMittel
ABCDEEuler-KreisEuler-Weg, kein Kreiskeines von beiden

Hat der zusammenhängende Graph einen Euler-Kreis, einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, oder keines von beiden? Klicke deine Antwort an.

|V| = 5|E| = 5
  1. 1Euler-Kreis
  2. 2Euler-Weg, kein Kreis
  3. 3keines von beiden
6.GraphentheorieSchwer
ABCDEF

Wie viele geschlossene Wege der Länge 2 beginnen und enden bei E? Ein Weg darf Knoten und Kanten wiederholen. Nenne die Zahl N.

M = AdjazenzmatrixL = 2
N =

3Lösungen

1.Algorithmen & Komplexität

Antwort: D · O(d(n + k))

Warum das die Antwort ist

Jeder der d Durchläufe ist ein Countingsort mit Kosten O(n + k), also ist der Gesamtaufwand bei festen d und k linear in n.

Antwort

D · O(d(n + k))
2.Algorithmen & Komplexität

Antwort: A · Ein unentscheidbares Problem hat keinen Algorithmus für alle Eingaben; ein praktisch unlösbares hat einen, der aber zu langsam ist

Warum das die Antwort ist

Für das Halteproblem gibt es überhaupt keinen Algorithmus; ein NP-schweres Problem wie das TSP lässt sich per Brute Force lösen, nur nicht in bekannter polynomieller Zeit.

Antwort

A · Ein unentscheidbares Problem hat keinen Algorithmus für alle Eingaben; ein praktisch unlösbares hat einen, der aber zu langsam ist
3.Datenstrukturen

Antwort: A · O(1)

Warum das die Antwort ist

Der Matrixeintrag in Zeile u, Spalte v zeigt sofort, ob die Kante existiert; eine Adjazenzliste muss eventuell die Nachbarn von u durchsuchen.

Antwort

A · O(1)
4.Datenstrukturen

Antwort: C · Die Suche nach dem Objekt kann fehlschlagen, weil es im Bucket seines alten Hashs liegt

Warum das die Antwort ist

Der Platz des Schlüssels wurde anhand seines alten Hashs gewählt; mit einem neuen Hash suchen Abfragen im falschen Bucket, daher sollten Schlüssel unveränderlich sein.

Antwort

C · Die Suche nach dem Objekt kann fehlschlagen, weil es im Bucket seines alten Hashs liegt
5.Graphentheorie

Antwort: keines von beiden

Euler, Hamilton und Bäume: Ein zusammenhängender Graph hat einen Euler-Kreis (jede Kante einmal, zurück zum Start), wenn jeder Knoten geraden Grad hat, und einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, wenn genau zwei Knoten ungeraden Grad haben; der Weg verläuft dann von einem ungeraden Knoten zum anderen. Ein Hamilton-Kreis besucht jeden Knoten einmal; Kn hat (n − 1)!/2 davon. Ein Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten, und ein zusammenhängender Graph mit m Kanten behält einen aufspannenden Baum, wenn man m − n + 1 Kanten entfernt.

Grade

deg(A) = 1, deg(B) = 3, deg(C) = 3, deg(D) = 1, deg(E) = 2

Ungerade Knoten

A, B, C, D → 4
keines von beiden

Antwort

keines von beiden
6.Graphentheorie

Antwort: N = 4

Grade: Der Grad eines Knotens ist die Anzahl der Kanten, die an ihm enden. Jede Kante hat zwei Enden, daher summieren sich die Grade zum Doppelten der Kantenzahl: Σ deg(v) = 2|E| (das Handschlaglemma). Die Anzahl der Knoten mit ungeradem Grad ist deshalb gerade. Kn hat n(n − 1)/2 Kanten, ein k-regulärer Graph mit n Knoten hat nk/2, und ein Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten.

Adjazenzmatrix

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

Gemeinsame Nachbarn

(M²)EE = 0·0 + 1·1 + 1·1 + 1·1 + 0·0 + 1·1 = 4

Antwort

N = 4

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