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(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,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 K_n: (n − 1)!/2
Dijkstra-Aktualisierung: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Wege der Länge L: (Mᴸ)_ij

Methode

Schreibe den Grad jedes Knotens auf; die Grade summieren sich zum Doppelten der Kantenzahl.
Prüfe bei Euler-Aufgaben, ob der Graph zusammenhängend ist, und zähle die Knoten mit ungeradem Grad.
Verwende bei Bäumen n − 1 Kanten und das Handschlaglemma.
Führe bei Dijkstra eine Tabelle der vorläufigen Abstände und schließe in jeder Runde den kleinsten noch offenen Knoten ab.
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

Die untere Schranke für vergleichsbasiertes Sortieren im Worst Case ist:

AΩ(log n)
BΩ(n log n)
CΩ(n)
DΩ(n²)

2.Algorithmen & KomplexitätSchwer

Der Strassen-Algorithmus multipliziert Matrizen mit 7 statt 8 rekursiven Multiplikationen von Blöcken halber Größe. Welche Laufzeit hat er?

AΘ(n² log n)
BΘ(n^{log₂ 7}), etwa n^2,81
CΘ(n³)
DΘ(n²)

3.DatenstrukturenMittel

Ein Binärbaum hat die Wurzel 1 mit linkem Kind 2 und rechtem Kind 3; Knoten 2 hat die Kinder 4 (links) und 5 (rechts). Wie lautet die Pre-Order-Traversierung?

A4 2 5 1 3
B1 2 4 5 3
C4 5 2 3 1
D1 2 3 4 5

4.DatenstrukturenSchwer

Welche Aussage über Heapsort ist richtig?

AEr braucht einen binären Suchbaum als zusätzlichen Speicher und verbraucht daher O(n) zusätzlichen Speicher
BEr ist stabil und braucht O(n) zusätzlichen Speicher
CEr läuft bei jeder Eingabe in O(n)
DEr sortiert in place in O(n log n) im schlechtesten Fall, ist aber nicht stabil

5.GraphentheorieMittel

Ein Baum hat 3 Knoten vom Grad 4, 2 Knoten vom Grad 5, 3 Knoten vom Grad 2, und alle seine anderen Knoten sind Blätter (Grad 1). Wie viele Blätter L hat er?

3 × deg 42 × deg 53 × deg 2

L =

6.GraphentheorieSchwer

Der Dijkstra-Algorithmus läuft von A aus. Klicke den Knoten an, der in Runde 5 abgeschlossen (endgültig gemacht) wird; A selbst ist Runde 1.

Start: ARunde 5

3Lösungen

1.Algorithmen & Komplexität

Antwort: B · Ω(n log n)

Warum das die Antwort ist

Jedes vergleichsbasierte Sortierverfahren benötigt im Worst Case mindestens log₂(n!) ≈ n log n Vergleiche. Countingsort unterbietet dies, weil es keine Vergleiche durchführt.

Antwort

B · Ω(n log n)

2.Algorithmen & Komplexität

Antwort: B · Θ(n^{log₂ 7}), etwa n^2,81

Warum das die Antwort ist

Mit a = 7 und b = 2 dominiert n^{log₂ 7} den O(n²)-Additionsaufwand, das ergibt etwa n^2,81.

Antwort

B · Θ(n^{log₂ 7}), etwa n^2,81

3.Datenstrukturen

Antwort: B · 1 2 4 5 3

Warum das die Antwort ist

Pre-Order besucht 1, dann seinen linken Teilbaum (2, 4, 5), dann 3; die anderen Optionen sind In-Order, Post-Order und Level-Order.

Antwort

B · 1 2 4 5 3

4.Datenstrukturen

Antwort: D · Er sortiert in place in O(n log n) im schlechtesten Fall, ist aber nicht stabil

Warum das die Antwort ist

Heapsort baut einen Max-Heap und entnimmt n-mal das Maximum innerhalb desselben Arrays; Vertauschungen über große Abstände können gleiche Schlüssel umordnen.

Antwort

D · Er sortiert in place in O(n log n) im schlechtesten Fall, ist aber nicht stabil

5.Graphentheorie

Antwort: L = 14

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; K_n 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.

Handschlaglemma für einen Baum

L + 28 = 2(L + 8) − 2

L = 14

Antwort

L = 14

Abkürzung: L = 2 + Σ (d − 2) über die Knoten mit Grad d ≥ 3.

6.Graphentheorie

Antwort: F

Kürzeste Wege und aufspannende Bäume: Der Dijkstra-Algorithmus schließt in jeder Runde einen Knoten ab: den offenen Knoten mit dem kleinsten vorläufigen Abstand. Sein Abstand ist dann endgültig, und jeder Nachbar v erhält d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf, indem er die Kanten von leicht nach schwer nimmt und jede Kante überspringt, die einen Kreis schließen würde; der Prim-Algorithmus lässt einen Baum von einem Startknoten aus wachsen, indem er immer die leichteste Kante hinzufügt, die aus ihm herausführt. Ein aufspannender Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten.

Dijkstra Runde für Runde

1. A (0): B: 9, C: 14

2. B (9): E: 12

3. E (12): D: 26, F: 20

4. C (14)

5. F (20)

6. D (26)

Runde 5

Antwort

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