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

Welcher Sortieralgorithmus ist stabil?

  1. AHeapsort
  2. BSelectionsort (typische Variante)
  3. CMergesort
  4. DQuicksort (typische In-place-Variante)
2.Algorithmen & KomplexitätSchwer

Welche Laufzeit hat der Dijkstra-Algorithmus mit einem binären Heap auf einem Graphen mit V Knoten und E Kanten?

  1. AO((V + E) log V)
  2. BO(V³)
  3. CO(V × E)
  4. DO(V + E)
3.DatenstrukturenMittel

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

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

Das Löschen eines Knotens mit zwei Kindknoten aus einem binären Suchbaum erfolgt üblicherweise durch:

  1. AVertauschen mit der Wurzel
  2. BEntfernen des gesamten Teilbaums
  3. CErsetzen durch seinen In-Order-Nachfolger (oder -Vorgänger) und Löschen dieses Knotens
  4. DDen darunterliegenden Teilbaum von Grund auf neu aufbauen und jeden darin enthaltenen Schlüssel erneut einfügen
5.GraphentheorieMittel
ABCDEFEuler-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| = 6|E| = 7
  1. 1Euler-Kreis
  2. 2Euler-Weg, kein Kreis
  3. 3keines von beiden
6.GraphentheorieSchwer
ABCDE

Wie viele Wege der Länge 3 führen von A nach B? Ein Weg darf Knoten und Kanten wiederholen. Nenne die Zahl N.

M = AdjazenzmatrixL = 3
N =

3Lösungen

1.Algorithmen & Komplexität

Antwort: C · Mergesort

Warum das die Antwort ist

Mergesort ist stabil, wenn beim Zusammenführen bei Gleichheit zuerst aus der linken Hälfte genommen wird. In-place-Quicksort, Heapsort und Selectionsort sind in der Regel nicht stabil.

Antwort

C · Mergesort
2.Algorithmen & Komplexität

Antwort: A · O((V + E) log V)

Warum das die Antwort ist

Es gibt V Extract-Min- und bis zu E Decrease-Key-Operationen mit jeweils O(log V); ein Fibonacci-Heap verbessert dies auf O(E + V log V).

Antwort

A · O((V + E) log V)
3.Datenstrukturen

Antwort: C · 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

C · O(1)
4.Datenstrukturen

Antwort: C · Ersetzen durch seinen In-Order-Nachfolger (oder -Vorgänger) und Löschen dieses Knotens

Warum das die Antwort ist

Der In-Order-Nachfolger hat höchstens ein Kind, daher lässt er sich leicht entfernen, nachdem sein Schlüssel in den zu löschenden Knoten kopiert wurde.

Antwort

C · Ersetzen durch seinen In-Order-Nachfolger (oder -Vorgänger) und Löschen dieses Knotens
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) = 2, deg(B) = 3, deg(C) = 3, deg(D) = 3, deg(E) = 2, deg(F) = 1

Ungerade Knoten

B, C, D, F → 4
keines von beiden

Antwort

keines von beiden
6.Graphentheorie

Antwort: N = 6

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 1 1 0 0
B: 1 0 1 1 1
C: 1 1 0 0 1
D: 0 1 0 0 0
E: 0 1 1 0 0

Ein weiterer Schritt

(M³)AB = 2·1 + 1·0 + 1·1 + 1·1 + 2·1 = 6

Antwort

N = 6

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